□文/边瑞民 申殿邦 刘俊江

东营方圆有色金属有限公司

铜氧化矿的鼓风炉还原熔炼

Smelting Reduction of Copper Oxide Ore Blast Furnace

□文/边瑞民 申殿邦 刘俊江

东营方圆有色金属有限公司

本文系统介绍了铜氧化矿采用鼓风炉还原熔炼的基本原理、生产过程、常见故障及其处理方法、合理渣型的探讨与建议等。

铜氧化矿还原熔炼工艺原是一项老技术，而现代铜冶炼工艺几乎都将处理硫化矿生产技术作为研究重点。因而铜氧化矿的鼓风炉还原熔炼有数十年无人研究与应用，很少有相关资料。近年来，由于非洲矿产的开发，处理铜氧化矿问题又提上新的议事日程。为此，东营方圆有色金属有限公司（以下简称方圆公司）于2006年建设了一台处理铜氧化矿的矩形全水套鼓风炉（见图1），炉体分别有上下水套组成，底部设有固定式本床。炉料经计量后有加料小车通过提升机运送到加料平台人工上料，打钢钎或烧氧间断放渣放铜，炉渣经水碎后出售。冷却水循环使用，采用罗茨鼓风机供风。烟气依次经沉降冷却室、漩涡收尘器、U形管冷却器，使烟气温度降低到100℃以下，并使其中的粗尘分离，再通过离心式引风机进入布袋室收尘后达标排空，其工艺流程（见图2）。炉子系负压操作，车间内外基本无烟尘，清洁环保，劳动环境优越。

图1 铜氧化矿还原熔炼鼓风炉

图2 铜氧化矿还原熔炼流程图

方圆公司当时尚未建设铜的粗炼系统，而阳极炉产生的精炼渣无适当的设备进行处理，只能廉价出售。铜氧化矿还原熔炼鼓风炉建成投产后，将精炼渣以适当的比例配入氧化矿中处理，效果很好。

该鼓风炉的原料主要有两种，从南非等地进口的铜氧化矿以及自产的铜阳极炉精炼渣，属连续作业，年开炉时间330天，处理料量50 000吨，其中铜氧化矿40 000吨，铜精炼渣10 000吨，生产粗铜10 000吨。经多年的反复生产实践，技术条件不断优化，工艺操作日趋成熟。目前，炉子生产运行稳定，并实现了连续生产，大幅提高了炉子的作业率及处理能力，有效降低了生产成本。其主要经济指标见表1。

一、还原熔炼的基本原理

熔炼时鼓风炉中的炉料逐渐自加料口下降到风口带。含有大量CO的上升气流与炉料相对运动，自150℃时开始，它将铜的氧化物CuO和Cu2O还原成铜。炉料下降时，还原的铜颗粒首先熔化，往下就是渣熔化。在风口带全部熔融物都与鼓风炉的空气相遇。部分已还原的铜又被氧化为Cu2O，并以硅酸盐的形态转入渣中。在这种情况下获得的两种产物，即粗铜和炉渣。铜氧化矿中除铜的氧化物外，尚有其他金属（如铁、铅、砷、锑等）的氧化物，还原熔炼时，后者不可避免的会有部分还原，被还原的其它金属与铜熔合在一起并使铜的品位降低，谓之粗铜。

表1 鼓风炉主要技术经济指标

二、生产过程

1. 开炉

烘炉:开炉前通过检查鼓风炉及其附属装置等配套系统符合开炉要求后，即可按照工艺要求开始点火烘炉。首先用小木柴文火烘烤炉缸32小时使其烘透。清除积灰后，第二次点火加入中木柴，并按照小—中—大控制火势，继续烘烤12小时。从风口观察炉缸砖体颜色发红，即可投入大木柴迅速提高炉温，最后一批木柴必须加至风口区0.5m以上，并要求木柴平均分布，不准有高低不平现象。约2小时后，发现风口木柴基本充分燃烧时，即可加入底焦，底焦共加2 000kg，分四批加入，待第一批焦炭从风口内观察发红时，开始送风10～15分钟，风压100mmHg,接着停风闷烧5～10分钟，再送风，等到最后一批焦炭加完后停风闷烧10分钟，再持续送风，风压为150mmHg,并观察风口焦炭燃烧至发白，从加料口观察焦炭燃烧至发红，火苗全部上齐，便开始投返渣料，即烘炉宣告结束。投返渣料:一般投入返渣料的数量为7～10批，每批返渣料的组成为：焦炭200kg，鼓风炉旱渣800kg，石灰石45kg，萤石15kg，焦率23%。加返渣料的过程中，严禁随意调动风阀，应使风压随料柱不断的提高而自然上升。同时注意观察铜口是否有渣子流出，若发现渣子流出，应立即塞入黄泥打进钢钎。当从风口底部发现有兰火苗跳动时，立即从渣口打出钢钎放渣。返渣料加毕，随即加入正规炉料，待正规炉料加入10批后，开始第一次放铜，至此开炉宣告结束，即可转入正常生产。

表2 主要工艺配方与技术条件

表3 原料、焦炭、熔剂的质量标准

2. 正常生产

鼓风炉的正常作业主要包括加料、排渣与放铜，其工艺操作包括原料、焦炭、熔剂、风口、铜口、渣口、料口、料柱、水套等项内容。其主要工艺配方与技术条件见表2。

加料：物料入炉前首先严格按照原料、焦炭、熔剂的质量标准精心选料，然后依据工艺配方要求准确计量后，分层均匀加入炉内，其装料顺序为焦炭—熔剂—炉料。粉料入炉前应加适量的水并拌匀。料面要装成平整的形状，绝不允许有七高八低的现象。料柱的高低与炉料的透气性有关，块率高、粉料少，则透气性强，料柱就高一些，反之就低一些。但无论哪一种情况，炉子的风压与风量必须保持稳定。原料、焦炭、熔剂的质量标准如表3所示：

风口：风口是鼓风炉的眼睛，在生产过程中，它的状况优劣在一定程度上可标志着炉况的好坏。炉况正常时，打开风口盖板向里窥视，可观察到风口底部有一层均匀的黑色网状渣壳，壳面上布有发出白色亮光的小孔。当炉况恶化时，风口内网状渣壳厚薄不均，壳面上的小孔发红，甚至发黑，有时风口内网状渣壳消失并出现深棚现象，甚至风口结死，风送不进去。因此，对风口的管理要时刻认真观察，发现病态应及时处理。

渣口：渣口的操作开始阶段是间断放渣，用黄泥配合钢钎堵塞。每次放渣时间一般持续30分钟左右，间隔时间一般控制在15～20分钟。目前已经做到连续放渣。排出的渣（含铜0.26%～0.60%）经水碎后至渣斗，再用叉车运送到渣场存放，然后售给水泥厂作原料。

铜口：铜口的管理也是间断操作，打出钢钎放铜，个别时候也需烧氧放铜，用黄泥配合钢钎堵塞。放铜的频率与数量，是根据炉料含铜的高低及炉缸盛铜的多少进行掌握，每班（8小时）一般控制在2～5次，其数量为3～8块（每块550Kg左右）。图4为现场放铜的图片。

料柱：对于鼓风炉的还原熔炼来说，料柱是熔炼制度的一项重要内容，它的高低主要根据炉料的物理规格及化学成分等状况来进行调整，确保风压稳定，并使炉料在炉内有一定的停留时间。由于我公司炉身较高，可根据炉料粉料的多少和块率的高低进行灵活掌握。在实际生产中，料柱一般控制在3.2～5.0m。

水套：水套是鼓风炉最关键的结构部件，方圆公司鼓风炉水套是用锅炉钢板冷压焊接制成的。其使用寿命与冷却水的水质及温度关系密切，冷却水的水质好，温度控制得当（一般控制在45～55℃），水套的使用寿命就长，否则易于损坏，甚至发生安全事故。因此，在实际生产中要密切观察水套的进出水情况，确保合格的水质与合理的水温，严禁超压或缺水。如遇停泵，必须立即打开备用高位水箱冷却，并相应调低风量，防止回水管蒸汽喷射伤人。此外还要定期排污，以防水套结垢。

3.停炉

短期停炉：方圆公司根据实际生产经验，规定在两个班即16小时以内视为短期停炉。首先将料柱提高0.5m左右，并适当提高焦率，然后再停风（先停鼓风机、后停引风机）。同时用黄泥堵严风口，并放尽炉内的液态产物，以待恢复生产。

长期停炉：首先停止正规加料，然后加入9～12批返渣料，并适当提高焦率进行洗炉。此时应继续供风，直至铜口液态产物极少并伴有焦炭吹出时即可停风。

三、常见故障及其处理

1.上燃

上燃是氧化矿与精炼渣还原熔炼的常见故障，特别是单炼精炼渣或其比例过高时，由于料柱的透气性太强产生上燃；再就是布料不均匀，形成料柱空洞，也易产生上燃。通常防止和处理的方法是：粉料与块料合理配搭；加料前对炉料喷上适量的水分；布料一定要做到均匀。一旦发生上燃，应采取先大幅降低料柱，再快速连续加到原有高度的措施来处理。

2.棚料

图4 放铜现场图

棚料现象实际上是高熔点物质在风口区上方半熔状物质的堆积与凝结，从而破坏了正常的炉料下降制度，严重时可被迫停炉。产生的主要原因有：炉料中MgO、Al2O3、ZnO难熔组分过多时生成的镁尖晶石或锌尖晶石以固体状态析出，使渣的熔点升高、粘度增大；粉料过多及布料不均，容易引起半容状物质的凝结；铜精炼渣中耐火料过多，使渣的熔点升高等。通常处理的方法是：严把进料关，使炉料中MgO、ZnO含量均控制在1%以下，Al2O3控制在0.5%以下，减少镁尖晶石或锌尖晶石等高熔点物质的产生；块矿与粉料合理搭配，提高布料的均匀性，防止炉料半容状物质的凝结；对各分厂所产铜精炼渣提出质量标准，出厂前必须进行彻底分拣，绝不允许有耐火料混入。一般棚料故障的发生是有预兆的，主要表现在风口温度偏低、网状渣壳亮点变暗、焦点区上移、渣流动性变差以及风压升高等。当发生这种现象时，应立即组织人员用钢钎捣打料棚，适当降低料柱，适当提高焦率，适当提高渣硅酸度。将温度低的风口调低风量，焦点区上移的风口停止供风，必要时可适当加入部分熔点低的返渣料洗炉。经过以上处理，可使棚料消除，并恢复正常生产。

3.风口结块、深棚

这种故障产生的主要原因有：渣的熔点过高、粘度较大、液面过高、温度偏低等。通常防止和处理的方法是：选择熔点和粘度合理的渣型，保持适当的渣面，再就是调整风口的进风量，将结块、深棚较重的风口减少风量甚至停风，加大对侧风口的供风量，使结块熔化、深棚消失。要特别注意当刚发现风口结块或深棚时，及时用钢钎捣碎，便能保证正常生产。

4.炉结

炉结是在水套内壁上产生的结块，特别是炉膛的四角更容易凝结。它主要是由于粉料过多、布料不均、炉料的水分过高等因素引起。一般随着生产的不断进行，长炉结是不可避免的，问题是在于不能让其堆积增长，以免引起炉子局部下料截面减小，甚至引起棚料等较大故障的发生。通常防止及处理的办法是：炉料的水分控制适当，降低粉料的配比，做到均匀布料。若炉结产生较重时，应及时用钢钎捣打，在操作上适当降低料柱、适当提高焦率、必要时加返渣料洗炉，升高炉温使其逐步熔化，从而恢复正常生产。

5.炉缸结小

产生炉缸结小的主要原因有：炉料中含铁过高、还原气氛过强、MgO、Al2O3、ZnO等难熔组分过多等。防止与处理的办法是：严格控制金属铁和高熔点成分的入炉，适当降低料柱或焦率，适当提高渣的硅酸度，在熔剂内加入部分萤石等措施。一旦发现放铜数量减少，说明炉缸已经结小，应立即采取周期性烧氧强化扩缸的办法来处理。

图5 FeO—CaO—SiO2三元系相图

四、渣型的探讨

在鼓风炉的还原熔炼生产中，渣型好坏直接影响到炉子生产的正常进行，它决定了炉子床能力的大小，焦率、熔剂率和铜直收率等主要技术经济指标的好坏。因此，要想搞好鼓风炉铜氧化矿与铜精炼渣的还原熔炼，必须控制好炉渣渣型。正如有色行业的经验之谈“炼铜如炼渣”。

鼓风炉还原熔炼炉渣，是炉料中金属与非金属氧化物在熔炼过程中形成的复杂共熔体，其状态FeO—CaO—SiO2是炉渣的基本体系（见图5）。在生产实践中经过我们不断的反复试验，总结出不同的炉料，应采用不同的渣型。如单炼铜氧化矿采用的渣型为SiO2：CaO=2.2：1，FeO≤7%，即典型的酸性渣。若铜氧化矿与铜精炼渣以4 ：1的比例配炼，则采用的渣型为SiO2：CaO=1 ：1，FeO≤13%，即典型的碱性渣。同时，在还原熔炼过程中遇到渣的熔点偏高时，加入一定数量的萤石可使渣熔化温度降低，增强渣的流动性，从而改善渣铜分离的效果。

五、结语与建议

经过两年来的生产实践，铜氧化矿鼓风炉的还原熔炼在方圆公司得到了成功应用，在确保烟气排放达标，实现清洁生产的同时，其主要技术经济指标也得到了较大的改善，取得了良好的经济效益。但应该指出的是，由于铜氧化矿还原熔炼焦率较高，而焦炭的费用在直接生产成本中所占的比例较大，采购的氧化矿其含铜品位应不低于20%，否则经济上是不合算的。

目前的主要问题在于水套结垢影响到炉子的使用寿命，上料系统自动化水平较低使得工人劳动强度较大，这也是今后需要改进的地方。

建议通过小型试验，增加电热前床可使还原熔炼渣铜含量降低到0.2%以下。如有条件，采用适当浓度的富氧空气可进一步提高炉子的床能力。因为焦炭占到生产成本的70%以上，所以尝试用无烟块煤代替部分焦炭可降低生产成本。另外，因炉子系全水套组成用水量较大，所以可以尝试用汽化水套取代循环水冷却可降低能源消耗。