安全隱患的“殺手锏”氧氣底吹熔煉多金屬捕集技術解決了有色行業安全生產的關鍵性問題

安全隱患的“殺手锏”氧氣底吹熔煉多金屬捕集技術解決了有色行業安全生產的關鍵性問題

安全生產是各生產性行業的共同追求，冶金行業尤甚。與化學、材料類等行業相比，冶金行業最突出的特點是面對的生產對象是高溫金屬熔體，如鋼熔融體的溫度約為1 600℃，銅熔融體的溫度為1 200℃左右。就現階段來看，冶金工藝尚難以實現對高溫熔體處理的可視化操作，所以因配料、操作不當等引發安全事故前難以覺察危險信號，容易造成安全生產事故。冶金行業的安全事故，一般具有突發性、嚴重性等特點，難以預防，后果嚴重，往往造成人員傷亡、廠房設備燒毀，甚至直接導致工廠停產乃至倒閉。

冶金行業在工藝技術及生產設備的選擇上，都對安全性能提出了較高要求。但目前通用的工藝技術及設備，或多或少存在一定安全生產的薄弱區域或漏洞，不時發生安全事故。下面是近年來幾起比較引人關注的冶金安全事故：

1997年10月14日晚班時間，某公司冶煉廠發生一起諾蘭達爐“噴爐”事故，噴濺出的高溫熔體燒毀了大量周邊設備，造成了巨大的經濟損失；

2005年2月9日，山西省某公司發生一起爐底燒穿事故，10人當場死亡，6人受傷；

2007年9月9日，甘肅某公司礦冶分公司鉛冶煉廠，因操作人員經驗不足及工藝本身存在的設計缺陷，發生一起“噴爐”事故，造成8死10傷；

2008年12月26日，重慶某公司電爐發生噴爐，造成4名工人當場死亡，14人受傷。

安全事故猛于虎，如何確保安全生產，已成為全行業全力投入研究的重大課題。縱觀銅冶煉行業，造成安全事故的主要原因有三：其一，熔渣狀態難掌握，容易生成“泡沫渣”，造成噴爐、鼓爐。這往往是冶煉工藝或設備與生俱來的特性所致，預防難度大、突發性強、破壞性大。其二，工藝設備復雜，操作繁瑣，易導致誤操作，引發安全事故。其三，設備安全防范性能不足，防范機制不靈活，關鍵時刻無法快速執行安全預防措施，從而導致死爐、熔體倒灌等事故。

對癥下藥，如何避免上述因素帶來的安全隱患？只有靠科學技術創新，從冶金工藝技術及設備的革命性變革中，才能找到徹底解決問題的答案。山東方圓有色金屬集團與中國有色工程設計研究總院共同研發的氧氣底吹熔煉多金屬捕集技術，在充分總結、分析了上述問題后，借助科技創新，從工藝原理和運作機制上，徹底杜絕了安全事故的發生，打造出了可稱之為“當代最為安全可靠的”冶煉生產工藝及設備。

一、富氧空氣從熔池底部吹入，氧氣路徑長，不易產生過氧化渣

側吹、頂吹采用氧氣直接吹入渣層相比，方圓底吹工藝采用氧氣從熔池底部吹入。氧氣吹渣層很容易與氧化物渣層發生過氧化反應，產生高熔點渣，使熔渣黏度增大，增大泡沫渣、噴爐、鼓爐風險。而氧氣底吹工藝由于氧氣吹入冰銅層，氧氣與冰銅里的硫化物反應，再將氧氣傳遞給新入爐礦料。在冰銅層大量氧氣消耗。并且氧氣從熔池底部到渣層，行為路程變長。

根據：修正的弗勞德準數：

由于底吹熔煉吹的是冰銅層，冰銅的粘度遠低于熔渣，所以它的雷諾準數、修正的弗勞德準數都比較高，說明爐內熔體的流體力學狀態要比頂吹、側吹優越的多，見表1。

正因為較高的弗勞德準數，使底吹熔煉有著較高的傳質效率。氧氣在冰銅層中反應量大，進入渣層后氧氣分壓變小，可防止渣層過氧化產生大量Fe3O4使熔渣變粘。另外槍口位于熔池底部，以及較高的弗勞德準數，氧氣在向熔池頂部運動的過程中，產生的膨脹作用增強，范圍變大，使表面張力較大，密度較小的熔渣向遠離反應中心的邊緣運動，加上劇烈的攪拌、噴濺作用，難以形成連續渣層。

二、特殊的氧槍結構，反應迅速，鼓入氣泡很小

當反應氣體鼓入熔池后，氣泡在向渣面運動的過程中。由于反應的不斷進行，壓力的不斷變化，會不斷爆裂成更小的氣泡。側吹、頂吹等熔池熔煉由于采用套管式噴槍，出氣口直徑較大，壓力較小，所以初始氣泡很大，并且由于其吹渣層，氣體運動路徑短，在渣層乃至渣層表面均存在過剩氧氣，容易使渣過氧化，產生黏性渣。而方圓底吹采用了直徑60mm的氧槍，槍口有格柵將出氣口分隔成多個小孔，并且方圓底吹采用高壓作業。氧槍示意圖如圖1。

所以底吹熔煉的特殊氧槍系統產生的初始氣泡很小，在上升過程中在進一步爆裂。使氣體的總表面積極度變大，反應動力學條件好。氣體在冰銅層大量反應，進入渣層或溢出渣層量很少，不易導致渣的過氧化反應。從而進一步避免了過氧化渣的產生，避免了黏性渣造成噴爐，氣泡有關數據如表2：

表2 各熔煉工藝氣泡比較

三、熔煉渣型及熔渣狀態更易控制，不易噴爐、鼓爐

該底吹工藝通過單位時間加料量、入爐礦料熔劑等控制，可輕松調整渣溫、渣型。并且技術人員通過長期的生產摸索，也已掌握了控制指標。通過控制1.7~2.0的鐵硅比，避免了低鐵硅比產生的大量大鏈硅酸鹽分子，使熔渣變粘。

結合CaO、A l2O3的添加調整，將硅酸鹽大離子鏈打破，將爐渣熔度降低，保持渣良好的流動性。

圖2 硅酸鹽離子鏈及堿性氧化物對其影響

在生產實踐過程中，方圓技術人員還逐漸掌握了降低熔渣熔點的相關技術，通過控制酸性氧化物和堿性氧化物的配比，將硅酸度控制在1.3以上，結合底吹爐熔體運動特點，將熔渣熔點和過熱度進一步降低，即逐漸實現低溫熔煉，即保持了熔渣的良好流動性，又節約了大量能源。

四、設備構造簡單，易操作，減少了設備復雜誤操作造成的安全事故

底吹爐（結構如圖2所示）放銅口位于爐體側下方，銅口捅開后冰銅自行流出，并設有配套泥泡機在放銅結束后堵塞銅口。溢流型渣口，日常放渣、堵渣，清焦簡單易行。加料口位于爐頂，通過下料皮帶將爐料直接投入，投料系統簡單。 除了銅口、渣口、出煙口、下料口等部位有銅水套外，全爐體無水冷卻系統，故管線少，簡單明了。氧氣底吹熔煉工藝操作簡單易行，關鍵工藝在于控制氧料比、熔體溫度、冰銅品位、爐渣鐵硅比等參數，整套系統采用了DCS控制，自動化程度較高，生產控制直觀、簡便。所以整個熔煉車間設備數量少，操作點少，操作簡單，大大減少了由于設備復雜引起的疏忽大意事故以及操作失誤。

五、爐體可83°旋轉，安全預防應急系統簡單有效

把正常生產時的爐位設為0°位，根據生產需要，爐體可旋轉83°，而且83°旋轉足以使氧槍全部位于熔體液面以上，當檢修或出現其他狀況需要停產時，可將爐體轉出，氧槍脫離反應液面，熔煉反應即可終止，而且避免發生氧槍倒灌事件，堵塞氧槍或燒穿氧槍軟管，造成事故。同時爐體轉動設有限位機構，在自動或手動操作時，不會因為設備原因或人工誤操作造成旋轉過度，以免從爐口倒出高溫熔體造成事故。另外，此爐型結構也較易實現自動應急系統，即使車間空無一人，在突發停電時，系統數秒后會自動啟動，將爐體轉出，斷氣停產。所以與采用固定式圓筒或槽式反應爐相比，氧氣底吹爐爐型的安全應急更容易實現，更簡單，更易操作。

正因為具備了較高的安全性能，也為技術人員的技術創新提供了更好地平臺：由于沒有泡沫渣、噴爐這樣的安全顧慮，低溫冶煉、高鐵低硫礦料的使用等行業內多年摸索卻不敢實踐的技術試驗，技術革新都能在方圓底吹爐輕松實施、實現。

方圓氧氣底吹熔煉多金屬捕集技術及裝備在山東方圓有色金屬科技公司的大力推廣下，已逐漸被行業所接受，其安全生產及各項技術指標方面的優越性也被行業和社會所認可。徹底解決冶金行業的安全生產問題，必將為全國乃至全世界的冶金行業解放更大的技術進步和生產效益空間，有效推動世界冶金行業的健康快速發展。目前，該工藝及裝備已在國內外得到初步推廣，有十二家企業已采用或正在采用該工藝技術及裝備進行技術改造，成為當今有色冶金行業使用最為廣泛的工藝及裝備之一。

Oxygen Bottom Blow ing Technology to Solve Key Issue of Non-ferrous Industry Safety

□文/陳俊華