高铅铜原料在铜冶金工厂的使用探索

陈习堂

（楚雄滇中有色金属有限责任公司，云南 楚雄 675000）

某铜冶金工厂采用富氧顶吹艾萨炉熔池熔炼--转炉吹炼--固定式反射炉精炼的火法铜冶炼流程生产阳极铜，产出阳极铜品质要求含铅低于0.2%。阳极铜含铅品位要求是限制其使用高铅铜原料的重要因素。近两年来，通过不断探索、实践，在满足产品品质要求的前提下，高铅铜原料处置能力得到了较大幅度的提升。原料渠道得到了拓展，同时铅大部分富集于烟尘中，烟尘外售后可获得良好的经济效益。

1 铜原料中Pb的去向调查

2019年该工厂与昆明理工大学开展产学研合作，开展了为期7天的各元素在冶炼过程中的分布特性调查，得出了在当期原料成分和生产操作条件下Pb在冶炼过程中的分布特性。

1.1 Pb在艾萨炉熔炼阶段的分布

调查期间，艾萨炉入炉原料平均含Pb0.764%，艾萨炉下料量80t/h，艾萨炉富氧浓度50%，冰铜品位57.699%。熔炼过程Pb的分布为：44.573%进入熔炼细烟尘，36.661%进入冰铜，10.645%进入熔炼渣，4.296%进入粗烟尘，剩余部分随烟气进入制酸系统，最终沉降于酸泥和污酸处理中和渣中。铜冶炼过程中熔炼阶段的主产物是冰铜，进入冰铜的Pb占比为36.661%，因此得出Pb在熔炼阶段的脱出率为63.339%。

1.2 Pb在转炉吹炼阶段的分布

调查期间，用于转炉吹的冰铜品位57.699%，冰铜含Pb0.8%，富氧浓度22-23%，每炉协同处理冷态外购粗铜20吨，外购粗铜含Pb0.305%。吹炼过程Pb的分布为：47.685%进入转炉吹炼渣，31.546%进入吹炼细烟尘，5.386%进入转炉粗烟尘，8.47%进入产品粗铜，剩余约6.913%随烟气进入制酸系统，最终进入到酸泥和污酸处理中和渣中。吹炼阶段的主产品为粗铜，进入粗铜的Pb占比为8.47%，因此得出Pb在吹炼阶段的脱除率为91.53%。

1.3 Pb在阳极炉精炼阶段的分布

调查期间，用于阳极炉精炼的液态粗铜含Pb0.074%，阳极炉不外加其他冷料。精炼过程Pb的分布为：62.34%进入阳极炉渣，37.02%进入产品阳极铜，剩余部分随烟气进入制酸系统，最终进入到酸泥和污酸处理中和渣中。精炼阶段的主产品为阳极铜，进入阳极铜的Pb占比为37.02%，因此得出Pb在精炼阶段的脱除率为62.98%。

1.4 Pb在铜火法冶炼全流程中的分布

将上述各阶段数据汇总，最终进入阳极铜的Pb占比为0.414%，全流程Pb脱除率为99.586%。具体投入、产出总量和分布见表1。

表1 Pb在铜火法冶炼全流程中的分布表

2 影响Pb在铜火法冶炼过程中的因素分析

从Pb在铜火法全流程脱除率[1，2]来看，Pb较为容易脱除，脱除率达到99.586%，但在实际生产过程中由于产品杂质含量要求较低，时常有产品Pb超标的情况发生。结合Pb的化学特性[3]，影响Pb脱除率的主要因素有几下方面：

2.1 熔炼工序

火法铜熔炼中的Pb主要来自于铜精矿、熔炼和吹炼工序的粗烟尘返炉，其中铜精矿中大部分以PbS形式存在，同时PbO和PbSO4主要来源于部分氧化铜精矿和返熔炼烟尘，其在强氧化熔炼过程中的主要反应有：

2PbS+3O22PbO+2SO2

2PbSO42PbO+2SO2+O2

PbS+2PbO3Pb+SO2

2Pb+O22PbO

在铜熔炼高氧势、高温度的环境中，PbS、Pb、PbO均容易挥发，挥发后进入烟气，由于氧势强，直接挥发的Pb、PbS易被氧化，挥发进入烟气中的Pb主要以PbO为主。另外，在有SiO2、Fe2O3存在的情况下，部分PbO会形成硅酸铅和铁酸铅，进入熔炼渣中除去。未被氧化的PbS、金属Pb则溶解于冰铜中，未被氧化的PbS和金属Pb越多，则熔炼工序Pb的去除率越低。因此，理论上在铜熔炼过程中增加Pb的脱除率的途径有效途径有两条，一是提升熔炼氧化氛围使PbS、Pb充分氧化，有利于增加Pb的脱除率；二是提升熔炼温度，提升Pb及其化合物的蒸汽压，有利于Pb及其化合物的挥发。但过高的温度会加速耐火材料损伤等一系列问题，因此需量力而行。

2.2 吹炼工序

吹炼工序中的Pb来自于熔炼冰铜和其外购冷料，冰铜和冷料中的Pb主要以金属Pb和PbS形形式存在，在吹炼过程中Pb的去除方式与熔炼阶段相同，主要是氧化挥发和造渣脱除。影响吹炼Pb脱除率的因素主要有两方面，一是冰铜品位，冰铜品位越低，造渣量和造渣时间越长，越有利于Pb的脱除；二是冷料加入时机，冷料在转炉吹炼过程越短，冷料中的Pb的脱除率越低。

2.3 精炼工序

精炼工序中的Pb来自于粗铜，其脱除原理和吹炼工序一致，但在正常生产过程中，精炼工序操作差异大，有的精炼工序不再外加熔剂，也有添加熔剂的，但熔剂种类有差异[4]。

3 高Pb原料处理探索

为了进一步降低原料采购成本、拓宽原料市场，工厂在2020年开始进一步提升原料中Pb含量的工业试验，高铅铜原料包含高铅铜精矿、高铅冰铜、高铅冷粗铜等。其中，熔炼炉入炉铜精矿含Pb限值由0.5%提升至2%，同时协调处理部分高铅冰铜，转炉协调处理含铅0.4%-0.8%的高铅粗铜，过程中采取了一些针对性的措施，取得了一定成效。

3.1 艾萨炉熔炼工序主要调整措施及效果

2020年10 月份开始，将一直处于备用状态的7500m3/h制氧站投入使用，艾萨炉富氧浓度由50%提升至60%，提升熔炼炉氧化氛围，同时艾萨炉下料量由80t/h提升至100t/h。具体数据变化情况见表2。

表2 2019年-2021年3月熔炼工序Pb脱除率分析数据表

由上表数据可看出，随着原料中Pb含量的提升，冰铜中的含Pb随之大幅提升，2020年10月份开始提升富氧浓度和下料量，冰铜中含Pb品位进一步提升，脱除率下降。分析其原因是：艾萨炉容积和艾萨炉配套的烟气处理能力是定量，当艾萨炉下料提升，艾萨炉熔矿速度提升，原料中的Pb在艾萨炉内的脱除时间缩短，Pb的脱除率也随之下降。

3.2 转炉吹炼工序主要调整措施及效果

一是严格控制熔炼冰铜品位，由原来的58%-60%降至56%-58%，二是在造铜期添加适量石英石，有利于在二周期加入的高铅粗铜中的铅造渣；三是严格控制高铅粗铜加入时机，选择在一吹炼周期末期和二周期前期加入，禁止在出铜前1.5小时内加入，以确保加入的冷粗铜有充足的熔化、氧化造渣和杂质挥发时间。具体数据变化情况见表3。

表3 2019年-2021年3月转炉工序Pb脱除率分析数据表

由上表数据可看出，冰铜中的含Pb品位提升后，Pb脱除率随之上升，粗铜含Pb品位基本可控制在0.3%以内。在实际生产过程中，当冰铜品位超60%时，吹炼时间会大幅缩短，产出的粗铜含Pb品位也会随之上升；当外购冷粗铜含Pb过高时，如加入时间过于靠后，也会造成产出的粗铜含Pb品位。通过控制冰铜品位、控制外购冷粗铜加入时机、造铜期添加适量石英石熔剂等措施后，可提升吹炼Pb脱除率，在原料含Pb提升后，吹炼产出粗铜含Pb品位基本可控制在0.3%以内。

3.3 精炼吹炼工序主要调整措施及效果

原料中的含Pb提升后，主要采取的措施是：根据转炉吹炼工序产品粗铜的含Pb品位，含Pb超过0.3%的，在阳极铜精炼氧化阶段加入适量石英砂。由于粗铜、阳极铜含Pb均较低，化验偏差对脱除率计算影响过大，因此未做具体脱除率计算，阳极铜含Pb品质基本可控制在0.2%以内。但是也存在一些的弊端，一是阳极炉在加入石英砂后，石英砂对阳极炉耐火材料侵蚀速率明显上升；二是加入的石英砂需严格控制水分，水分高存在发生喷炉事故的风险；三是阳极炉氧化用风有限，如大量杂质后移至阳极炉脱除，会大量增加精炼时间、精炼劳动强度。因此，尽量可能在转炉吹炼阶段将Pb脱除，是效率最高、成本最低的做法。

4 结论

（1）提升熔炼工序入炉原料Pb品位、处理量和富氧浓度后，冰铜含Pb品位大幅提升，熔炼工序Pb脱除率下降；在冰铜含Pb品位提升的前提下，采取降低冰铜品位、二周期添加石英砂、控制冷料加入时机等措施，可提升转炉吹炼工序Pb脱除率；精炼工序在粗铜含Pb高时在氧化精炼阶段适量添加石英砂，可提升Pb脱除率，使阳极铜含Pb控制在标准范围内。

（2）工厂增加高铅铜物料后，产品品质基本受控，有效减少了工厂进口矿的使用量，降低了原料成本，同时原料中的Pb60%以上进入到烟尘中得到回收、外卖，大幅提升企业盈利能力。