徐 風(fēng)

(煙臺國潤銅業(yè)有限公司， 山東 煙臺 264002)

0 前言

近年來，銅冶煉技術(shù)不斷創(chuàng)新，節(jié)能、環(huán)保、高效已成為各大銅冶煉廠的主旋律。在此背景下，2016年10月，煙臺國潤銅業(yè)有限公司(以下簡稱“煙臺國潤”)與中國恩菲工程技術(shù)有限公司合作，建成了“富氧側(cè)吹熔煉爐- 多槍頂吹連續(xù)吹煉爐- 固定式反射爐”連續(xù)煉銅工藝，三臺爐依次由高到低排布，各爐之間通過流槽連接，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)送風(fēng)、連續(xù)煉銅，是一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新工藝[1]。

本文主要對煙臺國潤連續(xù)煉銅工藝的爐型結(jié)構(gòu)和工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行了闡述，指出了其先進(jìn)性以及與傳統(tǒng)煉銅工藝的區(qū)別，以期為今后銅冶煉生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1 連續(xù)煉銅工藝流程

如圖1所示，富氧空氣從側(cè)吹爐兩側(cè)風(fēng)眼鼓入爐內(nèi)，精礦、塊煤、熔劑和返渣等按一定比例混合均勻，經(jīng)計(jì)量皮帶從爐頂加料口入爐，產(chǎn)出的側(cè)吹渣經(jīng)流槽連續(xù)流入渣包，由火車倒運(yùn)至選礦回收再利用；高品位熱銅锍經(jīng)流槽連續(xù)流入多槍頂吹爐，冷料和熔劑經(jīng)計(jì)量皮帶從多槍頂吹連續(xù)吹煉爐爐頂加料口入爐，富氧空氣從爐頂氧槍鼓入爐內(nèi)完成吹煉反應(yīng)。產(chǎn)出的頂吹渣返回側(cè)吹爐，粗銅經(jīng)流槽連續(xù)進(jìn)入固定式反射爐。熔煉和吹煉過程產(chǎn)生的煙氣經(jīng)余熱鍋爐、電收塵處理后送至制酸系統(tǒng)；煙塵收集后返回富氧側(cè)吹爐。固定式反射爐采用稀氧燃燒技術(shù)，產(chǎn)出的陽極板送電解精煉；煙塵經(jīng)布袋收塵后返回側(cè)吹爐；除還原期外，其余煙氣均進(jìn)入制酸系統(tǒng)。

2 連續(xù)煉銅工藝爐型

2.1 富氧側(cè)吹熔煉爐

煙臺富氧側(cè)吹熔煉爐為固定式長方形爐型，爐子主體結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)、爐底、爐缸、爐墻、爐頂、銅锍井、渣井及外圍鋼結(jié)構(gòu)等部分組成(圖1)。爐體長9 600 mm，寬2 500 mm，高7 000 mm，爐墻厚度710 mm。爐頂采用不定型澆注料澆注而成，并設(shè)有加料口，加料口與上升煙道之間設(shè)置二次風(fēng)口。爐子兩端分別設(shè)有銅锍井和渣井，銅锍井通過磚砌流槽與多槍頂吹連續(xù)吹煉爐連接。

圖1 煙臺三連爐連續(xù)煉銅工藝示意圖

2.1.1 爐型結(jié)構(gòu)調(diào)整

2.1.1.1 風(fēng)眼角度的調(diào)整

側(cè)吹爐熔煉以渣作為氧傳遞的載體，目前行業(yè)內(nèi)絕大多數(shù)側(cè)吹爐送風(fēng)角度為0°，富氧空氣完全送入渣層，然而隨著銅锍品位的提高，渣的氧化程度加大，不利于爐溫、銅锍品位、煤率、渣含銅量等指標(biāo)的整體控制。

經(jīng)過充分論證，煙臺國潤進(jìn)行富氧側(cè)吹爐設(shè)計(jì)時(shí)對風(fēng)眼角度進(jìn)行調(diào)整(6°)，在實(shí)際生產(chǎn)中通過摸索風(fēng)壓，使富氧空氣部分送入銅锍層，在降低渣氧化程度的同時(shí)仍能確保渣和銅的有效分離，為提高銅锍品位、降低煤率和渣含銅量創(chuàng)造條件。從實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行看，銅锍品位能夠穩(wěn)定控制在70%以上。

2.1.1.2 二次風(fēng)口位置的調(diào)整

普通側(cè)吹爐二次風(fēng)口設(shè)置在端墻，容易產(chǎn)生如下問題：

1)熔融或半熔融顆粒在側(cè)吹爐內(nèi)上升和下落過程中容易在端墻二次風(fēng)口處形成粘結(jié)，使二次風(fēng)送風(fēng)強(qiáng)度無法保證，部分單體硫進(jìn)入制酸系統(tǒng)堵塞間冷器。

2)二次風(fēng)口爐結(jié)掉落爐內(nèi)，會(huì)降低熔池溫度，帶來堆料風(fēng)險(xiǎn)；若爐結(jié)過大，下落爐內(nèi)會(huì)堵塞熔體通道，嚴(yán)重時(shí)無法進(jìn)行生產(chǎn)。

3)人工清理二次風(fēng)口的頻率高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

考慮以上因素，煙臺國潤進(jìn)行富氧側(cè)吹爐設(shè)計(jì)時(shí)，將二次風(fēng)口位置由端墻改為爐頂加料口和上升煙道之間，同時(shí)設(shè)置觀察口和清理口。從實(shí)際運(yùn)行看，二次風(fēng)口基本不用清理，送風(fēng)穩(wěn)定，制酸系統(tǒng)無波動(dòng)。

2.1.1.3 水套內(nèi)襯采用不定型澆注料

富氧側(cè)吹爐風(fēng)眼立水套和斜水套采用內(nèi)襯不定型澆注料，具有如下優(yōu)點(diǎn)[2]：

1)相比傳統(tǒng)側(cè)吹爐，煙臺國潤的富氧側(cè)吹爐開爐方式多樣化，既可選擇燒油熱開，也可選擇固態(tài)冷啟。同時(shí)對突發(fā)事故的處理更加簡便，可以直接燒油提溫。

2)銅水套內(nèi)始終有一層穩(wěn)定的襯體層，相比于傳統(tǒng)銅水套的直接掛渣形式，該設(shè)計(jì)保溫效果更好，爐子熱損失更少，水套更安全。

3)因?yàn)橛袃?nèi)襯存在，銅水套冷卻強(qiáng)度要求降低，因而銅水套內(nèi)的循環(huán)水量減少，進(jìn)出水溫差小，冷卻水帶走的熱量少，爐子熱利用率高。

4)由于銅水套的冷卻作用，不定型澆注料澆注料表面也能形成掛渣，對提高爐齡起到積極作用。

2.1.2 生產(chǎn)實(shí)踐

2.1.2.1 工藝技術(shù)指標(biāo)

富氧側(cè)吹爐指標(biāo)見表1。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，在三連爐整體工藝配置下，富氧側(cè)吹爐是最為高效的熔煉手段，原因如下：

表1 富氧側(cè)吹爐指標(biāo)

1)一次精礦投入率高。富氧側(cè)吹爐渣含銅量僅為0.8%～1.2%(高銅锍品位前提下且未經(jīng)貧化)，遠(yuǎn)低于行業(yè)水平，由此選礦產(chǎn)出的精礦量少，加之煙塵率低，多槍頂吹爐產(chǎn)出的頂吹渣鐵鈣比達(dá)到3以上，富氧側(cè)吹爐整體返料量少，一次精礦投入比例高。

2)熔煉強(qiáng)度高。85%的富氧濃度達(dá)到同類爐型的最高水平，即使在銅冶煉領(lǐng)域也屬較高水平，連續(xù)穩(wěn)定的高爐溫(1 300～1 350 ℃)、高銅锍品位(72%～75%)操作已經(jīng)突破了人們對傳統(tǒng)熔池熔煉的認(rèn)識框架。

3)真正意義上的連續(xù)、穩(wěn)定作業(yè)。從反應(yīng)角度看，富氧側(cè)吹爐內(nèi)發(fā)生連續(xù)的造銅和造渣反應(yīng)；從形式上看，側(cè)吹渣和銅锍均為24 h連續(xù)排出，由此形成的穩(wěn)定液面層(總液面和各相液面)為穩(wěn)定實(shí)際操作及提高工藝指標(biāo)提供了有利條件。

4)爐壽命和安全性具有絕對優(yōu)勢。目前煙臺富氧側(cè)吹爐爐齡已有2年，停爐后對爐體進(jìn)行觀察，爐內(nèi)襯磚基本未腐蝕，爐體各部位沒有明顯薄弱點(diǎn)，保守估計(jì)爐齡為4～5年。

2.1.2.2 工藝控制

煙臺國潤的富氧側(cè)吹爐以“高爐溫- 高銅锍品位- 動(dòng)態(tài)液面測量及觀測”的三位一體控制為現(xiàn)場操作把控原則：高銅锍品位是連續(xù)吹煉的基礎(chǔ)；高爐溫是達(dá)到高銅锍品位的主要手段；動(dòng)態(tài)液面測量及觀測是對爐內(nèi)泡沫層的監(jiān)控，是在高爐溫、高脫硫率、高銅锍品位條件下確保爐體安全的必要手段；以上述工作為前提，加強(qiáng)爐內(nèi)液面管控、根據(jù)爐況調(diào)整煤率和渣型等工作。

2.2 多槍頂吹連續(xù)吹煉爐

多槍頂吹連續(xù)吹煉爐為斜豎式爐型，爐子主體結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)、爐底、爐墻、爐頂及外圍鋼結(jié)構(gòu)等部分組成(圖1)。爐體高度3 600 mm，渣線區(qū)長8 000 mm，寬5 000 mm。爐頂由吊掛磚砌筑而成，設(shè)置量料口、加料口、氧槍系統(tǒng)以及冷料投入系統(tǒng)。

2.2.1 爐型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1)爐身整體采用彈性鋼結(jié)構(gòu)，在預(yù)防爐體膨脹方面，采用先進(jìn)的渦卷彈簧裝置，能夠定量控制爐體受力，確保爐體安全。

2)渣線以下采用銅鋼復(fù)合水套和耐火材料配合使用，爐體安全有保障。

3)配備爐底冷卻系統(tǒng)，能夠有效控制爐底溫度，延長爐壽命。

4)煙道采用條形水套與襯磚配合使用，能夠有效應(yīng)對高爐溫、高煙氣溫度的腐蝕。

5)氧槍裝置為自主設(shè)計(jì)，整體采用硬連接，雖無金屬軟管，但氣密性好，漏風(fēng)率低。

6)自主設(shè)計(jì)的冷料加入系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)自動(dòng)加入殘極等冷料。

2.2.2 生產(chǎn)實(shí)踐

2.2.2.1 工藝技術(shù)指標(biāo)

多槍頂吹連續(xù)吹煉爐指標(biāo)見表2。

表2 多槍頂吹連續(xù)吹煉爐指標(biāo)

1)占地及投資小。產(chǎn)能12萬t/a的多槍頂吹連續(xù)吹煉爐，占地面積為12×8.2=98.4 m2，包括鋼筋混凝土基礎(chǔ)、鋼結(jié)構(gòu)、耐火材料、銅水套、彈簧、爐頂搗打料、氧槍裝置以及儀控系統(tǒng)，總投資不超過1 600萬元。

同時(shí)，由于多槍頂吹連續(xù)吹煉爐氧氣濃度高、漏風(fēng)率低，同等產(chǎn)能的風(fēng)機(jī)風(fēng)量低、煙氣量小，風(fēng)機(jī)成本、余熱回收、收塵及制酸設(shè)施投資也大幅降低。

2)工藝匹配性好。一臺富氧側(cè)吹爐僅需配備一臺多槍頂吹連續(xù)吹煉爐即可達(dá)到產(chǎn)能要求。同時(shí)，多槍頂吹爐爐齡已達(dá)2年，預(yù)計(jì)可進(jìn)一步提高至4～5年，與富氧側(cè)吹爐同時(shí)檢修，整體工藝穩(wěn)定性好、連續(xù)性強(qiáng)[3]。

3)單爐處理能力高。多槍頂吹連續(xù)吹煉爐實(shí)現(xiàn)了富氧操作及冷料連續(xù)投入，單爐處理能力高，繼續(xù)提高氧氣濃度，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大型化生產(chǎn)。

4)連續(xù)作業(yè)。多槍頂吹連續(xù)吹煉爐采用連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)送風(fēng)的多氧槍非浸沒式操作，換槍僅需5 min，換槍過程不影響正常生產(chǎn)(開5備1)，作業(yè)效率高，職工勞動(dòng)強(qiáng)度低。

5)優(yōu)越的環(huán)保性。多槍頂吹連續(xù)吹煉爐為固定式爐型，爐體與煙道完全密封，加之其連續(xù)操作的特性，煙氣成分波動(dòng)小，制酸生產(chǎn)穩(wěn)定；粗銅經(jīng)短流槽直接進(jìn)入精煉爐，無鋼包倒運(yùn)過程，流槽密閉保溫及環(huán)集處理難度小；受銅锍品位影響，多槍頂吹連續(xù)吹煉爐產(chǎn)出渣量小，一個(gè)班控制在1包，可待逸散煙氣收集完畢后再進(jìn)行渣包倒運(yùn)。因此，多槍頂吹爐現(xiàn)場環(huán)境好，基本沒有煙氣逸散[4]。

6)渣型高，渣含銅量低，粗銅質(zhì)量高。多槍頂吹連續(xù)吹煉爐采用富氧吹煉，為抑制渣過氧化，采用鐵鈣渣系，目前鐵鈣比已成功突破3。與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐的渣相比，多槍頂吹連續(xù)吹煉爐的渣流動(dòng)性更好、渣量更小，渣溫較鐵硅渣沒有明顯升高；同時(shí)，多槍頂吹連續(xù)吹煉爐采用低風(fēng)壓、薄渣層操作，反應(yīng)強(qiáng)度高，能夠形成穩(wěn)定的反應(yīng)區(qū)和沉淀區(qū)，粗銅主品位穩(wěn)定在99%左右，含硫量可低至0.1%以下，在高鐵鈣比的前提下，渣含銅量不足20%。

2.2.2.2 工藝控制

以精準(zhǔn)控制負(fù)荷、確保爐內(nèi)完全“兩相操作”(只有粗銅層和渣層)為前提；以穩(wěn)定總液面和粗銅面為操作基礎(chǔ)；以控制溫度(粗銅1 220～1 230 ℃，渣溫1 250～1 270 ℃)和渣型(鐵鈣比2.5～3.0)為爐體安全基礎(chǔ)；以產(chǎn)出合格低硫(≤0.3%)粗銅為目標(biāo)；以強(qiáng)調(diào)頂吹爐“自平衡”(冷料操作)為應(yīng)對異常爐況和突發(fā)情況的手段。

2.3 固定式反射精煉爐

采用固定式陽極爐與富氧側(cè)吹爐、多槍頂吹連續(xù)吹煉爐配合使用，爐體成本低，操作成熟。固定式陽極爐采用全熱態(tài)進(jìn)料，生產(chǎn)連續(xù)性高；使用稀氧燃燒技術(shù)，煙氣量少，噸銅加工費(fèi)降低50%。除還原期外，所有煙氣進(jìn)入制酸系統(tǒng)，環(huán)保效果好。

3 三連爐生產(chǎn)實(shí)踐效果

煙臺三連爐連續(xù)煉銅工藝經(jīng)過多年的運(yùn)行，生產(chǎn)穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。

1)年產(chǎn)12萬t的三連爐工藝配置緊湊，整體廠房占地僅為3 028 m2，爐體投資小，相關(guān)配套設(shè)備少、投資小，例如行車，整個(gè)工藝僅配置兩臺行車即可。

2)多槍頂吹連續(xù)吹煉爐煙氣穩(wěn)定，制酸投資小。不同于傳統(tǒng)的P- S轉(zhuǎn)爐，多槍連續(xù)頂吹爐為24 h連續(xù)反應(yīng)，煙氣穩(wěn)定，有效降低了吹煉爐煙氣量；整個(gè)改造項(xiàng)目總投資僅3億元(含冶煉、制氧、制酸、選礦及相關(guān)附屬設(shè)施)。

3)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)勢明顯，在使用傳統(tǒng)固定式反射爐的情況下，對于12萬t/a的規(guī)模，從精礦至陽極板的完全加工費(fèi)可低至1 400元/t銅(含人工、折舊)，粗銅綜合能耗低于100 kgce/t，精礦至電銅的銅金屬回收率可達(dá)99%。

4)智能化，數(shù)據(jù)化操作，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的連續(xù)煉銅。三臺爐通過流槽連接，工藝連續(xù)性好，對操作經(jīng)驗(yàn)依賴小，人員配置少。

5)環(huán)保效果好，三臺爐子均為固定式密閉爐型，密封效果好，煙氣逸散少，環(huán)保煙氣量少于15萬m3/h。爐子間通過流槽連接，便于煙氣收集，減少了鋼包倒運(yùn)帶來的煙氣逸散[5]。

4 結(jié)束語

煙臺國潤三連爐連續(xù)煉銅工藝經(jīng)過多年的生產(chǎn)運(yùn)行，相比傳統(tǒng)煉銅工藝，真正實(shí)現(xiàn)了全過程連續(xù)煉銅，具有爐型結(jié)構(gòu)更合理、生產(chǎn)指標(biāo)更優(yōu)化、一次性投資更低、智能化程度更高、安全環(huán)保效果更好等優(yōu)點(diǎn)，可為今后銅冶煉生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展提供參考。