回轉(zhuǎn)式陽極爐液面下出銅方式的開發(fā)與應(yīng)用

蔣昌波，徐憶明

（江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

隨著多年來銅冶煉工藝的升級與進(jìn)步，礦銅火法冶煉逐漸分化懸浮熔煉＋懸浮吹煉、懸浮熔煉＋PS轉(zhuǎn)爐吹煉以及熔池熔煉＋熔煉吹煉三種主流模式［1-5］。不論是何種冶煉模式，均需要對粗銅進(jìn)行精煉，而采用回轉(zhuǎn)式陽極爐作為銅冶煉火法精煉工藝，是目前國內(nèi)外企業(yè)最為普遍的選擇。主要原因是回轉(zhuǎn)式陽極爐具有壽命高、能耗低、自動化程度高，環(huán)保水平高以及適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點［6］。江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠（下文簡稱貴冶）采取閃速爐懸浮熔煉＋PS轉(zhuǎn)爐吹煉＋回轉(zhuǎn)式陽極爐精煉的火法冶煉工藝模式，廠內(nèi)目前擁有6座回轉(zhuǎn)式陽極爐，年產(chǎn)陽極銅可達(dá)80萬t以上。

1 陽極爐生產(chǎn)工藝

一般銅锍（冰銅）經(jīng)轉(zhuǎn)爐吹煉產(chǎn)出粗銅，其粗銅中除含有98.5% ～99.5%的銅外，還含有0.5% ～2%的鐵、鎳、鉛、鋅、砷、銻、鉍、錫、硫和氧等雜質(zhì)，以及一定數(shù)量的貴金屬，主要成分見表1，銅火法精煉的目的就是脫除粗銅中的雜質(zhì)，產(chǎn)出符合電解精煉要求的精銅。在實際生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)爐產(chǎn)出的粗銅經(jīng)行車倒入陽極爐后，經(jīng)過氧化、放渣、還原后精煉成合格的陽極銅水，主要成分見表2，并由圓盤澆鑄機(jī)定量澆鑄成合格陽極板。

表1 粗銅化學(xué)成分 %

表2 陽極銅化學(xué)成分 %

銅火法精煉是在高溫下進(jìn)行的，進(jìn)入陽極爐精煉的原料粗銅含硫很低，已不能形成熱自供給，為了保證澆鑄過程中銅水溫度達(dá)到1 175℃以上，精煉過程中需要額外的燃料熱量補充。一般可供火法精煉提供熱能的燃料有重油、煤氣、天然氣等，貴冶陽極爐使用的燃料為重油。

2 澆鑄過程存在的問題

目前陽極爐澆鑄均采取的表面出銅方式。澆鑄過程通過傾轉(zhuǎn)爐體，讓表面的銅液從出銅口流入溜槽后導(dǎo)流至圓盤澆鑄機(jī)進(jìn)行澆鑄。澆鑄過程依靠調(diào)整爐體傾轉(zhuǎn)角度的來控制銅液的流量，如圖1所示。

圖1 陽極爐表面出銅方式

銅液表面出銅有以下幾點弊端：

1.銅水溫降大。銅液從出銅口落入溜槽落差太大，降落期間銅液降溫幅度較大，同時銅液暴露在空氣中時間長，會進(jìn)行氧化反應(yīng)提高陽極板的含氧量。

2.銅水飛濺大。銅液落差大造成現(xiàn)場飛濺嚴(yán)重，每次澆鑄活動溜槽側(cè)邊墻壁和地面都會粘結(jié)厚厚一層冷銅，清理勞動強(qiáng)度大，清理出的冷銅需要返轉(zhuǎn)爐處理，增加中間物料產(chǎn)出，擠占冷料處理量。

3.活動流槽冷銅產(chǎn)出大。銅液從出銅口到活動溜槽落差大、而且落點隨著爐體的傾轉(zhuǎn)而改變，因此需要一個相對較深且寬大的活動溜槽作為緩沖熔池來減少熔體飛濺及其對溜槽內(nèi)襯耐火料的沖刷。但是每次澆鑄結(jié)束后寬大的活動溜槽內(nèi)會凝結(jié)大塊的冷銅，清理困難且需再次回爐處理，造成銅物料的無效循環(huán)。

4.銅水帶浮渣。陽極爐精煉時并不能完全將渣排放干凈，銅液表面存在有少量的浮渣，表面銅液經(jīng)出銅口流出時偶爾會有少量浮渣被夾帶出來，造成溜槽或陽極板表面結(jié)渣，影響成品陽極板質(zhì)量。

5.保溫燃油消耗多。澆鑄期銅水溫度受爐膛煙氣溫度影響大，需要大流量燃燒重油來保證銅水溫度，造成重油燃料的浪費。

為了改進(jìn)陽極爐出銅方式，解決減少澆鑄過程冷銅產(chǎn)出，提升銅直收率；杜絕陽極銅帶渣，降低陽極銅返氧率，提升產(chǎn)品合格率；進(jìn)一步降低陽極爐重油燃燒用量，降低重油單耗；降低活動流槽清理勞動強(qiáng)度；杜絕澆鑄過程中銅水飛濺，提升本質(zhì)安全等問題，貴冶設(shè)計一種可以控制流量，可以全開全閉的出銅口裝置，出銅時可以將出銅口置于下方，通過機(jī)構(gòu)控制出銅口大小控制流量，實現(xiàn)底部出銅。

3 滑板出銅口裝置設(shè)計與應(yīng)用

滑板出銅口裝置的設(shè)計借鑒了煉鋼轉(zhuǎn)爐滑動出鋼口控渣出鋼技術(shù)，其主要構(gòu)成有：滑板出銅口裝置由銅口內(nèi)外座磚、基準(zhǔn)安裝板、滑板機(jī)構(gòu)、滑塊水口耐材以及配套的液壓驅(qū)動裝置。同時為了給設(shè)備進(jìn)行降溫，機(jī)構(gòu)及油缸配套有風(fēng)冷通道，如圖2所示。

圖2 滑板出銅裝置裝配圖

3.1 液壓驅(qū)動裝置

滑板出銅口裝置的液壓驅(qū)動裝置主要由一臺工作壓力16 MPa液壓站、執(zhí)行油缸以及配套的液壓管道組成。執(zhí)行油缸與滑板機(jī)構(gòu)之間的安裝連接采用易于更換的卡扣方式，如圖3所示。

圖3 執(zhí)行油缸與滑板機(jī)構(gòu)的聯(lián)接

3.2 滑板機(jī)構(gòu)

滑板機(jī)構(gòu)本體由機(jī)座結(jié)合部、支架結(jié)合部、滑塊結(jié)合部、壓緊結(jié)合部以及驅(qū)動結(jié)合部組成。機(jī)座結(jié)合部作用是連接安裝基準(zhǔn)板與機(jī)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)固定在基準(zhǔn)板上?；瑝K結(jié)合部作用是固定滑塊上、下滑塊，并使下滑塊可以在既定的路線上滑動，使兩塊滑塊實現(xiàn)錯孔，以關(guān)閉或打開出銅口。支架結(jié)合部的作用是固定滑塊結(jié)合部，并提供滑塊結(jié)合部固定滑動路線。壓緊結(jié)合部主要組成部件是高壓碟簧組，作用是將支架結(jié)合部壓緊，以實現(xiàn)兩個滑塊之間緊密結(jié)合在一起，不會出現(xiàn)漏銅。驅(qū)動結(jié)合部則是固定驅(qū)動油缸，使油缸易于安裝、折缷的同時固定在機(jī)構(gòu)上。為保護(hù)設(shè)備免受高溫爐體傷害，油缸、機(jī)構(gòu)配套有風(fēng)冷通道，如圖4所示。

圖4 滑板機(jī)構(gòu)三維視圖

3.3 出銅口座磚

銅口內(nèi)外座磚在爐體耐火磚砌筑時完成安裝，座磚圖如圖5所示。內(nèi)座磚是一個整體，通體為鉻鋼玉材質(zhì)，廠家生產(chǎn)時制模壓制成形后再進(jìn)行燒制。外座磚為半再結(jié)合鎂鉻質(zhì)耐火磚，廠家生產(chǎn)時先制成大體形狀后進(jìn)行車床加工。

圖5 滑板出銅口耐材組成

3.4 安裝角度

安裝角度按使用情況來說，角度越靠下部，達(dá)到收益越大。根據(jù)前期收集的信息表明，角度過于靠下，會造成出銅口每每堵死，操作員需要每爐都燒擴(kuò)出銅口，大大增加工作量且機(jī)構(gòu)上水口損壞加劇。同時還會造成爐子裝滿銅情況下有漏銅的風(fēng)險。為了避免這些問題的同時達(dá)到最大改造收益，決定將原出銅口位置下移10°，即相對爐體頂部位置的90°位置。

3.5 機(jī)構(gòu)控制

為了方便日常檢查與操作，滑板出銅口裝置操作控制分別設(shè)置爐前DCS操作以及爐后遙控操作。機(jī)構(gòu)驅(qū)動通過液壓站的啟停以及執(zhí)行油缸的開閉進(jìn)行控制，控制信號集成于DCS操作畫面中，可實現(xiàn)滑板出銅口的開閉以及開度調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)澆鑄過程中的銅水流量控制。

4 應(yīng)用效果

滑板出銅口機(jī)構(gòu)穩(wěn)定可靠，操作簡單方便。裝置成功應(yīng)用后，實現(xiàn)了液面下出銅控流的方式進(jìn)行澆鑄作業(yè)。出銅過程中銅水落差小、飛濺小、杜絕了銅水帶渣可能。同時活動流槽對應(yīng)的進(jìn)行了改造，減少一半的冷銅產(chǎn)出量。

4.1 銅水落差大幅減小

針對生產(chǎn)過程的銅水落差進(jìn)經(jīng)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量，從測量數(shù)據(jù)來看，液下出銅方式從剛開始出銅到澆鑄結(jié)束爐體傾搖度數(shù)為-40°～-60°，銅水在活動流槽上落點位置前后位移1.3 m，銅水落差最高為0.9 m。而原出銅爐體傾搖度數(shù)范圍在-20°～-70°；方式活動流槽銅水落點位置位移達(dá)3.5 m，銅水落差最高為2.1 m，數(shù)據(jù)對比見表3。

表3 兩種出銅方式現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對比

由表3可知，液下出銅方式有效降低了澆鑄過程中銅水落差、落點位移，可以減少澆鑄過程中冷銅飛濺，活動流槽需要存銅的長度也可縮短至1.8 m。

澆鑄過程中銅水落差變小、銅水飛濺變小，活動小車平臺周圍冷銅減少，人員清理勞動強(qiáng)度降低。此外澆鑄過程中銅水飛濺小，人員化流槽冷銅等作業(yè)時的安全風(fēng)險降低，作業(yè)安全得到保證，生產(chǎn)作業(yè)本質(zhì)安全得到提升。

4.2 活動流槽廢銅產(chǎn)出量減少

由于銅水落點位移縮短，防止銅水落點沖擊飛濺而設(shè)置的大池子段不再需要那么長，因此可以對應(yīng)活動流槽砌筑制作方式做改進(jìn)，大幅縮短活動流槽大池子段（約原長度1／2）。在第一次制做完后，活動流槽再次制作的量只有平時的一半。降低了活動流槽清理工作量，如圖6所示。

圖6 活動流槽制作對比

活動流槽砌筑方式改進(jìn)后，澆鑄結(jié)束活動流槽產(chǎn)出的廢銅量對應(yīng)減少了一半。經(jīng)過對廢銅產(chǎn)出量的過磅稱重，隨機(jī)統(tǒng)計了30爐次的廢銅重量，其對應(yīng)平均值見表4，從表4中可以看出，改液面下出銅后，活動流槽冷銅產(chǎn)出量平均可減少2 011 kg，約2 t。

表4 活動流槽改造前后廢銅產(chǎn)出量均值kg

4.3 保溫重油單耗降低

由于液面下出銅方式澆鑄過程需要將爐體控制在-40°～-60°，此時重油燒嘴燃燒火焰離銅水液面大大減小，銅水與火焰輻射換熱效果大大提升，保溫燃油換熱的效率提升，因此在澆鑄過程中，可以一定程度上減少保溫燃油的用量（經(jīng)實踐，可降低40～60 kg／h）。經(jīng)過對2021年12月至2022年2月期間，同工序、工藝基本參數(shù)一致、原料相同的改造爐與未改造爐兩臺陽極爐的重油單耗進(jìn)行統(tǒng)計分析，見表5，可以看到改為液面下出銅方式后，陽極爐重油單耗由5.82 kg／t·Cu降低至5.50 kg／t·Cu，單耗下降0.35 kg／t·Cu，下降幅度約5.5%。

表5 改造前后重油單耗 kg／t·Cu

4.4 陽極銅帶渣少，產(chǎn)品質(zhì)量提升

相較表面出銅方式，液面下出銅方式可以杜絕浮渣帶出，提高陽極銅產(chǎn)品質(zhì)量，如圖7所示。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，陽極銅帶渣已經(jīng)基本沒有，降低了因陽極板帶渣而帶來的人工修復(fù)勞動強(qiáng)度。同時提高陽極銅的物理規(guī)格合格率。經(jīng)同期對比，統(tǒng)計應(yīng)用前2＃爐物理規(guī)格合格率與應(yīng)用后物理規(guī)格合格率，見表6。可以看出應(yīng)用后，陽極銅物理合格率由98.53%提升到98.55%。

圖7 液面下出銅原理圖

表6 應(yīng)用前后陽極銅物理合格率 %

5 結(jié) 語

通過滑板出銅口裝置的應(yīng)用，回轉(zhuǎn)式陽極爐實現(xiàn)了由傳統(tǒng)表面出銅方式到液面下出銅方式的轉(zhuǎn)變，大幅降低了傳統(tǒng)出銅方式帶來的銅水落差，解決了澆鑄過程中銅水飛濺大、活動流槽廢銅產(chǎn)出量大、作業(yè)現(xiàn)場清理難度大、安全風(fēng)險大的問題。采取液面下方出銅的方式，杜絕了陽極銅水帶渣的可能，提高了陽極銅產(chǎn)品的質(zhì)量。同時還降低了重油燒嘴與銅水液面之間的距離，提升了換熱效率，進(jìn)而一定程度上降低了重油單耗?；宄鲢~裝置在回轉(zhuǎn)式陽極爐的應(yīng)用帶來的出銅方式的改變，具有非常強(qiáng)的推廣價值，應(yīng)用前景非常廣泛。