梁高喜

(1.河南省黄金资源综合利用重点实验室， 河南 三门峡 472000；2.河南中原黄金冶炼厂有限责任公司， 河南 三门峡 472000；3.河南省综合利用工程技术研究中心， 河南 三门峡 472000)

0 前言

富氧底吹熔池熔炼工艺具有原料适应性强、熔炼强度高、热效率高、可实现自热熔炼、易于操作、生产安全性高和不易产生泡沫渣等优点，是目前火法铜冶炼最为先进的技术之一[1]，近年来得到了较好的发展和推广应用。但通过对比各底吹熔炼铜厂的运行状况可知，底吹熔池熔炼在冶炼规模上短板明显，处理能力低，还不及闪速熔炼。2015年6月,世界上最大底吹炉(Φ5.8 m×30 m)在某黄金冶炼厂投料试运行，这标志着富氧底吹炼铜向处理能力大型化迈出了重要一步。但底吹熔炼炉大型化后，在生产过程中出现了处理能力低、氧枪寿命短、开车率低等问题，无法实现规模化效应，生产效率低。因此，某黄金冶炼厂研究了影响底吹炉试生产过程的各因素以及设备的现存问题，并通过优化过程控制的各项指标，改造部分影响底吹炉处理能力提高和连续生产的设备，为底吹熔炼炉的持续改进提供一定的技术支持。

1 富氧底吹熔池熔炼工艺流程及设备

1.1 工艺流程

某黄金冶炼厂富氧底吹熔池熔炼的工艺流程如图1所示。含不同成分的金铜精矿、造渣熔剂石英砂、各种返料和冷料等按照一定的配料比例完成配比后，经胶带输送机送至炉顶，直接投入底吹炉内进行反应。加入炉内的混合精矿经过氧化还原反应，生成炉渣和铜锍，并在炉体两端的沉淀区完成分离。产出的液态铜锍经放铜口排出，沿溜槽流入铜锍粒化装置，粒化后的铜锍颗粒经沥水后送铜锍仓储存，待吹炼使用；熔炼渣则从炉子端部放渣口放出，经溜槽放入渣包中，再由抱罐车将渣包送往渣缓冷场。熔炼渣缓冷后，经渣选矿工艺回收其中的有价金属。熔炼烟气经余热锅炉降温、电收尘后送制酸[2]。

图1 富氧底吹熔池熔炼的工艺流程

1.2 关键设备

富氧底吹熔池熔炼系统的核心设备为1台Φ5.8 m×30 m的氧气底吹熔炼炉，围绕底吹炉配置有炉顶给料系统1套、余热锅炉1套、电收尘1套、高温风机2台(一备一用)、环集风机1台、铜锍粒化系统1套以及相关附属设施电机、泵、刮板、螺旋、槽罐等。

2 底吹炉生产过程中的常见问题及解决方案

2.1 放渣、放铜系统

2.1.1 放渣溜槽的常见问题及解决方案

某黄金冶炼厂原设计的渣溜槽分为两级，第一级为与放渣口连接的水冷铜质溜槽(长度为1 m)，第二级为铸铁溜槽(长度为7 m)，而且在两级溜槽底部另铺设有铸铁衬板，用以保护溜槽。在实际生产中发现，第二级溜槽的衬板冲刷腐蚀严重，为了保护溜槽主体不受损坏，须要频繁更换衬板，从而导致溜槽维护成本较高。另外，铸铁溜槽上粘结的熔炼渣难以清理，在投矿量逐渐增大后，渣量增多，铸铁溜槽无法满足连续放渣需求。通过分析两级渣溜槽的使用情况，发现出现以上现象的原因如下：

1)铸铁衬板冲刷损坏较快的主要原因是两级溜槽之间的落差较大。液态熔炼渣流动速度快，加上下落势能的冲击，造成第二级溜槽衬板的受力点很快就被冲刷出一个簸箕状的深坑，导致溜槽无法继续使用，只能更换。

2)溜槽清理速度慢的主要原因是熔炼渣与铸铁溜槽之间的粘结比较牢固。熔炼渣在流动过程中逐步粘结到溜槽内壁上，由于溜槽温度逐渐升高，粘结的熔炼渣比较致密，堵在放渣口后导致溜槽很长时间冷却不下来。热态熔炼渣难以清理，只能加水进行极速冷却，虽然能起到一定作用，但水容易进到溜槽下方的渣包里造成渣包“放炮”。

基于上述原因，某黄金冶炼厂对渣溜槽进行了技术改造，去掉了与放渣口相连的第一级水冷铜质溜槽，将第二级铸铁溜槽更换为水冷铜质溜槽并延长到放渣口位置。改进后的渣溜槽解决了熔炼渣流动过程中出现的喷溅问题；同时由于水冷铜质溜槽冷却效果好，粘结的熔炼渣很快冷却收缩，能够自动剥落，这彻底解决了放渣不及时导致的产能受限问题，使底吹炉处理能力提高了30%以上。

2.1.2 放铜溜槽的常见问题及解决方案

某黄金冶炼厂放铜溜槽的原设计方案是在冰铜溜槽最前段端设置一个方池，用以减缓冰铜对溜槽的冲击，同时采用泥炮机堵铜口。

1)在实际生产中，由于冰铜在方池内很快冷却凝结，无法实现连续长时间放铜，同时放铜结束后，清理冷冰铜的工作量非常大。当处理矿量提高后，上述问题严重制约了底吹炉产能的提高。经过分析，冰铜易喷溅粘结的问题是由于方池面积大，加之其上方设有环境集烟抽气口。在放冰铜时，方池内冰铜与冷空气接触面积大，同时表面流动的空气量较大，从而造成冰铜冷却速度快。因此，取消方池，并将此处垫高，便可以降低溜槽与放铜口的高度差，减少喷溅，使冰铜直接流到溜槽内，同时冰铜降温速度的减缓使其不易在溜槽中凝结，溜槽清理工作量大大减少，清理速度得到提高。

2)利用泥炮机堵铜口，冰铜溜槽与放铜口之间必须有一定高度差，以便留出作业空间，但这会造成每次放铜过程中喷溅的冰铜较多，因此在堵铜口前需要对放铜口进行清理。另外，泥炮机堵铜口的工作原理是利用液压系统将湿泥块挤压到放铜口里，湿泥块在放铜口里干燥变硬后，会堵住冰铜使其无法流出。生产中由于挤压到放铜口内的泥块较多，烧氧时开铜口费时费力。通过借鉴熔炼渣的堵口方式(人工用湿泥堵塞)，经过不断试验，最后决定采用铁锥直接堵铜口替换泥炮机[3]。铁锥堵铜口的工作原理是当低温铁锥接触放铜口内的冰铜时，能够减缓冰铜的流速并使其快速冷却，然后冷却的冰铜将放铜口堵塞。之后，进一步优化该方式，在铁锥上缠绕石棉绳，大大降低了铁锥的损耗速度。经过一系列调整，堵铜口时间由原来的5 min缩短到30 s，开铜口时间由原来的大于10 min压缩到2 min以内，作业效率大大提高。

2.2 余热锅炉系统

2.2.1 上升烟道下部的水冷烟罩漏水问题及解决方案

余热锅炉上升烟道下端的水冷烟罩是炉子出烟口和锅炉膜式壁之间的过渡部分，原设计采用304不锈钢材质，内通软化水，循环水温约40 ℃。试生产中发现，此段水冷烟罩频繁发生泄漏，对生产产生很大影响，存在安全隐患，并且随着生产时间的延长，水冷烟罩泄漏次数增加。经过分析，造成水冷烟罩泄漏的主要原因如下：

1)烟气冲刷。炉子出烟口的烟气中夹带大量高温熔体和粉尘，通过水冷烟罩区域时，固体粉尘在气流作用下不断冲刷其内壁，导致水冷内壁变薄，直至泄漏。

2)低温腐蚀。由于水冷烟罩中循环水温度较低，而含有SO3和水蒸气的烟气在接触水冷烟罩内壁时会因为局部低温生成酸雾或稀酸冷凝到钢板表面，进而产生腐蚀现象，加速水冷烟罩的泄漏。

针对上述问题，决定将此段水冷烟罩的材质更换为锅炉钢材质，内部喷涂防腐蚀抗冲刷材料，同时取消原低温循环水，并将此段并入余热锅炉循环水(260 ℃)系统，使其成为锅炉上升烟道膜式壁的一部分。实施该措施后，此段水冷烟罩没有再出现过渗漏，安全隐患消除，同时，底吹炉的开车率得到了大幅度提升。

2.2.2 上升烟道结焦问题及解决方案

随着底吹炉处理能力的提高，尤其是混合料处理量超过210 t/h后，上升烟道的下部易产生烟灰结焦，结焦高度接近20 m。上升烟道结焦，一方面会导致锅炉换热效率下降，进而造成电收尘入口烟气温度偏高，影响电收尘的正常运行；另一方面，结焦非常硬，振打都不能使其脱落，容易造成停车转炉时上升烟道憋坏，进而影响底吹炉的安全稳定运行。

针对上述问题，决定采用某厂家生产的一种能够有效处理上升烟道结焦问题的抑制剂，这种结焦抑制剂主要由高熔点金属氧化物组成[4]。抑制剂中的高熔点物质与烟灰中的低熔点物质迅速结合，使灰渣的熔点提高并以固态形式存在于烟气中。固态物质在膜式壁上的结焦比较疏松，经过膜式壁上的振打装置振打即可脱落。而且即使没有完全脱落，在每次开停车转炉过程中，结焦由于热胀冷缩作用也能够立即脱落。生产实践证明，结焦抑制剂的加入有效解决了余热锅炉口及上升烟道下部结焦严重的问题，为底吹炉处理能力的提高创造了良好的条件。

2.3 烟气收尘系统

2.3.1 电收尘运行问题及解决方案

试生产期间，电收尘的主要问题表现为：电收尘烟灰在灰斗内受潮结块，下灰不畅，进入仓式泵后，导致出口流化板堵塞，使烟灰不能通过正常的输送机进入吨包袋，只能在堵塞的部位用人工和铲子将烟灰装入吨包袋，给生产的正常运行带来一定困难。经过分析，产生这一系列问题的原因都可归结为电收尘入口温度低(低于300 ℃)和电收尘器本体漏风率高。

当底吹炉混合料处理量小于180 t/h时，电收尘器入口温度平均不足300 ℃，烟灰经常发潮，流化板经常堵塞；在试车第三个月，底吹炉混合料处理量提高到210 t/h，因为处理量上升，加入的天然气量、氧气量增加，此时电收尘器入口温度达到320 ℃，使后两个电场烟灰发潮的情况有所改善。此外，排查电收尘器的漏风点(主要是阴极保温箱体和阳极振打人孔门密封不严)并进行封堵，同时对灰斗下部的溢流螺旋出口挡板进行调节，在保证下灰量的同时减少漏风。调整后，电场漏风率由12%下降到5%左右，电收尘出口的SO2浓度由原来的23%提高到27%左右。

另外，输送烟灰的仓式泵原设计采用稀相输送方式，使用过程中经常出现烟灰输送不畅、出口管道堵塞、入口阀门漏灰等问题，造成烟灰无法正常循环使用。参考借鉴某铜企业的经验，将采用稀相输送方式的仓式泵改为适应性更强的密相输送泵。改造后，烟灰实现了连续稳定输送，避免了直接包装带来的环境污染问题。

2.3.2 电场灰颜色发黑的问题及解决方案

随着底吹炉处理量的提高，特别是超过250t/h以后，经常出现原本颜色为白色的电场灰变黑或变灰的现象，尤其是最接近炉子的第一个电场(共有四个电场)，严重时会出现黑色烧结块，打开电场后里面还有“火星子”，这表明反应未进行彻底。白色电场灰和黑色电场灰的主要成分分析结果见表1。

表1 不同颜色电场灰的主要成分 %

由表1可知，两种颜色的电场灰的砷含量差异较大。而且在实际生产中，当电场灰颜色发黑时，制酸系统净化稀酸中的砷含量会大幅增加(由3 000 mg/L左右上升到10 000 mg/L以上)，因此判断烟气中的砷没有被电收尘器捕集下来，而是随着气流进入到净化系统，但此时检测的电收尘器收尘效率仍然为99%左右，这说明砷是以气态形式进入净化系统的。另外，通过对白色电场灰进行浸出实验发现，As5+含量占总砷含量的85%以上。由此判断，底吹炉处理量提高后，加之锅炉系统在优化设计后漏风点减少，烟气中的氧含量过低，挥发的砷因缺氧转变成以As2O3为主的化合物，在电收尘器内(出口温度仍高于280 ℃，As2O3在135 ℃时升华)以气态形式存在从而无法被捕收，造成电场灰砷含量低，颜色表现为发灰或发黑。鉴于此，对三个下料口增加补氧装置(可补充纯氧和压缩风)，控制余热锅炉出口烟气中的残氧含量为3%～4%，彻底解决了电场灰因燃烧不充分出现烧结块和颜色发黑的问题。

2.3.3 烟尘率的控制

底吹熔池熔炼的烟尘率较其他熔池熔炼或闪速熔炼低。熔炼烟尘(白烟尘)含有较多铅和砷，属于危险废物，而且处理困难，是制约铜火法冶炼发展的瓶颈。烟尘返炉造成铅、砷等在系统内循环，使生产指标下降，恶化炉况，产生更多烟尘，形成恶性循环[5]。某黄金冶炼厂在试生产期间发现底吹炉烟尘率单月最高可达2.88%，远超过同行业的最高水平，因此，需要探索不同方法去降低烟尘率。烟灰的主要组分包括被气流夹带未进入熔池的矿粉，铜、铁、铅、锌的硫酸盐以及砷的氧化物等。通过采取如下措施，目前烟尘率保持在1.80%。

1)控制系统负压。保持上升烟道微负压，防止因负压过大使烟气所携带的含尘物质在炉内的沉降时间缩短，导致粉状物料在没沉降到熔池之前就被烟气带走进入收尘系统，从而造成粉尘量增加。

2)加装1台强混机对烟尘进行均匀增湿，并在供矿皮带落料点设置淋水装置。这样可以控制入炉混合料的湿度在8%～9%，确保矿粉既不会被气流带走也不会因水分过大影响炉内热平衡。

3)合理分配每个下料口的下料量。靠近出烟口的下料口的下料量一般控制为另外两个下料口下料量的50%～60%。

3 结论

通过对某黄金冶炼厂底吹炉生产过程中出现的各种问题进行分析，确定产生问题的原因，然后通过不断优化工艺方案和设备，解决了底吹炉产能受限的问题，单炉的精矿年处理量达到150万t以上。

1)在放渣系统中，将“一级水冷铜质溜槽+二级铸铁放渣溜槽”的两级溜槽设置改为冷却效果较好的一级水冷铜质溜槽，并将其延长到放渣口位置，既解决了熔炼渣流动过程中出现的喷溅问题，又使粘结的熔炼渣冷却收缩自动剥落。

2)在放铜系统中，取消冰铜溜槽最前段端设置的方池，并将此处垫高，既减少了冰铜喷溅，又大大减少了溜槽清理的工作量。另外，采用铁锥代替泥炮机堵放铜口，使堵铜口时间从5 min缩短到30 s，开铜口时间从大于10 min缩短至2 min以内。

3)余热锅炉下端水冷烟罩的材质由304不锈钢换为锅炉钢材质，并在内部喷涂防腐抗冲刷材料，同时将烟罩内部的低温循环水(40 ℃)改为余热锅炉高温循环水(260 ℃)，可以杜绝水冷烟罩泄漏现象的发生。此外，通过在烟气中增加一种内含高熔点金属氧化物的抑制剂，解决了上升烟道下部烟灰结焦的问题。

4)排查电收尘器漏风点并进行封堵，合理安排三个下料口的投矿量，适当增加补风装置，控制系统负压，增加保湿装置控制入炉混合料湿度为8%～9%，可以有效控制烟尘率和烟尘中各元素的含量。