朱鵬春，何 恩，于海波，羅勁松，陳福光

（云南銅業(yè)股份有限公司西南銅業(yè)分公司，昆明 650102）

銅火法冶煉包括：熔煉、吹煉、精煉三個環(huán)節(jié)，吹煉環(huán)節(jié)可將含銅50%～60%的冰銅轉(zhuǎn)化為含銅98%以上的粗銅，是銅火法冶煉的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。PS轉(zhuǎn)爐吹煉是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，但由于轉(zhuǎn)爐間斷性操作、煙氣波動大、爐溫波動頻繁、爐壽低、搖爐SO2泄露嚴(yán)重等問題嚴(yán)重制約了其發(fā)展。近年來隨著科技不斷的創(chuàng)新，閃速吹煉技術(shù)和連續(xù)頂吹吹煉技術(shù)逐漸在國內(nèi)廣泛開發(fā)應(yīng)用。此外，奧斯麥特吹煉、艾薩吹煉、三菱吹煉等技術(shù)相繼在國外被開發(fā)[1-2]。

雖然冰銅吹煉新工藝在國內(nèi)外開始被廣泛研究，但PS轉(zhuǎn)爐由于其原料適應(yīng)性強(qiáng)、脫雜能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、冷料處理能力強(qiáng)等優(yōu)勢，仍是冰銅吹煉的主流工藝，世界上大約70%以上的粗銅仍然采用PS轉(zhuǎn)爐吹煉工藝生產(chǎn)。爐壽是轉(zhuǎn)爐吹煉工序的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，2017年以前，公司轉(zhuǎn)爐大修爐壽僅為1100爐左右，頻繁修爐不僅降低了產(chǎn)能，還增加了生產(chǎn)成本。此外，造銅終點(diǎn)的控制是轉(zhuǎn)爐吹煉工藝的關(guān)鍵所在，一直以來，造銅終點(diǎn)基本依靠人工經(jīng)驗判斷，容易導(dǎo)致過吹或欠吹，對后續(xù)火法精煉造成不利影響，且頻繁搖爐取樣帶來的煙氣逸散，增加很大的環(huán)保風(fēng)險。本文針對銅冶煉轉(zhuǎn)爐吹煉工藝中爐窯穩(wěn)定性、工藝智能化、安全、環(huán)保等關(guān)鍵問題，從工藝控制、爐窯砌筑方式、造銅終點(diǎn)智能控制方面進(jìn)行深入研究，開發(fā)一套安全、環(huán)保、高效、智能化的銅冶煉轉(zhuǎn)爐工藝集成新技術(shù)。

1 工藝分析

1.1 吹煉機(jī)理

冰銅吹煉分造渣期和造銅期，造渣期主要是將冰銅中FeS氧化成FeO和SO2，通過溶劑的加入使FeO造渣脫出，SO2隨煙氣排出，最終得到主成分為Cu2S的白冰銅。造銅期Cu2S通過氧化將其中的S以SO2煙氣脫除，最終得到含銅98.5%以上粗銅。吹煉過程為放熱反應(yīng)，具體反應(yīng)如下式（1）-式（6）。

1.2 爐壽影響因素

影響銅冶煉轉(zhuǎn)爐爐壽的因素很多，其中主要因素包括：機(jī)械力、熱應(yīng)力、化學(xué)侵蝕。

（1）機(jī)械力影響。吹煉過程伴隨著搖爐、加冷料、捅風(fēng)眼等操作，這些操作產(chǎn)生的機(jī)械振動會對爐襯造成損壞。搖爐時電機(jī)帶動爐體轉(zhuǎn)動產(chǎn)生強(qiáng)大的機(jī)械振動，使?fàn)t襯磚縫松動，導(dǎo)致耐火磚脫落。吹煉一定時間向爐內(nèi)加塊銅、殘極等冷料時，冷料瞬間進(jìn)入熔體并快速沉降，對爐襯產(chǎn)生巨大的沖擊力，極易造成耐火磚脫落。捅風(fēng)眼操作時，由于操作不當(dāng)?shù)仍?，風(fēng)眼與風(fēng)眼機(jī)會存在水平偏差，導(dǎo)致風(fēng)眼處存在強(qiáng)烈的機(jī)械振動，易對風(fēng)眼磚造成極大損壞[3]。

（2）熱應(yīng)力影響。熱應(yīng)力是破壞爐襯的重要原因。吹煉過程中爐溫變化導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，促使?fàn)t襯脫落。式（7）是溫差與材料斷裂強(qiáng)度的關(guān)系式；式（8）是耐火材料熱應(yīng)力穩(wěn)定參數(shù)關(guān)系式[4]。

式中：ΔTmax為最大溫差；σf為材料斷裂強(qiáng)度；μ為泊松比；α線膨脹系數(shù)；E為彈性模量。

式中：Rst為材料熱應(yīng)力穩(wěn)定參數(shù)；G為斷裂表面能；λ為熱導(dǎo)率；E0為斷裂強(qiáng)度。

由式（7）可知，當(dāng)最大溫差引起的熱應(yīng)力達(dá)到材料斷裂強(qiáng)度時，材料就會發(fā)生斷裂，冶煉過程中高溫熔體極易滲透材料內(nèi)部，加劇材料的損壞。由式（8）可知，材料線膨脹系數(shù)與楊氏模量越小，斷裂表面能與導(dǎo)熱系數(shù)越大，材料熱應(yīng)力穩(wěn)定參數(shù)越大，材料開裂所需溫差就越大。結(jié)合生產(chǎn)實際可知，爐溫波動越大，熱應(yīng)力越強(qiáng)，耐火材料越容易開裂，爐襯損壞越嚴(yán)重，轉(zhuǎn)爐吹煉過程中頻繁搖爐或停爐時間過長都將造成爐溫波動，加劇爐襯損壞。

（3）化學(xué)侵蝕?；瘜W(xué)侵蝕主要由酸性渣與堿性耐火磚發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成。一方面，吹煉產(chǎn)生的渣中酸性物鐵橄欖石會與鎂質(zhì)耐火磚中MgO反應(yīng)使耐火磚溶解，且隨著溫度和渣中SiO2含量的升高，MgO在鐵橄欖石中的溶解度升高，具體溶解關(guān)系曲線如圖1所示[5]。另一方面，溶劑中的SiO2會與耐火磚中的方鎂石及鉻鐵礦形成固溶體，引起鉻鐵礦晶粒破裂，造銅期熔體及金屬銅極易滲入耐火磚體，使耐火磚結(jié)構(gòu)遭到破壞。此外，吹煉過程中產(chǎn)生的SO2在氧氣氣氛下容易與耐火磚中的堿性氧化物發(fā)生反應(yīng)引起耐火磚損壞[6]?；瘜W(xué)侵蝕存在的反應(yīng)如下式（9）～（11）所示。

圖1 不同溫度下耐火磚中MgO溶解性與渣中SiO2含量的關(guān)系

1.3 造銅終點(diǎn)控制機(jī)理

造銅期粗銅產(chǎn)量與冰銅量、冰銅成分、富氧量、溶體溫度、冷料加入速度及加入時間等有關(guān)，整體呈非線性關(guān)系。吹煉終點(diǎn)受風(fēng)量、富氧率、冰銅品位、影響，而風(fēng)量又與入爐物料量、物料成分、爐內(nèi)負(fù)壓等有關(guān)，使得吹煉終點(diǎn)控制呈現(xiàn)多變量耦合性。此外，吹煉過程存在進(jìn)料量波動、入爐物料含水量變化、設(shè)備漏風(fēng)、設(shè)備故障導(dǎo)致熔體熱損、煙氣含塵等都會給造銅終點(diǎn)判斷帶來困難。

造銅期煙氣中SO2濃度相對比較穩(wěn)定，當(dāng)接近造銅終點(diǎn)時，SO2濃度會急劇下降，因此通過監(jiān)測煙氣SO2濃度變化對造銅終點(diǎn)起到很好的預(yù)判效果。造銅錘煉過程為強(qiáng)烈的物理化學(xué)反應(yīng)，會伴隨大量反應(yīng)熱，為維持爐溫穩(wěn)定，過程中需不斷加入冷料進(jìn)行平衡，當(dāng)接近造銅終點(diǎn)時，反應(yīng)放熱量下降并趨于穩(wěn)定，對過程溫度的監(jiān)測，有利于造銅終點(diǎn)的判斷。此外，造銅期是不斷耗氧的過程，吹煉過程中煙氣中O2濃度基保持穩(wěn)定，接近造銅終點(diǎn)時，由于冰銅中S基本脫除，煙氣中O2濃度急劇上升，因此，煙氣中O2濃度的監(jiān)測也是造銅終點(diǎn)判斷的重要依據(jù)。

2 集成技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用

2.1 工藝控制優(yōu)化

（1）控制冰銅品位。冰銅品位是影響爐壽的重要因素。冰銅品位低，渣量大，溫度高，吹煉時間延長，渣與耐火磚高溫條件下長時間接觸導(dǎo)致爐襯磚溶解嚴(yán)重。冰銅品位過高，發(fā)熱量低，高氧勢下環(huán)境下極易極易產(chǎn)生大量Fe3O4，增加渣粘度，渣含銅升高（反應(yīng)如式12所示），此外，風(fēng)眼容易被粘結(jié)，頻繁清風(fēng)眼對風(fēng)眼磚造成嚴(yán)重?fù)p壞。生產(chǎn)中嚴(yán)格控制冰銅品位在56～58%之間，保證發(fā)熱量的同時減少渣量，控制渣中SiO2含量在18～26%之間。

（2）還原造渣控制渣型。為了在吹煉造渣期獲得粘度低、流動性好的轉(zhuǎn)爐渣，從而降低渣含銅，造渣末期利用冰銅中FeS還原性最大限度還原渣中Fe3O4，具體反應(yīng)如式（13）-（14）所示。實際生產(chǎn)操作中，首先造渣末期通過過吹來提高爐溫（1250℃左右），并加入足夠的造渣劑；再加入還原冰銅，吹煉5分鐘左右即可搖爐放渣；將爐子搖下后，停頓3～5分鐘，待爐內(nèi)熔體熔體平靜不晃動后再緩慢放渣。

（3）控制爐溫和爐時。溫度是影響爐壽的關(guān)鍵因素。爐襯腐蝕主要由：機(jī)械沖刷、熱應(yīng)力和化學(xué)腐蝕造成，而這三種作用的核心在于溫度。為了減小溫度過高對爐襯的損壞，吹煉過程中，確保爐溫波動在100℃以內(nèi)，爐溫過高時可通過加冷料、調(diào)整用氧量控制。高溫吹煉過程中，爐襯與熔體接觸時間越長，熔體對爐襯侵蝕越明顯。嚴(yán)格控制吹煉一周期和二周期時間，嚴(yán)禁過吹現(xiàn)象發(fā)生，減小爐襯的侵蝕。此外，爐溫波動大會加劇熱應(yīng)力作用，主要體現(xiàn)在烘爐和停吹階段。烘爐效果直接影響耐火材料的使用壽命，爐修后經(jīng)合理的烘烤，磚與磚、磚與耐火填料之間的膨脹縫和結(jié)合部可充分結(jié)合，水分有效脫除，可有效提升耐火材料使用時間。根據(jù)生產(chǎn)實際研究，小修烘爐時間應(yīng)控制在2天以上，大修烘爐時間應(yīng)控制在4天以上，升溫曲線如圖2所示。停吹等料或放料時間過長也會導(dǎo)致爐溫波動大，生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制節(jié)奏，協(xié)調(diào)好進(jìn)料和放料，控制清理爐口時間在10～30min，避免長時間停吹導(dǎo)致爐溫過低。

圖2 轉(zhuǎn)爐小修和大修后烘爐升溫曲線

2.2 爐窯砌筑方式及耐材優(yōu)化

（1）爐口整體澆筑技術(shù)開發(fā)。為提高爐口區(qū)域抗沖刷、擊打能力，減小爐口磚的損壞，在爐口砌筑時改變以往逐層耐火磚疊加砌筑的方法，將爐口用高強(qiáng)度復(fù)合澆注料澆鑄成型后再整體砌筑，如圖3所示。爐口預(yù)先澆鑄后在整體砌筑，解決了傳統(tǒng)砌筑時因耐火磚層間粘結(jié)松動導(dǎo)致耐火磚脫落的難題，提升爐口結(jié)構(gòu)整體性，增加爐口區(qū)域抗沖擊能力，同時，爐口澆鑄時采用的新型材料強(qiáng)度高，有效降低爐口清理過程中的機(jī)械損傷。

圖3 爐口整體砌筑示意圖

（2）風(fēng)眼磚結(jié)構(gòu)優(yōu)化及內(nèi)管材料優(yōu)選。受高壓風(fēng)攪動影響，轉(zhuǎn)爐風(fēng)眼區(qū)耐火磚受高溫溶體侵蝕較強(qiáng)，加之吹煉過程頻繁捅風(fēng)眼會加速風(fēng)眼磚的機(jī)械損壞，風(fēng)眼磚壽命的高低是影響轉(zhuǎn)爐爐壽的關(guān)鍵因素。如圖4是風(fēng)眼磚砌筑結(jié)構(gòu)圖，可以看出，一方面風(fēng)眼磚采用拼接方式砌筑，爐內(nèi)風(fēng)管端頭上方區(qū)域（圖4中1部位）因其整體性較差，極易被洗刷脫落，導(dǎo)致風(fēng)管暴露，加速風(fēng)眼磚的侵蝕；另一方面，風(fēng)管耐高溫性、抗侵蝕性不強(qiáng)會加速風(fēng)管消耗，使風(fēng)眼磚失去內(nèi)管保護(hù)，捅風(fēng)眼時極易受機(jī)械損傷。結(jié)合風(fēng)眼磚結(jié)構(gòu)和砌筑特點(diǎn)，經(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐證明，適當(dāng)增加風(fēng)眼磚長度，可使圖4中1部位整體性增強(qiáng)，抗沖刷能力提升，并采用耐熱鋼或高合金鋼材質(zhì)的內(nèi)風(fēng)管，極大地提升了風(fēng)眼磚的使用壽命。

圖4 風(fēng)眼磚結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 造銅終點(diǎn)智能判斷系統(tǒng)開發(fā)

對吹煉過程煙氣的檢測主要通過探測器、光譜儀、光源、取樣設(shè)備、冷卻原件和集成分析主機(jī)完成，利用氣體分子對紫外光的特征吸收光譜，通過差分吸收光普技術(shù)，實現(xiàn)煙氣成分的定性、定量監(jiān)測（如圖5所示）。由圖可知，吹煉過程中SO2和O2濃度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)接近造銅終點(diǎn)時，SO2濃度曲線有明顯的下降劇變，而O2濃度也有急劇上升的變化。當(dāng)SO2濃度高于1%，O2濃度低于80%，將導(dǎo)致欠吹；當(dāng)SO2濃度達(dá)到1%以下，O2濃度達(dá)到80%以上時，基本達(dá)到大泡銅要求；當(dāng)SO2濃達(dá)到0.5%以下O2濃度達(dá)到82%以上時，可達(dá)到火山銅要求，繼續(xù)吹煉將導(dǎo)致過吹。此外，溫度監(jiān)測對終點(diǎn)判斷起到了很好的輔助作用。圖6是吹煉過程中鍋爐入口煙氣溫度的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，吹煉前期因持續(xù)反應(yīng)放熱，煙氣溫度呈上升趨勢，通過冷料的加入可實現(xiàn)熱量的平衡，控制煙氣溫度在80℃以下，接近造銅終點(diǎn)時，煙氣溫度有明顯的下降趨勢，當(dāng)溫度降低至60℃左右時，達(dá)到火山銅要求。

圖5 造銅期煙氣中SO2和O2濃度監(jiān)測曲線

圖6 造銅期煙氣溫度變化曲線

通過對吹煉造銅期煙氣成分和溫度的在線監(jiān)測，可以快速準(zhǔn)確判斷爐內(nèi)反應(yīng)程度，指導(dǎo)冷料加入的時機(jī)和加入量，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐吹煉造銅期過程的智能化控制和終點(diǎn)的智能化判斷，且搖爐次數(shù)由8次/爐降低至4次/爐，大大降低煙氣逸散帶來的環(huán)保風(fēng)險和頻繁取樣觀察時存在安全風(fēng)險。此外，為了避免粉塵對取樣濾芯的影響，本系統(tǒng)中對取樣裝置進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)明了一種具有反吹掃功能的取樣過濾器，如圖7所示，提高了濾芯的使用壽命和取樣判斷的準(zhǔn)確性。

圖7 優(yōu)化后的過濾器

3 應(yīng)用結(jié)果

3.1 渣含銅降低

生產(chǎn)應(yīng)用表明，通過還原造渣模式，轉(zhuǎn)爐渣型得到很好控制，渣中Fe3O4量較之前有明顯下降，渣含銅明顯下降，見表1。結(jié)合放渣過程的精細(xì)化操作，有效降低了轉(zhuǎn)爐吹煉過程因轉(zhuǎn)爐工藝特性造成的金屬損失。該生產(chǎn)工藝的實施，使轉(zhuǎn)爐渣含銅降低約25.7%。

表1 某爐次渣樣主要成分分析

3.2 爐壽提升

通過砌筑方式和耐材的優(yōu)化，轉(zhuǎn)爐爐壽得到明顯提升。2018年提高轉(zhuǎn)爐爐壽優(yōu)化措施實施以前，轉(zhuǎn)爐平均大修爐壽僅為1100爐，通過一系列的優(yōu)化措施，轉(zhuǎn)爐爐壽爐口耐高溫、抗侵蝕、抗機(jī)械沖擊性能明顯提高，風(fēng)眼磚使用壽也有明顯提升，這兩個轉(zhuǎn)爐易損部位性能的提升，使得轉(zhuǎn)爐爐壽逐年提高，大修爐壽已達(dá)1983爐，比優(yōu)化措施實施前的歷史最優(yōu)爐壽提高500余爐，有效減少耐火材料的消耗，降低轉(zhuǎn)爐吹煉生產(chǎn)成本，同時保證生產(chǎn)組織的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 粗銅質(zhì)量穩(wěn)定

經(jīng)過長期的多組元耦合仿真修正，在冰銅品位、入爐冷料量、送風(fēng)量等存在波動時，采用該智判斷系統(tǒng)指導(dǎo)生產(chǎn)的粗銅品質(zhì)均滿足生產(chǎn)指標(biāo)要求，表2是隨機(jī)抽取由智能判斷系統(tǒng)指導(dǎo)生產(chǎn)的粗銅檢驗結(jié)果，從分析樣顯示，該判斷系統(tǒng)做出的判斷精確度可達(dá)92%以上粗銅品位均能保持在98.5%以上。

表2 粗銅樣品位

3.4 安全環(huán)保能力提升

工藝控制的優(yōu)化和轉(zhuǎn)爐關(guān)鍵部位穩(wěn)定性的提升，大大降低爐口拉槽、風(fēng)眼堵死可能帶來的噴爐、漏銅等安全風(fēng)險。智能終點(diǎn)判斷系統(tǒng)的應(yīng)用，有效避免了因頻繁搖爐取樣判斷帶來的煙氣逸散，降低了轉(zhuǎn)爐吹煉存在的環(huán)保風(fēng)險。

4 結(jié)論

通過優(yōu)化工藝控制、改進(jìn)爐窯砌筑方式、耐材優(yōu)選及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、造銅終點(diǎn)智能判斷系統(tǒng)研發(fā)形成了集安全、環(huán)保、高效、智能化于一體的銅冶煉轉(zhuǎn)爐工藝集成新技術(shù)，其應(yīng)用效果非常明顯：

（1）采用控制冰銅品位、還原造渣、精細(xì)化放渣操作等優(yōu)化控制措施，可有效降低轉(zhuǎn)爐渣含銅。

（2）通過改進(jìn)爐窯砌筑方式、優(yōu)化耐材選型使轉(zhuǎn)爐爐壽顯著提高，減少了耐火材料消耗，實現(xiàn)降本增效的目標(biāo)，確保生產(chǎn)組織穩(wěn)定。

（3）銅冶煉轉(zhuǎn)爐造銅終點(diǎn)智能判斷提高了轉(zhuǎn)爐吹煉的自動化控制水平及吹煉終點(diǎn)準(zhǔn)確性，有效減少了產(chǎn)品質(zhì)量波動。

（4）集工藝控制、爐壽提升和智能化于一體的銅冶煉轉(zhuǎn)爐吹煉技術(shù)具有明顯的安全、環(huán)保效益，為銅冶煉轉(zhuǎn)爐工藝的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。