周 旋

(青海銅業(yè)有限責(zé)任公司， 青海 西寧 810000)

1 工藝概況介紹

內(nèi)蒙古某冶煉公司于2008年9月開工建設(shè)，2011年3月開始投產(chǎn)，設(shè)計產(chǎn)能為年產(chǎn)陰極銅5萬t。其生產(chǎn)工藝為火法精煉爐生產(chǎn)陽極板，傳統(tǒng)電解法生產(chǎn)陰極銅，誘導(dǎo)法對電解液進行凈化，產(chǎn)出粗硫酸鎳產(chǎn)品。

火法精煉爐主要是對上游吹煉工序產(chǎn)生的粗銅進一步冶煉，除掉粗銅中的硫、鐵、鉛、鉍、銻和砷等雜質(zhì)，產(chǎn)出滿足電解精煉生產(chǎn)需求的銅陽極板。

火法精煉爐分為固定式、回轉(zhuǎn)式和傾動式三種。該公司從產(chǎn)能、成本、原料等方面考慮，使用的是固定式火法精煉爐。其主要原料為粗銅、少量紫雜銅及電解返回殘極等冷料。燃料選擇天然氣，熔劑主要是SiO2>85%、粒度<20 mm的石英石，還原劑是以煤基為主的固體還原粉煤。在生產(chǎn)過程中火法精煉爐的基本工藝流程分為4個階段，分別為：加料熔化期、氧化期、還原期、澆鑄期。

1)加料熔化期。采用1.5 t地面式加料機將銅料分批加入爐中熔化。進料前爐膛溫度不低于1 350 ℃, 爐內(nèi)壓力為0～80 Pa，加料過程爐內(nèi)溫度不低于1 300 ℃，在熔化階段增大燃料量和鼓風(fēng)量，保持爐內(nèi)溫度不低于1 350 ℃，壓力維持在微負壓。

2)氧化期。銅料熔化后，通過彎成“7”字型鋼管(外面包有耐火泥)向爐內(nèi)鼓入0.15～0.2 MPa的壓縮空氣進行氧化造渣。管子插入深度150～300 mm，爐內(nèi)微負壓。部分雜質(zhì)揮發(fā)進入煙氣，然后進入二次燃燒室、余熱鍋爐、噴流換熱器，最后進入布袋收塵系統(tǒng)，以金屬氧化物的形式進行副產(chǎn)品回收。其余雜質(zhì)隨造渣進入浮渣中，由爐前渣口人工扒出爐渣，用叉車將爐渣運往渣堆場，經(jīng)冷卻破碎后外售。

3)還原期。氧化結(jié)束后進行還原作業(yè)，停止燃料燃燒，爐內(nèi)保持微正壓，維持其還原氣氛。還原采用低硫固體炭質(zhì)還原劑，由壓縮空氣經(jīng)包有耐火泥的鋼管鼓入銅液。還原末期取樣化驗，樣品斷面泛金屬光澤，呈玫瑰紅色，還原作業(yè)結(jié)束。

4)澆鑄。精煉完成后，控制爐內(nèi)為零壓，銅液溫度控制在1 180～1 200 ℃。陽極銅經(jīng)出銅溜槽至中間包、澆鑄包中，人工控制澆入圓盤澆鑄機模具內(nèi)，中間包和澆鑄包采用燃燒稻草保溫。隨著圓盤澆鑄機的周期運轉(zhuǎn)，澆鑄好的陽極板經(jīng)噴水冷卻，廢陽極板由懸臂吊車提前吊取，合格陽極板經(jīng)勾取機取出放置在冷卻水槽中進一步冷卻，用叉車運往電解精煉車間。

2 生產(chǎn)過程存在的問題

該公司火法精煉爐通過幾年的生產(chǎn)使用，基本能滿足生產(chǎn)需要，但存在部分設(shè)計、工藝、管道和造渣溶劑粒度等不合理問題，造成同等投料情況下，與包頭華鼎銅業(yè)相比較，爐時過長(包頭華鼎每爐120 t，平均爐時20 h)，造成天然氣單耗相應(yīng)偏高，具體爐時和天然氣單耗見表1。

表1 2014年3～8月份的平均爐時和天然氣單耗

2.1 銅陽極板物表質(zhì)量

火法精煉爐生產(chǎn)出的陽極板就化學(xué)成份而言合格率能夠達到100%,但部分陽極板的背面(與模具接觸面)存在大量的蜂窩狀氣孔，越是澆鑄后期越明顯，嚴重時達到了整個板面，氣孔直徑一般都在3～8 mm。陽極板表面蜂孔多、氣孔直徑大、深度較深，由于陽極板氣孔而導(dǎo)致的問題如下所述。

1)對下段工序電解產(chǎn)生不利影響。陽極板經(jīng)過酸泡洗后形成的銅粉不易從蜂孔中沖洗出來，吸附在陰極銅表面容易形成銅粉粒子，極難處理，既增加了人員的勞動強度，又降低了陰極銅質(zhì)量，影響銷售。

2)銅電解系統(tǒng)帶入的銅粉將會增加陰、陽極短路的可能性，降低電流效率，增加電耗。

3)銅陽極板有蜂孔的部位在陽極周期后期容易出現(xiàn)穿孔，造成同槽陽極板周期不匹配，穿孔的陽極板對應(yīng)的陰極銅上因電力線過于集中極易造成板面析出粗糙，形成銅粒子，粒子多影響陰極銅物表質(zhì)量。

表面蜂孔多的陽極板因為物表質(zhì)量不合格，需要返回火法精煉爐進行重新熔鑄，減少了合格陽極板產(chǎn)率，間接增加了天然氣單耗，增加了回爐成本(圖1和圖2)。

圖1 蜂窩狀氣孔的陽極板背面

圖2 蜂窩狀氣孔的陽極板側(cè)面

2.2 爐門水套設(shè)計缺陷

現(xiàn)有陽極爐的爐門冷卻水存在以下問題。

1)爐門冷卻水連接方式是進水管和出水管在爐門對角線安裝(圖3)，在加料過程中，加料小車添加近1 t重粗銅錠或在用殘極時，經(jīng)常會碰到爐門水套的進出水管，造成水套漏水后被迫?；饟屝?，影響生產(chǎn)。

圖3 爐門水套原進、出水管安裝方式

2)爐門水套存在拆、裝上的缺陷。因冷卻水與爐門冷卻水管是靠膠管連接，用鐵絲進行緊固，出現(xiàn)爐門水套漏水停火后，人工用改錐和斷鐵鉗進行拆卸，每次耗時約20～30 min，導(dǎo)致爐子開啟后無法保溫，爐膛溫度降低，重新點火后需加大天然氣量升溫，影響天然氣單耗，成本增加。

圖4 爐體立柱和爐門框水套共用出水

3)爐體立柱水套和爐門框水套走的是同一個進、出水管(圖4)，這樣一來，造成爐門框內(nèi)容易積淀大量的鐵銹，影響水路暢通。更為嚴重的是，水銹加快了爐門框的腐蝕速度，容易出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，從而導(dǎo)致停爐搶修，延長了單爐爐時，降低了爐體壽命，造成天然氣單耗升高。

2.3 造渣溶劑石英石使用不當(dāng)

火法精煉爐所使用的造渣熔劑石英石，粒度為<20 mm，SiO2含量85%左右，通過生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，此熔劑存在以下問題。

1)由于粒度較大，氧化期間不易熔化，不易被吹氧管攪動，降低了與雜質(zhì)的結(jié)合率，導(dǎo)致氧化期間造渣時間過長，天然氣單耗升高。

2)SiO2純度不高，除雜效果不明顯，使用量大。

2.4 銅口磚尺寸問題

火法精煉爐原銅口磚磚孔過小，為Φ28 mm，澆鑄過程中銅液流量小，出銅時間長，致使天然氣單耗升高。再者，銅口磚澆鑄時間長，損耗大，采購費用高。

2.5 天然氣燒嘴尺寸及角度不合適

火法精煉爐初步設(shè)計配備兩個天然氣燒嘴，尺寸為Φ260×380 mm，燒嘴的水平夾角為17°，通過鼓風(fēng)機鼓風(fēng)進行配風(fēng)，風(fēng)氣配比控制在11∶1～12∶1。在實際生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)啟動兩個天然氣燒嘴精煉爐的爐膛溫度升溫仍然較慢，單爐銅爐時合計常>24 h，消耗大量天然氣。

3 原因分析及改進措施

通過對該公司天然氣單耗過高的爐次進行分析歸類總結(jié)，對火法精煉爐生產(chǎn)中造成天然氣單耗過高的因素進行了逐一調(diào)整和改進。

3.1 銅陽極板物表質(zhì)量

通過多爐次的跟蹤，分析該公司陽極板表面蜂孔多的原因。

1)爐內(nèi)銅水溫度偏高，陽極板澆鑄時的銅水溫度控制在1 200～1 225 ℃即可，銅水溫度高，在澆鑄時會更快地將模具溫度提高，模具溫度超過200 ℃后陽極板出現(xiàn)蜂孔的數(shù)量會增多。

2)根據(jù)實際操作，在澆鑄后期陽極板蜂孔數(shù)量增多的原因主要是模具過熱，這與圓盤澆鑄機的陽極板采用上部冷卻水方式有關(guān)，由于上部冷卻方式性能不好，容易造成陽極板模具龜裂，導(dǎo)致陽極板模具在銅水澆鑄沖刷區(qū)域高溫腐蝕嚴重，使用壽命短，費用高[1]。

為改善陽極板物表質(zhì)量，提高陽極板合格率，消除表面蜂窩狀氣孔，采取的改進措施如下所述[2-4]。

1)控制氧化終點銅水的溫度，銅水溫度必須在1 210～1 220 ℃進行還原作業(yè)，嚴禁高溫還原。

2)控制陽極板澆鑄時的銅水溫度，控制在1 200～1 225 ℃。

3)改變陽極板冷卻方式。對原有圓盤冷卻水系統(tǒng)管道改造，減小頂部噴淋冷卻點位和水量，只保留4個頂部噴水點；增加陽極模子的底部冷卻水點位和水量，18模具的圓盤澆鑄機除澆鑄和勾板位置之外，其他16個模具底部都設(shè)有冷卻水，所有冷卻水都由一個出口變成2～4個出口(圖5、圖6)。

圖5 頂部保留4個冷卻水點位

圖6 圓盤模具底部冷卻水設(shè)計

3.2 爐門水套

某公司對爐門水套改進情況如下所述。

圖7 水套進、出管改進之后

1)將爐門冷卻水套進水管和出水管對角線安裝的連接方式改為順著爐門水套邊框的邊緣鋪管，將管道改在爐門的上沿，避免加料過程被物料撞壞，減少了更換爐門的時間(圖7)。

2)針對更換膠管慢問題，主要是將爐門水套冷卻水管的進、出口鐵管分別加裝對應(yīng)口徑的法蘭盤，將兩根冷卻水膠管的兩端加裝與爐門水套冷卻水管上的法蘭盤相匹配的法蘭盤，兩組法蘭盤加墊對接，完成爐門水套的冷卻水循環(huán)供應(yīng)，這樣更換爐門水套拆裝供水膠管更方便，員工勞動強度降低，維修時間減少一半，降低了生產(chǎn)成本。

3)因爐體立柱水套和爐門框水套走的的同一個進出水管，該公司現(xiàn)將原設(shè)計的爐門框和立柱水套進出水方式進行更改，將這兩處水套的進出水管進行分離，互不干擾。更改后，杜絕了之前問題的發(fā)生，使生產(chǎn)連續(xù)平穩(wěn)，避免了爐體二次升溫，天然氣單耗自然降低，同時安全隱患也得到排除。

3.3 造渣溶劑石英石使用不當(dāng)

針對之前使用石英石凸顯的問題，經(jīng)商定，火法精煉車間對所使用造渣熔劑進行改進，采取一種粒度較小，粒度約4～5 mm，且純度較高的熔劑，SiO2含量在95%及以上(圖8)。此溶劑容易熔化，可縮短造渣時間，并且造渣效果較好，除雜能力較強，容易攪動。

3.4 銅口磚尺寸

將原銅口磚磚孔尺寸由原來Φ28 mm改為Φ36 mm，磚質(zhì)由原來的直接結(jié)合鎂鉻磚改為燒結(jié)鎂鉻磚，磚價格更低(由原來7 450元/t降低至3 705元/t)，澆鑄期更短，在保證陽極板澆鑄質(zhì)量的情況下每爐大約可節(jié)省澆鑄時間約45 min，降低了天然氣的消耗、輔料消耗、水電消耗和銅口磚用量。

圖8 粒度在5 mm左右的石英石

3.5 天然氣燒嘴尺寸及角度不合適

天然氣燒嘴尺寸及角度改進措施如下所述。

1)將原天然氣燒嘴尺寸Φ260×380 mm改為Φ160×80 mm+Φ260×300 mm。

2)燒嘴水平夾角由17°改為16°。

3)調(diào)整助燃風(fēng)與天然氣混合比為10.2∶1。

4 改進后效果及經(jīng)濟效益

4.1 效果

經(jīng)過改造后，火法精煉爐的爐時由最早的平均24 h降為20 h左右(表2、表3)，天然氣單耗較改造前降低了約20～30 m3/t Cu，完成了120 m3/t Cu的設(shè)計指標，同時陽極板的物理規(guī)格質(zhì)量也有所提升，基本沒有因蜂孔多而回爐的情況[5]。爐時短也縮短了助燃風(fēng)機的無功運轉(zhuǎn)時間，節(jié)約了電費。

4.2 經(jīng)濟效益分析

1)陽極板模具使用壽命延長帶來的效益。陽極板模具為鑄鐵材質(zhì)，單價為0.695萬元/t(含稅)，每塊單重為0.92 t。每塊模具生產(chǎn)陽極板從87 t增加到128 t，按生產(chǎn)50 000 t陽極板核算，模具減少用量為50 000/87-50 000/128≈184塊。

每年陽極板模具節(jié)約費用：184×0.92×0.695=117.70萬元。

表2 2016年3～8月份的平均爐時和天然氣單耗

表3 2015年各月份的平均爐時和天然氣單耗

2)爐門水套改造后，不再因為加料小車的加料過程無意碰撞造成停火維修，只有每月正常的清爐結(jié)、補焊等，爐門維修由每月平均維修3次變?yōu)槊吭?次，員工勞動強度也降低，直接或間接產(chǎn)生效益每月約2萬元(主要是維修材料的節(jié)約)。

3)造渣溶劑粒度變小后，造渣時間從改造前的4 h縮短至現(xiàn)在的2.5 h，每爐至少可節(jié)約天然氣：1.5 h×2×500 m3/h(氧化造渣期)=1 500 m3，每爐節(jié)約費用：1 500 m3×2.52元/m3=3 780元/爐。

4)銅口磚更換產(chǎn)生效益。

銅口磚出口擴大后，澆鑄時間縮短0.75 h，每爐可節(jié)約天然氣費用=節(jié)約時間×燒嘴數(shù)量×燒嘴流量×天然氣價格=0.75 h×2×600 m3/h(澆鑄期)×2.52元=2 268元。

節(jié)約銅口磚采購費用=4 t(每年使用量)×(7 450-3 705)(元/t)/12月/30爐=41.61元/爐。

節(jié)約電費=0.75 h×0.77元×(75+45+250+15+22+110)kW×30天/30爐=300元/爐。

節(jié)約費用合計：2 268+41.61+300=2 609.61元/爐。

5)天然氣燒嘴尺寸及角度調(diào)整產(chǎn)生的效益。

爐時縮短后每爐節(jié)約天然氣費用=節(jié)約時間×燒嘴數(shù)量×燒嘴流量×天然氣價格=(4-1.5-0.75)h×2×600 m3/h×2.52元=5 292元/爐。

每爐節(jié)約電費=節(jié)約時間×風(fēng)機功率×電價=(4-1.5-0.75)h×(75+45+250+15+22+110)kW×0.77元=696.66元/爐。

節(jié)約費用合計：5 292+696.66=5 988.66元/爐。

5 結(jié)語

固定式火法精煉爐相較于回轉(zhuǎn)式和傾動式來說，性能較為落后，產(chǎn)能小、投資小的企業(yè)選擇較多，但通過節(jié)能技術(shù)改造，固定式火法精煉爐也可以降低生產(chǎn)成本。經(jīng)過上述改造后，該公司的運行效果明顯，生產(chǎn)工藝指標良好，都較設(shè)計指標有所優(yōu)化，提升了銅火法冶煉的生產(chǎn)工藝水平。