李東波 史誼峰 劉承飛 沈強(qiáng)華 程?hào)|杰 陳 雯

(1.云南銅業(yè)股份有限公司 西南銅業(yè)分公司，昆明 650000；2.云南銅業(yè)股份有限公司，昆明 650000；3.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院，昆明 650093)

20世紀(jì)90年代艾薩煉銅技術(shù)出現(xiàn)在世界有色金屬行業(yè)當(dāng)中。云南銅業(yè)股份有限公司于2002年引了入艾薩煉銅工藝，該工藝采用艾薩爐對(duì)銅精礦進(jìn)行熔煉，采用沉降電爐對(duì)艾薩熔煉渣進(jìn)行貧化[1]。目前該工藝采用高氧勢、高冰銅品位的熔煉方法，使得熔煉渣磁性氧化鐵含量高，爐渣的性質(zhì)嚴(yán)重惡化，渣含銅較高，為降低渣中銅損失，需要配套的沉降電爐對(duì)爐渣進(jìn)行貧化處理[2-3]，但生產(chǎn)上難以掌握爐渣在沉降電爐中的沉降分離時(shí)間，人們對(duì)爐渣貧化時(shí)間判定困難，影響渣含銅和生產(chǎn)效率。由于爐渣在電爐中的流速較小，雷諾數(shù)<2[4-5]，尺寸較小的金屬和熔锍液滴可以作為剛性球體[6-8]，因此，當(dāng)它們?cè)陔姞t中靜置沉降時(shí)，可采用斯托克斯(Stokes)沉降公式對(duì)電爐渣中硫化相顆粒在渣中的沉降速度進(jìn)行計(jì)算[9-12]，該計(jì)算結(jié)果可以反映出沉降電爐的工作狀態(tài)，指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐制定合理的電爐操作制度，從而達(dá)到提高金屬回收率的目的。因此，研究艾薩煉銅工藝锍滴尺寸對(duì)電爐貧化的影響，有助于掌握沉降電爐的工作狀態(tài)，制定合理的電爐管理制度，減少渣含銅，降低生產(chǎn)成本。基于此，本文以艾薩煉銅系統(tǒng)電爐渣為研究對(duì)象，采用各種先進(jìn)的分析手段對(duì)其化學(xué)成分、主要物相、黏度等進(jìn)行分析，并采用掃描電鏡分析統(tǒng)計(jì)電爐渣中硫化相的粒度及其分布，在此基礎(chǔ)之上計(jì)算硫化相密度，并運(yùn)用斯托克斯沉降公式計(jì)算不同溫度條件下的電爐渣中锍滴沉降速度，分析锍滴粒度對(duì)锍滴沉降速度的影響，探討電爐貧化能夠從熔渣中有效分離的熔锍粒徑大小。

1 電爐渣性質(zhì)分析

1.1 化學(xué)成分

實(shí)驗(yàn)用電爐渣的主要化學(xué)成分見表1。

表1 電爐渣化學(xué)成分

1.2 物相組成

電爐渣XRD檢測結(jié)果如圖1所示。掃描電鏡分析結(jié)果如圖2所示。

結(jié)合圖1和圖2分析結(jié)果可以看出，電爐渣中的物相主要為鎂鐵橄欖石和磁鐵礦，二者總含量約占80%。渣中銅的主要存在形式為銅鐵硫化相(锍滴)和冰銅相，鎂也存在于磁鐵礦中，約占1%～2%，磁鐵礦中含鋁約5%～7%。鈣則存在于玻璃相中，含量約15%。

圖1 電爐渣的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of the electric furnace slag analysis chart

圖2 電爐渣中掃描電鏡圖像Fig.2 SEM images of the electric furnace slag

1.3 硫化相的粒度統(tǒng)計(jì)

電爐渣中冰銅相及銅鐵硫化相在掃描電鏡下的粒度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。由表2數(shù)據(jù)計(jì)算電爐渣中銅鐵硫化相的平均粒度，結(jié)果為5.26 μm。

表2 電爐渣中冰銅相及銅鐵硫化相的粒度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

1.4 黏度

采用由美國生產(chǎn)的THETA RHEOTRONIC Ⅱ高溫黏度儀對(duì)電爐渣的黏度進(jìn)行檢測。溫度范圍：室溫～1 300 ℃，升溫速率10 ℃/min，通入氬氣做保護(hù)氣體。實(shí)驗(yàn)通過浸入被測爐渣液中的轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)形成的扭矩來測量黏度值，扭矩與浸入樣品中的轉(zhuǎn)子被黏性拖拉形成的阻力成正相關(guān)，因而與黏度也成正相關(guān)，高溫黏度儀即是在高溫狀態(tài)下用轉(zhuǎn)子測定熔體的黏度特性。爐渣樣黏度測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 電爐渣黏度測試結(jié)果Fig.3 Results of the electric furnace slag viscosity test

從圖3中可以看出，電爐渣的黏度隨著溫度的增加而降低，但降低幅度逐漸減小。當(dāng)電爐渣的溫度在1 180～1 200 ℃波動(dòng)，電爐渣黏度變化范圍為0.119 5～0.100 4 Pa·s。

1.5 電爐渣比重及渣中硫化相密度計(jì)算

實(shí)驗(yàn)室采用電子密度計(jì)測得電爐渣密度ρS為3 705.9 kg/m3。硫化相密度按照式(1)加和規(guī)則近似計(jì)算。

ρm=∑[φ(M%)×ρM]

(1)

式中，ρm―硫化相密度，t/m3；ρM―硫化相中主要物質(zhì)的密度；M%―硫化相中主要物質(zhì)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

渣中各主要硫化相的密度計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 硫化相組分的密度

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，結(jié)合式(1)，可得出沉降電爐熔锍密度為：ρm=1.64%×5700+77.67%×4600+20.69%×5180=4738.4 (kg/m3)。

2 锍滴尺寸對(duì)锍滴沉降速度的影響分析

2.1 沉降公式

運(yùn)用Stokes沉降公式(式2)對(duì)電爐渣的沉降速度進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中，v—沉降速度，m/s；g—重力加速度，m/s2；Dp—熔锍直徑，m；ρm—熔锍密度，kg/m3；ρs—爐渣密度，kg/m3；η—渣黏度，Pa·s。

2.2 溫度對(duì)沉降速度的影響

根據(jù)電爐渣中硫鏑平均直徑為Dp=5.26 μm，ρm=4738.4 kg/m3，ρS=3705.9 kg/m3，沉降距離(即渣層厚度)H=渣層高度-冰銅高度=1 414 mm-500 mm=914 mm，計(jì)算不同溫度下的沉降速度，結(jié)果見表4。

表4 锍滴直徑為5.26 μm時(shí)的沉降速度和沉降時(shí)間

由表4可知，電爐渣中的銅鐵硫化相顆粒在電爐中靜置沉降階段處于懸浮狀態(tài)，排放爐渣時(shí)渣中硫化相易隨渣層一同排放，造成了有價(jià)金屬直接損失。對(duì)表4中溫度與沉降時(shí)間進(jìn)行線性回歸擬合[13]，結(jié)果如圖4所示。

圖4 線性回歸擬合結(jié)果Fig.4 Fitting result of linear regression

從圖4可知，對(duì)于锍鏑平均粒徑為5.26 μm的電爐渣，其溫度與沉降時(shí)間的線性回歸方程式為：Y=0.0184X-19.882，擬合度R2=0.96802。由此公式可以計(jì)算出1 180～1 200 ℃內(nèi)的锍鏑沉降速度，從而可為生產(chǎn)實(shí)踐電爐渣沉降及排放制度進(jìn)行理論指導(dǎo)。

2.3 粒徑對(duì)沉降速度的影響

采用Stokes沉降公式對(duì)不同直徑的锍滴，在黏度0.100 4 Pa·s，硫化相4 738.4 kg/m3，電爐渣密度3 705.9 kg/m3條件下進(jìn)行沉降速度計(jì)算，結(jié)果見表5。

表5 不同粒徑的锍滴沉降速度及分離時(shí)間

澄清時(shí)間按2 h計(jì)算，結(jié)合表5可知，比75 μm更細(xì)小的硫化相沉降時(shí)間太長，在渣中基本上處于懸浮狀態(tài)，在沉降電爐中未完全與渣分離就部分隨爐渣從爐內(nèi)排除。

對(duì)表5中粒徑Dp和沉降速度v進(jìn)行多項(xiàng)式回歸擬合，結(jié)果如圖4所示。

圖5 多項(xiàng)式回歸擬合結(jié)果Fig.5 Fitting results of polynomial regression

從圖5可知，多項(xiàng)式回歸擬合方程式為：Y=0.44698-0.3862X+0.08105X2，擬合度R2=0.99999，擬合度好。結(jié)合表5和圖5數(shù)據(jù)可以推斷，在生產(chǎn)實(shí)踐中需要?jiǎng)?chuàng)造條件讓渣中硫化相進(jìn)行匯聚，長大為大顆粒，粒徑至少75 μm才能進(jìn)行有效沉降。

4 結(jié)論

1)電爐渣中有80%的鎂鐵橄欖石和磁鐵礦，銅的存在形式為銅鐵硫化相(锍鏑)和冰銅相，磁鐵礦中含鎂約1%～2%，磁鐵礦中含鋁約5%～7%，玻璃相中含鈣約15%。硫化相平均粒徑為5.26 μm。

2)熔锍密度ρm=4 738.4 kg/m3；爐渣密度ρs為3 705.9 kg/m3；锍鏑直徑為5.26 μm時(shí)在1 180、1 185、1 200 ℃下，锍鏑從熔渣中分離的行程為914 mm時(shí)的沉降速度分別為1.87、1.99、2.23 mm/h。

3)對(duì)于锍鏑平均粒徑為5.26 μm的電爐渣，其溫度與沉降時(shí)間的線性回歸方程式為：Y=0.0184X-19.882，擬合度R2=0.96802。對(duì)粒徑Dp和沉降速度v進(jìn)行多項(xiàng)式回歸擬合，擬合方程式為：Y=0.44698-0.3862X+0.08105X2，擬合度R2=0.99999。

4)比75 μm更細(xì)小的硫化相在渣中基本上處于懸浮狀態(tài)，研究結(jié)果表明在生產(chǎn)實(shí)踐中需要锍鏑粒徑至少75 μm才能進(jìn)行有效沉降。