安全隱患的“殺手锏”氧氣底吹熔煉多金屬捕集技術(shù)解決了有色行業(yè)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵性問題

安全生產(chǎn)是各生產(chǎn)性行業(yè)的共同追求，冶金行業(yè)尤甚。與化學(xué)、材料類等行業(yè)相比，冶金行業(yè)最突出的特點是面對的生產(chǎn)對象是高溫金屬熔體，如鋼熔融體的溫度約為1 600℃，銅熔融體的溫度為1 200℃左右。就現(xiàn)階段來看，冶金工藝尚難以實現(xiàn)對高溫熔體處理的可視化操作，所以因配料、操作不當(dāng)?shù)纫l(fā)安全事故前難以覺察危險信號，容易造成安全生產(chǎn)事故。冶金行業(yè)的安全事故，一般具有突發(fā)性、嚴(yán)重性等特點，難以預(yù)防，后果嚴(yán)重，往往造成人員傷亡、廠房設(shè)備燒毀，甚至直接導(dǎo)致工廠停產(chǎn)乃至倒閉。

冶金行業(yè)在工藝技術(shù)及生產(chǎn)設(shè)備的選擇上，都對安全性能提出了較高要求。但目前通用的工藝技術(shù)及設(shè)備，或多或少存在一定安全生產(chǎn)的薄弱區(qū)域或漏洞，不時發(fā)生安全事故。下面是近年來幾起比較引人關(guān)注的冶金安全事故：

1997年10月14日晚班時間，某公司冶煉廠發(fā)生一起諾蘭達(dá)爐“噴爐”事故，噴濺出的高溫熔體燒毀了大量周邊設(shè)備，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失；

2005年2月9日，山西省某公司發(fā)生一起爐底燒穿事故，10人當(dāng)場死亡，6人受傷；

2007年9月9日，甘肅某公司礦冶分公司鉛冶煉廠，因操作人員經(jīng)驗不足及工藝本身存在的設(shè)計缺陷，發(fā)生一起“噴爐”事故，造成8死10傷；

2008年12月26日，重慶某公司電爐發(fā)生噴爐，造成4名工人當(dāng)場死亡，14人受傷。

安全事故猛于虎，如何確保安全生產(chǎn)，已成為全行業(yè)全力投入研究的重大課題?？v觀銅冶煉行業(yè)，造成安全事故的主要原因有三：其一，熔渣狀態(tài)難掌握，容易生成“泡沫渣”，造成噴爐、鼓爐。這往往是冶煉工藝或設(shè)備與生俱來的特性所致，預(yù)防難度大、突發(fā)性強、破壞性大。其二，工藝設(shè)備復(fù)雜，操作繁瑣，易導(dǎo)致誤操作，引發(fā)安全事故。其三，設(shè)備安全防范性能不足，防范機制不靈活，關(guān)鍵時刻無法快速執(zhí)行安全預(yù)防措施，從而導(dǎo)致死爐、熔體倒灌等事故。

對癥下藥，如何避免上述因素帶來的安全隱患？只有靠科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，從冶金工藝技術(shù)及設(shè)備的革命性變革中，才能找到徹底解決問題的答案。山東方圓有色金屬集團(tuán)與中國有色工程設(shè)計研究總院共同研發(fā)的氧氣底吹熔煉多金屬捕集技術(shù)，在充分總結(jié)、分析了上述問題后，借助科技創(chuàng)新，從工藝原理和運作機制上，徹底杜絕了安全事故的發(fā)生，打造出了可稱之為“當(dāng)代最為安全可靠的”冶煉生產(chǎn)工藝及設(shè)備。

一、富氧空氣從熔池底部吹入，氧氣路徑長，不易產(chǎn)生過氧化渣

側(cè)吹、頂吹采用氧氣直接吹入渣層相比，方圓底吹工藝采用氧氣從熔池底部吹入。氧氣吹渣層很容易與氧化物渣層發(fā)生過氧化反應(yīng)，產(chǎn)生高熔點渣，使熔渣黏度增大，增大泡沫渣、噴爐、鼓爐風(fēng)險。而氧氣底吹工藝由于氧氣吹入冰銅層，氧氣與冰銅里的硫化物反應(yīng)，再將氧氣傳遞給新入爐礦料。在冰銅層大量氧氣消耗。并且氧氣從熔池底部到渣層，行為路程變長。

根據(jù)：修正的弗勞德準(zhǔn)數(shù)：

由于底吹熔煉吹的是冰銅層，冰銅的粘度遠(yuǎn)低于熔渣，所以它的雷諾準(zhǔn)數(shù)、修正的弗勞德準(zhǔn)數(shù)都比較高，說明爐內(nèi)熔體的流體力學(xué)狀態(tài)要比頂吹、側(cè)吹優(yōu)越的多，見表1。

正因為較高的弗勞德準(zhǔn)數(shù)，使底吹熔煉有著較高的傳質(zhì)效率。氧氣在冰銅層中反應(yīng)量大，進(jìn)入渣層后氧氣分壓變小，可防止渣層過氧化產(chǎn)生大量Fe3O4使熔渣變粘。另外槍口位于熔池底部，以及較高的弗勞德準(zhǔn)數(shù)，氧氣在向熔池頂部運動的過程中，產(chǎn)生的膨脹作用增強，范圍變大，使表面張力較大，密度較小的熔渣向遠(yuǎn)離反應(yīng)中心的邊緣運動，加上劇烈的攪拌、噴濺作用，難以形成連續(xù)渣層。

二、特殊的氧槍結(jié)構(gòu)，反應(yīng)迅速，鼓入氣泡很小

當(dāng)反應(yīng)氣體鼓入熔池后，氣泡在向渣面運動的過程中。由于反應(yīng)的不斷進(jìn)行，壓力的不斷變化，會不斷爆裂成更小的氣泡。側(cè)吹、頂吹等熔池熔煉由于采用套管式噴槍，出氣口直徑較大，壓力較小，所以初始?xì)馀莺艽?，并且由于其吹渣層，氣體運動路徑短，在渣層乃至渣層表面均存在過剩氧氣，容易使渣過氧化，產(chǎn)生黏性渣。而方圓底吹采用了直徑60mm的氧槍，槍口有格柵將出氣口分隔成多個小孔，并且方圓底吹采用高壓作業(yè)。氧槍示意圖如圖1。

所以底吹熔煉的特殊氧槍系統(tǒng)產(chǎn)生的初始?xì)馀莺苄?，在上升過程中在進(jìn)一步爆裂。使氣體的總表面積極度變大，反應(yīng)動力學(xué)條件好。氣體在冰銅層大量反應(yīng)，進(jìn)入渣層或溢出渣層量很少，不易導(dǎo)致渣的過氧化反應(yīng)。從而進(jìn)一步避免了過氧化渣的產(chǎn)生，避免了黏性渣造成噴爐，氣泡有關(guān)數(shù)據(jù)如表2：

表2 各熔煉工藝氣泡比較

三、熔煉渣型及熔渣狀態(tài)更易控制，不易噴爐、鼓爐

該底吹工藝通過單位時間加料量、入爐礦料熔劑等控制，可輕松調(diào)整渣溫、渣型。并且技術(shù)人員通過長期的生產(chǎn)摸索，也已掌握了控制指標(biāo)。通過控制1.7~2.0的鐵硅比，避免了低鐵硅比產(chǎn)生的大量大鏈硅酸鹽分子，使熔渣變粘。

結(jié)合CaO、A l2O3的添加調(diào)整，將硅酸鹽大離子鏈打破，將爐渣熔度降低，保持渣良好的流動性。

圖2 硅酸鹽離子鏈及堿性氧化物對其影響

在生產(chǎn)實踐過程中，方圓技術(shù)人員還逐漸掌握了降低熔渣熔點的相關(guān)技術(shù)，通過控制酸性氧化物和堿性氧化物的配比，將硅酸度控制在1.3以上，結(jié)合底吹爐熔體運動特點，將熔渣熔點和過熱度進(jìn)一步降低，即逐漸實現(xiàn)低溫熔煉，即保持了熔渣的良好流動性，又節(jié)約了大量能源。

四、設(shè)備構(gòu)造簡單，易操作，減少了設(shè)備復(fù)雜誤操作造成的安全事故

底吹爐（結(jié)構(gòu)如圖2所示）放銅口位于爐體側(cè)下方，銅口捅開后冰銅自行流出，并設(shè)有配套泥泡機在放銅結(jié)束后堵塞銅口。溢流型渣口，日常放渣、堵渣，清焦簡單易行。加料口位于爐頂，通過下料皮帶將爐料直接投入，投料系統(tǒng)簡單。 除了銅口、渣口、出煙口、下料口等部位有銅水套外，全爐體無水冷卻系統(tǒng)，故管線少，簡單明了。氧氣底吹熔煉工藝操作簡單易行，關(guān)鍵工藝在于控制氧料比、熔體溫度、冰銅品位、爐渣鐵硅比等參數(shù)，整套系統(tǒng)采用了DCS控制，自動化程度較高，生產(chǎn)控制直觀、簡便。所以整個熔煉車間設(shè)備數(shù)量少，操作點少，操作簡單，大大減少了由于設(shè)備復(fù)雜引起的疏忽大意事故以及操作失誤。

五、爐體可83°旋轉(zhuǎn)，安全預(yù)防應(yīng)急系統(tǒng)簡單有效

把正常生產(chǎn)時的爐位設(shè)為0°位，根據(jù)生產(chǎn)需要，爐體可旋轉(zhuǎn)83°，而且83°旋轉(zhuǎn)足以使氧槍全部位于熔體液面以上，當(dāng)檢修或出現(xiàn)其他狀況需要停產(chǎn)時，可將爐體轉(zhuǎn)出，氧槍脫離反應(yīng)液面，熔煉反應(yīng)即可終止，而且避免發(fā)生氧槍倒灌事件，堵塞氧槍或燒穿氧槍軟管，造成事故。同時爐體轉(zhuǎn)動設(shè)有限位機構(gòu)，在自動或手動操作時，不會因為設(shè)備原因或人工誤操作造成旋轉(zhuǎn)過度，以免從爐口倒出高溫熔體造成事故。另外，此爐型結(jié)構(gòu)也較易實現(xiàn)自動應(yīng)急系統(tǒng)，即使車間空無一人，在突發(fā)停電時，系統(tǒng)數(shù)秒后會自動啟動，將爐體轉(zhuǎn)出，斷氣停產(chǎn)。所以與采用固定式圓筒或槽式反應(yīng)爐相比，氧氣底吹爐爐型的安全應(yīng)急更容易實現(xiàn)，更簡單，更易操作。

正因為具備了較高的安全性能，也為技術(shù)人員的技術(shù)創(chuàng)新提供了更好地平臺：由于沒有泡沫渣、噴爐這樣的安全顧慮，低溫冶煉、高鐵低硫礦料的使用等行業(yè)內(nèi)多年摸索卻不敢實踐的技術(shù)試驗，技術(shù)革新都能在方圓底吹爐輕松實施、實現(xiàn)。

方圓氧氣底吹熔煉多金屬捕集技術(shù)及裝備在山東方圓有色金屬科技公司的大力推廣下，已逐漸被行業(yè)所接受，其安全生產(chǎn)及各項技術(shù)指標(biāo)方面的優(yōu)越性也被行業(yè)和社會所認(rèn)可。徹底解決冶金行業(yè)的安全生產(chǎn)問題，必將為全國乃至全世界的冶金行業(yè)解放更大的技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)效益空間，有效推動世界冶金行業(yè)的健康快速發(fā)展。目前，該工藝及裝備已在國內(nèi)外得到初步推廣，有十二家企業(yè)已采用或正在采用該工藝技術(shù)及裝備進(jìn)行技術(shù)改造，成為當(dāng)今有色冶金行業(yè)使用最為廣泛的工藝及裝備之一。

Oxygen Bottom Blow ing Technology to Solve Key Issue of Non-ferrous Industry Safety

□文/陳俊華