雙底吹連續(xù)煉銅技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

孫曉峰

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)駛?cè)肓丝煨械?，這也推動(dòng)了銅冶煉產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。金屬銅的消費(fèi)和產(chǎn)能均實(shí)現(xiàn)了跨越式增長(zhǎng)，銅冶煉工藝方法也發(fā)生了巨大的變革。在熔煉工藝方面，比較成熟的有奧托昆普閃速熔煉、ISA(Ausmelt)頂吹熔煉、三菱法、側(cè)吹熔煉和底吹熔煉等技術(shù)。在吹煉工藝方面，除了傳統(tǒng)的P- S轉(zhuǎn)爐吹煉工藝外，還有閃速吹煉、頂吹吹煉、多槍頂吹吹煉和底吹吹煉等技術(shù)。在上述眾多的冶煉技術(shù)中，由底吹熔煉和底吹吹煉搭配形成的雙底吹連續(xù)煉銅技術(shù)是唯一由國(guó)內(nèi)創(chuàng)新并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的銅冶煉工藝。

1 技術(shù)發(fā)展歷程

底吹熔煉技術(shù)起源于20世紀(jì)90年代初。1991～1992年，中國(guó)恩菲公司同湖南水口山礦務(wù)局等單位在水口山一臺(tái)底吹煉鉛爐上進(jìn)行了首次“造锍捕金”半工業(yè)試驗(yàn)，處理的原料是銅精礦與含金硫精礦的混合礦。整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行了3個(gè)多月，取得了較好的技術(shù)指標(biāo)，為工業(yè)化提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。1994年，底吹熔煉技術(shù)取得了專利授權(quán)書，命名為“水口山煉銅法”，現(xiàn)在也簡(jiǎn)稱為SKS熔煉技術(shù)。2008年，首條底吹熔煉生產(chǎn)線——越南生權(quán)大龍1萬(wàn)t/a銅冶煉項(xiàng)目建成投產(chǎn)。隨后，在國(guó)內(nèi)相繼建成了5萬(wàn)t/a至30萬(wàn)t/a陰極銅不同產(chǎn)能規(guī)模的多條生產(chǎn)線。目前，中原黃金冶煉廠的銅精礦處理量已經(jīng)達(dá)到150萬(wàn)t/a，陰極銅的實(shí)際產(chǎn)能已經(jīng)超過了33萬(wàn)t/a。

銅锍底吹吹煉技術(shù)是在底吹熔煉技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，2012年，銅锍底吹連續(xù)吹煉半工業(yè)試驗(yàn)在豫光冶煉廠完成。雙底吹連續(xù)煉銅技術(shù)的核心裝置為兩臺(tái)底吹爐，一臺(tái)底吹爐作為熔煉爐，處理銅精礦并產(chǎn)生銅锍；另一臺(tái)底吹爐作為吹煉爐，處理銅锍并產(chǎn)出粗銅。兩臺(tái)底吹爐的爐型結(jié)構(gòu)相同，只是在加料口、排放口和氧槍等方面略有差異。火法精煉通常采用成熟的回轉(zhuǎn)陽(yáng)極爐。雙底吹連續(xù)煉銅技術(shù)的工藝流程可簡(jiǎn)述為：底吹爐熔煉——底吹爐吹煉——回轉(zhuǎn)陽(yáng)極爐火法精煉。

2014年，首條雙底吹連續(xù)煉銅生產(chǎn)線在豫光玉川冶煉廠建成投產(chǎn)，年產(chǎn)10萬(wàn)t陰極銅；2016年，包頭華鼎采用雙底吹連續(xù)煉銅工藝對(duì)原廠“底吹熔煉- PS轉(zhuǎn)爐吹煉”系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)并建成投產(chǎn)，為改造傳統(tǒng)的P- S轉(zhuǎn)爐吹煉工藝提供了成功的實(shí)踐案例和工程示范；2016年，東營(yíng)方圓建成了年處理100萬(wàn)t銅精礦的雙底吹連續(xù)煉銅生產(chǎn)線；2018年，青海銅業(yè)和國(guó)投金城相繼建成投產(chǎn)了年產(chǎn)10萬(wàn)t陰極銅的雙底吹連續(xù)煉銅生產(chǎn)線。國(guó)投金城冶煉廠首次采用了“三連爐”布置形式，將熔煉、吹煉和精煉三個(gè)工序全部通過流槽連接，徹底解決了銅锍和粗銅倒運(yùn)產(chǎn)生的低空污染和熱量損失的問題。

2 反應(yīng)機(jī)理

底吹熔煉技術(shù)的冶煉機(jī)理研究比較多，在此不再贅述。

底吹吹煉為粗銅、銅锍、爐渣三相共存情況下的連續(xù)吹煉，通過爐體底部的氧槍向熔池內(nèi)鼓入富氧空氣，O2與銅锍層接觸并進(jìn)行造锍反應(yīng)；吹煉爐內(nèi)熔體自下而上依次為粗銅、銅锍和爐渣三相分布，三相共存是底吹連續(xù)吹煉的特點(diǎn)之一。吹煉三相存在，導(dǎo)致了粗銅含S略高，一般為0.2%～0.6%。

與熔池熔煉通過Fe3O4傳遞氧不同，底吹連續(xù)吹煉所需的氧通過Cu2O傳遞。渣中Fe3O4適中，滿足形成硅酸鐵渣的條件，可以采用硅酸鐵渣型，并且吹煉氧利用率高這是底吹連續(xù)吹煉的又一特點(diǎn)。

其它連續(xù)吹煉工藝為了避免泡沫渣，均采用了鐵酸鈣—鐵酸銅渣型；澳斯麥特頂吹吹煉為周期間斷吹煉，需要大量配煤防止泡沫渣。

圖1 底吹仿真圖

圖2 底吹水模試驗(yàn)圖

3 工藝特點(diǎn)

雙底吹連續(xù)煉銅技術(shù)具有如下主要特點(diǎn)：

(1)原料適應(yīng)性強(qiáng)，可以處理含砷、鉛、鋅較高的雜料，各種返料和返渣，能夠通過造锍捕金綜合回收金銀等有價(jià)金屬。原料不需要制粒或干燥，可直接加入到爐內(nèi)處理。

(2)爐體主要是由耐火磚砌筑而成，水冷元件少，爐體熱損失少，在冶煉過程中能夠節(jié)省燃料，在處理含S和含F(xiàn)e較高的原料時(shí)，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)自熱熔煉。

(3)環(huán)保條件好。銅锍和粗銅均通過流槽流到下一道工序的爐子內(nèi)，沒有熔體的吊運(yùn)過程，不產(chǎn)生低空污染。全系統(tǒng)硫的捕集率>99.8%，實(shí)現(xiàn)冶煉系統(tǒng)清潔生產(chǎn)。

(4)采用熱態(tài)連續(xù)吹煉，銅锍的顯熱得到充分利用，節(jié)約了能源。

(5)氧氣底吹連續(xù)吹煉可以實(shí)現(xiàn)加料、供風(fēng)、排渣、放銅全過程連續(xù)化，操作穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高。

(6)系統(tǒng)熱利用率高，除能夠處理本系統(tǒng)的冷料外，還可以通過提高吹煉富氧濃度，在不增加設(shè)施的條件下，利用反應(yīng)余熱處理殘極和外購(gòu)冷料。

(7)爐型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活性強(qiáng)。當(dāng)系統(tǒng)停電、鍋爐檢修或制酸系統(tǒng)故障時(shí)，可快速將氧槍轉(zhuǎn)出熔池，對(duì)熔體進(jìn)行保溫。待故障排除后，轉(zhuǎn)動(dòng)爐體即可恢復(fù)生產(chǎn)。

(8)底吹吹煉爐溫度穩(wěn)定，能克服轉(zhuǎn)爐周期作業(yè)溫度波動(dòng)過大的缺點(diǎn)，有利于大幅度提高吹煉爐的壽命，降低耐火材料消耗和維修工作量，從而降低煉銅成本。

(9)底吹爐不需要大量銅水套冷卻，設(shè)備投資省，循環(huán)水系統(tǒng)的動(dòng)力消耗小。

(10)一套底吹吹煉系統(tǒng)可取代多套轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)，吹煉工序的投資大幅降低。

(11)該工藝實(shí)現(xiàn)了從原料到陽(yáng)極銅生產(chǎn)過程的熔體全部通過流槽連接，沒有精礦制粒、精礦干燥、銅锍?；?、銅锍干燥、銅锍磨碎和熔劑磨碎等工序。占地小、流程短、工藝環(huán)節(jié)少、投資省、運(yùn)行成本低。

4 工藝布置

為了降低風(fēng)險(xiǎn)，雙底吹連續(xù)煉銅工藝在產(chǎn)業(yè)化初期僅將底吹熔煉爐和底吹吹煉爐之間通過流槽連接起來(lái)，銅锍通過流槽流入吹煉爐。粗銅仍通過吊車吊運(yùn)包子的形式加入到陽(yáng)極爐內(nèi)。這種布置形式，也稱作“兩連爐”布置。豫光銅冶煉廠在設(shè)計(jì)中采用了該布置形式。雖然取消了銅锍吊運(yùn)這個(gè)環(huán)節(jié)，但是仍存在粗銅吊運(yùn)過程逸散出SO2產(chǎn)生低空污染的問題，沒有徹底解決環(huán)保問題。

在“兩連爐”取得了成功的基礎(chǔ)上，國(guó)投金城項(xiàng)目首次采用了“三連爐”布置形式。“三連爐”布置示意圖如圖3所示。圖中從右至左依次是底吹熔煉爐、底吹吹煉爐和兩臺(tái)回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐，四臺(tái)爐子呈“Y”字型布置，從高到低，順勢(shì)而下。熱態(tài)銅锍從熔煉爐端頭的虹吸口排出，經(jīng)流槽流入底吹吹煉爐內(nèi)；吹煉產(chǎn)出的粗銅通過流槽流入兩臺(tái)陽(yáng)極爐內(nèi)；陽(yáng)極爐產(chǎn)出的陽(yáng)極銅通過端部的排放口排出，經(jīng)雙圓盤定量澆鑄機(jī)澆鑄成合格陽(yáng)極板。

圖3 雙底吹連續(xù)煉銅“三連爐”布置示意圖

熔煉爐的頂部設(shè)有進(jìn)料口，一端設(shè)有虹吸排放銅锍口，另一端設(shè)有放渣口。吹煉爐一端設(shè)有進(jìn)銅锍口，另一端設(shè)有虹吸排粗銅口，爐渣排放口設(shè)在側(cè)部；爐頂設(shè)有殘極加料口和熔劑加入口，電解殘極通過殘極加料機(jī)輸送到爐頂并加入爐內(nèi)。爐體底部設(shè)有多支氧槍，根據(jù)熔煉和吹煉的不同需要，通入不同種類的氣體。

5 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用及性能指標(biāo)

自2014年首套雙底吹連續(xù)煉銅裝置在豫光銅冶煉廠建成投產(chǎn)并取得成功以來(lái)，山東方圓、包頭華鼎、青海銅業(yè)和靈寶金城四家冶煉廠先后采用了該種煉銅工藝建廠并實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。各冶煉廠的產(chǎn)能規(guī)模及投產(chǎn)時(shí)間如表1所示。

表1 采用雙底吹連續(xù)煉銅技術(shù)的冶煉廠

從已投產(chǎn)的雙底吹連續(xù)煉銅冶煉廠的運(yùn)行情況來(lái)看，該工藝的主要參數(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到行業(yè)先進(jìn)水平。典型的雙底吹連續(xù)煉銅工藝參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

6 工藝及裝置的優(yōu)化與升級(jí)思考

雙底吹連續(xù)煉銅技術(shù)自首次工業(yè)化應(yīng)用以來(lái)，也僅僅不足十年的時(shí)間。目前雖然該技術(shù)已經(jīng)在上述冶煉企業(yè)中得以應(yīng)用，但仍處于發(fā)展階段，還存在值得改進(jìn)和完善之處。

表2 典型的雙底吹連續(xù)煉銅工藝指標(biāo)

(1)氧槍壽命。目前熔煉氧槍的壽命已經(jīng)達(dá)到了90 d，但是吹煉氧槍的壽命只有20～30 d，需要定期檢查和清理氧槍。多家企業(yè)和單位一直致力于底吹氧槍的改進(jìn)工作，相繼開展了包括改良氧槍材質(zhì)、優(yōu)化氧槍通道、加強(qiáng)氧槍冷卻、通入惰性保護(hù)氣體、調(diào)整爐況參數(shù)等多種方法的嘗試。隨著科技的進(jìn)步，各種新型材料的合成和應(yīng)用，以及研究的不斷深入，有望找到更好的方法來(lái)進(jìn)一步提高氧槍壽命。

(2)氧槍數(shù)量。為了保障爐底攪動(dòng)的均勻性，傳統(tǒng)氧槍的通氣量通?？刂圃?1 000～1 500) Nm3/支,但是隨著產(chǎn)能規(guī)模的擴(kuò)大，底吹爐處理精礦量的能力已經(jīng)達(dá)到了200～250 t/h，爐子需要設(shè)置30支以上的氧槍。爐體需要有足夠的位置來(lái)安裝氧槍，使得爐體長(zhǎng)度超過30 m，爐殼的厚度達(dá)到100 mm，氧槍閥組也變得龐大復(fù)雜。不僅增加了占地面積和設(shè)備投資，也增加了氧槍維護(hù)的工作量。包頭華鼎冶煉廠在底吹熔煉爐上進(jìn)行了大槍試驗(yàn)，單支槍供風(fēng)量達(dá)到3 000～4 000 Nm3/h。氧槍氣量增大后，氧槍個(gè)數(shù)有效減少，爐況沒有受到不良影響。在2018年的技改工程中，在底吹吹煉爐上也使用了大槍，使用效果仍在驗(yàn)證中。為了滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要，底吹裝置的大型化是必然的趨勢(shì)，因此盡量降低爐體長(zhǎng)度和氧槍數(shù)量是十分必要的，這需要設(shè)計(jì)單位與工廠開展更多的研究和工作。

(3)自動(dòng)化換槍裝置的研發(fā)。底吹爐的氧槍通常依靠人工更換，換槍期間的勞動(dòng)強(qiáng)度較高，且受制于工人本身的操作水平和熟練程度。目前，自動(dòng)化換槍裝置的研發(fā)正在進(jìn)行，通過自動(dòng)化換槍裝置，可以有效的減少換槍作業(yè)對(duì)操作人員的高度依賴性，提升了底吹爐生產(chǎn)自動(dòng)化水平，同時(shí)也是以人為本理念的一種體現(xiàn)。

(4)加料口粘結(jié)問題。為減少底吹爐加料口的煙氣溢散，需要維持加料口處的負(fù)壓狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生一定的漏風(fēng)。漏入爐內(nèi)的冷風(fēng)與熔體攪動(dòng)過程中噴濺起的液滴相遇，會(huì)附著在加料口下部，形成粘接物，嚴(yán)重時(shí)需人工清理。目前，專門用于清理加料口的懸臂式清理機(jī)被開發(fā)和應(yīng)用于冶煉廠內(nèi)，但是由于各企業(yè)的粘接情況不盡相同，使用效果仍有待完善。另一種可行的控制加料口粘接的思路是，盡量控制低液位的操作，或?qū)t體直徑適當(dāng)放大，避免熔體噴濺到達(dá)加料口處。

(5)底吹精煉技術(shù)。底吹精煉技術(shù)是對(duì)底吹技術(shù)的發(fā)展和完善。底吹精煉技術(shù)的核心設(shè)備是底吹精煉爐，底吹精煉爐采用底吹噴槍進(jìn)行氧化還原作業(yè)，單支噴槍送氣量是傳統(tǒng)氧化還原槍的3～4倍，可極大縮短氧化還原時(shí)間；噴槍氣體從爐底噴入，熔體表面噴濺小，熔體下部攪動(dòng)強(qiáng)烈，可省去昂貴的透氣磚系統(tǒng)。2019年，包頭華鼎建成了一套底吹精煉系統(tǒng)，與原有的雙底吹系統(tǒng)形成“三連爐”配置，前后工序的冶金爐均通過流槽連接，熔體通過流槽倒運(yùn)，徹底解決了困擾企業(yè)多年的冶煉煙氣低空污染的頑疾。目前，該技術(shù)展現(xiàn)出了較好的指標(biāo)，但是由于投產(chǎn)時(shí)間尚短，仍需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)，以達(dá)到更好的效果。

(6)智能化控制。在當(dāng)前全球工業(yè)4.0技術(shù)背景下，智能工廠是未來(lái)有色冶煉行業(yè)技術(shù)升級(jí)轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)發(fā)展方向之一?；诠に嚈C(jī)理模型的智能控制系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)緊密銜接，因此是智能工廠的核心組件。從冶煉生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展路線也可以看出，現(xiàn)代強(qiáng)化熔煉技術(shù)的瞬時(shí)性和連續(xù)性也勢(shì)必對(duì)工藝控制系統(tǒng)提出更高的要求。國(guó)內(nèi)江銅貴冶、金隆銅業(yè)等閃速煉銅生產(chǎn)企業(yè)采用日本“東予”冶金數(shù)學(xué)模型對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行過程控制，Ausmelt頂吹煉銅技術(shù)開發(fā)了相應(yīng)的PCS系統(tǒng),日本三菱公司開發(fā)了三菱工藝運(yùn)行支持系統(tǒng)(MIOSS系統(tǒng))。而雙底吹連續(xù)煉銅工藝仍采用相對(duì)落后的DCS控制模式，憑人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，還沒有與之相配套的智能控制系統(tǒng)被開發(fā)和應(yīng)用。因此，盡快開發(fā)出底吹智能控制系統(tǒng)，提升生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化程度，是當(dāng)前雙底吹連續(xù)煉銅工藝優(yōu)化和升級(jí)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

7 結(jié)語(yǔ)

雙底吹連續(xù)煉銅技術(shù)具有工藝流程短、生產(chǎn)環(huán)節(jié)少、熱量利用率高、建設(shè)投資省和加工成本低等優(yōu)點(diǎn)，徹底解決了P- S轉(zhuǎn)爐吹煉作業(yè)過程中產(chǎn)生的環(huán)保問題，工藝指標(biāo)也達(dá)到了行業(yè)先進(jìn)水平。該工藝自問世以來(lái)，短短幾年內(nèi)便有多套生產(chǎn)線投入運(yùn)營(yíng)，得到了市場(chǎng)的充分認(rèn)可。

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)保的日益重視，P- S轉(zhuǎn)爐吹煉工藝因其存在的低空污染和廢氣排放超標(biāo)等問題已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)國(guó)家的環(huán)保政策，在未來(lái)將作為落后技術(shù)被逐步淘汰并退出銅冶煉的歷史舞臺(tái)。雙底吹連續(xù)煉銅技術(shù)必須盡快解決自身存在的問題，快速適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，才能擔(dān)當(dāng)起替代P- S轉(zhuǎn)爐吹煉工藝的重任。