傾動(dòng)爐雜銅冶煉節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

康有才，劉科

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 前言

江銅集團(tuán)貴溪冶煉廠（以下簡(jiǎn)稱貴冶）是該廠三期10萬(wàn)噸傾動(dòng)爐雜銅處理項(xiàng)目。2001年開(kāi)工建設(shè)，2003年7月竣工，當(dāng)年8月投入生產(chǎn)，8月13日產(chǎn)出第一爐銅。貴冶使用的傾動(dòng)爐設(shè)備由德國(guó)MAERZ-GAUTSCHI公司研制，爐型是依照鋼鐵工業(yè)應(yīng)用的傾動(dòng)爐平爐，結(jié)合有色冶金的特殊工藝要求開(kāi)發(fā)的，既有固定式反射爐加料、扒渣方便的特點(diǎn)，還有可傾轉(zhuǎn)的功能。

2 傾動(dòng)爐簡(jiǎn)介

傾動(dòng)爐爐體（如圖1）兩側(cè)分別為加料側(cè)和精煉側(cè)。在加料側(cè)分別設(shè)有1#加料門(mén)、2#加料門(mén)和渣門(mén)，用于物料加入和排渣作業(yè)。精煉側(cè)有6根風(fēng)管和1個(gè)銅口，用于氧化還原和澆鑄使用。由于爐體可向倒渣側(cè)傾轉(zhuǎn)，也可以向精煉側(cè)傾轉(zhuǎn)，克服了反射爐依靠人工氧化還原插管、扒渣作業(yè)的缺點(diǎn)。

圖1 傾動(dòng)爐爐體結(jié)構(gòu)

3 傾動(dòng)爐雜銅煉工藝概述

傾動(dòng)爐處理雜銅冶煉工藝具有周期性作業(yè)特點(diǎn)，按精煉的過(guò)程可分為四個(gè)階段：加料熔化期、氧化脫雜期、還原期、澆鑄期。工藝流程圖見(jiàn)圖2。

4 傾動(dòng)爐工藝優(yōu)化改進(jìn)

4.1 傾動(dòng)爐氧化富氧造渣技術(shù)

富氧技術(shù)在火法冶煉爐窯中占比較大，采用富氧后可以提高冶煉效率，降低生產(chǎn)成本。傾動(dòng)爐設(shè)計(jì)燃燒系統(tǒng)有富氧裝置，但其氧化系統(tǒng)未設(shè)計(jì)風(fēng)管富氧裝置，參考貴冶其它爐型富氧裝置，在傾動(dòng)爐氧化系統(tǒng)中增加富氧裝置（富氧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3），利用氧化風(fēng)混合一定比例氧氣進(jìn)行氧化造渣，富氧裝置能實(shí)現(xiàn)DCS自動(dòng)控制氧化過(guò)程富氧率，控制其富化率23%～25%之間。

但隨著新工藝稀氧燃燒逐步替代傳統(tǒng)燃燒富氧燃燒技術(shù)，氧氣壓力波動(dòng)頻繁，甚至低于壓縮風(fēng)壓力，依靠壓力差實(shí)現(xiàn)風(fēng)管摻氧造渣無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行，貴冶傾動(dòng)爐車間通過(guò)自主摸索研發(fā)出實(shí)用新型專利（一種傾動(dòng)爐雜銅冶煉富氧造渣純氧插入噴嘴，專利號(hào)CN 203807535 U）技術(shù)解決了氧氣壓力低于壓縮風(fēng)壓力時(shí)無(wú)法摻氧作業(yè)的問(wèn)題，不僅氧化造渣時(shí)間縮短、氧化造渣脫雜能力得到提高。富氧系統(tǒng)優(yōu)化圖4

傾動(dòng)爐的冶煉過(guò)程得到了提升，具有以下優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)表1）：

（1） 適應(yīng)復(fù)雜原料能力提高，雜質(zhì)氧化效率提高，脫雜能力提高；

表1 風(fēng)管摻氧改造后指標(biāo)變化表

圖2 傾動(dòng)爐工藝流程圖

圖3 富氧系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖4 增加富氧造渣純氧插入噴嘴裝置系統(tǒng)

（2） 降低了重油單耗約5%；

（3） 縮短了氧化時(shí)間，作業(yè)效率提升；

（4） 氧化時(shí)間縮短，爐窯壽命得以提升。

4.2 傾動(dòng)爐自動(dòng)搖爐

傾動(dòng)爐作業(yè)模式按照傳統(tǒng)方式物料熔化完后，一次性將爐體由0°傾轉(zhuǎn)至16°進(jìn)入氧化模式，一直保持至氧化結(jié)束。這種操作方式要求物料完全為熔融態(tài)，且銅表面溫度極高，否則爐體傾轉(zhuǎn)至氧化角度過(guò)程中風(fēng)管極易被爐底溫度偏低的銅物料粘結(jié)，甚至堵死。要達(dá)到一次性把爐體傾轉(zhuǎn)到氧化角度，條件是加料結(jié)束后熔化時(shí)間延長(zhǎng)3-4h。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)氧化期可以將傾動(dòng)爐分階段傾轉(zhuǎn)，先把爐體傾轉(zhuǎn)至6°進(jìn)行氧化，然后再傾轉(zhuǎn)到12°進(jìn)行一段時(shí)間氧化，最后傾轉(zhuǎn)至16°，這樣的氧化操作在氧化時(shí)間上與一次性搖爐到16°是相同的，但可以避免風(fēng)口被爐底溫度偏低的銅粘結(jié)。通過(guò)不斷模式實(shí)驗(yàn)，貴冶傾動(dòng)爐在氧化操作上開(kāi)發(fā)出自動(dòng)搖爐技術(shù)。爐窯內(nèi)銅物料未完全熔化時(shí)就開(kāi)始氧化操作，先將爐體傾轉(zhuǎn)至6°進(jìn)行氧化和熔化，待物料基本接近完全熔化后通過(guò)在DCS上設(shè)定的程序使?fàn)t子在6°～12°之間進(jìn)行自動(dòng)搖爐，搖爐時(shí)間間隔、區(qū)間角度大小可以根據(jù)工藝要求設(shè)定。

自動(dòng)搖爐技術(shù)可以有效縮短熔化時(shí)間和減少氧化時(shí)間，使得爐窯壽命得到提高。首先，自動(dòng)搖爐不斷地改變爐體角度加強(qiáng)了爐內(nèi)液態(tài)銅溶液的流動(dòng)，強(qiáng)化了熔體的對(duì)流傳熱，提高了燃料的熱利用率及升溫速度；其次，自動(dòng)搖爐也可以使?fàn)t內(nèi)物料逐步混合均勻，使造渣溶劑和氧化后的雜質(zhì)充分接觸，從而加速了良性渣的形成，縮短氧化造渣時(shí)間；再次，自動(dòng)搖爐使得爐內(nèi)渣線位置處于不斷變動(dòng)，避免了渣線長(zhǎng)時(shí)間對(duì)同一位置對(duì)耐火材料的侵蝕，從而降低了渣線區(qū)域耐火材料的消耗。

傾動(dòng)爐歷次爐修時(shí)的爐壽命見(jiàn)表2。

表2 傾動(dòng)爐歷次爐修時(shí)的爐壽命

從表3中可以看出傾動(dòng)爐爐壽命在不斷延長(zhǎng)，自動(dòng)搖爐應(yīng)用技術(shù)對(duì)爐體壽命的增加效果可以直接在渣線位置耐火材料的損耗情況上看出來(lái)。從圖10中可以明顯看到采用自動(dòng)搖爐應(yīng)用技術(shù)后爐襯消耗更為均勻，沒(méi)有采用自動(dòng)搖爐技術(shù)的爐襯消耗集中在很狹小的一個(gè)范圍內(nèi)。

4.3 傾動(dòng)爐稀氧燃燒技術(shù)應(yīng)用

4.3.1 稀氧燃燒技術(shù)原理

貴冶傾動(dòng)爐2015年啟用稀氧燃燒技術(shù)，該燃燒技術(shù)吸收采納國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的稀氧燃燒技術(shù)、純氧燃燒技術(shù)、多氧燃燒技術(shù)等技術(shù)精華，采用燃料和氧氣(純度大于95%)分別梯級(jí)布置，通過(guò)不同噴嘴以高速射入爐膛，氧槍氧氣供應(yīng)壓力為0.2～0.5MPa，噴射速度設(shè)計(jì)為160～270m/s；階梯布置燃料和氧氣會(huì)被爐膛中已經(jīng)存在的燃燒產(chǎn)物氣體迅速稀釋分解，通過(guò)彌散性噴射降低火焰燃燒強(qiáng)度，降低火焰溫度、擴(kuò)大燃燒空間，低火焰溫度使NOx的排放降到最低。

4.3.2 稀氧燃燒系統(tǒng)構(gòu)成

稀氧燃燒系統(tǒng)(如圖6)由供氧單元、供油單元、燃燒單元以及控制單元組成。供氧單元，是將動(dòng)力車間的氧氣分為一次氧、二次氧，通過(guò)管道接至燃燒器供氧；供油單元?jiǎng)t利舊改造，新增重油壓力調(diào)節(jié)和霧化蒸汽調(diào)節(jié)；燃燒單元由稀氧燃燒器與燒嘴磚(剛玉材質(zhì))組成；控制單元以DCS為主體，與各單元儀表、閥門(mén)組成。

圖5 自動(dòng)搖爐、稀氧燃燒應(yīng)用前后對(duì)比

圖6 稀氧燃燒系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖7 稀氧燃燒器示意圖

圖8 2015年1-12月噸銅重油單耗(/kg)

4.3.3 稀氧燃燒器

稀氧燃燒器(如圖7)油槍居中，一次氧槍和二次氧槍分別上下布置，其噴口與重油噴口的軸線成一定夾角，重油從噴口噴出時(shí)，首先一次氧與部分重油摻混，燃燒形成根部火焰，燃燒時(shí)著火點(diǎn)距離燒嘴磚約40cm；未燃燒的重油進(jìn)入爐膛，二次氧與其摻混，燃燒形成無(wú)焰火焰。一次氧量約為20%，二次氧量約為80%，通過(guò)設(shè)置兩級(jí)氧，目的是：一、增強(qiáng)氧氣的卷吸能力，讓其與重油充分接觸，實(shí)現(xiàn)重油的完全燃燒；二、拉長(zhǎng)火焰，較小噴量的一次氧，在離油槍較近區(qū)域助燃重油，但火焰短，加設(shè)較大噴量的二次氧，能托舉重油，與重油股形成射流強(qiáng)烈的剪切、摻混、拉伸作用，從而得到較長(zhǎng)的穩(wěn)定火焰。這種逐級(jí)供氧，逐級(jí)摻混，逐級(jí)燃燒的稀氧燃燒方式，極大地增強(qiáng)了重油燃燒的傳熱傳質(zhì)能力。

4.4.4 油量及重油單耗變化

稀氧燃燒相比富氧燃燒，減少了為氮?dú)饧訜岵⒊蔀闊煔鈳ё叩臒崃繐p失，若假設(shè)這部分熱量為△Q，對(duì)應(yīng)重油量為△M，稀氧燃燒時(shí)此部分重油無(wú)須參與燃燒，也能滿足正常冶煉工藝需求，表3列出了稀氧燃燒技術(shù)應(yīng)用前后，傾動(dòng)爐富氧與稀氧燃燒各工況燒嘴設(shè)定重油量變化。

自2015年5月12日，傾動(dòng)爐稀氧燃燒正式投入使用，噸銅重油單耗(圖8)下降20kg，下降幅度超過(guò)30%。

5 隨動(dòng)流槽開(kāi)發(fā)運(yùn)用

5.1 隨動(dòng)流槽開(kāi)發(fā)目的

目前國(guó)內(nèi)較大部分可傾轉(zhuǎn)爐型澆鑄流槽都是固定在爐子出銅口的正下方，出銅時(shí)爐體傾轉(zhuǎn)，銅液經(jīng)出銅口流槽落入固定在銅口正下方流槽內(nèi)，然后經(jīng)流槽注入中間包，再經(jīng)澆鑄包進(jìn)行銅陽(yáng)極板澆鑄。這種銜接方式因銅口流槽與爐子出銅口正下方流槽落差大，為了減少銅水飛濺、減少冷銅量、減少銅水的熱量損失，急需開(kāi)發(fā)一套流槽裝備隨著出銅口高度一起升降。

鑒于以上背景，貴冶傾動(dòng)爐提出了增設(shè)一套能夠隨著爐體升降的隨動(dòng)式流槽裝置。確保流槽和出銅口之間始終保持一定的合理距離，從而減少銅水飛濺、減少冷銅量、減少銅水的熱量損失。

5.2 流槽整體優(yōu)化改造

5.2.1 流槽部分

現(xiàn)場(chǎng)流槽由兩部分組成，一部分是活動(dòng)的，一部分是固定的?；顒?dòng)溜槽水平放置，主要作用是積液，銅液經(jīng)出銅口流出，注入活動(dòng)溜槽，蓄滿后溢流進(jìn)入固定流槽。固定流槽傾斜放置，主要作用是導(dǎo)流，將活動(dòng)溜槽溢流出來(lái)的銅液導(dǎo)入中間包。因此，現(xiàn)場(chǎng)流槽無(wú)法滿足升降的要求，需要重新設(shè)計(jì)，將流槽整合為一體式。（隨動(dòng)流槽圖見(jiàn)圖9、10、11）

5.2.2 驅(qū)動(dòng)部分

采取電缸底部舉升裝置，電缸位于流槽托盤(pán)下部，電缸行程1.5米。電缸驅(qū)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以精準(zhǔn)控制電缸的深處長(zhǎng)度。電缸的額定載荷為6噸。（隨動(dòng)流槽驅(qū)動(dòng)圖12）

5.2.3 控制部分

電缸采用伺服電機(jī)控制，伺服電機(jī)將位置信號(hào)通過(guò)尾部的軸編碼器傳動(dòng)到伺服控制器，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制電缸的效果。操作控制設(shè)置了手動(dòng)模式、自動(dòng)模式，便于操作。也考慮到了安全性，增加了電缸隨動(dòng)誤差保護(hù)、兩個(gè)電缸同步度保護(hù)、電缸載荷報(bào)警、電缸到位位置限位保護(hù)。

表3 傾動(dòng)爐富氧與稀氧燃燒各工況燒嘴設(shè)定重油量變化

表4 2019-2020年1-9月冷澆鑄冷銅對(duì)比表（/噸）

圖9 流槽左視圖

圖10 流槽分段圖

圖11 隨動(dòng)流槽

圖12 隨動(dòng)流槽驅(qū)動(dòng)裝置圖

貴冶傾動(dòng)爐車間通過(guò)對(duì)流槽進(jìn)行技術(shù)改造，使流槽隨著爐子的傾轉(zhuǎn)而進(jìn)行同步升降，縮短出銅口與活動(dòng)流槽之間的垂直距離，大大減少銅液飛濺。出銅結(jié)束后，再將流槽升起，將流槽里積存的銅液排出，冷銅量下降明顯，每爐減少1.3噸冷銅產(chǎn)生（見(jiàn)表4）。

6 改進(jìn)效果

以上改進(jìn)全部完成，部分項(xiàng)目經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，這些優(yōu)化改進(jìn)對(duì)傾動(dòng)爐日常生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生明顯影響，通過(guò)數(shù)據(jù)收集分析，可以得出不斷技術(shù)應(yīng)用改進(jìn)后貴冶傾動(dòng)爐雜銅年產(chǎn)能上升幅度大，指標(biāo)得到提升，爐窯壽命安全穩(wěn)定運(yùn)行效率高了。改進(jìn)后結(jié)果見(jiàn)表5。

7 結(jié)論

貴冶傾動(dòng)爐自主創(chuàng)新證明，雜銅冶煉工藝裝備技術(shù)應(yīng)用改造后生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)明顯提升，不僅減少了能源消耗，還提高了產(chǎn)能效益，碳排放量直接下降了45%。只有通過(guò)技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)可以不斷挖掘潛能，得到更佳技術(shù)指標(biāo)。