旋浮吹炼炉炉况的精稳控制

薛红伟， 俎小凤

(河南中原黄金冶炼厂有限责任公司 河南省金精矿资源综合利用院士工作站, 河南 三门峡 472000)

旋浮吹炼炉炉况的精稳控制

薛红伟， 俎小凤

(河南中原黄金冶炼厂有限责任公司 河南省金精矿资源综合利用院士工作站, 河南 三门峡 472000)

介绍了冰铜旋浮吹炼炉的工艺原理和炉体结构特性，分析了生产过程中炉况不稳定、波动大、不易调整等原因，总结了精稳控制炉况的实践经验。理论探讨了炉况与炉渣性质、棒渣状态间的关系，指出渣温、吹炼渣型及铜面、渣面高度等是炉况监控的核心。

冰铜； 旋浮吹炼； 炉况控制； 棒渣状态

1995年美国肯尼科特犹他州冶炼厂采用闪速吹炼技术取代传统P-S转炉实现了连续吹炼粗铜，该技术具有产能高和环境污染小等诸多优点，受到了炼铜行业高度关注，但其也存在安全生产风险大的问题。2005年第二座闪速吹炼炉在祥光铜业顺利投产，闪速吹炼技术快速在行业内推广。河南中原黄金冶炼厂(以下简称中原冶炼厂)新项目的工艺流程为：富氧底吹炉→旋浮吹炼炉→阳极炉。10个多月的生产实践表明，闪速炉炉体安全和炉况平稳是保证生产高效与粗铜品质优良的关键因素，炉况波动变化严重影响炉衬和铜口、渣口砖的寿命。要实现吹炼炉安全运行、延长炉寿命、提升除杂能力、提高开车率、降低操作风险，精稳控制炉况十分重要。

1 冰铜旋浮吹炼工艺原理与炉体结构

冰铜旋浮吹炼工艺和闪速熔炼类似，通过深度氧化进一步脱硫除铁，其炉体结构借鉴于成熟的闪速熔炼炉，主要由中央喷嘴，反应塔，沉淀池、上升烟道、粗铜口和放渣口等构成。

冰铜旋浮吹炼工艺流程为：立式磨磨细后的冰铜粉经过失重称连续通过中央喷嘴，被一定压力的氮气流化分散后，由高速旋转的富氧气体夹带一起从中央喷嘴喷出，在反应塔内，冰铜粉粒子从高温气体中吸取热量快速升温，达到粒子着火点后发生氧化反应，反应产生的大量热加速反应进行并向周围传热。过氧化的粒子和欠氧化的粒子交互反应生成金属铜，同时与熔剂进行造渣反应。由于沉淀池截面积较大，反应烟气到此后流速突然降低，较重的物料脱离烟气下落到沉淀池。在反应塔内的反应中，只有很小比例的金属铜生成，大部分铜是过氧化悬浮粒子与欠氧化悬浮粒子(铜的硫化物) 在沉淀池渣面上反应形成的，主要反应如下[1-3]：

反应塔内发生的氧化反应：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

沉淀池发生的造渣和造铜反应：

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

2 吹炼炉正常炉况

炉况指为保证炉体安全和工艺指标合格所要求的炉子运行状况。在生产中密切监控的主要有：渣温，铜温，炉渣或粗铜的流动性，铜面渣面高度及总液面高度等参数。正常炉况状态及监控方式见表1。

表1 吹炼炉正常炉况及监控方式

3 炉况精稳控制的理论探讨

冰铜旋浮吹炼炉好的炉况应是粗铜指标好、排渣容易、烟灰容易收集输送、炉体指标正常等。炉况的及时掌握和精稳控制是安全生产的重要保证。一般通过检尺采样化验和测温获得炉况信息，再进行反馈调整。各冶炼厂都存在化验结果指导性不强，检测结果波动大，与现场实际炉况偏差大等问题，且时间滞后至少30 min。另外，仪表数量多，仪表波动或偏差对平稳生产影响很大，满足不了旋浮吹炼炉反应速度快、炉况变化快、生产规模大的要求。

中原冶炼厂在实现炉况精稳控制方面的经验是：电脑建模→化验检测→预见性调控。联合某厂家，依据冶金化学反应原理建立旋浮吹炼炉炉况控制数学模型，进行物料衡算和热量衡算，先对冰铜、烟灰、生石灰及石英沙进行前馈核算，同时根据当期棒渣和粗铜化验数据快速计算出距离目标炉况需要调整的项目及偏差大小，包括：氧料比、温度系数、硅钙系数、入炉矿量、生石灰量、烟灰量、石英砂量和天然气量等[2]，主控操作人员再结合现场实际情况，综合判断后进行预见性调控。

生产实践中可以凭借经验快速判断炉况，但平稳控制技能需要长期积累。吹炼渣性质的好坏决定着炉况和粗铜品质。理想的炉渣具有良好的铜渣分离性和流动性，并在棒渣形态上有相应的反映(见表1)。炉况、棒渣性质和棒渣状态三者之间有直接的关联和同步效应，因此可以通过棒渣状态快速掌握真实炉况。下面从冶金理论方面对三者之间的关系研究探讨，为快速准确判断提供科学依据，使吹炼炉运行安全、高效、平稳。

炉渣的性质与渣型、温度、炉壁刮渣程度等有关，其中渣型主要取决于渣中铜含量、二氧化硅含量、四氧化三铁含量、氧化钙含量、钙铁比等因素，其决定着铜渣分离效果，炉渣的流动性、熔点/凝固点、粘度、表面张力、侵蚀性能、冲刷性能等。粗铜的性质与粗铜品位、温度等有关，其中影响粗铜品位的主要因素有硫、氧、铁和铅等杂质的含量。

3.1 渣温、铜温

在相同的组分下，温度对炉渣性质的影响最直接明显，提高熔体温度能在一定范围内改善炉渣性质。控制渣温或铜温平稳是精稳控制炉况的关键。高温熔炼熔体温度测量一般采用一次性高温热电偶，用其检测吹炼炉熔体温度准确、快捷且价格低廉。旋浮吹炼炉的目标渣温是1 260 ℃，正常控制范围±15 ℃[1]。合理稳定的炉温，既能保证渣铜的顺利分离和炉渣的正常排放，又可避免炉衬耐火材料的过快消耗。生产控制中可以通过补烧天然气、加入烟灰或降低富氧浓度及时调整炉温。

正常炉况下，渣温比铜温高10～20 ℃，这是因为熔池中的反应主要集中在渣层。若氧料比偏低或冰铜粒度较粗，短时间内造成部分物料缺氧，未充分氧化的冰铜或白冰铜含有较高的硫和铁，穿过渣层在铜层或铜渣界面上吸收氧进一步反应，释放大量的热和二氧化硫气体，使熔池呈沸腾状态，恶化铜渣分离。欠氧程度低或初始阶段往往渣面上涨速度变快，如果未及时上调氧料比则铜面上涨速度也变快，且出现铜液温度甚至比渣层还高的现象。由于投矿量大的累加效应，若欠氧持续时间过长或严重欠氧，一旦熔池中有大量欠氧化物料存在，则很容易发生喷炉事故。炉温(包括渣温和铜温)直接反映冰铜氧化反应的稳定程度，是显示炉况变化的第一指标。所有生产调整都必须在保证炉温相对稳定的前提下进行。

3.2 棒渣铜含量

吹炼炉为强氧化气氛，炉渣中铜主要以Cu2O形式存在。在反应塔发生的氧化反应释放出绝大部分的二氧化硫，物料落入熔池中后仍继续同时发生造渣和造铜反应，在造铜反应中仍会有二氧化硫气体产生溢出。

当渣含铜在正常范围内，检尺棒上渣铜分界明显，渣层略粗，铜层猛然变细，没有明显大小不等的颗粒物；渣层略粗糙，有很多细微气孔、小毛刺或小裂纹，硬度适中，断面为非结晶均质状；铜层略光滑致密；渣层顶端没有石膏层；渣铜分界中间没有明显过渡层。

渣含铜量高时，说明氧料比偏高，氧化反应充分，同时渣中残硫较低，二氧化硫挥发充分，因Cu2O流动性好，表面张力小，渣含铜越高棒渣表面越光滑，甚至有亮光感，尤其当渣铜高于27%以上时。

当渣铜含量低于20%时，棒渣表面粗糙，毛刺和气孔都较多，断面有针状小晶体，甚至出现颗粒物或铜渣过渡层，说明氧料比偏低，有反应滞后情况发生，同时还常伴随着铜层部分发红。

下述情况可能会影响实际的氧料比：反应塔漏风；中央喷嘴补加天然气的量与以数模核算值投用的氧气量的配比值存在偏差。如果天然气流量计显示值高于实际值(或助燃风流量计的值比实际值偏低)时，因为多余的天然气要消耗氧气，将造成实际氧料比偏低，容易导致夹生情况发生。

渣含铜对炉渣性质影响很大，也直接关系着吹炼工序铜直收率，需要重点监控。渣含铜高低与过氧化程度有直接关系，一般可反映氧料比的高低。若渣含铜偏高，则需要小幅度且缓慢地下调氧料比；若渣含铜低则应大幅度快速地上调氧料比。检尺棒渣点位于沉淀池的中部，棒渣欠氧说明此时熔池中渣层已经略微欠氧。调整氧料比，除了满足新下的物料外，还必须补足熔池中所欠的氧量，渣含铜高时则恰恰相反。为了精稳控制炉况，在出现异常时，调整操作参数后需要直接从反应塔下部的熔池中采样快速判断调整的幅度。每台炉子具体运行参数有少许差别。若渣含铜低、渣硫也低，并且冰铜品质优，则可以根据炉子自身情况将渣含铜控制范围适当下调。

3.3 棒渣氧化钙含量

为确保炉渣流动性好，目前冰铜旋浮吹炼炉渣型都选择碱性铁酸钙渣。行业内控制氧化钙含量一般是通过调整钙铁比实现的。正常棒渣钙铁比控制在0.30～0.40之间，氧化钙含量在9%～12%。氧化钙偏高时容易在棒渣顶端出现特殊钙渣层：若为黄红色，则多为钙高或砷高，会形成硫酸钙或砷酸钙混合物，针状晶型明显，此时钙铁比偏高，渣层粘度大，铜渣分离困难，二氧化硫溢出困难，造成渣中铜硫同时高；若为灰白色，除了钙铁比偏高外，渣含铅也会高，多为形成的硫酸铅，流动性好，基本不影响铜渣分离。无论如何，只要出现特殊钙渣层，就需要尽快采取措施，一般降低生石灰加入量，提高渣温尽快排出。

中原冶炼厂旋浮吹炼炉的前置工序是富氧底吹炉。该炉产生的冰铜含铜和二氧化硅相对稳定，二氧化硅含量较低，但氧化钙含量受制于原料中氧化钙含量和吹炼炉渣返料的配入量。吹炼炉炉渣的配入比例不固定，进一步导致冰铜中氧化钙含量不稳，需要加强冰铜配矿，消除氧化钙波动对吹炼炉渣钙铁比的影响。

3.4 棒渣四氧化三铁含量

渣中稳定的Fe3O4含量是吹炼安全操作的重点，是延缓炉衬腐蚀的有效措施[1,4]。一般控制四氧化三铁在35%～40%。四氧化三铁表面张力大、粘度大，其含量与吹炼氧化程度有直接关系[5]。由于四氧化三铁粘度大，Fe3O4含量高会引起铜渣分离不好，导致渣含铜和渣含硫随之偏高，对应棒渣表面较光亮、致密、基本无气孔，此时应适当下调氧料比。

3.5 棒渣二氧化硅含量

在硅酸铁渣比例和铁酸钙渣比例之间寻找一个平衡，保证1 300 ℃以下四氧化三铁的熔解能力、较低的粘度和渣含铜。一般控制渣含二氧化硅1.5%～ 3.0%，过低会影响吹炼炉的脱铅效果。二氧化硅含量大于3.0%时，粘度大，流动性差，容易粘结溜槽，炉壁挂渣增厚。这是因为铁酸钙炉渣熔解二氧化硅的能力很低，熔融FeO—Fe2O3—CaO渣(1 300 ℃，20%CaO)仅能熔解5%的SiO2，超过此值有Ca2SiO4(熔点2 130 ℃)析出，使炉渣黏度大大提高[3]。熔炼炉排放的冰铜如果夹渣硅高，将严重影响吹炼作业。

通过提高底吹炉操作控制水平可以消除冰铜夹渣的影响。生产中时常有上升烟道的粘结物或炉墙侧壁的炉结熔化落入熔池，炉结挂渣的二氧化硅偏高，会导致炉渣性质突然发生变化。要对炉渣中的二氧化硅变化情况进行监控，偏高时及时提高温度尽快排渣。

4 结束语

中原冶炼厂冰铜旋浮吹炼炉2015年8月投入运行，虽然试生产期间出现过多种问题，但总体上生产安全平稳，不考虑余热锅炉等外部因素影响，吹炼炉自身开车率达到98%，粗铜品质稳定，可满足阳极炉生产要求。

结合吹炼炉炉况操作控制经验，通过理论分析认为，炉况控制的核心是渣温、吹炼渣型及铜面、渣面等。综合检测化验数据，观察棒渣形态以及数模快速核算结果，及时调整相关操作参数，可以实现旋浮吹炼炉动态精确稳定控制，对保证炉体安全、炉况平稳和指标优化有着重要的意义。

[1] 刘卫东．闪速吹炼的生产实践[J]．有色金属(冶炼部分)，2011，(2):12-15.

[2] 马奇．旋浮吹炼技术的实践与改进[J]．中国有色冶金，2010，(4):9-12.

[3] 周俊．旋浮吹炼技术评述[J]．有色金属工程，2011，(3):30-36.

[4] 梁礼渭．闪速炉无砖反应塔内壁挂渣物化性能研究[D]．赣州：江西理工大学，2011.

[5] 昂正同．闪速炼铜过程中四氧化三铁的生成与控制[J]．矿冶，2002，(4):69-72.

国内铅锌五大生产基地

中国铅锌业生产布局，依据铅锌矿产地的分布和建设条件，经40多年来的发展、建设，现已形成东北、湖南、两广、滇川、西北等五大铅锌采选冶和加工配套的生产基地，其铅产量占全国总产量的85%以上，锌产量占全国总产量的95%。

1.东北铅锌生产基地。东北地区是我国开发较早的铅锌生产基地之一。早在50年代初期，其铅产量占全国铅产量的80%以上，在中国铅锌生产居于重要地位。东北基地以七矿两厂为主，即青城子铅锌矿、八家子铅锌矿、柴河铅锌矿(现已闭坑)、桓仁铜锌矿、红透山铜锌矿、西林铅锌矿、天宝山铅锌矿和沈阳冶炼厂、葫芦岛锌厂。

2.湖南铅锌生产基地。湖南铅锌矿产资源丰富，而且富矿多，大部分矿产地可开发利用。该基地铅锌厂矿是五六十年代建成的，由水口山矿务局、桃林铅锌矿、黄沙坪铅锌矿、东坡铅锌矿和株洲冶炼厂等组成的湖南铅锌生产基地，是当时全国自产原料的全国最大的铅锌生产基地，在全国产量占有重要地位。

3.两广铅锌生产基地。广东、广西两省区的铅锌资源丰富，两省区是70年代形成的我国大型铅锌生产基地之一。广东以凡口铅锌矿和韶关冶炼厂为主，其次是丙村铅锌矿、昌化铅锌矿、大尖山铅锌矿。广西有泗顶铅锌矿、大新铅锌矿、河三铅锌矿、柳州锌品厂和大厂矿务局等。

4.滇川铅锌生产基地。云南铅锌矿产资源十分丰富，现铅锌保有储量均居全国之首。该基地铅锌企业也是五六十年代建成的，主要是会泽铅锌矿、澜沧老厂铅锌矿和昆明冶炼厂、个旧鸡街冶炼厂。云南铅锌矿产资源具有广阔的开发前景， 90年代开始兴建超大型铅锌矿床金顶矿山。四川有会东铅锌矿、会理铅锌矿两个主要矿山以及一批中小型矿山，近年来铅锌精矿产量猛增。

5.西北铅锌生产基地。西北地区铅锌矿产资源也很丰富，主要分布在甘陕青三省，而且西成矿带经近年来勘查储量又有大幅度的增长，资源前景十分可观。该基地铅锌生产以白银有色金属公司为主，有白银厂小铁山铅锌矿、第三冶炼厂和西北铅锌冶炼厂，陕西有铅硐山铅锌矿、二里河铅锌矿、银洞梁铅锌矿等和青海锡铁山矿务局。目前，西北铅锌产量较少，但开发前景可观。一是有丰富的铅锌矿产资源，位于甘陕交界的西成- 凤太矿带，经近20余年勘查出10多个大中型铅锌银金矿床，其中厂坝- 李家沟铅锌达到超大型规模，银达到大型。二是厂坝正在抓紧建设一座大型矿山，将成为西北冶炼厂主要矿物原料供给基地，是全国大型铅锌矿山之一。

除上述五大铅锌生产基地外，内蒙古、江西、贵州等省区也建设了一批中小型矿山。其中内蒙古梧桐花铅锌矿、白音诺铅锌矿、翁牛特旗硐子铅锌矿等矿山。内蒙古是全国生产铅锌精矿主要省区之一，开发前景巨大。江西有银山铅锌矿等。贵州有赫章铅锌矿、杉树林铅锌矿等。

Accurate and stable control of furnace conditions of rotation-suspension converter

XUE Hong-wei， ZU Xiao-feng

The paper introduces the process principle and furnace structural characteristics for copper matte rotation-suspension converter, analyzes the reasons for unstable furnace conditions, large fluctuation and difficulty for regulation during production and concludes the production experience for accurate and stable control of furnace conditions. The paper also theoretically explores the relations between furnace conditions and slag properties and state of slag sample on dip bar, and point out that the core for furnace condition monitoring is slag temperature, converting slag type as well as copper matte level and slag level in the furnace.

copper matte; rotation-suspension converting; furnace conditions control; state of slag sample on dip bar

薛红伟(1978—)， 男， 河南三门峡人， 工程师， 有色冶金硕士研究生， 从事铜、金等有色金属冶炼技术开发、设计、生产和管理工作。

2016-- 07-- 21

2016-- 10-- 13

TF811

B

1672-- 6103(2017)02-- 0014-- 05