赵祥林 刘贤龙
(大冶有色金属有限责任公司冶炼厂, 湖北 黄石 435005)
某铜冶炼厂的火法熔炼系统历经反射炉、诺兰达炉和澳斯麦特炉的变革。2010年开始引进澳斯麦特炉(以下简称“澳炉”)富氧顶吹熔池熔炼技术，火法系统采用澳炉熔炼+PS转炉吹炼+阳极炉精炼的作业模式，配备有1台澳炉、5台转炉和2个制酸系统，设计产能为粗铜30万t/a、硫酸97万t/a。通过系统的优化，2019年粗铜产能最高达到32.5万t/a、硫酸108万t/a。
目前，绿色发展已经成为全球主流趋势，有色金属冶炼作为传统高能耗高污染行业，建设绿色工厂逐渐成为行业内未来发展的趋势[1]。基于建设绿色工厂的需要，该冶炼厂将三台转炉生产减少为两台，澳炉处理量从210 t/h降低至180 t/h，预测粗铜年产量下降至25.5万t(表1)。
表1 年产32.5万t及25.5万t粗铜相关生产数据
在澳炉处理量180 t/h、开两台转炉的情况下，粗铜年产量仅有25.5万t，想要进一步提升产能规模，面临以下几个问题：1)澳炉富氧浓度偏低，SO2浓度低、烟气量大，澳炉加料量受到限制；
2)澳炉铜锍品位控制较低，仅有55%，自热反应热量不足，需要燃烧大量粉煤补充热量，能耗高，热效率低；
3)由于铜锍品位低且量大，转炉吹炼时间长，处理能力不足，且烟气量大；
4)由于澳炉和转炉烟气量大，加上系统漏风，导致制酸系统处理能力不足。
针对上述问题，将澳炉铜锍品位从55%提高到62%～65%，氧气浓度从67%提高至72%～75%，希望通过高氧气浓度熔炼，降低熔炼烟气量，提高澳炉处理能力；
提高熔炼热效率，降低澳炉系统的能耗；
大幅度降低铜锍量，缩短转炉吹炼时间，提高转炉处理能力；
大幅减少熔炼和吹炼总烟气量，降低制酸系统负荷。高富氧浓度高铜锍品位熔炼同时影响熔炼炉内氧势变化，动能的传递、物质反应的过程，对熔炼过程有着极大的影响。
提高氧气浓度，具有以下优点：1)可降低熔炼烟气量，减少澳炉尾气烟尘量，提高直收率；
2)可减少烟气对澳炉耐火砖的冲刷，提高澳炉寿命；
3)降低澳炉熔池熔体喷溅频次，减少锅炉结焦；
4)减少澳炉和转炉烟气无组织散排量，实现产能规模的提升；
5)提高SO2浓度，从而有利于提高制酸系统效率；
6)提高澳炉熔池冶化强度，使反应更加彻底；
7)减少烟气热量损失，提高热效率，降低能耗[2]。
提高铜锍品位，具有以下优点：1)降低铜锍产出率，降低转炉负荷和烟气总量；
2)缩短转炉吹炼时间，使其处理能力提升；
3)转炉转进转出频次降低，漏风率下降；
4)澳炉炉料FeS的氧化程度高，脱硫率大，热效率高；
5)铜锍品位进一步提高，吹炼系统工艺具有更多选择。
然而，提高氧气浓度和铜锍品位，会产生以下弊端：1)氧气浓度过高，风量过低，触动工艺联锁；
喷枪冷却不足，导致喷枪寿命缩短；
2)风氧量下降，喷枪对熔池传质传热效果下降，物料反应不完全；
热传递不够，澳炉溶体可能出现炉渣温度高、铜锍温度低的问题，导致电炉电耗高；
3)澳炉渣多铜锍少，炉渣Fe3O4含量上升；
4)铜锍和炉渣熔点升高；
5)烟气热量下降，蒸发量不足，收尘进口温度低；
6)铜锍品位和炉渣熔点高，电炉电耗高；
7)溜槽粘接严重，放铜、放渣困难；
8)铜锍品位上升，炉渣量增大，铜在渣中损失增多；
9)转炉热量减少，冷料处理能力下降。铜锍品位上升后，铜锍包壳增多，但转炉吹炼热量降低，冷料处理能力不足。
通过分析高氧气浓度、高品位作业利弊可以发现，熔池温度、渣型、铜锍品位和富氧浓度关系紧密，相互影响。
某冶炼厂开展高氧气浓度、高铜锍品位试验，针对其中遇到的问题进行了大量理论研究，并在后期实践中采取相关措施优化应用。
2.1 澳炉工序
高氧气浓度、高品位作业的核心在于澳炉系统，要解决喷枪寿命缩短及工艺联锁限制、熔池传质传热变差、熔池四氧化三铁含量上升、高温熔体熔点升高等问题。
2.1.1 喷枪寿命缩短及工艺联锁
将澳炉富氧浓度从67%提高到72%～75%，最大的影响是降低了喷枪风量，影响喷枪冷却效果。澳炉PCS系统要求喷枪风量不得低于8 000 Nm3/h，否则会触动工艺联锁报警，同时为了确保喷枪冷却效果，保证喷枪寿命，一般控制喷枪管内的气体流速不低于70 m/s。
澳炉入炉精矿和产出铜锍及炉渣的成分见表2。
表2 入炉精矿、铜锍和炉渣成分
根据表2，通过物料平衡和热平衡计算，结合生产实际，在生产的铜锍品位为65%、确保喷枪冷却效果的前提下，澳炉最低小时处理量见表3。
表3 澳炉加料量计算
根据表2和表3，得到以下结论：1)当澳炉小时处理量超过180 t时，可以将氧气浓度提高至72%；
当小时处理量超过186 t时，可以将氧气浓度提高到75%；
2)当澳炉控制生产，小时处理量低于180 t时，必须调整氧气浓度以确保喷枪得到足够的冷却。因此，只要澳炉小时处理能力达到180 t以上，完全可以将澳炉氧气浓度提高到72%以上，即澳炉具备将氧气浓度提升至72%～75%的条件。
在试验过程中，澳炉小时处理量超过180 t时，富氧浓度基本控制在72%～75%，平均73%，喷枪没有出现明显弯曲，寿命基本维持在8～10 d。
2.1.2 熔池传质传热不足
顶吹浸没熔炼技术的核心为赛洛喷枪[3]，氧气浓度提高后，喷枪风氧量下降，对熔池的搅拌减弱，影响物料的传质传热[4]，导致以下后果：
1)热量难以传递到澳炉底部，存在炉渣温度高、铜锍温度低的问题，流入电炉的铜锍温度低，导致电炉电耗高。
2)澳炉炉内物料混合不均匀，存在局部夹生料和过氧化的现象。
试验后，澳炉炉壳底部温度下降10 ℃，堰口时常有结块，且结块的Fe3O4含量最高达到28%；
从堰口观察熔体发现，熔体中存在反应不完全的半熔体。结块和半熔体的产生导致熔体瞬时流量激增，形成大流量，频率6～8次/d，这是喷枪传质传热效果变差所致。针对上述问题，从以下两个方面来采取措施。
2.1.2.1 提高喷枪对熔池水平方向的搅拌
为了提高喷枪对熔池水平方向的搅拌，改变喷枪螺旋角度，缩小出风口与水平方向的夹角。
喷枪结构如图1所示，澳炉喷枪共有5组螺旋，靠近混气室为第1组螺旋，它决定了喷枪传送出来的空气和氧气的角度。
1-风氧管道；
2-螺旋；
3-混气室
针对喷枪传质传热不足的问题，首先缩小第1组螺旋、第2组螺旋与水平方向的夹角，对第1组螺旋和第2组螺旋进行改进，第1组螺旋出风口与水平夹角从63.44°降低至58°，第2组螺旋出风口与水平夹角从69.68°降低至65.16°，增强风氧沿水平方向运动的动能，提高澳炉熔池水平方向的搅动。第3组、第4组和第5组螺旋出风口与水平夹角保持不变，分别为70.32°、75.23°、81.03°。通过改造，增大风氧对熔池水平方向的搅拌。
2.1.2.2 提高喷枪对熔池纵向的搅拌
为了提高喷枪对熔池纵向的搅拌，尝试将喷枪下放，增加喷枪对熔池的传质传热效果，但是喷枪不能接触铜锍层，否则容易烧枪。
澳炉的熔体放出口为具有虹吸作用的堰口，采用溢流的方式连续排放熔体。生产时，澳炉内部熔体高度维持在2 100 mm，铜锍面1 100 mm，为了防止铜锍烧枪，一般控制枪位不低于铜锍面以上500 mm，所以枪位控制在1 600 mm以上是合理的。因此，可以将喷枪浸没熔池深度从200～300 mm调整到300～500 mm。
通过改造喷枪和调整枪位，澳炉熔池内传质传热增强[4]，熔体大流量现象已经消除，效果明显。
2.1.3 熔池四氧化三铁含量上升
将铜锍品位提高到62%～65%，必须要研究熔池中熔体的物理化学性能和成分变化，而且四氧化三铁含量的变化是关键，关系到熔池熔体熔点的变化、温度的控制、渣型的选择等。
根据铜冶金铜锍中FeS活度与炉渣中四氧化三铁活度的关系图[5]可以发现：1)温度降低、铜锍品位提高、活度αFeO上升，均会导致四氧化三铁含量上涨；
2)当铜锍品位接近80%时，αFe3O4显著升高。造锍熔炼最佳铜锍品位为60%以下，不得超过70%。试验结果也证明了这一点。高铜锍品位高氧气浓度验前后的关键参数见表4。
表4 实验前后澳炉关键参数
当澳炉铜锍品位为50%～60%时，四氧化三铁含量为6.6%；
当铜锍品位提升到60%以上时，四氧化三铁含量上涨至8.01%。进一步提升铜锍品位，澳炉炉内反应明显变差，四氧化三铁含量增加，堰口结块多，熔体大流量频繁。
熔池中四氧化三铁、铜锍和炉渣三相之间的平衡关系，可以用下式表达：
3Fe3O4(s)+FeS(l)=10FeO(l)+SO2(g)
(1)
FeS活度大、FeO活度小以及SO2分压低有利于Fe3O4的还原，使其参与造渣。从式(1)也可以看出，铜锍品位提高会导致FeS活度下降，氧气浓度提高会导致SO2分压上涨，均会促进四氧化三铁的产生；
另外，由于FeO活度降低可抑制四氧化三铁产生，可以通过加入SiO2来调整FeO活度，即降低炉渣的铁硅比[6]，但是SiO2熔点较高，如果炉渣中含硅量过高，会导致炉渣熔点升高。
通过上述分析，可采取以下措施控制四氧化三铁含量：
1)澳炉设计的铁硅比为1.2～1.4，可适当增加SiO2的含量，将铁硅比控制在1.1～1.3，从而有效地降低四氧化三铁含量并防止硅饱和。如表5所示，试验中将澳炉铁硅比从1.3降低至1.26，后期进一步降低至1.20。
2)适当提高炉温。将澳炉炉温从1 180 ℃提高到1 203 ℃，可以有效降低磁性氧化铁含量。试验后期磁性氧化铁含量有所下降，温度调整到1 195 ℃。
3)严禁喷枪口正压，将锅炉进口压力控制在-20 Pa，长期维持微负压，有效降低SO2分压，从而抑制四氧化三铁的产生。
如表4所示，试验前期，四氧化三铁含量从6.6%提高到8.01%，试验后期采取了措施后又降低至7.68%。
2.1.4 熔体熔点上升
铜锍与炉渣的成分与入炉料成分、喷枪的搅动、铜锍品位有很大的关系。随着铜锍品位和氧气浓度的提高，四氧化三铁含量增加，喷枪对熔池的搅拌作用变弱，传质传热效果变差，熔池熔体的物相组成会发生变化，直接影响炉渣和铜锍的熔点[7]，表现为澳炉喷枪端压力增加，熔池喷溅量增大，结焦增多，熔体黏度增大，喷枪结焦难以掉落等；
锅炉结焦严重，掉焦频繁；
沉降电炉的铜锍和炉渣黏度大，熔体粘接溜槽，排放困难。
针对上述问题，采取以下措施：
1)提高澳炉炉温和电炉铜渣温度，将澳炉炉温从1 180 ℃提高到1 203 ℃，后期降低至1 195 ℃；
将电炉铜渣温度从1 202 ℃提高至1 215 ℃，通过提高温度降低熔体黏度。
2)提高铜锍品位后，渣量增大，精矿中的氧化钙不足，炉渣钙含量仅有1%～3%。通过加入石灰石，提高原料钙硅比，将炉渣钙含量控制在3%～5%，可以有效降低炉渣熔点。
2.2 锅炉收尘工序
提高氧气浓度和铜锍品位，对锅炉及收尘系统的主要影响是热量下降，出现蒸发量不足、电收尘进口温度过低的问题。
2.2.1 蒸发量不足
氧气浓度提高后，烟气量减少，烟气带走的热量减少，但是可以通过提高澳炉加料量来维持澳炉烟气量，确保烟气量不下降。同时随着氧气浓度的提高，相同烟气量的热焓提高，会导致锅炉蒸发量上涨[7]。
为了确保蒸发量，采取以下措施：
1)提高澳炉处理量，确保澳炉烟气量不出现大幅下降。
2)加强锅炉结焦维护，提高振打频次和加入合理的结焦抑制剂，减少烟道结焦，提高锅炉热效率。
3)提高锅炉查漏补漏次数，减少锅炉漏风现象，特别要注意锅炉下降段和水平段区域的补漏工作，因为这个区域的烟气温度为400～500 ℃，是SO2氧化产生SO3的区域。
试验前后锅炉及收尘的关键参数见表5。
表5 试验前后锅炉及收尘关键参数
从表5可以看出，试验进行后电收尘进、出口温度都降低了，烟气带走热量下降，但是加料量得到提高，小时处理量从180 t提高到205 t；
氧气浓度提高后烟气的热焓上涨，总蒸发量基本不变，后期蒸发量降低，这与锅炉结焦减少有一定关系。
2.2.2 电收尘进口温度低
电收尘温度低，容易存在露点腐蚀温度，但从表5来看，电收尘进口温度变化并不大，达到355 ℃，露点腐蚀问题暂时不存在，但电收尘依然需要加强补漏工作，减少漏风、产生露点腐蚀。
2.3 沉降电炉工序
提高氧气浓度和铜锍品位，对电炉系统的主要影响是：渣含铜量上升，电耗提高，放铜、放渣困难。
2.3.1 渣含铜量升高
铜锍品位提高，导致铜在渣中的损失增多，这是根据分配定律得出的结论。在一定温度下，一种物质溶解在两个互不相溶的液相中，平衡时该物质在两相中的浓度比为一个常数，即：
K铜渣/K铜锍=KCu
(2)
式中，K铜渣为铜在渣中的溶解量；
K铜锍为铜在铜锍中的溶解量；
KCu为铜在熔体中的分配系数。
因此当铜锍品位提高时，理论上渣中含铜量也会上升，而且随着渣量的增大，铜在渣中的损失会进一步增大，导致金属直收率下降[8]。
试验前后电炉工序的关键参数见表6。
表6 试验前后电炉工序关键参数
如表6所示，铜锍品位提高后，炉渣率从50.9%提高到54.7%，渣含铜量从0.738%提高至0.777%，炉渣量上升约5%，渣量和渣含铜量的上升，导致澳炉系统直收率下降。
针对上述问题，采取以下措施控制渣含铜量：
1)适当提高铜锍和炉渣的温度，同时提高铜锍与炉渣的温度差。
2)控制合理的铜锍面和渣面，保持低渣面；
沉降电炉炉后两个放渣口采用单边放渣，另一边备用的方式均衡放渣。
3)还原炉渣中的Fe3O4，降低炉渣黏度。例如，为了提高澳炉进入电炉熔体的Fe3O4含量，可以增大块煤用量，但是块煤用量增大会减少粉煤用量，进一步降低喷枪的传质传热效果，所以块煤与粉煤的比例不宜过大；
在电炉内增加喷吹设备，尝试鼓入一定量的硅粉，降低FeO活度，促使Fe3O4还原；
在电炉内烧柴油还原Fe3O4。
2.3.2 电炉电耗上升
从表6可以看出，试验进行后电炉电单耗从28.53 kW·h/t矿提高到33.1 kW·h/t矿，电炉每日电耗从12万kW·h提高到13万kW·h，这是喷枪传质传热差、进入电炉的铜锍温度低所致；
另外，铜锍品位上升后，铜锍黏度增大，需要更高的温度来降低黏度。
电耗控制可以通过以下措施进行：1)控制电炉负压，减少热损失；
2)炉内烧柴油或者喷吹硅粉还原，利用柴油具有还原性和硅粉能够与Fe3O4及FeS反应生成铁橄榄石的原理，降低Fe3O4含量；
3)优化电压极控制，提高功率。
通过实践，电炉目前电耗基本控制在12万kW·h，达到试验前的水平。
2.3.3 电炉放铜锍、放渣困难
铜锍黏度增大，粘接电炉的陶瓷溜槽严重，导致清理难度大，放铜时间从13～15 min/包提高至17～20 min/包，影响放铜效率及转炉进铜效率。
针对上述问题，从以下几个方面采取措施：1)提高铜锍温度，降低铜锍黏度；
2)提高放铜口直径，从55 mm提高到60 cm；
3)将陶瓷放铜溜槽改成铜水套，降低清理难度。
目前采取了前两项措施，放铜时间降至16 min左右，基本能够满足生产需要，后期将进一步采取第3项措施，降低职工清理溜槽劳动强度。
2.4 转炉工序
提高氧气浓度和铜锍品位，对转炉系统产生的主要影响是：锍铜粘接铜包导致铜锍包壳的冷料增多；
热量减少，转炉处理冷料能力下降。
2.4.1 铜锍包壳增多
提高铜锍品位后，每个铜包产生铜锍包壳1～1.5 t，每天产生铜锍包壳50～70 t，加上转炉造渣期缩短，处理铜锍冷料能力下降，转炉自产冷料难以平衡。实践中，转炉在铜锍品位低于60%时冷料能够平衡，如果铜锍品位超过60%，则会导致冷料难以平衡。
针对上述问题，主要从生产协调方面采取措施减少冷料：转炉需要进料时给电炉铜包，电炉听从转炉指令放铜，放铜后立刻拉出铜包，再利用转炉行车立刻将铜包吊走，并将铜锍加入转炉，减少铜锍在铜包中的停留时间，从而减少粘接，目前冷料产生量为50 t/d左右。
2.4.2 转炉热量减少
提高铜锍品位后，铜锍中FeS含量下降，脱硫率上升，直接导致转炉造渣期缩短，热量减少，难以消耗产生的铜锍包壳，出现铜锍包壳堆积难以处理的难题。
铜锍包壳的增多必须要有解决的路径，单靠转炉无法全部处理，可以采取以下措施处理：1)考虑将铜锍包壳开路，直接外卖；
2)将铜包壳破碎后重新返回澳炉处理。
根据热平衡计算，铜锍包壳返回澳炉处理只需要足够的热量就行，不需要额外消耗氧气、溶剂等物料。1 t冷料返回澳炉处理重新变成热态铜锍需要消耗50 kg粉煤，算上热损失，消耗的粉煤约为0.1 t。目前采取将铜锍包壳回炉处理的措施，澳炉每小时处理能力达到2～5 t，基本能够平衡转炉产生的冷料。
理论及实践证明，澳炉富氧顶吹熔炼技术可以实现高氧气浓度高铜锍品位作业。通过本次试验，将澳炉的富氧浓度提高至72%～75%，铜锍品位提高至62%～65%，在顶吹熔炼炉中达到较好水平，同时提高了产能规模和转炉能力，降低制酸系统负荷以及实现节能降耗。试验前后的参数对比见表7、表8。
表7 试验前后参数对比
表8 试验前后制酸烟气量对比
3.1 产能提升
通过高氧气浓度高铜锍品位作业，提高了转炉的处理能力，降低了制酸系统的压力，澳炉小时处理能力提高到200 t，粗铜产能从年产25.5万t提高到28.5万t。
3.2 转炉处理能力上升
澳炉产出高品位铜锍，铜锍产出率从40%降低至29.7%，铜锍量下降25%，转炉吹炼时间缩短，每天2台炉可以处理64包热态铜锍，产出820 t粗铜。
3.3 制酸系统负荷下降
试验转炉少开1台，硫酸总风量与试验前基本一致，但比往年总风量减少约7万Nm3/h。转炉处理的热态铜锍减少，转炉一周期总风量降低，同时转进、转出频次降低，漏风率下降，制酸系统负荷降低，有利于绿色工厂的建设。
3.4 节能降耗
虽然高氧气浓度高铜锍品位作业导致电炉每日电耗增加约10 000 kW·h，但是澳炉煤单耗从0.025 8 t/t下降至0.023 1 t/t，下降幅度达到10%，综合能耗下降明显。
本次试验对于富氧顶吹炉具有十分重要的意义。在铜冶炼行业，顶吹炉产出铜锍品位低，吹炼系统基本都选择PS转炉，工艺选择受到限制。在国内铜行业越来越重视环境保护和绿色发展的今日，PS转炉已经逐步面临淘汰，提高顶吹炉铜锍品位，让吹炼工艺有了更多的选择，同时也确保了顶吹熔炼炉在未来铜冶炼熔池熔炼领域能够继续生存。
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