兩種轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式的理論及實(shí)踐對(duì)比

樂(lè)安勝

(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司， 湖北 黃石 435005)

0 引言

轉(zhuǎn)爐工業(yè)應(yīng)用已有百多年歷史，是被普遍采用的成熟技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)銅锍的吹煉大多數(shù)采用臥式側(cè)吹轉(zhuǎn)爐。但轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)為間斷性作業(yè)，煙氣量波動(dòng)、爐口漏風(fēng)、煙氣泄漏等問(wèn)題難以解決。隨著熔煉和精煉技術(shù)的發(fā)展與完善，轉(zhuǎn)爐吹煉成為制約銅冶煉廠(chǎng)潔凈生產(chǎn)的突出矛盾。每家銅锍冶煉廠(chǎng)都有幾臺(tái)轉(zhuǎn)爐同時(shí)作業(yè)，不同數(shù)量的作業(yè)轉(zhuǎn)爐組合構(gòu)成了不同的作業(yè)模式，不同的轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式會(huì)產(chǎn)生不同的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)[1-4]。本文對(duì)大冶有色冶煉廠(chǎng)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了4H3B和4H2B兩種作業(yè)模式的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)的理論和實(shí)踐對(duì)比。

1 大冶有色轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)簡(jiǎn)介

大冶有色冶煉廠(chǎng)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)為5臺(tái)P- S轉(zhuǎn)爐，熔煉部分提供銅锍品位為56%左右，由三臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)提供風(fēng)源，并混入一定量的氧氣進(jìn)行吹煉，產(chǎn)生98%的粗銅進(jìn)入精煉爐再進(jìn)一步除雜。產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐渣輸送到渣場(chǎng)進(jìn)行緩冷，物料的轉(zhuǎn)運(yùn)主要用6 m3的鋼包，采用4H3B不完全期交換作業(yè)(見(jiàn)下文“轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式介紹”)。轉(zhuǎn)爐工藝流程見(jiàn)圖1，轉(zhuǎn)爐車(chē)間主要生產(chǎn)工藝設(shè)備見(jiàn)表1。

圖1 轉(zhuǎn)爐工藝流程圖

2 轉(zhuǎn)爐作業(yè)

在銅冶煉過(guò)程中，造锍過(guò)程是進(jìn)行銅與部分或絕大部分鐵的分離的過(guò)程。吹煉就是除去銅锍中的鐵和硫以及其他有害雜質(zhì)。在吹煉過(guò)程中，有害雜質(zhì)進(jìn)入渣中或煙塵，金、銀等貴金屬幾乎全部富集到粗銅中。

吹煉過(guò)程是間歇式的周期性作業(yè)，整個(gè)過(guò)程分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段(周期)，即造渣期(一般分為S1和S2)，銅锍中的FeS與鼓入空氣中的O2發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，生成FeO和SO2氣體。FeO與加入的石英熔劑進(jìn)行造渣反應(yīng)，使銅逐漸升高。當(dāng)锍中銅升至大約75%，含F(xiàn)e小于1%時(shí)造渣結(jié)束。造渣完成后，繼續(xù)吹煉，即進(jìn)入第二階段(周期)，也就是造銅期(一般分為B1和B2)。在造銅期，鼓入空氣中的O2與Cu2S發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，生成Cu2O和SO2，Cu2O又與未氧化的Cu2S反應(yīng)生成金屬Cu和SO2，直接生成的粗銅含銅98.5%以上時(shí)吹煉的第二階段結(jié)束。銅的吹煉第二階段不加入銅锍、不造渣，以產(chǎn)出粗銅為特征。

表1 轉(zhuǎn)爐車(chē)間主要生產(chǎn)工藝設(shè)備

3 轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式介紹

轉(zhuǎn)爐的吹煉制度有三種：?jiǎn)螤t吹煉、爐交換吹煉和期交換吹煉。

單爐吹煉一般只有兩臺(tái)轉(zhuǎn)爐，其中一臺(tái)操作，一臺(tái)備用，一爐吹煉作業(yè)完成后，重新加入銅锍，進(jìn)行另一爐次吹煉作業(yè)。

爐交換吹煉，一般3臺(tái)轉(zhuǎn)爐，1臺(tái)備用，兩爐交替作業(yè)。在2#爐結(jié)束全爐吹煉作業(yè)后，1#爐立刻進(jìn)行另一爐次的吹煉作業(yè)。但1#爐可在2#爐結(jié)束吹煉之前預(yù)先加入銅锍。2#爐可以在1#爐投入吹煉作業(yè)之后排出粗銅，縮短了停吹時(shí)間。

期交換吹煉，一般有3臺(tái)轉(zhuǎn)爐，1臺(tái)備用，兩臺(tái)交替作業(yè)，在1#爐的S1期與S2期間之間，穿插進(jìn)行2#爐的B2期吹煉。將排渣、放粗銅、清理風(fēng)眼等作業(yè)安排在另外一臺(tái)轉(zhuǎn)爐投入送風(fēng)吹煉之后進(jìn)行，將加銅锍作業(yè)安排在另一臺(tái)轉(zhuǎn)爐停吹之前進(jìn)行，僅在兩臺(tái)轉(zhuǎn)爐切換作業(yè)時(shí)短暫停吹，縮短了停吹。

2HIB是指轉(zhuǎn)爐在做期交換作業(yè)，即3臺(tái)轉(zhuǎn)爐，2臺(tái)在熱態(tài)，其中有1臺(tái)在送風(fēng)吹煉，1臺(tái)在冷態(tài)維修；2H2B是指轉(zhuǎn)爐在做爐交換作業(yè)，即3臺(tái)轉(zhuǎn)爐，2臺(tái)在熱態(tài)，2臺(tái)同時(shí)送風(fēng)吹煉，1臺(tái)在冷態(tài)維修；3H2B是指轉(zhuǎn)爐在做爐交換作業(yè)，即4臺(tái)轉(zhuǎn)爐，3臺(tái)在熱態(tài)，其中任意有2臺(tái)在同時(shí)送風(fēng)吹煉，1臺(tái)為冷態(tài)維修。當(dāng)不能?chē)?yán)格按照期交換作業(yè)時(shí)就叫不完全期交換作業(yè)[3-5]。

大冶有色冶煉廠(chǎng)目前采用4H3B不完全期交換作業(yè),即5臺(tái)轉(zhuǎn)爐，4臺(tái)在熱態(tài)，其中任意有3臺(tái)在送風(fēng)吹煉，1臺(tái)為熱態(tài)，1臺(tái)為冷態(tài)維修。采取此作業(yè)模式，送風(fēng)時(shí)率低下，硫酸SO2濃度波動(dòng)較大。經(jīng)常出現(xiàn)三臺(tái)爐子同時(shí)爐口轉(zhuǎn)出(接銅硫、倒粗銅或者倒渣)，大量煙氣外漏，轉(zhuǎn)爐低空污染相對(duì)較為嚴(yán)重。

為解決環(huán)保問(wèn)題，在確保產(chǎn)量前提下，優(yōu)化轉(zhuǎn)爐吹煉作業(yè)模式。測(cè)算采用4H2B不完全期交換作業(yè)替代目前轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式，即5臺(tái)轉(zhuǎn)爐，4臺(tái)在熱態(tài)，其中任意有2臺(tái)在送風(fēng)吹煉，2臺(tái)為熱態(tài)，1臺(tái)為冷態(tài)維修。為能進(jìn)行4H2B不完全期交換作業(yè)，準(zhǔn)備將吹煉銅锍品位按照60%控制。

4 兩種作業(yè)模式對(duì)比分析

原料銅锍有兩種理論成分組成，詳細(xì)情況見(jiàn)表2。本文將從吹煉時(shí)間、產(chǎn)量、煙氣量、產(chǎn)生熱量、能耗和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面對(duì)兩種作業(yè)模式進(jìn)行理論對(duì)比分析。4H3B采用的銅锍品位為55%；4H2B采用的銅锍品位為60%。

表2 銅锍理論成分 %

4.1 兩種作業(yè)模式吹煉時(shí)間對(duì)比

按照現(xiàn)有作業(yè)流程一爐銅5包銅锍起吹：加入一包冷料期間換停等待，進(jìn)行放渣；再進(jìn)2包銅锍進(jìn)行吹煉，停風(fēng)放渣；再進(jìn)1包銅锍吹煉，停風(fēng)放渣，并進(jìn)入B1期；再期間換停等待，最后進(jìn)入B2期。造渣時(shí)間參考式(1)，造銅時(shí)間參考式(2)。

(1)

(2)

上式中：α、β、γ為參數(shù)；a為冷料系數(shù)。式(1)中，α=7，β=57.55；γ=0.775；式(2)中，α=8.7，β=-0.001 25，γ=4.866。

55%銅锍比重取4.5 g/cm3，60%銅锍比重取4.7 g/cm3，氧濃度23%，造渣36 000 Nm3/h，造銅38 000 Nm3/h，按照式(1)、式(2)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同品位單爐吹煉時(shí)間計(jì)算結(jié)果 min

根據(jù)表3計(jì)算結(jié)果進(jìn)行推斷，如果在持續(xù)均衡供應(yīng)銅锍的情況下，5臺(tái)轉(zhuǎn)爐采用4H3B操作模式吹煉55%銅锍，一天可吹煉12爐次；4臺(tái)轉(zhuǎn)爐采用4H2B操作模式吹煉60%銅锍，一天也可吹煉12爐次。如果按照每小時(shí)供應(yīng)3包銅锍的情況，則5臺(tái)轉(zhuǎn)爐采用4H3B操作模式吹煉55%銅锍，一天可吹煉9爐次，4臺(tái)轉(zhuǎn)爐采用4H2B操作模式吹煉60%銅锍，一天可吹煉9爐次。由此可以看出，4臺(tái)轉(zhuǎn)爐采用4H2B操作模式吹煉60%銅锍，一天可吹煉9爐次。由此可以看出，吹煉能力主要受銅锍供應(yīng)能力限制，與采用4H3B或者4H2B操作模式?jīng)]有關(guān)系。

4.2 兩種作業(yè)模式產(chǎn)量對(duì)比

條件：按照吹煉94%直收率，每爐銅進(jìn)8包銅锍，銅包體積均為6 m3。

1)熔煉系統(tǒng)能持續(xù)均衡供應(yīng)銅锍的情況，粗銅產(chǎn)量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)式(3)、式(4)。

4H3B作業(yè)模式產(chǎn)量：8×6×4.5×55%×94%×12=1 340 t

(3)

4H2B作業(yè)模式產(chǎn)量：8×6×4.7×60%×94%×12=1 526 t

(4)

2)每小時(shí)供應(yīng)3包銅锍的情況，粗銅產(chǎn)量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)式(5)、式(6)。

4H3B作業(yè)模式產(chǎn)量：8×6×4.5×55%×94%×9=1 005 t

(5)

4H2B作業(yè)模式產(chǎn)量：8×6×4.7×60%×94%×9=1 145 t

(6)

由計(jì)算結(jié)果可以看出：無(wú)論銅锍供應(yīng)模式如何，4H2B作業(yè)模式均比4H3B作業(yè)模式增加約14.3%產(chǎn)量。銅硫品位提高，礦銅產(chǎn)量會(huì)有所提高。

4.3 兩種作業(yè)模式煙氣對(duì)比

銅锍吹煉主要是S的氧化，在造渣期是FeS中的S被氧化，造銅期是Cu2S中的S被氧化[6]?；瘜W(xué)反應(yīng)見(jiàn)式(7)、式(8)。

(7)

(8)

假設(shè)造渣期中的S有97%氧化成SO2，7%氧化成SO3；造銅期中的S有90%氧化成SO2，10%氧化成SO3。計(jì)算出氧的利用率為97%，氧濃為23%，造渣期風(fēng)量36 000 m3/h，造銅期風(fēng)量38 000 m3/h。風(fēng)量及煙氣量中SO2含量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同品位吹煉所需空氣量及產(chǎn)生的煙氣量中SO2含量

4.4 兩種作業(yè)模式熱量對(duì)比

轉(zhuǎn)爐銅锍吹煉是一個(gè)自然過(guò)程。共分兩個(gè)周期，即造渣期和造銅期[2]。造渣期主要是FeS的氧化及其造渣放熱，造銅期主要是Cu2S的氧化放熱，反應(yīng)式見(jiàn)式(7)、式(8)。

據(jù)此可計(jì)算出，1 kg的FeS氧化造渣反應(yīng)可以放出5.85 kJ的熱量，1 kg的Cu2S氧化生成金屬銅可以放出1.37 kJ的熱量，第1周期的反應(yīng)熱要比第2周期的反應(yīng)熱大得多。轉(zhuǎn)爐采用不同品位銅锍吹煉參與反應(yīng)的FeS和Cu2S的總量也不相同，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同品位銅锍的FeS和Cu2S總量 kg

4H2B模式下，銅硫中參與反應(yīng)的FeS減少，Cu2S增加，而FeS氧化造渣反應(yīng)放出熱量是Cu2S氧化造銅放出熱量的4.3倍，初步計(jì)算熱量減少了大約5%。

4.5 兩種作業(yè)模式能耗對(duì)比

在4H2B作業(yè)模式下，減少一臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，也減少了一臺(tái)轉(zhuǎn)爐的運(yùn)行，節(jié)約了大量電能。高壓風(fēng)機(jī)功率為2 500 kW，其他輔助設(shè)備功率也達(dá)到300 kW，每天節(jié)約電耗約91 200 kW·h。按照每天約1 100 t粗銅產(chǎn)量，生產(chǎn)每噸粗銅能耗減少約61 kW·h。

5 生產(chǎn)實(shí)踐

在熔煉系統(tǒng)能持續(xù)穩(wěn)定提供銅硫情況下，對(duì)兩種轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

5.1 轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)情況

兩種轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式下，轉(zhuǎn)爐主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6 不同轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式轉(zhuǎn)爐主要技術(shù)指標(biāo)

從表6看出，兩種轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)與理論分析基本相同，4H3B造渣產(chǎn)生大量熱量，為了控制爐內(nèi)溫度，加入冷料較多[5]。

5.2 煙氣情況

轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的煙氣用于制硫酸，煙氣主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表7。

表7 不同轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式煙氣主要技術(shù)指標(biāo)

4H2B生產(chǎn)時(shí)減少了一臺(tái)轉(zhuǎn)爐吹煉，煙氣量大幅減少。因?yàn)樯a(chǎn)處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以煙氣中SO2濃度沒(méi)有較大變化。因?yàn)橹鳠煹莱榱訌?qiáng)，所以散排煙氣隨之減少，污酸量和環(huán)集煙氣量也減少。

6 結(jié)論

本文對(duì)4H3B和4H2B兩種轉(zhuǎn)爐作業(yè)模式進(jìn)行了理論和實(shí)際生產(chǎn)的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

1) 理論分析方面，4H2B作業(yè)模式下轉(zhuǎn)爐吹煉生產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于4H3B。

2) 4H2B相對(duì)于4H3B作業(yè)模式單爐吹煉時(shí)間減少40 min，吹煉礦銅產(chǎn)能有一定提高，兩種作業(yè)模式的產(chǎn)能主要受制于銅锍的供應(yīng)。

3) 4H2B作業(yè)模式電耗下降約61 kW·h，主要是因?yàn)闇p少了一臺(tái)環(huán)保風(fēng)機(jī)運(yùn)行和轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動(dòng)頻次。

4) 4H2B作業(yè)模式煙氣量減少18.7%，煙氣中SO2濃度變化不大。

5) 4H2B作業(yè)模式吹煉產(chǎn)生的熱量下降5%，對(duì)冷料加入有一定的影響。

6) 因?qū)嶋H生產(chǎn)中受銅锍品位、吹煉風(fēng)量和漏風(fēng)等情況影響，4H2B作業(yè)模式的技術(shù)指標(biāo)與理論分析結(jié)果有一定差距。