“白銀煉銅法”雙側(cè)吹富氧熔池熔煉工藝發(fā)展綜述

馮治兵，潘小龍

（白銀有色集團(tuán)股份有限公司銅業(yè)公司，甘肅 白銀 730900）

“白銀煉銅法”是我國(guó)唯一原創(chuàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的雙側(cè)吹熔池熔煉工藝，1972年開(kāi)始研發(fā)，1980年投入工業(yè)生產(chǎn)，已完成從空氣熔煉到富氧熔煉、富氧自熱熔煉的過(guò)渡；爐型結(jié)構(gòu)由單室爐發(fā)展為雙室爐；結(jié)粗銅產(chǎn)能由原設(shè)計(jì)32.1kt/a持續(xù)提升至150kt/a，并具備200kt/a生產(chǎn)能力及技術(shù)條件；通過(guò)不斷探索、改進(jìn)，“白銀煉銅法”具有指標(biāo)先進(jìn)、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)。

1 “白銀煉銅法”工藝發(fā)展歷程

“白銀煉銅法”工藝發(fā)展主要?dú)v程詳見(jiàn)表1。

表1 “白銀煉銅法”工藝發(fā)展歷程

2 “白銀煉銅法”技術(shù)創(chuàng)新

2.1 開(kāi)發(fā)白銀熔煉爐爐體新結(jié)構(gòu)

白銀熔煉爐爐體新結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 白銀熔煉爐爐體新結(jié)構(gòu)

2.1.1 爐體本體結(jié)構(gòu)

構(gòu)建熔池熔煉傾斜式爐型結(jié)構(gòu)，取代原上下同寬垂直L型結(jié)構(gòu)，提高爐體的穩(wěn)定性、減輕爐內(nèi)氣流對(duì)爐墻的沖刷，增大爐內(nèi)氣體與熔體的傳熱面積。

2.1.2 爐體鋼結(jié)構(gòu)

運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和有限元分析方法模擬構(gòu)建白銀爐整體框架、柔性連接爐體結(jié)構(gòu)，取代原整體剛性框架結(jié)構(gòu)，使?fàn)t體具有自動(dòng)調(diào)節(jié)膨脹伸縮變形的能力，避免因爐膛溫度波動(dòng)產(chǎn)生不均勻膨脹而造成的變形坍塌，消除了爐體安全隱患。

2.1.3 熔池爐墻結(jié)構(gòu)

自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)出與白銀熔池熔煉高富氧濃度生產(chǎn)熱工負(fù)荷相匹配，具有特殊結(jié)構(gòu)水冷掛渣冷卻保護(hù)的白銀爐熔池側(cè)墻，取代原水套+內(nèi)襯耐火材料爐墻結(jié)構(gòu)，克服高富氧濃度技術(shù)開(kāi)發(fā)及應(yīng)用后，因熔體溫度升高，熔池側(cè)墻耐火材料蝕損加劇，影響爐體安全運(yùn)行的問(wèn)題。

2.1.4 水冷風(fēng)口裝置

自主研發(fā)設(shè)計(jì)水冷風(fēng)口裝置及專用鎖風(fēng)口工具，取代原紫銅管+外包耐火磚風(fēng)口結(jié)構(gòu)，目的強(qiáng)化冷卻效果，克服高溫熔體對(duì)風(fēng)口紫銅管的侵蝕，提高氣體利用率，以及頻繁清風(fēng)口作業(yè)，降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2 調(diào)整、優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵工藝參數(shù)，提高熔煉效率

與高等院校、科研院所合作，應(yīng)用數(shù)值模擬和物理模擬技術(shù)，如圖2所示，調(diào)整、優(yōu)化風(fēng)口角度、高度、間距及爐寬，強(qiáng)化熔體側(cè)吹的“乳化”效果，為熔煉過(guò)程氣、液、固三相間的反應(yīng)創(chuàng)造良好的動(dòng)力學(xué)條件，促使物料的加熱、分解、熔化、氧化、造渣與造锍速度加快，提升熔煉效率。

圖2 數(shù)值模擬和物理模擬試驗(yàn)

2.3 開(kāi)發(fā)余熱鍋爐高效運(yùn)行新技術(shù)

白銀爐配套余熱鍋爐是按100kt/a生產(chǎn)能力設(shè)計(jì)，隨著白銀爐產(chǎn)能提升，因余熱鍋爐實(shí)際生產(chǎn)負(fù)荷高于設(shè)計(jì)負(fù)荷，鍋爐粘結(jié)頻繁，影響白銀爐長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行。白銀爐產(chǎn)能與作業(yè)率關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 白銀爐產(chǎn)能與作業(yè)率關(guān)系曲線

為有效解決余熱鍋爐頻繁粘結(jié)，以計(jì)算機(jī)模擬仿真試驗(yàn)為依據(jù)，通過(guò)合理調(diào)整爐拱高度優(yōu)化爐內(nèi)氣流條件，在爐膛適當(dāng)位置加裝煙氣集塵擋板，如圖4所示，以及余熱鍋爐設(shè)置鹽化氣封，增強(qiáng)了大顆粒煙塵捕集效果，煙塵率降低，解決了余熱鍋爐頻繁粘結(jié)而影響生產(chǎn)的問(wèn)題。

圖4 煙氣集塵擋板布置圖

2.4 構(gòu)建白銀熔池熔煉煉銅機(jī)理理論模型，完善工藝?yán)碚?/h3>

在深入分析白銀熔煉爐內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)特性和熔煉體系中不同空間位點(diǎn)多相多組分在界面間傳質(zhì)行為的基礎(chǔ)上，結(jié)合銅冶金過(guò)程熱力學(xué)，構(gòu)建了白銀熔池熔煉反應(yīng)理論機(jī)理模型，完善了煉銅機(jī)理，使工藝過(guò)程控制更趨于合理，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化造渣、造锍熔煉過(guò)程，有效控制銅锍品位，降低渣含銅，提高熔煉能力。

2.4.1 白銀爐熔池熔煉縱向機(jī)理模型及多相界面?zhèn)髻|(zhì)行為

在模型中，爐體反應(yīng)區(qū)橫截面由上到下分為四個(gè)主級(jí)層，分別為煙氣層、礦料分解過(guò)渡層、造渣過(guò)渡層、造硫過(guò)渡層，氧化反應(yīng)界相分為弱氧化區(qū)、強(qiáng)氧化區(qū)，如圖5所示。

圖5 白銀熔池熔煉機(jī)理模型橫截面示意圖

2.4.2 白銀爐熔池熔煉橫向機(jī)理模型及多相界面?zhèn)髻|(zhì)行為

按照熔煉反應(yīng)進(jìn)程，在模型中沿橫向?qū)足y爐原有吹煉區(qū)、沉淀區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)化為反應(yīng)區(qū)、緩沖區(qū)和沉淀區(qū)，如圖6所示。

圖6 白銀熔池熔煉機(jī)理模型縱截面示意圖

2.5 研發(fā)粉煤—純氧分級(jí)卷吸燃燒新技術(shù)

白銀爐外供熱燃燒系統(tǒng)原采用粉煤富氧燃燒，存在粉煤燃燒不充分、熱利用率低，熔體不能有效加熱等問(wèn)題，鑒于此，研發(fā)出粉煤—純氧分級(jí)卷吸燃燒新技術(shù)，如圖7所示。該技術(shù)燃燒火焰均勻，穩(wěn)定性高，燃料燃燒充分，可有效控制、調(diào)節(jié)火焰長(zhǎng)度、形狀和熱量分布。

圖7 粉煤—純氧分級(jí)卷吸燃燒技術(shù)示意圖

相比富氧燃燒，該技術(shù)燃料消耗降低60%，燃燒系統(tǒng)成本降低576.1元/h。兩種燃燒系統(tǒng)成本對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 燃燒系統(tǒng)生產(chǎn)成本對(duì)比

2.6 開(kāi)發(fā)高鐵渣生產(chǎn)技術(shù)，控制爐渣Fe/SiO2在1.5～1.7

為易于操作，控制白銀爐渣Fe/SiO2在1.0～1.1，因爐渣Fe/SiO2低，渣量大，能耗高，同時(shí)影響有價(jià)金屬回收率。為此，開(kāi)發(fā)出白銀熔池熔煉高鐵渣生產(chǎn)技術(shù)。

圖8 白銀熔煉Cu-Fe-S-SiO2系氧勢(shì)-硫勢(shì)圖

在分析1250℃下白銀熔煉爐內(nèi)氧勢(shì)-硫勢(shì)在不同空間位點(diǎn)的梯度變化，如圖8所示；構(gòu)建爐渣（SiO2）%、（Fe）%、（Cu）%組分復(fù)合因素關(guān)系圖，如圖9所示；找出白銀熔池熔煉高鐵渣生產(chǎn)理論依據(jù)，指導(dǎo)生產(chǎn)；同時(shí)發(fā)揮白銀熔煉爐風(fēng)口位于銅硫-爐渣-物料混合層，強(qiáng)烈攪動(dòng)熔體的動(dòng)態(tài)熔煉優(yōu)勢(shì)，確保熔體中的FeS、SiO2及配入爐料中的煤與Fe3O4充分接觸，改善爐渣特性，從而實(shí)現(xiàn)控制爐渣Fe/SiO2在1.5～1.7、渣含銅0.8%以下。

圖9 爐渣（SiO2）%、（Fe）%、（Cu）%組分復(fù)合因素關(guān)系圖

表3 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

3 “白銀煉銅法”的生產(chǎn)實(shí)踐

現(xiàn)100m2白銀爐于2015年11月投入運(yùn)行，2018年3月停爐檢修，累計(jì)穩(wěn)定運(yùn)行27個(gè)月，經(jīng)停爐測(cè)繪，除爐拱受火焰沖刷局部蝕損，其它部位情況良好，評(píng)估爐體運(yùn)行情況，可穩(wěn)定運(yùn)行30個(gè)月以上。

3.1 爐壽命

通過(guò)使用自主研發(fā)、設(shè)計(jì)熔池側(cè)墻吹風(fēng)水套、水冷風(fēng)口裝置及關(guān)鍵易損部位加裝水冷元件，白銀爐爐壽命達(dá)30個(gè)月以上，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定安全運(yùn)行。

3.2 產(chǎn)能

“白銀煉銅法”經(jīng)多年理論完善、技術(shù)創(chuàng)新，物料處理量達(dá)到2750t/d以上，礦產(chǎn)粗銅產(chǎn)能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)150kt/a，有效床能力提高至68.92t/m2·d，達(dá)到側(cè)吹熔池熔煉爐先進(jìn)水平。

3.3 煙塵率

通過(guò)合理調(diào)整爐拱高度，加裝煙氣集塵擋板以及鹽化風(fēng)的合理使用，使白銀爐煙塵率由4.65%降至1.06%，達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。

3.4 粗銅能耗

高富氧濃度、粉煤純氧燃燒等技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，使白銀煉銅法粗銅能耗由169kgce/t逐步降至114kgce/t。

3.5 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

白銀煉銅法與其它煉銅法經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表3。

3.6 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

通過(guò)粉煤純氧燃燒等節(jié)能環(huán)保新技術(shù)的應(yīng)用，及安裝加料環(huán)型氣封、完善環(huán)境集煙罩，從根本上杜絕了SO2煙氣外溢的現(xiàn)象，達(dá)到“清潔生產(chǎn)”的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

“白銀煉銅法”經(jīng)多年不斷創(chuàng)新和生產(chǎn)實(shí)踐，工藝日趨完善，具有熔煉效率高、能耗低、原料適應(yīng)強(qiáng)、燃料適用范圍廣、操作簡(jiǎn)單易行、投資少等優(yōu)點(diǎn)，已發(fā)展成為一套較為成熟的、具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的、很有發(fā)展前途的煉銅方法，目前白銀公司新建200kt/a白銀爐項(xiàng)目正處于設(shè)計(jì)、施工階段，計(jì)劃于2019年10月份投入運(yùn)行，預(yù)計(jì)200kt/a產(chǎn)能白銀爐投產(chǎn)后，“白銀煉銅法”整體技術(shù)水平將邁進(jìn)當(dāng)今世界煉銅技術(shù)的先進(jìn)行列。