富氧側(cè)吹熔煉-多槍頂吹連續(xù)吹煉-火法陽極精煉熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅技術(shù)的開發(fā)、工業(yè)化應(yīng)用及發(fā)展方向

李建輝,葛曉鳴,柳慶康

（1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038；2.煙臺國潤銅業(yè)有限公司,山東 煙臺 264000）

0 引言

我國銅冶煉技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展,熔煉多采用閃速熔煉、氧氣底吹熔煉、富氧側(cè)吹熔煉、TSL熔煉等高強(qiáng)度冶煉工藝,吹煉逐步采用連續(xù)吹煉技術(shù)替代P-S轉(zhuǎn)爐吹煉。煙臺國潤銅業(yè)有限公司(以下簡稱“煙臺國潤”)發(fā)展過程中遇到了諸多瓶頸,中國恩菲工程技術(shù)有限公司(以下簡稱“中國恩菲”)充分利用其豐富的連續(xù)煉銅經(jīng)驗(yàn),結(jié)合煙臺國潤的實(shí)際情況和發(fā)展規(guī)劃,與其聯(lián)合開發(fā)了富氧側(cè)吹熔煉-多槍頂吹連續(xù)吹煉-火法陽極精煉熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅技術(shù),完成了工業(yè)化生產(chǎn)線的建設(shè),并已穩(wěn)定生產(chǎn)三年多。

1 開發(fā)背景

1.1 環(huán)保形勢和連續(xù)煉銅技術(shù)發(fā)展的要求

目前仍有許多工廠的銅锍吹煉采用P-S轉(zhuǎn)爐吹煉工藝,熱態(tài)銅锍通過吊車和包子加入到P-S轉(zhuǎn)爐內(nèi),產(chǎn)出的吹煉渣和粗銅也采用同樣的方式運(yùn)至后續(xù)工序。該工藝存在低空污染嚴(yán)重、間斷作業(yè)效率低、煙氣處理系統(tǒng)大等缺點(diǎn)。隨著環(huán)保要求的不斷提升,P-S轉(zhuǎn)爐吹煉工藝被先進(jìn)的連續(xù)吹煉工藝所替代是大勢所趨[1-2]。

此前主流的銅锍連續(xù)吹煉技術(shù)有閃速吹煉(旋浮吹煉)、三菱頂吹連續(xù)吹煉、氧氣底吹連續(xù)吹煉等。閃速吹煉(旋浮吹煉)工藝成熟,作業(yè)率高,單系列規(guī)模大,主要存在熱態(tài)銅锍需要冷卻、破碎,難以處理自產(chǎn)返料(如殘極、廢陽極板),生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)；三菱頂吹連續(xù)吹煉技術(shù)已有40多年的運(yùn)行業(yè)績,生產(chǎn)穩(wěn)定、環(huán)境保護(hù)好、自動化程度高,但存在技術(shù)引進(jìn)困難的實(shí)際問題；氧氣底吹連續(xù)吹煉為我國自主研發(fā)的連續(xù)煉銅工藝,建設(shè)投資低、技術(shù)指標(biāo)先進(jìn),主要存在氧槍壽命較短、單系統(tǒng)產(chǎn)能偏低等缺點(diǎn),正在工業(yè)生產(chǎn)中不斷完善。

1.2 企業(yè)發(fā)展的瓶頸

煙臺國潤前身為1970年籌建的煙臺冶煉廠,是伴隨新中國有色金屬工業(yè)誕生的最早銅冶煉企業(yè)之一。原有生產(chǎn)系統(tǒng)存在多個制約企業(yè)發(fā)展的問題:(1)熔煉渣含銅高,有價金屬回收率低；(2)單位產(chǎn)品綜合能耗高,生產(chǎn)成本高；(3)冶煉系統(tǒng)的余熱未回收利用；(4)吹煉工藝風(fēng)眼粘結(jié)較重,需頻繁清理,勞動強(qiáng)度大。根據(jù)銅冶煉工藝現(xiàn)狀及發(fā)展方向,結(jié)合企業(yè)現(xiàn)狀,煙臺國潤與中國恩菲合作,決定開發(fā)富氧側(cè)吹熔煉-多槍頂吹連續(xù)吹煉-火法陽極精煉熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅技術(shù)進(jìn)行升級改造。

2 開發(fā)過程

2.1 開發(fā)基礎(chǔ)

(1)富氧側(cè)吹熔煉的開發(fā)基礎(chǔ)

富氧側(cè)吹熔煉技術(shù)起源于蘇聯(lián)的瓦鈕科夫工藝,1949年由蘇聯(lián)瓦鈕科夫教授發(fā)明,1977年20 m2爐子在諾里爾斯克實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。1985年哈薩克斯坦巴爾哈什廠建成35 m2爐子成功投產(chǎn)。該技術(shù)具有熔煉強(qiáng)度大、原料適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)境保護(hù)好等優(yōu)點(diǎn),近年來在我國得到了快速推廣應(yīng)用。

煙臺國潤于2007—2008年將鼓風(fēng)爐改造成側(cè)吹熔池熔煉爐,受限制于當(dāng)時各方面的制約,該側(cè)吹爐雖然未大范圍使用水冷技術(shù),富氧濃度偏低(〈35%),銅锍品位低(55%～60%),但仍積累了大量寶貴的側(cè)吹熔池熔煉生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。

上述情況為本項(xiàng)目富氧側(cè)吹熔煉實(shí)現(xiàn)大熔煉強(qiáng)度、高銅锍品位、高富氧濃度、長爐壽的目的提供了良好的工業(yè)實(shí)踐基礎(chǔ)。

(2)多槍頂吹連續(xù)吹煉的開發(fā)基礎(chǔ)

日本三菱連續(xù)煉銅法的歷史已有40余年,目前有四座冶煉廠采用該工藝進(jìn)行生產(chǎn),粗銅產(chǎn)能均在20萬t/a～30萬t/a,工藝成熟,指標(biāo)先進(jìn)。中國有色工程設(shè)計研究總院(中國恩菲前身)、大冶有色、云銅、煙臺鵬暉(煙臺國潤前身)曾組團(tuán)對三菱法進(jìn)行了詳細(xì)的考察,并展開了廣泛的技術(shù)座談和交流,形成了完整的技術(shù)考察報告。

中國恩菲有大量銅锍連續(xù)吹煉的工程經(jīng)驗(yàn),對各種吹煉爐不斷探索研究,并自主成功研發(fā)了底吹連續(xù)吹煉技術(shù)；除此之外,中國恩菲還擁有大量的頂吹爐冶煉工程經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)的冶金爐設(shè)計團(tuán)隊(duì),為開發(fā)新的多槍頂吹連續(xù)吹煉爐奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)值模擬

本技術(shù)富氧側(cè)吹熔煉要求產(chǎn)出高品位(大于70%)銅锍,多槍頂吹連續(xù)吹煉又是一個全新工藝,為更好的發(fā)現(xiàn)規(guī)律、規(guī)避風(fēng)險,本開發(fā)引入了相應(yīng)的多相流模型,采用VOF模型及湍流模型描述熔煉爐和吹煉爐內(nèi)熔體流動過程和熔體噴濺,為模擬研究提供理論基礎(chǔ),為工業(yè)生產(chǎn)控制提供重要參考。實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果證明,模擬的最佳操作條件與實(shí)際生產(chǎn)控制參數(shù)非常相近。

2.3 連續(xù)吹煉渣型的選擇

目前連續(xù)吹煉的渣型有兩種,分別為鈣渣和硅渣。鈣渣的特點(diǎn)是能大量溶解磁性鐵且保證流動性,鑒于該特征使得吹煉安全性大大增加,閃速吹煉、三菱吹煉均采用鐵鈣渣,但該渣系對爐襯的腐蝕較強(qiáng),爐體必須襯銅水套保護(hù)。硅渣的特點(diǎn)是脫雜質(zhì)能力強(qiáng),對耐材侵蝕輕,但易產(chǎn)生磁性鐵,渣流動性差,易產(chǎn)生泡沫渣,生產(chǎn)安全性較差。本技術(shù)最終確定采用鈣渣作為多槍頂吹連續(xù)吹煉的渣型,渣層區(qū)域設(shè)計相應(yīng)的保護(hù)措施。

2.4 熱力學(xué)全計算研究與在線智能控制系統(tǒng)的開發(fā)

指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)必須采用熱力學(xué)模擬,本項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化方案采用國際冶金和化工領(lǐng)域廣泛使用的METSIM工藝模擬軟件,基于單元模塊進(jìn)行化學(xué)和過程控制,模擬雙底吹連續(xù)煉銅過程的物料平衡和能量平衡。通過模型的建立、分析和計算,準(zhǔn)確得到了各種不同工況下的質(zhì)量平衡和能量平衡,為新技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化提供了幫助和支持。

連續(xù)煉銅工藝的瞬時性和連續(xù)性,對工藝控制系統(tǒng)提出了更高的要求,為此中國恩菲開發(fā)了在線智能控制系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)置的連續(xù)煉銅工藝數(shù)學(xué)模型可以準(zhǔn)確、快速地計算出熔煉產(chǎn)出的銅锍量,并將其做為連續(xù)吹煉的輸入條件,兩段工藝協(xié)同計算,動態(tài)反饋調(diào)整,以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定作業(yè)。

2.5 熱態(tài)三連爐完全連續(xù)煉銅的綜合設(shè)計

本技術(shù)的又一關(guān)鍵點(diǎn)和核心點(diǎn)是“三連”,熔煉爐、吹煉爐和火法精煉爐通過流槽熱態(tài)連接,每臺爐是否正常作業(yè)均會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生影響,為此在設(shè)計過程中全面考慮了各種非正常作業(yè)情況,最大程度上避免互相制約的情況,提高作業(yè)率。側(cè)吹爐渣排放口和流槽以及小火車均為兩套,既降低了勞動強(qiáng)度,又確保生產(chǎn)的穩(wěn)定性；銅锍排放口設(shè)置兩個,當(dāng)吹煉爐維護(hù)時,可暫時將銅锍外放；粗銅流槽設(shè)置外放路徑,當(dāng)精煉爐不能進(jìn)料時,可暫時澆鑄成錠。

在上述大量工作的基礎(chǔ)上,富氧側(cè)吹熔煉-多槍頂吹連續(xù)吹煉-火法陽極精煉熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅生產(chǎn)線順利建成并一次性投產(chǎn)成功。該生產(chǎn)線年處理混合銅精礦45萬t,產(chǎn)粗銅12萬t,現(xiàn)已穩(wěn)定生產(chǎn)三年多,實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn),各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn),技術(shù)開發(fā)獲得成功。

3 主要技術(shù)指標(biāo)

煙臺國潤富氧側(cè)吹熔煉-多槍頂吹連續(xù)吹煉-火法陽極精煉熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅生產(chǎn)線的主要技術(shù)指標(biāo)詳見表1。

表1 熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅技術(shù)主要技術(shù)指標(biāo)表

4 工藝優(yōu)點(diǎn)

富氧側(cè)吹熔煉-多槍頂吹連續(xù)吹煉-火法陽極精煉熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅技術(shù)實(shí)現(xiàn)了真正意義上的完全連續(xù)煉銅,具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、熔煉強(qiáng)度大、脫雜能力強(qiáng)；工藝流程短、環(huán)境保護(hù)好、勞動強(qiáng)度低；工藝整體效率高；系統(tǒng)作業(yè)率高；生產(chǎn)控制難度?。簧a(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

原料適應(yīng)性強(qiáng)、熔煉強(qiáng)度大、脫雜能力強(qiáng):富氧側(cè)吹熔煉屬于強(qiáng)化熔池熔煉工藝,既可以處理普通銅精礦,又可以處理低品位、高雜銅精礦等,富氧濃度高(約85%),冶煉溫度高(渣溫約1 300℃),系統(tǒng)整體脫雜能力強(qiáng)。

工藝流程短、環(huán)境保護(hù)好、勞動強(qiáng)度低:側(cè)吹爐產(chǎn)出的熔煉渣連續(xù)溢流排放,高品位銅锍虹吸溢流連續(xù)排放,通過流槽連續(xù)加入多槍頂吹爐,吹煉渣溢流排放,粗銅虹吸排放,通過流槽連續(xù)加入陽極爐,全過程實(shí)現(xiàn)完全連續(xù),各排放口及流槽均設(shè)置了集煙罩。

工藝整體效率高:由于熔煉渣含銅低(小于1.2%),渣選礦產(chǎn)出的渣精礦返料也大幅減少；熔煉和吹煉煙塵率低(約1.0%)；銅锍品位高(大于70%),從而產(chǎn)出的吹煉渣返量少；所有熱態(tài)物料均無包子運(yùn)轉(zhuǎn),不產(chǎn)出包殼冷料,僅有少數(shù)流槽殼。即全系統(tǒng)返料少,一次精礦使用率最高,工藝整體效率高。

系統(tǒng)作業(yè)率高:側(cè)吹爐和多槍頂吹爐爐壽匹配合理,側(cè)吹爐除正常點(diǎn)檢外可以一直送風(fēng)熔煉；多槍頂吹爐更換噴槍不影響其他噴槍正常吹煉。

生產(chǎn)控制難度小:側(cè)吹爐生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定；多槍頂吹爐反應(yīng)主要集中在100 mm厚的渣層,易于調(diào)控；各排放口等考慮處置意外狀況的措施,系統(tǒng)生產(chǎn)控制難度小。

生產(chǎn)成本低:側(cè)吹熔煉富氧濃度高(83%～85%),塊煤主要起到還原磁性鐵作用,煤率低；多槍頂吹爐也采用富氧(30%～35%)進(jìn)行連續(xù)吹煉,完全自熱；吹煉作業(yè)貫徹薄渣層,低槍壓的思路。粗銅能耗可降至低于100 kgce/(t·Cu),生產(chǎn)成本低,綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)。

5 工業(yè)化生產(chǎn)中的創(chuàng)新與優(yōu)化

熱態(tài)三連爐生產(chǎn)線建成投產(chǎn)后,隨著生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累,煙臺國潤對該技術(shù)的相關(guān)工藝控制和設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化,技術(shù)成熟度和先進(jìn)性進(jìn)一步提升。

5.1 側(cè)吹爐二次風(fēng)口優(yōu)化布置

為完全燃燒單體硫和一氧化碳,側(cè)吹爐需要補(bǔ)入二次風(fēng),目前國內(nèi)大多數(shù)冶煉廠二次風(fēng)口設(shè)置在兩側(cè)爐墻上,存在風(fēng)口處易粘結(jié)、單體硫燃燒不充分、人工清理風(fēng)口頻率高、粘結(jié)物掉落影響爐況等缺點(diǎn)。結(jié)合側(cè)吹爐爐膛高,噴濺物難以到達(dá)爐頂?shù)奶攸c(diǎn),生產(chǎn)中將二次風(fēng)口位置由側(cè)墻改為爐頂加料口和上升煙道之間,并巧妙設(shè)置了觀察口和清理口,克服上述缺點(diǎn)的同時,對降低側(cè)吹爐煙塵率也起到了積極作用。

5.2 粗銅含硫控制技術(shù)

多槍頂吹連續(xù)吹煉將富氧空氣穿透渣層直接吹入粗銅層,氧氣主要與粗銅中的銅進(jìn)行氧化反應(yīng),生成的Cu2O再與混在渣層中銅锍的Cu2S和FeS發(fā)生交互反應(yīng),產(chǎn)出粗銅。根據(jù)文獻(xiàn)資料和考察報告,三菱法粗銅含硫約為0.7%。煙臺國潤生產(chǎn)前期,粗銅質(zhì)量指標(biāo)與三菱法類似,后期通過渣型調(diào)整,過氧化程度控制,安全抑制泡沫渣等手段,實(shí)現(xiàn)了粗銅含硫0.05%～0.3%,大大縮短了火法精煉作業(yè)時間,提高了全系統(tǒng)的產(chǎn)能,而且粗銅含硫可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況靈活調(diào)整,實(shí)現(xiàn)指標(biāo)先進(jìn)的同時,操作空間大,易于控制。

5.3 多槍頂吹爐噴槍快速、簡易更換技術(shù)

多槍頂吹爐的噴槍為自耗式噴槍,需要根據(jù)消耗情況定期更換。據(jù)了解三菱法噴槍更換方法為焊接,該方式存在操作難度較大,參與人員多、特種作業(yè)安全隱患等缺點(diǎn),煙臺國潤生產(chǎn)人員對噴槍進(jìn)行了改進(jìn),發(fā)明了噴槍快速、簡易更換技術(shù)。該技術(shù)整個噴槍更換過程小于2 min,勞動強(qiáng)度低,對生產(chǎn)系統(tǒng)影響小[1]。

6 發(fā)展方向

煙臺國潤三年多的穩(wěn)定生產(chǎn)充分證明了富氧側(cè)吹熔煉-多槍頂吹連續(xù)吹煉-火法陽極精煉熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅技術(shù)的先進(jìn)性和可靠性,結(jié)合行業(yè)的發(fā)展形勢,筆者認(rèn)為該技術(shù)的發(fā)展方向如下。

(1)大型化發(fā)展:富氧側(cè)吹熔煉目前最大的設(shè)計能力為30萬噸銅/年；多槍頂吹連續(xù)吹煉實(shí)際最大產(chǎn)能可達(dá)30萬噸銅/年；雙閃工藝單系列產(chǎn)能已達(dá)40萬噸銅/年,甚至更高。隨著行業(yè)規(guī)?；陌l(fā)展趨勢,要求該技術(shù)必須具備大規(guī)模生產(chǎn)的能力。多槍頂吹連續(xù)吹煉理論分析單系列產(chǎn)能達(dá)到40萬噸/年,風(fēng)險不大；大型化發(fā)展重點(diǎn)應(yīng)落實(shí)在提高富氧側(cè)吹熔煉的冶煉能力上。

(2)精細(xì)化控制:目前該技術(shù),尤其多槍頂吹連續(xù)吹煉的控制存在熱態(tài)銅锍無法計量,槍位未有準(zhǔn)確測量等問題,生產(chǎn)控制依靠一線員工的經(jīng)驗(yàn)判斷居多,隨著科技的發(fā)展和檢測手段的多元化,應(yīng)實(shí)現(xiàn)各方面的準(zhǔn)確計量、控制,減少人為因素對生產(chǎn)的影響。

(3)搭配處理冷料:近年來銅精礦的加工費(fèi)呈逐年降低的趨勢,生產(chǎn)企業(yè)的利潤空間大幅壓縮,多槍頂吹連續(xù)吹煉富氧濃度可在較大范圍內(nèi)調(diào)整,能充分利用吹煉反應(yīng)自熱,企業(yè)可根據(jù)資源情況搭配處理雜銅等物料,提高經(jīng)濟(jì)效益,提升企業(yè)競爭力。

7 結(jié)語

中國恩菲和煙臺國潤在大量的基礎(chǔ)工作上開發(fā)了富氧側(cè)吹熔煉-多槍頂吹連續(xù)吹煉-火法陽極精煉熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅技術(shù),并在煙臺國潤技改項(xiàng)目上實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化,經(jīng)過三年多的穩(wěn)定生產(chǎn)和不斷優(yōu)化,該技術(shù)表現(xiàn)出了原料適應(yīng)性強(qiáng)、工藝流程短、環(huán)境保護(hù)好、工藝整體效率高、作業(yè)率高、建設(shè)投資省、生產(chǎn)成本低、綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等優(yōu)點(diǎn),被協(xié)會評價為“世界領(lǐng)先水平”,標(biāo)志著其成為近年來獲得工業(yè)化運(yùn)行驗(yàn)證的最新現(xiàn)代強(qiáng)化綠色煉銅技術(shù),必將帶動銅冶煉產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平提升。該技術(shù)既適用于新廠建設(shè),又適用于傳統(tǒng)吹煉技術(shù)的改造,應(yīng)用前景廣闊。