1 前言
大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠(以下簡稱為大冶)澳斯麥特系統(tǒng)于2009年7月13日奠基動工，2010年12月9日澳斯麥特爐點火開爐，2010年12月31日產(chǎn)出冰銅。目前大冶澳斯麥特系統(tǒng)已穩(wěn)定運行四年，主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計值：如2014年1-11月平均礦產(chǎn)粗銅綜合能耗為138.196 kgce/t優(yōu)于設(shè)計值241kgce/t，也優(yōu)于銅冶煉企業(yè)單位產(chǎn)品能耗限額先進(jìn)值340kgce/t;作業(yè)時率為94.162%優(yōu)于設(shè)計的91.6%。同時澳斯麥特爐系統(tǒng)自動化程度高，通過冶金計算實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)供風(fēng)供氧量，通過聯(lián)鎖設(shè)置可以實現(xiàn)對加料系統(tǒng)、供風(fēng)供氧系統(tǒng)等故障自動保護(hù)，既提高了系統(tǒng)的安全性，也降低了職工的勞動強度[1]。
澳斯麥特爐熔煉過程是將粉煤、氧氣、空氣等通過賽洛(Siro)噴槍高速鼓入熔池的渣層中，與加入銅精礦、熔劑等發(fā)生劇烈的攪拌及化學(xué)反應(yīng)，迅速完成造硫、造渣等反應(yīng)。因此熔煉過程中渣性控制的好壞直接關(guān)系到生產(chǎn)是否正常進(jìn)行。本文擬就澳斯麥特爐泡沫渣及大冶玻璃渣事故的形成及控制進(jìn)行分析探討。
2 泡沫渣形成原因及控制方法
2.1 泡沫渣形成原因分析
澳斯麥特爐熔煉過程中，噴槍向熔池內(nèi)鼓入大量富氧空氣、燃料與銅精礦發(fā)生一系列理化反應(yīng)后生產(chǎn)大量SO2、CO2，這些氣體要突破渣層，進(jìn)入煙道內(nèi)，在其貫穿渣層過程中，爐內(nèi)氣相和液相相互混合[2]。下面為銅精礦熔煉過程發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)：
2FeS2+2O2→2FeS+SO2 (1)
2CuFeS2+O2→2FeS+Cu2S+SO2 (2)
FeS+O2→FeO+SO2 (3)
6FeO+O2→2Fe3O4 (4)
Cu2S+O2→Cu2O+SO2 (5)
FeS+Cu2O →Cu2S+FeO (6)
2FeO+SiO2→2FeO·SiO2 (7)
C+O2→CO2 (8)
C+Fe3O4→CO2+FeO (9)
從上1～9式可知，在熔煉過程中噴入的O2除部分和Fe反應(yīng)生成FeO或Fe3O4外大部分生成SO2、CO2氣體排出爐外，根據(jù)化學(xué)式反應(yīng)前后生成SO2、CO2與O2的氣體摩爾數(shù)相當(dāng)，故基本輸入的氣量略小于輸出的氣量。反應(yīng)產(chǎn)生的氣體起初以極其細(xì)微的氣泡存在，由于爐渣表面張力較小，氣體被爐渣捕集到一定程度后氣泡不斷匯集長大，最后脫離渣層。
在正常熔煉過程中一定范圍內(nèi)冶煉爐渣泡沫化有利于加快固液氣的混合，加速理化反應(yīng)進(jìn)行。同時，一定程度上減少煙氣中含塵量，降低煙塵率。但若出現(xiàn)渣性變差或渣黏度增加的情況，易出現(xiàn)渣中氣體排出不暢，導(dǎo)致惡性泡沫渣，嚴(yán)重時出現(xiàn)噴爐事故。發(fā)生惡性泡沫渣主要有以下三種情況。
①短暫停爐后重新啟動澳斯麥特爐時爐溫較低，渣黏度較大;
②噴槍頭燒損導(dǎo)致氣液固混合不均勻，化學(xué)反應(yīng)不完全，爐溫低，渣性差，爐內(nèi)部分區(qū)域形成過吹現(xiàn)象，導(dǎo)致大量Fe3O4在一個區(qū)域內(nèi)積聚;
③下料不正常導(dǎo)致實際入爐爐料與計算需氧量出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致過吹現(xiàn)象。
2.2 泡沫渣控制與消除
熔煉爐中出現(xiàn)惡性泡沫渣主要是爐內(nèi)渣性黏度過大，氣體不能順利從渣內(nèi)排出。泡沫渣大量產(chǎn)生后通過如下3種方法進(jìn)行分析判斷。
①觀察噴槍擺動情況，擺動減少或者停止擺動則需要進(jìn)一步觀察爐內(nèi)情況;
②在加料口聽噴槍與爐內(nèi)熔體相互作用的聲音，若聲音轉(zhuǎn)為悶響則說明噴槍在熔池內(nèi)過深，若槍位設(shè)定在正常工藝值則說明爐渣可能出現(xiàn)泡沫渣;
③在堰口觀察爐內(nèi)流出爐渣，若出現(xiàn)大面積暗紅色的，類似于雜質(zhì)，取樣冷卻后發(fā)現(xiàn)爐渣多空，且較輕，則為泡沫渣。
對于短暫停爐重新啟動澳斯麥特爐要注意由于爐溫過低，渣黏度較大造成惡性泡沫渣的問題，對這類問題再啟動時一般采取先加入一定量的塊煤，降低爐內(nèi)Fe3O4含量，同時提高爐內(nèi)溫度;再逐漸提高加料速率，最后達(dá)到正常穩(wěn)定生產(chǎn)。
對于過吹現(xiàn)象造成的惡性泡沫渣的消除，先將噴槍提升至噴濺位，后根據(jù)液面情況下至冶煉位，使噴槍在爐渣上方100～500mm處送風(fēng)，讓爐渣靜置，在處理過程中視情況加入塊煤進(jìn)行還原。若泡沫渣較為嚴(yán)重則緊急ESD工藝停車，防止出現(xiàn)噴爐的現(xiàn)象，并根據(jù)實際情況下槍至合適位置，下槍后使用塊煤進(jìn)行還原。
3 玻璃渣的形成及處理方法
3.1 玻璃渣的形成
玻璃渣指爐渣中Fe/SiO2較低，SiO2含量較高形成類似玻璃成分的冶煉爐渣。大冶玻璃渣事故的原因是熔劑入爐出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致爐內(nèi)渣中SiO2含量過高，爐渣出現(xiàn)泡沫化，形成玻璃渣。
表1為大冶玻璃渣事故爐渣與典型冶煉爐渣成分對比分析。Fe/SiO2由正常生產(chǎn)值1.28降為0.27，爐渣由堿性渣轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝栽?，事故爐渣已經(jīng)完全“玻璃化”。根據(jù)FeO-SiO2相圖隨著SiO2含量的升高熔點也隨之升高，事故爐渣取樣分析SiO2含量為44.41%，爐渣熔點上升至1470℃。在事故中表現(xiàn)為渣性變黏，爐渣溫度較低，流動性極差，堰口斷流。爐內(nèi)壓力逐漸積聚，到臨界值時爐內(nèi)剩余冰銅被迫從堰口溢出，產(chǎn)生大流量，出現(xiàn)死爐。
表1 玻璃渣事故后爐渣成分分析/%
備注：①事故處理過程取樣方式為測量桿取樣。
3.2 玻璃渣的處理
3.2.1 渣性調(diào)節(jié)
(1)添加金精礦
由表2知道，金精礦含S、Fe分別為40.3%和35.88%，若1t金精礦中S全部氧化則可產(chǎn)生3.74×106KJ的熱量[3]，加入的Fe與爐渣中SiO2結(jié)合形成橄欖石。因此添加金精礦至爐內(nèi)可起到調(diào)整爐內(nèi)Fe/SiO2，調(diào)整爐渣渣性的作用，同時還起到提高爐內(nèi)溫度的作用。本次添加方式為人工分2次從澳斯麥特爐加料口加入，加入量共計4噸，在加入過程中噴槍間斷性攪動熔池。
表2 金精礦成分/%
由于攪動不均勻金精礦未完全熔化，有部分浮料，取樣分析爐渣成分，顯示爐渣成分有所好轉(zhuǎn)(表3)，F(xiàn)e/SiO2由0.27變?yōu)?.82，爐渣仍為酸性爐渣，渣性黏度較大，爐內(nèi)溫度依然較低。
表3 加入金精礦后爐渣成分分析/%
(2)添加石灰
CaO等堿性氧化物的加入均可降低熔渣黏度[4]。本次使用石灰石調(diào)整爐渣，添加方式為人工從澳斯麥特爐加料口加入，加入過程中間斷性攪動熔池，加入總量為8t。加入CaO后爐渣成分如表4所示，渣性開始有所好轉(zhuǎn)，流動性明顯增強。測量桿取樣發(fā)現(xiàn)測量桿表面結(jié)渣明顯變細(xì)，但出現(xiàn)分層現(xiàn)象。說明石灰未完全、均勻地參與造渣反應(yīng)，需通過不斷攪拌熔池來改善分層現(xiàn)象。
表4 加入石灰后爐渣成分/%
3.2.2 圍堰疏通
正常生產(chǎn)時爐內(nèi)熔體由堰口(D)流出，事故后圍堰內(nèi)熔體溫度降低，爐渣與冰銅混合物凝固，為讓爐內(nèi)熔體可以順利排出必須疏通圍堰。根據(jù)現(xiàn)場情況，堰口觀察孔(B向)和清理口(A向)分別使用造熔池方式和傳統(tǒng)燒氧方式進(jìn)行疏通。疏通澳斯麥特爐圍堰示意如圖1所示。
堰口區(qū)域造熔池的主要材料為轉(zhuǎn)爐冷冰銅及鐵屑，熱量由燒氧過程中鐵與氧劇烈反應(yīng)釋放出大量的熱來提供。在造熔池過程中不斷使用氧管吹氧攪拌熔池，以加強上下高溫熔體的對流，加快渣銅在高溫熔體內(nèi)的融化。熔融后的冰銅和爐渣參與理化反應(yīng)，繼續(xù)放出大量熱后熔化周圍爐渣和冰銅。清理口燒氧與堰口造熔池同步進(jìn)行，二者在C點匯合，再由清理口進(jìn)一步向爐內(nèi)疏通，引導(dǎo)熔體從爐內(nèi)通過堰口流出。
A清理口，B觀察口，C交匯點，D堰口
圖1 澳斯麥特爐圍堰疏通示意圖
3.3 事故預(yù)防措施及建議
玻璃渣事故主要原因是澳斯麥特系統(tǒng)申克稱皮帶計量不準(zhǔn)確，河沙入爐量比實際值偏大，出現(xiàn)爐渣嚴(yán)重玻璃化，爐內(nèi)溫度急劇降低，導(dǎo)致死爐。為減少類似事故的發(fā)生或擴大從兩個方面入手：
①加強職工教育，加強系統(tǒng)重啟初期的巡檢工作，保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn);
②事故發(fā)生，需要快速決斷是否排空，若需要，應(yīng)快速組織人員進(jìn)行排空處理，盡量露出內(nèi)堰，保證圍堰通暢。
本次事故采取調(diào)整渣性和疏通圍堰相結(jié)合來進(jìn)行處理，效果較好。調(diào)整渣性使用添加金精礦及石灰時由于爐溫過低導(dǎo)致反應(yīng)不完全，影響部分調(diào)節(jié)效果;受廠內(nèi)資源限制使用金精礦調(diào)節(jié)，若本地有其他黃鐵礦(Fe>45%，S>50%)等含S、Fe更高的礦物建議選用，故建議儲存少量黃鐵礦，可用于沉降電爐洗爐及緊急情況下澳斯麥特爐渣性調(diào)節(jié)。后期加入石灰時出現(xiàn)的爐渣分層現(xiàn)象，這說明添加過程中攪拌不充分，建議采取多點加入，減少石灰堆積。在加入過程中視爐內(nèi)情況調(diào)整槍位，加強對熔池的攪拌。
4 總結(jié)
大冶對泡沫渣的控制以抑制其產(chǎn)生為主，在短暫停爐時先提升爐內(nèi)溫度，逐步加料至正常，有利于減少嚴(yán)重泡沫渣的產(chǎn)生幾率;對過吹造成的泡沫渣要注意靜置的同時適當(dāng)添加塊煤等還原煤對渣層進(jìn)行還原，加速氣泡消散。
在處理玻璃渣事故過程中大冶通過添加高S、Fe礦物以及CaO來調(diào)整渣性，同時對爐內(nèi)進(jìn)行排空以期減少有害爐渣對恢復(fù)正常生產(chǎn)的影響。其中添加高S、Fe礦物除使用金精礦外還可以使用黃鐵礦等類似礦物，在添加過程中要注意適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行攪動，避免形成堆料進(jìn)一步惡化爐內(nèi)情況。CaO等類似堿性氧化物可以有效降低爐渣黏度，對低溫狀態(tài)下加強爐渣的流動性有較大的益處，在實際事故處理過程中效果是明顯的。在疏通堰口過程中，在清理口方向進(jìn)行燒氧與堰口直接造熔池相結(jié)合的方法進(jìn)行疏通是科學(xué)可行的。
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聲明：
“澳斯麥特爐熔煉過程中，泡沫渣及玻璃渣形成與控制的探討” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：大冶有色金屬有限責(zé)任公司冶煉廠
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