蔣昌波，徐憶明

（江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

隨著多年來(lái)銅冶煉工藝的升級(jí)與進(jìn)步，礦銅火法冶煉逐漸分化懸浮熔煉＋懸浮吹煉、懸浮熔煉＋PS轉(zhuǎn)爐吹煉以及熔池熔煉＋熔煉吹煉三種主流模式［1-5］。不論是何種冶煉模式，均需要對(duì)粗銅進(jìn)行精煉，而采用回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐作為銅冶煉火法精煉工藝，是目前國(guó)內(nèi)外企業(yè)最為普遍的選擇。主要原因是回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐具有壽命高、能耗低、自動(dòng)化程度高，環(huán)保水平高以及適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)［6］。江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠（下文簡(jiǎn)稱貴冶）采取閃速爐懸浮熔煉＋PS轉(zhuǎn)爐吹煉＋回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐精煉的火法冶煉工藝模式，廠內(nèi)目前擁有6座回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐，年產(chǎn)陽(yáng)極銅可達(dá)80萬(wàn)t以上。

1 陽(yáng)極爐生產(chǎn)工藝

一般銅锍（冰銅）經(jīng)轉(zhuǎn)爐吹煉產(chǎn)出粗銅，其粗銅中除含有98.5% ～99.5%的銅外，還含有0.5% ～2%的鐵、鎳、鉛、鋅、砷、銻、鉍、錫、硫和氧等雜質(zhì)，以及一定數(shù)量的貴金屬，主要成分見(jiàn)表1，銅火法精煉的目的就是脫除粗銅中的雜質(zhì)，產(chǎn)出符合電解精煉要求的精銅。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)爐產(chǎn)出的粗銅經(jīng)行車(chē)倒入陽(yáng)極爐后，經(jīng)過(guò)氧化、放渣、還原后精煉成合格的陽(yáng)極銅水，主要成分見(jiàn)表2，并由圓盤(pán)澆鑄機(jī)定量澆鑄成合格陽(yáng)極板。

表1 粗銅化學(xué)成分 %

表2 陽(yáng)極銅化學(xué)成分 %

銅火法精煉是在高溫下進(jìn)行的，進(jìn)入陽(yáng)極爐精煉的原料粗銅含硫很低，已不能形成熱自供給，為了保證澆鑄過(guò)程中銅水溫度達(dá)到1 175℃以上，精煉過(guò)程中需要額外的燃料熱量補(bǔ)充。一般可供火法精煉提供熱能的燃料有重油、煤氣、天然氣等，貴冶陽(yáng)極爐使用的燃料為重油。

2 澆鑄過(guò)程存在的問(wèn)題

目前陽(yáng)極爐澆鑄均采取的表面出銅方式。澆鑄過(guò)程通過(guò)傾轉(zhuǎn)爐體，讓表面的銅液從出銅口流入溜槽后導(dǎo)流至圓盤(pán)澆鑄機(jī)進(jìn)行澆鑄。澆鑄過(guò)程依靠調(diào)整爐體傾轉(zhuǎn)角度的來(lái)控制銅液的流量，如圖1所示。

圖1 陽(yáng)極爐表面出銅方式

銅液表面出銅有以下幾點(diǎn)弊端：

1.銅水溫降大。銅液從出銅口落入溜槽落差太大，降落期間銅液降溫幅度較大，同時(shí)銅液暴露在空氣中時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)進(jìn)行氧化反應(yīng)提高陽(yáng)極板的含氧量。

2.銅水飛濺大。銅液落差大造成現(xiàn)場(chǎng)飛濺嚴(yán)重，每次澆鑄活動(dòng)溜槽側(cè)邊墻壁和地面都會(huì)粘結(jié)厚厚一層冷銅，清理勞動(dòng)強(qiáng)度大，清理出的冷銅需要返轉(zhuǎn)爐處理，增加中間物料產(chǎn)出，擠占冷料處理量。

3.活動(dòng)流槽冷銅產(chǎn)出大。銅液從出銅口到活動(dòng)溜槽落差大、而且落點(diǎn)隨著爐體的傾轉(zhuǎn)而改變，因此需要一個(gè)相對(duì)較深且寬大的活動(dòng)溜槽作為緩沖熔池來(lái)減少熔體飛濺及其對(duì)溜槽內(nèi)襯耐火料的沖刷。但是每次澆鑄結(jié)束后寬大的活動(dòng)溜槽內(nèi)會(huì)凝結(jié)大塊的冷銅，清理困難且需再次回爐處理，造成銅物料的無(wú)效循環(huán)。

4.銅水帶浮渣。陽(yáng)極爐精煉時(shí)并不能完全將渣排放干凈，銅液表面存在有少量的浮渣，表面銅液經(jīng)出銅口流出時(shí)偶爾會(huì)有少量浮渣被夾帶出來(lái)，造成溜槽或陽(yáng)極板表面結(jié)渣，影響成品陽(yáng)極板質(zhì)量。

5.保溫燃油消耗多。澆鑄期銅水溫度受爐膛煙氣溫度影響大，需要大流量燃燒重油來(lái)保證銅水溫度，造成重油燃料的浪費(fèi)。

為了改進(jìn)陽(yáng)極爐出銅方式，解決減少澆鑄過(guò)程冷銅產(chǎn)出，提升銅直收率；杜絕陽(yáng)極銅帶渣，降低陽(yáng)極銅返氧率，提升產(chǎn)品合格率；進(jìn)一步降低陽(yáng)極爐重油燃燒用量，降低重油單耗；降低活動(dòng)流槽清理勞動(dòng)強(qiáng)度；杜絕澆鑄過(guò)程中銅水飛濺，提升本質(zhì)安全等問(wèn)題，貴冶設(shè)計(jì)一種可以控制流量，可以全開(kāi)全閉的出銅口裝置，出銅時(shí)可以將出銅口置于下方，通過(guò)機(jī)構(gòu)控制出銅口大小控制流量，實(shí)現(xiàn)底部出銅。

3 滑板出銅口裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用

滑板出銅口裝置的設(shè)計(jì)借鑒了煉鋼轉(zhuǎn)爐滑動(dòng)出鋼口控渣出鋼技術(shù)，其主要構(gòu)成有：滑板出銅口裝置由銅口內(nèi)外座磚、基準(zhǔn)安裝板、滑板機(jī)構(gòu)、滑塊水口耐材以及配套的液壓驅(qū)動(dòng)裝置。同時(shí)為了給設(shè)備進(jìn)行降溫，機(jī)構(gòu)及油缸配套有風(fēng)冷通道，如圖2所示。

圖2 滑板出銅裝置裝配圖

3.1 液壓驅(qū)動(dòng)裝置

滑板出銅口裝置的液壓驅(qū)動(dòng)裝置主要由一臺(tái)工作壓力16 MPa液壓站、執(zhí)行油缸以及配套的液壓管道組成。執(zhí)行油缸與滑板機(jī)構(gòu)之間的安裝連接采用易于更換的卡扣方式，如圖3所示。

圖3 執(zhí)行油缸與滑板機(jī)構(gòu)的聯(lián)接

3.2 滑板機(jī)構(gòu)

滑板機(jī)構(gòu)本體由機(jī)座結(jié)合部、支架結(jié)合部、滑塊結(jié)合部、壓緊結(jié)合部以及驅(qū)動(dòng)結(jié)合部組成。機(jī)座結(jié)合部作用是連接安裝基準(zhǔn)板與機(jī)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)固定在基準(zhǔn)板上?；瑝K結(jié)合部作用是固定滑塊上、下滑塊，并使下滑塊可以在既定的路線上滑動(dòng)，使兩塊滑塊實(shí)現(xiàn)錯(cuò)孔，以關(guān)閉或打開(kāi)出銅口。支架結(jié)合部的作用是固定滑塊結(jié)合部，并提供滑塊結(jié)合部固定滑動(dòng)路線。壓緊結(jié)合部主要組成部件是高壓碟簧組，作用是將支架結(jié)合部壓緊，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)滑塊之間緊密結(jié)合在一起，不會(huì)出現(xiàn)漏銅。驅(qū)動(dòng)結(jié)合部則是固定驅(qū)動(dòng)油缸，使油缸易于安裝、折缷的同時(shí)固定在機(jī)構(gòu)上。為保護(hù)設(shè)備免受高溫爐體傷害，油缸、機(jī)構(gòu)配套有風(fēng)冷通道，如圖4所示。

圖4 滑板機(jī)構(gòu)三維視圖

3.3 出銅口座磚

銅口內(nèi)外座磚在爐體耐火磚砌筑時(shí)完成安裝，座磚圖如圖5所示。內(nèi)座磚是一個(gè)整體，通體為鉻鋼玉材質(zhì)，廠家生產(chǎn)時(shí)制模壓制成形后再進(jìn)行燒制。外座磚為半再結(jié)合鎂鉻質(zhì)耐火磚，廠家生產(chǎn)時(shí)先制成大體形狀后進(jìn)行車(chē)床加工。

圖5 滑板出銅口耐材組成

3.4 安裝角度

安裝角度按使用情況來(lái)說(shuō)，角度越靠下部，達(dá)到收益越大。根據(jù)前期收集的信息表明，角度過(guò)于靠下，會(huì)造成出銅口每每堵死，操作員需要每爐都燒擴(kuò)出銅口，大大增加工作量且機(jī)構(gòu)上水口損壞加劇。同時(shí)還會(huì)造成爐子裝滿銅情況下有漏銅的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免這些問(wèn)題的同時(shí)達(dá)到最大改造收益，決定將原出銅口位置下移10°，即相對(duì)爐體頂部位置的90°位置。

3.5 機(jī)構(gòu)控制

為了方便日常檢查與操作，滑板出銅口裝置操作控制分別設(shè)置爐前DCS操作以及爐后遙控操作。機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)通過(guò)液壓站的啟停以及執(zhí)行油缸的開(kāi)閉進(jìn)行控制，控制信號(hào)集成于DCS操作畫(huà)面中，可實(shí)現(xiàn)滑板出銅口的開(kāi)閉以及開(kāi)度調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)澆鑄過(guò)程中的銅水流量控制。

4 應(yīng)用效果

滑板出銅口機(jī)構(gòu)穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單方便。裝置成功應(yīng)用后，實(shí)現(xiàn)了液面下出銅控流的方式進(jìn)行澆鑄作業(yè)。出銅過(guò)程中銅水落差小、飛濺小、杜絕了銅水帶渣可能。同時(shí)活動(dòng)流槽對(duì)應(yīng)的進(jìn)行了改造，減少一半的冷銅產(chǎn)出量。

4.1 銅水落差大幅減小

針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的銅水落差進(jìn)經(jīng)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量，從測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，液下出銅方式從剛開(kāi)始出銅到澆鑄結(jié)束爐體傾搖度數(shù)為-40°～-60°，銅水在活動(dòng)流槽上落點(diǎn)位置前后位移1.3 m，銅水落差最高為0.9 m。而原出銅爐體傾搖度數(shù)范圍在-20°～-70°；方式活動(dòng)流槽銅水落點(diǎn)位置位移達(dá)3.5 m，銅水落差最高為2.1 m，數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 兩種出銅方式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

由表3可知，液下出銅方式有效降低了澆鑄過(guò)程中銅水落差、落點(diǎn)位移，可以減少澆鑄過(guò)程中冷銅飛濺，活動(dòng)流槽需要存銅的長(zhǎng)度也可縮短至1.8 m。

澆鑄過(guò)程中銅水落差變小、銅水飛濺變小，活動(dòng)小車(chē)平臺(tái)周?chē)溷~減少，人員清理勞動(dòng)強(qiáng)度降低。此外澆鑄過(guò)程中銅水飛濺小，人員化流槽冷銅等作業(yè)時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)降低，作業(yè)安全得到保證，生產(chǎn)作業(yè)本質(zhì)安全得到提升。

4.2 活動(dòng)流槽廢銅產(chǎn)出量減少

由于銅水落點(diǎn)位移縮短，防止銅水落點(diǎn)沖擊飛濺而設(shè)置的大池子段不再需要那么長(zhǎng)，因此可以對(duì)應(yīng)活動(dòng)流槽砌筑制作方式做改進(jìn)，大幅縮短活動(dòng)流槽大池子段（約原長(zhǎng)度1／2）。在第一次制做完后，活動(dòng)流槽再次制作的量只有平時(shí)的一半。降低了活動(dòng)流槽清理工作量，如圖6所示。

圖6 活動(dòng)流槽制作對(duì)比

活動(dòng)流槽砌筑方式改進(jìn)后，澆鑄結(jié)束活動(dòng)流槽產(chǎn)出的廢銅量對(duì)應(yīng)減少了一半。經(jīng)過(guò)對(duì)廢銅產(chǎn)出量的過(guò)磅稱重，隨機(jī)統(tǒng)計(jì)了30爐次的廢銅重量，其對(duì)應(yīng)平均值見(jiàn)表4，從表4中可以看出，改液面下出銅后，活動(dòng)流槽冷銅產(chǎn)出量平均可減少2 011 kg，約2 t。

表4 活動(dòng)流槽改造前后廢銅產(chǎn)出量均值kg

4.3 保溫重油單耗降低

由于液面下出銅方式澆鑄過(guò)程需要將爐體控制在-40°～-60°，此時(shí)重油燒嘴燃燒火焰離銅水液面大大減小，銅水與火焰輻射換熱效果大大提升，保溫燃油換熱的效率提升，因此在澆鑄過(guò)程中，可以一定程度上減少保溫燃油的用量（經(jīng)實(shí)踐，可降低40～60 kg／h）。經(jīng)過(guò)對(duì)2021年12月至2022年2月期間，同工序、工藝基本參數(shù)一致、原料相同的改造爐與未改造爐兩臺(tái)陽(yáng)極爐的重油單耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表5，可以看到改為液面下出銅方式后，陽(yáng)極爐重油單耗由5.82 kg／t·Cu降低至5.50 kg／t·Cu，單耗下降0.35 kg／t·Cu，下降幅度約5.5%。

表5 改造前后重油單耗 kg／t·Cu

4.4 陽(yáng)極銅帶渣少，產(chǎn)品質(zhì)量提升

相較表面出銅方式，液面下出銅方式可以杜絕浮渣帶出，提高陽(yáng)極銅產(chǎn)品質(zhì)量，如圖7所示。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，陽(yáng)極銅帶渣已經(jīng)基本沒(méi)有，降低了因陽(yáng)極板帶渣而帶來(lái)的人工修復(fù)勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)提高陽(yáng)極銅的物理規(guī)格合格率。經(jīng)同期對(duì)比，統(tǒng)計(jì)應(yīng)用前2＃爐物理規(guī)格合格率與應(yīng)用后物理規(guī)格合格率，見(jiàn)表6?？梢钥闯鰬?yīng)用后，陽(yáng)極銅物理合格率由98.53%提升到98.55%。

圖7 液面下出銅原理圖

表6 應(yīng)用前后陽(yáng)極銅物理合格率 %

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)滑板出銅口裝置的應(yīng)用，回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)表面出銅方式到液面下出銅方式的轉(zhuǎn)變，大幅降低了傳統(tǒng)出銅方式帶來(lái)的銅水落差，解決了澆鑄過(guò)程中銅水飛濺大、活動(dòng)流槽廢銅產(chǎn)出量大、作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)清理難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)大的問(wèn)題。采取液面下方出銅的方式，杜絕了陽(yáng)極銅水帶渣的可能，提高了陽(yáng)極銅產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)還降低了重油燒嘴與銅水液面之間的距離，提升了換熱效率，進(jìn)而一定程度上降低了重油單耗。滑板出銅裝置在回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐的應(yīng)用帶來(lái)的出銅方式的改變，具有非常強(qiáng)的推廣價(jià)值，應(yīng)用前景非常廣泛。