曾慶康

（金冠銅業(yè)分公司，安徽 銅陵244000）

銅陵有色金冠銅業(yè)“奧爐廠區(qū)”采用“頂吹熔煉—智能數(shù)控吹煉—回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐精煉—PC 大極板電解”冶煉工藝，其中吹煉工序智能數(shù)控吹煉爐共配置3 臺(tái)，采用期交換作業(yè)模式，每臺(tái)吹煉爐冷料添加方式有爐前行車直投和爐后機(jī)投（殘極加料機(jī)）兩種。

2018 年3 月18 日，“奧爐廠區(qū)”竣工點(diǎn)火烘爐，5 月18日正式投料試生產(chǎn)。創(chuàng)造了同類工程建設(shè)工期最短、投資最少、投產(chǎn)最快、安全零事故的新紀(jì)錄。

結(jié)合2018 年全年試運(yùn)行期間生產(chǎn)實(shí)際情況，吹煉爐處理冷料量?jī)H50530.2 噸，與國(guó)內(nèi)采用相同工藝銅冶煉企業(yè)標(biāo)桿值相比，冷料處理量方面存在較大差距，為充分發(fā)揮智能數(shù)控吹煉爐優(yōu)勢(shì)，需進(jìn)一步挖潛補(bǔ)缺。

1 吹煉工藝簡(jiǎn)述

礦銅冶煉一般分為造锍熔煉、冰銅吹煉、粗銅精煉和電解精煉四個(gè)步驟，其中冰銅吹煉爐型有PS 轉(zhuǎn)爐、智能數(shù)控吹煉爐、側(cè)吹爐、底吹爐、閃速爐和頂吹爐等眾多爐型，采用智能數(shù)控吹煉爐或轉(zhuǎn)爐作為冰銅吹煉爐（以下簡(jiǎn)稱吹煉爐）具有對(duì)不同品位冰銅適應(yīng)能力強(qiáng)、能夠處理大尺寸含銅冷料、脫雜能力強(qiáng)、自熱吹煉等優(yōu)點(diǎn)。

鑒于吹煉爐在處理含銅冷料方面具有的明顯優(yōu)勢(shì)，其一個(gè)重要作用即用于處理銅冶煉系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的各類含銅中間物料、下游銅加工企業(yè)及相關(guān)有色冶煉企業(yè)產(chǎn)生的各類含銅物料，以降低庫(kù)存并提升產(chǎn)能。

隨著加工制造、自動(dòng)化、技能水平的不斷提升，吹煉爐正朝著大型化、智能化、綠色化方向發(fā)展，當(dāng)前新建或改建企業(yè)，配置吹煉爐處理熱態(tài)冰銅能力約為250-300 噸/爐、品位54%～62%、富氧濃度23%～25%、風(fēng)量40000-50000Nm3/h。

冰銅吹煉過(guò)程為自熱反應(yīng)過(guò)程，產(chǎn)生熱量除維持熔體自身反應(yīng)溫度外，部分熱量隨煙氣、爐渣、爐體帶出，剩余熱量仍有大量富余。

吹煉過(guò)程分為造渣期和造銅期兩個(gè)階段，對(duì)應(yīng)反應(yīng)熱效應(yīng)如下：

造渣期：2FeS+3O2+SiO2=2FeO·SiO2+2SO2+1030.0 9kJ

造銅期：Cu2S+O2=2Cu+SO2+217.4 Kj

根據(jù)理論計(jì)算，100kg 銅锍吹煉造渣期富余熱量29681.96kj、造銅期富余熱量2400.28kj，而100kg 冷銅由15℃加熱至1200℃需要吸收熱量72548kj[1]，根據(jù)當(dāng)前每爐次處理冰銅量250-300 噸/爐，吹煉過(guò)程有富余熱量較多。

為維持吹煉爐工況穩(wěn)定，確保系統(tǒng)熱量平衡，防止溫度過(guò)高對(duì)爐襯、電收塵、制酸系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，同時(shí)為合理利用富余熱量，行業(yè)常規(guī)做法是根據(jù)吹煉爐各階段作業(yè)工況選擇性向爐內(nèi)投入含銅冷料。

2 冷料概況

奧爐廠區(qū)于2018 年投產(chǎn)當(dāng)年即實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)的目標(biāo)，并順利實(shí)現(xiàn)“保安全、保工期、保投資”的三保目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)降本增效、資源綜合利用目標(biāo)，吹煉爐處理含銅物料種類、數(shù)量、成分日趨復(fù)雜化，冷料種類由初期約15 種提升至2020 年約34 種，冷料成分由以Cu、Fe、Si 三種元素為主擴(kuò)大至多種雜質(zhì)元素并存且占比較大的局面，在此條件下，如何實(shí)現(xiàn)不影響產(chǎn)品質(zhì)量前提下提升冷料率成為當(dāng)前重點(diǎn)課題。

表1 列出2020 年轉(zhuǎn)爐處理含銅冷料中部分物料概況。

表1 轉(zhuǎn)爐處理含銅冷料概況信息

根據(jù)表1 統(tǒng)計(jì)結(jié)果，供應(yīng)量較大含銅物料約34 種（處理量較小的中間物料未做統(tǒng)計(jì)），根據(jù)各類物料尺寸、含銅品位及雜質(zhì)含量大致可以分為兩類：

A 類：尺寸較小（2cm～10cm），銅品位不高，雜質(zhì)種類多或含量較高，成分波動(dòng)大。這類物料中部分物料疏松多孔夾帶一定量水分，部分物料含有大量在高溫下易揮發(fā)物質(zhì)，部分物料同一批次成分差異較大，部分物料伴有大量粉狀物料。

B 類：尺寸較大（＞50cm），銅品位高，雜質(zhì)含量少，成分相對(duì)穩(wěn)定，一般Cu＞97%。這類物料主要是火法精煉及電解精煉系統(tǒng)中產(chǎn)出的中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)品。

從冷料來(lái)源看，主要分為四部分，一是源自金冠銅業(yè)內(nèi)部中間含銅物料，該類物料成分明確、可控，一般不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成較大影響；二是其他礦銅冶煉廠產(chǎn)出物料，該類物料成分較為穩(wěn)定，同前述第一種情況，均屬于一次銅；三是來(lái)源于各類銅加工企業(yè)產(chǎn)生的二次銅，這類銅是在加工過(guò)程中產(chǎn)生的，它與一次銅的主要區(qū)別在于其在合金化或加覆蓋物過(guò)程中可能已被摻雜，其成分差異極大、有害雜質(zhì)較高[2]；四是其他有色冶煉行業(yè)產(chǎn)出的含銅物料，該類物料成分組成與銅冶煉工藝產(chǎn)生物料成分差異較大，一般單獨(dú)處理。

3 影響冷料處理因素

（1）物料尺寸?？紤]到轉(zhuǎn)爐送風(fēng)期間風(fēng)眼區(qū)域風(fēng)速達(dá)到88m/s～110m/s，在高速風(fēng)速下，成粉末狀或顆粒較小物料在吹煉正式開(kāi)始之前即已被吹出爐口，不僅造成直收率降低，同時(shí)大量粉塵進(jìn)入廠房，對(duì)廠房環(huán)境造成極大影響。物料尺寸過(guò)大，在爐膛內(nèi)融化、溶解時(shí)間拉長(zhǎng)，容易造成熔體溫度偏低，如若發(fā)生在造渣期，容易引起爐渣發(fā)粘，一旦過(guò)吹容易發(fā)生噴爐事故。

（2）水分含量。部分含銅物料因其疏松多孔，室外堆放容易積水，如精煉渣；部分物料內(nèi)部有較大或較長(zhǎng)空腔，因外側(cè)封閉，內(nèi)側(cè)積水或其他物質(zhì)無(wú)法排出，如廢銅水套；部分物料含有大量結(jié)晶水，如黑銅板。諸如前述物料，一旦進(jìn)入盛有高溫熔體爐膛內(nèi)，即會(huì)發(fā)生激烈反應(yīng)而出現(xiàn)爆炸、放炮事故。

（3）易揮發(fā)物。Pb、As、Sb、Bi 該類元素因其單質(zhì)、各價(jià)態(tài)氧化物屬低熔點(diǎn)物質(zhì)，在吹煉溫度下，具有較高平衡蒸氣壓，屬易揮發(fā)物，吹煉過(guò)程中該類物質(zhì)大量進(jìn)入煙氣中；部分物料含有硫酸鹽、亞硫酸鹽或碳酸鹽，比如

（4）易燃易爆物。吹煉作業(yè)期間熔體溫度約1150℃～1250℃，煙氣溫度稍高，對(duì)于冶金爐工況特點(diǎn)，嚴(yán)禁各類易燃易爆物質(zhì)加入爐內(nèi)，防止發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。

（5）雜質(zhì)含量。各類物料中主要雜質(zhì)成分較多，其中含量較高且對(duì)銅冶煉系統(tǒng)影響較大的有As、Sb、Bi、Ni、Te、Pb、Zn 等元素，這類雜質(zhì)部分在銅中溶解度較高，帶入后續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)中，特別是前三種雜質(zhì)，能夠以一定比例進(jìn)入電解液并逐漸積累，容易形成漂浮陽(yáng)極泥[3]，根據(jù)相關(guān)研究，漂浮陽(yáng)極泥主要是以As、Sb、Bi、Pb等元素構(gòu)成的復(fù)雜物[4]；前述雜質(zhì)中部分雜質(zhì)及生成氧化物或硫化物屬低熔點(diǎn)、低沸點(diǎn)物質(zhì)，大量進(jìn)入煙氣中，在鍋爐、管道中大量粘結(jié)，對(duì)換熱、收塵效果影響較大。

含銅物料中幾種含量較大雜質(zhì)在吹煉過(guò)程中的分布情況見(jiàn)表2。

表2 轉(zhuǎn)爐吹煉雜質(zhì)分布概況表[5]

4 處理措施

圖1 吹煉爐期交換作業(yè)模式

圖2 造渣期、造銅期終點(diǎn)判斷趨勢(shì)圖

（1）優(yōu)化吹煉進(jìn)出料作業(yè)方式。根據(jù)初步設(shè)計(jì)吹煉爐S1和S2 期共計(jì)處理冰銅量285 噸，為滿足S1 起吹液面作業(yè)條件，S1 需要進(jìn)料4 包半，S2 進(jìn)料3 包半，后根據(jù)冰銅包實(shí)際有效容積，采取S1 進(jìn)料5 包、S2 進(jìn)料3 包作業(yè)方式；放渣期間原作業(yè)方式S1 放渣2 包半、S2 放渣1 包半，后調(diào)整為S1 放渣2 包、S2 放渣2 包。優(yōu)化作業(yè)方式后，中間熱損失和備料時(shí)間減少，作業(yè)效率提高，日均爐次提高，日處理冷料量提高。

（2）加強(qiáng)冷料管理。鑒于當(dāng)前含銅物料種類多、成分雜、尺寸差異大情況，根據(jù)吹煉爐不同作業(yè)階段熔體溫度、作業(yè)時(shí)間、熔體物相組成、脫雜能力等特點(diǎn)，劃分出適用于S 期和B 期物料，分類堆放。雜質(zhì)高、水分大、含有易揮發(fā)物的物料經(jīng)破碎、烘烤后進(jìn)入S1 期，成分較為穩(wěn)定小尺寸物料投入S2；B 期冷料添加情況與S 期類似，主要區(qū)別是B 期處理物料尺寸較大、含銅品位一般超過(guò)97%，幾乎不含水分和易揮發(fā)物等雜質(zhì)。根據(jù)計(jì)算，Sb、Bi、Pb、Zn 幾種雜質(zhì)元素在吹煉工序的脫雜率分別約為50%、65%、90%和99%，各種含銅冷料的添加以控制雜質(zhì)進(jìn)入總量為原則。

（3）提升殘極加料機(jī)運(yùn)行能力。根據(jù)工藝生產(chǎn)需求，結(jié)合同行業(yè)同等尺寸轉(zhuǎn)爐冷料處理情況，轉(zhuǎn)爐每爐次需投入冷料總量約130～140 噸，其中由殘極加料機(jī)投入大塊含銅物料量約90～100 噸/爐，由于目前殘極加料機(jī)設(shè)備配置方面限制，其有效運(yùn)輸能力不足，現(xiàn)投料僅35 噸/小時(shí)，轉(zhuǎn)爐潛能未得到充分發(fā)揮，通過(guò)縮短鏈板防滑齒間距、尾部整形板加寬、殘極冷卻水套改造、優(yōu)化上料方式等措施，將殘極加料機(jī)上料速度提升至目前70 噸/小時(shí)，有效提高冷料處理量。

（4）合理利用爐前備料時(shí)間。根據(jù)吹煉爐期交換作業(yè)特點(diǎn)，每次爐體切換作業(yè)期間，中間有較長(zhǎng)備料時(shí)間，利用1臺(tái)行車備料時(shí)間，通過(guò)第二臺(tái)行車?yán)们袚Q或備料間隙時(shí)間從爐前投入冷料，在不影響吹煉爐作業(yè)時(shí)間、作業(yè)爐次條件下提高單爐處理量。

原設(shè)計(jì)吹煉爐期交換作業(yè)方式見(jiàn)圖1[6]。

（5）吹煉過(guò)程定量化、智能化控制。銅陵有色金冠銅業(yè)分公司通過(guò)近3 年的探索，創(chuàng)新研發(fā)了“吹煉過(guò)程控制優(yōu)化決策系統(tǒng)”及“銅锍智能數(shù)控吹煉模型”[7]，并得到了成功應(yīng)用，通過(guò)物料平衡、元素平衡、熱量平衡控制體系以及終點(diǎn)智能判斷系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了吹煉過(guò)程控制的定量化、智能化作業(yè)；同時(shí)采用外窺式成像測(cè)溫系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)爐內(nèi)燃燒工況的視頻監(jiān)視，也能同步檢測(cè)視場(chǎng)內(nèi)任意區(qū)域的溫度，實(shí)現(xiàn)溫度控制的可視化、數(shù)字化作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)量、氧濃及冷料添加量實(shí)現(xiàn)冷料處理的最大化。

圖3 銅冶金吹煉工藝關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖4 銅锍智能數(shù)控吹煉模型界面圖

（6）降低中間物料發(fā)生率。吹煉爐處理含銅物料主要分為內(nèi)部產(chǎn)生的中間物料和外購(gòu)采購(gòu)物料，其中中間物料當(dāng)前又分為“奧爐廠區(qū)”物料和“雙閃廠區(qū)”物料，當(dāng)前外購(gòu)物料占處理總量約51%，“奧爐廠區(qū)”物料占比約40%，“雙閃廠區(qū)”物料占比約9%，內(nèi)部循環(huán)物料占比較高，為實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效目標(biāo)，通過(guò)調(diào)整渣型減少渣含銅、物料入爐前篩分降低煙塵發(fā)生率、提高銅模壽命、提高陽(yáng)極板合格率、降低備料時(shí)間等多項(xiàng)措施降低中間物料發(fā)生率。

6 結(jié)論

通過(guò)上述措施的實(shí)行，吹煉爐處理冷料總量達(dá)到約16萬(wàn)噸，冷料率由33%達(dá)到約45%，陽(yáng)極板合格率≥98%，取得較大效果，但與國(guó)內(nèi)其他采用相同工藝銅冶煉企業(yè)相比（見(jiàn)表3），仍有差距，差距主要體現(xiàn)在B 期。

表3 國(guó)內(nèi)銅冶煉冷料率對(duì)比概況

分析原因主要有：一是氧濃偏低，當(dāng)前平均氧濃約22%～23%，與行業(yè)平均值相比低2%～3%；二是殘極加料機(jī)投料能力同行業(yè)相比仍然偏低，無(wú)法滿足吹煉工藝最大冷料處理需求。鑒于此，關(guān)于提升吹煉爐冷料處理能力的短期工作重點(diǎn)將放在提升氧濃和殘極加料機(jī)兩個(gè)方面。