1 前言
大冶有色金属有限责任公司冶炼厂(以下简称为大冶)澳斯麦特系统于2009年7月13日奠基动工，2010年12月9日澳斯麦特炉点火开炉，2010年12月31日产出冰铜。目前大冶澳斯麦特系统已稳定运行四年，主要技术经济指标达到或优于设计值：如2014年1-11月平均矿产粗铜综合能耗为138.196 kgce/t优于设计值241kgce/t，也优于铜冶炼企业单位产品能耗限额先进值340kgce/t;作业时率为94.162%优于设计的91.6%。同时澳斯麦特炉系统自动化程度高，通过冶金计算实现自动调节供风供氧量，通过联锁设置可以实现对加料系统、供风供氧系统等故障自动保护，既提高了系统的安全性，也降低了职工的劳动强度[1]。
澳斯麦特炉熔炼过程是将粉煤、氧气、空气等通过赛洛(Siro)喷枪高速鼓入熔池的渣层中，与加入铜精矿、熔剂等发生剧烈的搅拌及化学反应，迅速完成造硫、造渣等反应。因此熔炼过程中渣性控制的好坏直接关系到生产是否正常进行。本文拟就澳斯麦特炉泡沫渣及大冶玻璃渣事故的形成及控制进行分析探讨。
2 泡沫渣形成原因及控制方法
2.1 泡沫渣形成原因分析
澳斯麦特炉熔炼过程中，喷枪向熔池内鼓入大量富氧空气、燃料与铜精矿发生一系列理化反应后生产大量SO2、CO2，这些气体要突破渣层，进入烟道内，在其贯穿渣层过程中，炉内气相和液相相互混合[2]。下面为铜精矿熔炼过程发生的主要化学反应：
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)
从上1～9式可知，在熔炼过程中喷入的O2除部分和Fe反应生成FeO或Fe3O4外大部分生成SO2、CO2气体排出炉外，根据化学式反应前后生成SO2、CO2与O2的气体摩尔数相当，故基本输入的气量略小于输出的气量。反应产生的气体起初以极其细微的气泡存在，由于炉渣表面张力较小，气体被炉渣捕集到一定程度后气泡不断汇集长大，最后脱离渣层。
在正常熔炼过程中一定范围内冶炼炉渣泡沫化有利于加快固液气的混合，加速理化反应进行。同时，一定程度上减少烟气中含尘量，降低烟尘率。但若出现渣性变差或渣黏度增加的情况，易出现渣中气体排出不畅，导致恶性泡沫渣，严重时出现喷炉事故。发生恶性泡沫渣主要有以下三种情况。
①短暂停炉后重新启动澳斯麦特炉时炉温较低，渣黏度较大;
②喷枪头烧损导致气液固混合不均匀，化学反应不完全，炉温低，渣性差，炉内部分区域形成过吹现象，导致大量Fe3O4在一个区域内积聚;
③下料不正常导致实际入炉炉料与计算需氧量出现偏差，导致过吹现象。
2.2 泡沫渣控制与消除
熔炼炉中出现恶性泡沫渣主要是炉内渣性黏度过大，气体不能顺利从渣内排出。泡沫渣大量产生后通过如下3种方法进行分析判断。
①观察喷枪摆动情况，摆动减少或者停止摆动则需要进一步观察炉内情况;
②在加料口听喷枪与炉内熔体相互作用的声音，若声音转为闷响则说明喷枪在熔池内过深，若枪位设定在正常工艺值则说明炉渣可能出现泡沫渣;
③在堰口观察炉内流出炉渣，若出现大面积暗红色的，类似于杂质，取样冷却后发现炉渣多空，且较轻，则为泡沫渣。
对于短暂停炉重新启动澳斯麦特炉要注意由于炉温过低，渣黏度较大造成恶性泡沫渣的问题，对这类问题再启动时一般采取先加入一定量的块煤，降低炉内Fe3O4含量，同时提高炉内温度;再逐渐提高加料速率，最后达到正常稳定生产。
对于过吹现象造成的恶性泡沫渣的消除，先将喷枪提升至喷溅位，后根据液面情况下至冶炼位，使喷枪在炉渣上方100～500mm处送风，让炉渣静置，在处理过程中视情况加入块煤进行还原。若泡沫渣较为严重则紧急ESD工艺停车，防止出现喷炉的现象，并根据实际情况下枪至合适位置，下枪后使用块煤进行还原。
3 玻璃渣的形成及处理方法
3.1 玻璃渣的形成
玻璃渣指炉渣中Fe/SiO2较低，SiO2含量较高形成类似玻璃成分的冶炼炉渣。大冶玻璃渣事故的原因是熔剂入炉出现偏差，导致炉内渣中SiO2含量过高，炉渣出现泡沫化，形成玻璃渣。
表1为大冶玻璃渣事故炉渣与典型冶炼炉渣成分对比分析。Fe/SiO2由正常生产值1.28降为0.27，炉渣由碱性渣转变为酸性渣，事故炉渣已经完全“玻璃化”。根据FeO-SiO2相图随着SiO2含量的升高熔点也随之升高，事故炉渣取样分析SiO2含量为44.41%，炉渣熔点上升至1470℃。在事故中表现为渣性变黏，炉渣温度较低，流动性极差，堰口断流。炉内压力逐渐积聚，到临界值时炉内剩余冰铜被迫从堰口溢出，产生大流量，出现死炉。
表1 玻璃渣事故后炉渣成分分析/%
备注：①事故处理过程取样方式为测量杆取样。
3.2 玻璃渣的处理
3.2.1 渣性调节
(1)添加金精矿
由表2知道，金精矿含S、Fe分别为40.3%和35.88%，若1t金精矿中S全部氧化则可产生3.74×106KJ的热量[3]，加入的Fe与炉渣中SiO2结合形成橄榄石。因此添加金精矿至炉内可起到调整炉内Fe/SiO2，调整炉渣渣性的作用，同时还起到提高炉内温度的作用。本次添加方式为人工分2次从澳斯麦特炉加料口加入，加入量共计4吨，在加入过程中喷枪间断性搅动熔池。
表2 金精矿成分/%
由于搅动不均匀金精矿未完全熔化，有部分浮料，取样分析炉渣成分，显示炉渣成分有所好转(表3)，Fe/SiO2由0.27变为0.82，炉渣仍为酸性炉渣，渣性黏度较大，炉内温度依然较低。
表3 加入金精矿后炉渣成分分析/%
(2)添加石灰
CaO等碱性氧化物的加入均可降低熔渣黏度[4]。本次使用石灰石调整炉渣，添加方式为人工从澳斯麦特炉加料口加入，加入过程中间断性搅动熔池，加入总量为8t。加入CaO后炉渣成分如表4所示，渣性开始有所好转，流动性明显增强。测量杆取样发现测量杆表面结渣明显变细，但出现分层现象。说明石灰未完全、均匀地参与造渣反应，需通过不断搅拌熔池来改善分层现象。
表4 加入石灰后炉渣成分/%
3.2.2 围堰疏通
正常生产时炉内熔体由堰口(D)流出，事故后围堰内熔体温度降低，炉渣与冰铜混合物凝固，为让炉内熔体可以顺利排出必须疏通围堰。根据现场情况，堰口观察孔(B向)和清理口(A向)分别使用造熔池方式和传统烧氧方式进行疏通。疏通澳斯麦特炉围堰示意如图1所示。
堰口区域造熔池的主要材料为转炉冷冰铜及铁屑，热量由烧氧过程中铁与氧剧烈反应释放出大量的热来提供。在造熔池过程中不断使用氧管吹氧搅拌熔池，以加强上下高温熔体的对流，加快渣铜在高温熔体内的融化。熔融后的冰铜和炉渣参与理化反应，继续放出大量热后熔化周围炉渣和冰铜。清理口烧氧与堰口造熔池同步进行，二者在C点汇合，再由清理口进一步向炉内疏通，引导熔体从炉内通过堰口流出。
A清理口，B观察口，C交汇点，D堰口
图1 澳斯麦特炉围堰疏通示意图
3.3 事故预防措施及建议
玻璃渣事故主要原因是澳斯麦特系统申克称皮带计量不准确，河沙入炉量比实际值偏大，出现炉渣严重玻璃化，炉内温度急剧降低，导致死炉。为减少类似事故的发生或扩大从两个方面入手：
①加强职工教育，加强系统重启初期的巡检工作，保证设备正常运转;
②事故发生，需要快速决断是否排空，若需要，应快速组织人员进行排空处理，尽量露出内堰，保证围堰通畅。
本次事故采取调整渣性和疏通围堰相结合来进行处理，效果较好。调整渣性使用添加金精矿及石灰时由于炉温过低导致反应不完全，影响部分调节效果;受厂内资源限制使用金精矿调节，若本地有其他黄铁矿(Fe>45%，S>50%)等含S、Fe更高的矿物建议选用，故建议储存少量黄铁矿，可用于沉降电炉洗炉及紧急情况下澳斯麦特炉渣性调节。后期加入石灰时出现的炉渣分层现象，这说明添加过程中搅拌不充分，建议采取多点加入，减少石灰堆积。在加入过程中视炉内情况调整枪位，加强对熔池的搅拌。
4 总结
大冶对泡沫渣的控制以抑制其产生为主，在短暂停炉时先提升炉内温度，逐步加料至正常，有利于减少严重泡沫渣的产生几率;对过吹造成的泡沫渣要注意静置的同时适当添加块煤等还原煤对渣层进行还原，加速气泡消散。
在处理玻璃渣事故过程中大冶通过添加高S、Fe矿物以及CaO来调整渣性，同时对炉内进行排空以期减少有害炉渣对恢复正常生产的影响。其中添加高S、Fe矿物除使用金精矿外还可以使用黄铁矿等类似矿物，在添加过程中要注意适当的进行搅动，避免形成堆料进一步恶化炉内情况。CaO等类似碱性氧化物可以有效降低炉渣黏度，对低温状态下加强炉渣的流动性有较大的益处，在实际事故处理过程中效果是明显的。在疏通堰口过程中，在清理口方向进行烧氧与堰口直接造熔池相结合的方法进行疏通是科学可行的。
参考文献
[1]. 李立,王成国. 全国重有色冶炼资源综合回收利用与清洁生产技术经验交流会论文集[C].深圳:2011:87-90
[2]. 裴明杰. 澳斯麦特吹炼炉炉渣泡沫化控制探讨[J].中国有色金属,2008(1):15-20
[3]. 铜铅锌冶金设计参考资料上册[M].北京:冶金工业出版社,1978:578
[4]. 朱祖泽,贺家齐. 现代铜冶金学[M].北京:科学出版,2003
声明：
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编辑：中冶有色技术网
来源：大冶有色金属有限责任公司冶炼厂
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