樂安勝

(大冶有色金屬集團控股有限公司， 湖北 黃石 435005)

0 引言

轉(zhuǎn)爐工業(yè)應用已有百多年歷史，是被普遍采用的成熟技術，目前國內(nèi)銅锍的吹煉大多數(shù)采用臥式側(cè)吹轉(zhuǎn)爐。但轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)為間斷性作業(yè)，煙氣量波動、爐口漏風、煙氣泄漏等問題難以解決。隨著熔煉和精煉技術的發(fā)展與完善，轉(zhuǎn)爐吹煉成為制約銅冶煉廠潔凈生產(chǎn)的突出矛盾。每家銅锍冶煉廠都有幾臺轉(zhuǎn)爐同時作業(yè)，不同數(shù)量的作業(yè)轉(zhuǎn)爐組合構(gòu)成了不同的作業(yè)模式，不同的轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式會產(chǎn)生不同的生產(chǎn)技術指標[1-4]。本文對大冶有色冶煉廠轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)系統(tǒng)進行了4H3B和4H2B兩種作業(yè)模式的生產(chǎn)技術指標的理論和實踐對比。

1 大冶有色轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)簡介

大冶有色冶煉廠轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)為5臺P- S轉(zhuǎn)爐，熔煉部分提供銅锍品位為56%左右，由三臺高壓風機提供風源，并混入一定量的氧氣進行吹煉，產(chǎn)生98%的粗銅進入精煉爐再進一步除雜。產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐渣輸送到渣場進行緩冷，物料的轉(zhuǎn)運主要用6 m3的鋼包，采用4H3B不完全期交換作業(yè)(見下文“轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式介紹”)。轉(zhuǎn)爐工藝流程見圖1，轉(zhuǎn)爐車間主要生產(chǎn)工藝設備見表1。

圖1 轉(zhuǎn)爐工藝流程圖

2 轉(zhuǎn)爐作業(yè)

在銅冶煉過程中，造锍過程是進行銅與部分或絕大部分鐵的分離的過程。吹煉就是除去銅锍中的鐵和硫以及其他有害雜質(zhì)。在吹煉過程中，有害雜質(zhì)進入渣中或煙塵，金、銀等貴金屬幾乎全部富集到粗銅中。

吹煉過程是間歇式的周期性作業(yè)，整個過程分為兩個階段。第一個階段(周期)，即造渣期(一般分為S1和S2)，銅锍中的FeS與鼓入空氣中的O2發(fā)生強烈的氧化反應，生成FeO和SO2氣體。FeO與加入的石英熔劑進行造渣反應，使銅逐漸升高。當锍中銅升至大約75%，含F(xiàn)e小于1%時造渣結(jié)束。造渣完成后，繼續(xù)吹煉，即進入第二階段(周期)，也就是造銅期(一般分為B1和B2)。在造銅期，鼓入空氣中的O2與Cu2S發(fā)生強烈的氧化反應，生成Cu2O和SO2，Cu2O又與未氧化的Cu2S反應生成金屬Cu和SO2，直接生成的粗銅含銅98.5%以上時吹煉的第二階段結(jié)束。銅的吹煉第二階段不加入銅锍、不造渣，以產(chǎn)出粗銅為特征。

表1 轉(zhuǎn)爐車間主要生產(chǎn)工藝設備

3 轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式介紹

轉(zhuǎn)爐的吹煉制度有三種：單爐吹煉、爐交換吹煉和期交換吹煉。

單爐吹煉一般只有兩臺轉(zhuǎn)爐，其中一臺操作，一臺備用，一爐吹煉作業(yè)完成后，重新加入銅锍，進行另一爐次吹煉作業(yè)。

爐交換吹煉，一般3臺轉(zhuǎn)爐，1臺備用，兩爐交替作業(yè)。在2#爐結(jié)束全爐吹煉作業(yè)后，1#爐立刻進行另一爐次的吹煉作業(yè)。但1#爐可在2#爐結(jié)束吹煉之前預先加入銅锍。2#爐可以在1#爐投入吹煉作業(yè)之后排出粗銅，縮短了停吹時間。

期交換吹煉，一般有3臺轉(zhuǎn)爐，1臺備用，兩臺交替作業(yè)，在1#爐的S1期與S2期間之間，穿插進行2#爐的B2期吹煉。將排渣、放粗銅、清理風眼等作業(yè)安排在另外一臺轉(zhuǎn)爐投入送風吹煉之后進行，將加銅锍作業(yè)安排在另一臺轉(zhuǎn)爐停吹之前進行，僅在兩臺轉(zhuǎn)爐切換作業(yè)時短暫停吹，縮短了停吹。

2HIB是指轉(zhuǎn)爐在做期交換作業(yè)，即3臺轉(zhuǎn)爐，2臺在熱態(tài)，其中有1臺在送風吹煉，1臺在冷態(tài)維修；2H2B是指轉(zhuǎn)爐在做爐交換作業(yè)，即3臺轉(zhuǎn)爐，2臺在熱態(tài)，2臺同時送風吹煉，1臺在冷態(tài)維修；3H2B是指轉(zhuǎn)爐在做爐交換作業(yè)，即4臺轉(zhuǎn)爐，3臺在熱態(tài)，其中任意有2臺在同時送風吹煉，1臺為冷態(tài)維修。當不能嚴格按照期交換作業(yè)時就叫不完全期交換作業(yè)[3-5]。

大冶有色冶煉廠目前采用4H3B不完全期交換作業(yè),即5臺轉(zhuǎn)爐，4臺在熱態(tài)，其中任意有3臺在送風吹煉，1臺為熱態(tài)，1臺為冷態(tài)維修。采取此作業(yè)模式，送風時率低下，硫酸SO2濃度波動較大。經(jīng)常出現(xiàn)三臺爐子同時爐口轉(zhuǎn)出(接銅硫、倒粗銅或者倒渣)，大量煙氣外漏，轉(zhuǎn)爐低空污染相對較為嚴重。

為解決環(huán)保問題，在確保產(chǎn)量前提下，優(yōu)化轉(zhuǎn)爐吹煉作業(yè)模式。測算采用4H2B不完全期交換作業(yè)替代目前轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式，即5臺轉(zhuǎn)爐，4臺在熱態(tài)，其中任意有2臺在送風吹煉，2臺為熱態(tài)，1臺為冷態(tài)維修。為能進行4H2B不完全期交換作業(yè)，準備將吹煉銅锍品位按照60%控制。

4 兩種作業(yè)模式對比分析

原料銅锍有兩種理論成分組成，詳細情況見表2。本文將從吹煉時間、產(chǎn)量、煙氣量、產(chǎn)生熱量、能耗和技術經(jīng)濟指標等方面對兩種作業(yè)模式進行理論對比分析。4H3B采用的銅锍品位為55%；4H2B采用的銅锍品位為60%。

表2 銅锍理論成分 %

4.1 兩種作業(yè)模式吹煉時間對比

按照現(xiàn)有作業(yè)流程一爐銅5包銅锍起吹：加入一包冷料期間換停等待，進行放渣；再進2包銅锍進行吹煉，停風放渣；再進1包銅锍吹煉，停風放渣，并進入B1期；再期間換停等待，最后進入B2期。造渣時間參考式(1)，造銅時間參考式(2)。

(1)

(2)

上式中：α、β、γ為參數(shù)；a為冷料系數(shù)。式(1)中，α=7，β=57.55；γ=0.775；式(2)中，α=8.7，β=-0.001 25，γ=4.866。

55%銅锍比重取4.5 g/cm3，60%銅锍比重取4.7 g/cm3，氧濃度23%，造渣36 000 Nm3/h，造銅38 000 Nm3/h，按照式(1)、式(2)進行計算，結(jié)果見表3。

表3 不同品位單爐吹煉時間計算結(jié)果 min

根據(jù)表3計算結(jié)果進行推斷，如果在持續(xù)均衡供應銅锍的情況下，5臺轉(zhuǎn)爐采用4H3B操作模式吹煉55%銅锍，一天可吹煉12爐次；4臺轉(zhuǎn)爐采用4H2B操作模式吹煉60%銅锍，一天也可吹煉12爐次。如果按照每小時供應3包銅锍的情況，則5臺轉(zhuǎn)爐采用4H3B操作模式吹煉55%銅锍，一天可吹煉9爐次，4臺轉(zhuǎn)爐采用4H2B操作模式吹煉60%銅锍，一天可吹煉9爐次。由此可以看出，4臺轉(zhuǎn)爐采用4H2B操作模式吹煉60%銅锍，一天可吹煉9爐次。由此可以看出，吹煉能力主要受銅锍供應能力限制，與采用4H3B或者4H2B操作模式?jīng)]有關系。

4.2 兩種作業(yè)模式產(chǎn)量對比

條件：按照吹煉94%直收率，每爐銅進8包銅锍，銅包體積均為6 m3。

1)熔煉系統(tǒng)能持續(xù)均衡供應銅锍的情況，粗銅產(chǎn)量計算結(jié)果見式(3)、式(4)。

4H3B作業(yè)模式產(chǎn)量：8×6×4.5×55%×94%×12=1 340 t

(3)

4H2B作業(yè)模式產(chǎn)量：8×6×4.7×60%×94%×12=1 526 t

(4)

2)每小時供應3包銅锍的情況，粗銅產(chǎn)量計算結(jié)果見式(5)、式(6)。

4H3B作業(yè)模式產(chǎn)量：8×6×4.5×55%×94%×9=1 005 t

(5)

4H2B作業(yè)模式產(chǎn)量：8×6×4.7×60%×94%×9=1 145 t

(6)

由計算結(jié)果可以看出：無論銅锍供應模式如何，4H2B作業(yè)模式均比4H3B作業(yè)模式增加約14.3%產(chǎn)量。銅硫品位提高，礦銅產(chǎn)量會有所提高。

4.3 兩種作業(yè)模式煙氣對比

銅锍吹煉主要是S的氧化，在造渣期是FeS中的S被氧化，造銅期是Cu2S中的S被氧化[6]?；瘜W反應見式(7)、式(8)。

(7)

(8)

假設造渣期中的S有97%氧化成SO2，7%氧化成SO3；造銅期中的S有90%氧化成SO2，10%氧化成SO3。計算出氧的利用率為97%，氧濃為23%，造渣期風量36 000 m3/h，造銅期風量38 000 m3/h。風量及煙氣量中SO2含量計算結(jié)果見表4。

表4 不同品位吹煉所需空氣量及產(chǎn)生的煙氣量中SO2含量

4.4 兩種作業(yè)模式熱量對比

轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉是一個自然過程。共分兩個周期，即造渣期和造銅期[2]。造渣期主要是FeS的氧化及其造渣放熱，造銅期主要是Cu2S的氧化放熱，反應式見式(7)、式(8)。

據(jù)此可計算出，1 kg的FeS氧化造渣反應可以放出5.85 kJ的熱量，1 kg的Cu2S氧化生成金屬銅可以放出1.37 kJ的熱量，第1周期的反應熱要比第2周期的反應熱大得多。轉(zhuǎn)爐采用不同品位銅锍吹煉參與反應的FeS和Cu2S的總量也不相同，計算結(jié)果見表5。

表5 不同品位銅锍的FeS和Cu2S總量 kg

4H2B模式下，銅硫中參與反應的FeS減少，Cu2S增加，而FeS氧化造渣反應放出熱量是Cu2S氧化造銅放出熱量的4.3倍，初步計算熱量減少了大約5%。

4.5 兩種作業(yè)模式能耗對比

在4H2B作業(yè)模式下，減少一臺高壓風機的運行，也減少了一臺轉(zhuǎn)爐的運行，節(jié)約了大量電能。高壓風機功率為2 500 kW，其他輔助設備功率也達到300 kW，每天節(jié)約電耗約91 200 kW·h。按照每天約1 100 t粗銅產(chǎn)量，生產(chǎn)每噸粗銅能耗減少約61 kW·h。

5 生產(chǎn)實踐

在熔煉系統(tǒng)能持續(xù)穩(wěn)定提供銅硫情況下，對兩種轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式實際生產(chǎn)進行對比分析。

5.1 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)情況

兩種轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式下，轉(zhuǎn)爐主要技術指標見表6。

表6 不同轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式轉(zhuǎn)爐主要技術指標

從表6看出，兩種轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式的生產(chǎn)技術指標與理論分析基本相同，4H3B造渣產(chǎn)生大量熱量，為了控制爐內(nèi)溫度，加入冷料較多[5]。

5.2 煙氣情況

轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的煙氣用于制硫酸，煙氣主要技術指標見表7。

表7 不同轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式煙氣主要技術指標

4H2B生產(chǎn)時減少了一臺轉(zhuǎn)爐吹煉，煙氣量大幅減少。因為生產(chǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以煙氣中SO2濃度沒有較大變化。因為主煙道抽力加強，所以散排煙氣隨之減少，污酸量和環(huán)集煙氣量也減少。

6 結(jié)論

本文對4H3B和4H2B兩種轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式進行了理論和實際生產(chǎn)的對比分析，得出以下結(jié)論。

1) 理論分析方面，4H2B作業(yè)模式下轉(zhuǎn)爐吹煉生產(chǎn)的各項指標均優(yōu)于4H3B。

2) 4H2B相對于4H3B作業(yè)模式單爐吹煉時間減少40 min，吹煉礦銅產(chǎn)能有一定提高，兩種作業(yè)模式的產(chǎn)能主要受制于銅锍的供應。

3) 4H2B作業(yè)模式電耗下降約61 kW·h，主要是因為減少了一臺環(huán)保風機運行和轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動頻次。

4) 4H2B作業(yè)模式煙氣量減少18.7%，煙氣中SO2濃度變化不大。

5) 4H2B作業(yè)模式吹煉產(chǎn)生的熱量下降5%，對冷料加入有一定的影響。

6) 因?qū)嶋H生產(chǎn)中受銅锍品位、吹煉風量和漏風等情況影響，4H2B作業(yè)模式的技術指標與理論分析結(jié)果有一定差距。