朱明輝

（紫金礦業(yè)集團(tuán)有限公司，福建上杭 364200)

隨著銅火法冶煉技術(shù)的發(fā)展，近20 年來(lái)銅火法冶煉工藝在國(guó)內(nèi)呈現(xiàn)出“百花齊放、百家爭(zhēng)鳴”的現(xiàn)象。 現(xiàn)階段主要存在的熔煉+吹煉工藝有：“閃速熔煉+閃速吹煉”（以下簡(jiǎn)稱 “雙閃”）、“閃速熔煉+轉(zhuǎn)爐吹煉”、“側(cè)吹+頂吹”、“側(cè)吹+轉(zhuǎn)爐”、“側(cè)吹+底吹”、雙底吹等。這些冶煉工藝各有所長(zhǎng)，為我國(guó)乃至世界大中型新建及改擴(kuò)建銅冶煉廠提供了多種可供選擇的中國(guó)技術(shù)，也標(biāo)志著我國(guó)銅火法冶煉技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。 從設(shè)計(jì)規(guī)模、技經(jīng)指標(biāo)、安全環(huán)保等方面綜合考量，連續(xù)煉銅工藝越來(lái)越體現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，完全符合銅火法冶煉技術(shù)朝著綠色、智能、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、安全高效方向發(fā)展的趨勢(shì)。在上述連續(xù)煉銅工藝的基礎(chǔ)上，本文擬就“閃速熔煉+底吹吹煉”的連續(xù)煉銅工藝設(shè)想進(jìn)行探討。

1 傳統(tǒng)閃速熔煉工藝現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)有多座閃速熔煉工藝的工廠，除了采用“雙閃”工藝外，其余均采用的是“閃速爐+PS 轉(zhuǎn)爐吹煉”工藝。閃速熔煉工藝具有產(chǎn)能大、能耗低、自動(dòng)化程度高、環(huán)保好等特點(diǎn)，同時(shí)還具有較大的擴(kuò)產(chǎn)潛力的優(yōu)勢(shì)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)，在不需大改造的前提下，實(shí)現(xiàn)較大幅度的擴(kuò)產(chǎn)。

“雙閃”工藝是為閃速熔煉配套閃速吹煉工藝。從原理上看,閃速吹煉屬于懸浮吹煉, 其是要在冰銅從閃速爐頂噴嘴噴出到落入沉淀池的很短的時(shí)間內(nèi)完成雜質(zhì)的氧化反應(yīng)。 閃速吹煉的優(yōu)勢(shì)主要在于:吹煉過(guò)程得到強(qiáng)化, 設(shè)備臺(tái)數(shù)少, 占地小; 煙氣量小且SO2濃度高, 后續(xù)余熱系統(tǒng)和煙氣制酸系統(tǒng)設(shè)備小,投資省, 運(yùn)行費(fèi)用低;無(wú)低空污染, 環(huán)保效果好;作業(yè)連續(xù)穩(wěn)定, 自動(dòng)化程度高; 爐體壽命長(zhǎng), 耐火材料消耗量低; 操作靈活, 并可處理其它工廠的水淬冰銅。但它也存在冰銅顯熱未能利用, 粗銅含硫高, 不能處理冷料、爐體投資大等缺點(diǎn)[1]。

而與閃速爐配套最多的PS 轉(zhuǎn)爐吹煉工藝至今已有100 多年的歷史，PS 轉(zhuǎn)爐憑借其操作簡(jiǎn)單靈活、對(duì)入爐物料的適應(yīng)性強(qiáng)、粗銅品質(zhì)好等特點(diǎn)，特別是能大量處理含銅冷料， 一直是礦產(chǎn)粗銅生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)工藝路線，是銅锍吹煉的主導(dǎo)工藝。即使在現(xiàn)在出現(xiàn)了這么多的連續(xù)煉銅新工藝的情況下，PS 轉(zhuǎn)爐吹煉產(chǎn)出的銅锍仍然占全世界銅锍總產(chǎn)量的80%以上。 然而，PS 轉(zhuǎn)爐受其工藝限制，只能周期性作業(yè)，導(dǎo)致熔體不可避免地在各爐之間用包子和行車倒運(yùn)，造成SO2煙氣低空逸散收集困難、煙氣量大、SO2濃度低且波動(dòng)大、制酸系統(tǒng)和環(huán)集系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本高等問(wèn)題。 特別是隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的要求不斷提高，采用連續(xù)吹煉工藝替代PS 轉(zhuǎn)爐吹煉成為必然的趨勢(shì)[2]。

2 “閃速熔煉+底吹吹煉”連續(xù)煉銅工藝設(shè)想

隨著我國(guó)銅火法冶煉技術(shù)的快速發(fā)展， 可供新建或改擴(kuò)建項(xiàng)目選擇的工藝路線增多?？傮w來(lái)看，冶煉工藝的選擇應(yīng)該從戰(zhàn)略定位的角度出發(fā)， 同時(shí)綜合考慮設(shè)計(jì)規(guī)模、投資、原料特性、技術(shù)先進(jìn)性、擬建地公共資源等問(wèn)題[3]。

2.1 工藝的選擇

連續(xù)煉銅是指熔煉爐產(chǎn)出的熱態(tài)銅锍通過(guò)溜槽連續(xù)進(jìn)料到吹煉爐，進(jìn)行富氧吹煉。其工藝特征是吹煉爐能夠連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)排煙，且工藝操作能夠連續(xù)一致。國(guó)內(nèi)的連續(xù)煉銅技術(shù)近年來(lái)逐漸發(fā)展成熟，無(wú)論頂吹吹煉、 底吹吹煉或火精爐技術(shù)都得到工程應(yīng)用并取得成功。 例如，2019 年紫金礦業(yè)集團(tuán)旗下的黑龍江紫金銅業(yè)“側(cè)吹+底吹”連續(xù)煉銅工藝順利投產(chǎn)，經(jīng)過(guò)近兩年的生產(chǎn)實(shí)踐，尤其是經(jīng)過(guò)2020 年8月的年修技改后，其總體技經(jīng)指標(biāo)明顯優(yōu)于“側(cè)吹+轉(zhuǎn)爐”工藝。 經(jīng)過(guò)不斷地優(yōu)化，該項(xiàng)目底吹爐的噴槍壽命和爐壽命也明顯得到提高。

為了控制粗銅含硫， 連續(xù)吹煉工藝采用無(wú)銅锍的爐渣—粗銅兩相操作，因而爐渣的氧化程度高，渣中銅和Fe3O4的含量高，爐渣需要返回熔煉爐。 若能提高吹煉的銅直收率，降低吹煉渣量，則可以有效降低熔煉爐負(fù)荷，提高熔煉爐產(chǎn)能。 為達(dá)到此目的，必須提高吹煉的入爐銅锍品位。 閃速熔煉爐完全可以滿足目標(biāo)銅锍品位區(qū)間的要求。 故在此基礎(chǔ)上筆者提出新的連續(xù)煉銅工藝設(shè)想。

1）熔煉技術(shù)的選擇。

近年來(lái)，新建銅冶煉廠熔煉工藝的選擇基本是閃速熔煉和側(cè)吹熔煉。自1985 年貴溪冶煉廠閃速熔煉工藝成功應(yīng)用以來(lái)，閃速熔煉技術(shù)又經(jīng)過(guò)了30 多年的優(yōu)化，已十分成熟。盡管我國(guó)在瓦紐科夫熔煉工藝的基礎(chǔ)上自主開發(fā)出了富氧雙側(cè)吹熔煉新工藝，且該工藝在2008 年投入使用以來(lái)，得到了迅速發(fā)展，已成為近年來(lái)中小規(guī)模冶煉廠的首選；但閃速熔煉憑借單套系統(tǒng)產(chǎn)能大、后續(xù)擴(kuò)產(chǎn)潛力較大、規(guī)模效益明顯、工藝風(fēng)氧濃高、漏風(fēng)率低、煙氣量小且SO2濃度高、制酸和環(huán)保成本低、自動(dòng)化程度高、爐體壽命長(zhǎng)、系統(tǒng)作業(yè)率高等諸多優(yōu)勢(shì)仍然是目前最先進(jìn)、可靠的冶煉技術(shù)，是國(guó)內(nèi)新建大型銅冶煉廠的主要選擇。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐總結(jié)， 通常300 kt/a 以上規(guī)模的項(xiàng)目選擇閃速熔煉技術(shù)，300 kt/a 以下規(guī)模的項(xiàng)目選擇側(cè)吹熔煉技術(shù)。 尤其是400 kt/a 規(guī)模以上的大型銅冶煉廠，閃速熔煉技術(shù)是其首選工藝。

2）吹煉工藝的選擇。

目前，與閃速熔煉搭配的吹煉工藝主要是PS 轉(zhuǎn)爐吹煉和閃速吹煉工藝。傳統(tǒng)配套的PS 轉(zhuǎn)爐吹煉工藝產(chǎn)能低、爐壽短、漏風(fēng)率高、煙氣量大且SO2濃度低，無(wú)法很好地配合閃速熔煉工藝；同時(shí)，轉(zhuǎn)爐自身的低空污染也無(wú)法從源頭根治。 閃速吹煉類似于閃速熔煉工藝， 雖然工藝技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、 自動(dòng)化程度高，但需要配套冰銅?；⒈~碎磨和干燥等工序，流程較長(zhǎng)，工程投資也相對(duì)較高。故這兩種工藝搭配目前都無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)煉銅。 底吹吹煉技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的煉銅技術(shù)，因其具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、連續(xù)進(jìn)料、低空污染小、動(dòng)力學(xué)反應(yīng)充分等優(yōu)勢(shì)，成為目前銅冶煉的一種發(fā)展趨勢(shì)。 黑龍江紫金銅業(yè)“側(cè)吹+底吹” 連續(xù)煉銅工藝的順利投產(chǎn)證明了底吹吹煉技術(shù)在連續(xù)煉銅工藝中的優(yōu)勢(shì)。 針對(duì)吹煉過(guò)程中反應(yīng)釋放的大量熱能， 可以通過(guò)在底吹爐中加入殘極和外購(gòu)冷銅進(jìn)行消耗，從而能夠維持爐內(nèi)的熱平衡。

綜上所述， 閃速熔煉目前仍然是極具競(jìng)爭(zhēng)力的熔煉技術(shù)之一， 與底吹吹煉的結(jié)合可最大程度發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)。

2.2 閃速熔煉連續(xù)煉銅新工藝流程

銅精礦、熔劑、渣精礦等物料按配料比例經(jīng)過(guò)配料系統(tǒng)后進(jìn)入蒸汽干燥系統(tǒng)， 干燥后的干精礦由氣力提升裝置輸送到爐頂?shù)母删V倉(cāng)。 干精礦經(jīng)閃速爐精礦噴嘴與富氧空氣充分混合后在反應(yīng)塔內(nèi)進(jìn)行劇烈的反應(yīng)，通過(guò)工藝參數(shù)控制產(chǎn)出白冰銅、煙氣和爐渣。 爐渣進(jìn)入渣選系統(tǒng)， 產(chǎn)出的渣精礦返回閃速爐；煙氣經(jīng)煙氣系統(tǒng)進(jìn)入制酸系統(tǒng)生產(chǎn)硫酸；白冰銅經(jīng)溜槽直接進(jìn)入底吹爐吹煉產(chǎn)出粗銅， 粗銅再經(jīng)溜槽進(jìn)入陽(yáng)極爐，從而達(dá)到連續(xù)煉銅的目的，陽(yáng)極爐產(chǎn)出合格的陽(yáng)極板送電解系統(tǒng)電解， 最終得到合格的陰極銅?！伴W速熔煉+底吹吹煉”連續(xù)煉銅主要工藝流程詳見圖1。

圖1 連續(xù)煉銅工藝流程

2.3 新工藝的優(yōu)勢(shì)

低能耗、 低成本運(yùn)行是冶煉企業(yè)一直追求的目標(biāo)。雖然通過(guò)精細(xì)化管理、工藝優(yōu)化可以降低生產(chǎn)成本，但選擇合適的工藝才是成本管控的起點(diǎn)。 “閃速熔煉+底吹吹煉”連續(xù)煉銅工藝除具備了閃速爐和底吹爐的所有工藝優(yōu)勢(shì)外， 通過(guò)對(duì)閃速熔煉與側(cè)吹熔煉、底吹吹煉與轉(zhuǎn)爐吹煉生產(chǎn)成本的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，“閃速熔煉+底吹吹煉” 的運(yùn)行成本將會(huì)具有明顯優(yōu)勢(shì)，這也是本工藝設(shè)想的主要前提。筆者通過(guò)對(duì)紫金礦業(yè)集團(tuán)旗下紫金銅業(yè)和黑龍江紫金銅業(yè)兩種工藝的生產(chǎn)成本剖析發(fā)現(xiàn)，由于閃速爐熔煉能耗低，生產(chǎn)成本比側(cè)吹熔煉低20%左右， 底吹吹煉比轉(zhuǎn)爐吹煉的生產(chǎn)成本低25%左右。 由此可見，“閃速熔煉+底吹吹煉”的工藝組合具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，可以有效提升企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的競(jìng)爭(zhēng)能力， 同時(shí)還避免了轉(zhuǎn)爐低空污染大的問(wèn)題。

2.4 存在問(wèn)題及解決思路

“閃速熔煉+底吹吹煉”技術(shù)的結(jié)合可以進(jìn)一步提升銅冶煉技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高工廠效益，但仍有一些問(wèn)題需要在未來(lái)實(shí)施中充分考慮。

1）閃速爐生產(chǎn)高品位冰銅對(duì)爐況的影響。 目前閃速爐熔煉的冰銅品位多控制在70%左右。 但由于沉淀池相對(duì)靜止的特性， 這樣高的冰銅品位會(huì)導(dǎo)致爐結(jié)的增加， 同時(shí)高氧勢(shì)的操作也增加了單質(zhì)銅產(chǎn)生的可能性。如何在高冰銅品位下控制爐結(jié)的增加，降低單質(zhì)銅對(duì)爐底的侵蝕， 仍有待進(jìn)一步研究。 目前，“雙閃” 工藝和世界上3 個(gè)一步煉銅工廠的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)會(huì)為該工藝的優(yōu)化提供幫助。

2）吹煉過(guò)熱問(wèn)題。由于熱態(tài)冰銅吹煉放熱較大，冶金過(guò)程的過(guò)熱問(wèn)題將成為該工藝面臨的主要問(wèn)題。黑龍江紫金銅業(yè)在底吹爐中加入冷銅、殘極以消耗多余熱能，滿足熱平衡的做法，是有益的嘗試。 同時(shí)，這種做法還可進(jìn)一步增加產(chǎn)量。

3）吹煉爐壽和閃速爐匹配的問(wèn)題。 閃速爐爐壽可輕易超過(guò)10 年， 而底吹爐壽命僅為12～18 個(gè)月，無(wú)法與之匹配。故連續(xù)吹煉雖然減少了中間環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了流程，但兩個(gè)爐窯的爐壽不匹配會(huì)影響工廠整體作業(yè)率。初步設(shè)想閃速爐配套2 臺(tái)底吹爐，即可同時(shí)作業(yè)，也可采用“1 用1 備”的生產(chǎn)組織模式。 同時(shí)，考慮在閃速爐增設(shè)冰銅水淬系統(tǒng)， 在1 臺(tái)底吹爐檢修時(shí)，閃速爐仍可滿負(fù)荷生產(chǎn)。水淬的冰銅可做為冷料加入底吹爐，作為解決底吹爐熱平衡的一種手段。 另外，從投資上2 臺(tái)底吹爐也會(huì)優(yōu)于3 臺(tái)轉(zhuǎn)爐的配置。

3 結(jié)語(yǔ)

自第 1 臺(tái)煉銅閃速爐于 1949 年在芬蘭Harjavalta 冶煉廠投入工業(yè)應(yīng)用以來(lái)，閃速熔煉工藝歷經(jīng)了60 余年的不斷發(fā)展與完善。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2018 年底， 全球27 個(gè)國(guó)家已建或在建的銅閃速爐共有57 臺(tái)，其中中國(guó)有12 臺(tái)。全球50%以上的銅產(chǎn)自閃速熔煉工藝的工廠， 由此可見閃速熔煉工藝仍是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外大型新建或改造銅冶煉廠的首選工藝。連續(xù)吹煉技術(shù)近年在中國(guó)已發(fā)展成熟，頂吹單爐產(chǎn)能達(dá)到了300 kt， 底吹的單爐產(chǎn)能也達(dá)到了150 kt以上。連續(xù)吹煉與傳統(tǒng)的PS 轉(zhuǎn)爐相比在生產(chǎn)成本和環(huán)保上都體現(xiàn)出巨大優(yōu)越性。 相信閃速技術(shù)和底吹吹煉技術(shù)的組合能夠有效地解決目前吹煉工藝，特別是PS 轉(zhuǎn)爐所存在的環(huán)保和產(chǎn)能上的瓶頸。該連續(xù)煉銅工藝的成本優(yōu)勢(shì)也將為新建大型銅冶煉廠提供了一種全新的工藝選擇， 同時(shí)也對(duì)提升我國(guó)乃至世界銅冶煉技術(shù)水平有著十分重要的意義。