銅冶煉轉爐工藝集成技術研究與應用

朱鵬春，何 恩，于海波，羅勁松，陳福光

（云南銅業股份有限公司西南銅業分公司，昆明 650102）

銅火法冶煉包括：熔煉、吹煉、精煉三個環節，吹煉環節可將含銅50%～60%的冰銅轉化為含銅98%以上的粗銅，是銅火法冶煉的關鍵環節。PS轉爐吹煉是應用最廣泛的技術，但由于轉爐間斷性操作、煙氣波動大、爐溫波動頻繁、爐壽低、搖爐SO2泄露嚴重等問題嚴重制約了其發展。近年來隨著科技不斷的創新，閃速吹煉技術和連續頂吹吹煉技術逐漸在國內廣泛開發應用。此外，奧斯麥特吹煉、艾薩吹煉、三菱吹煉等技術相繼在國外被開發[1-2]。

雖然冰銅吹煉新工藝在國內外開始被廣泛研究，但PS轉爐由于其原料適應性強、脫雜能力強、穩定性高、冷料處理能力強等優勢，仍是冰銅吹煉的主流工藝，世界上大約70%以上的粗銅仍然采用PS轉爐吹煉工藝生產。爐壽是轉爐吹煉工序的重要經濟指標，2017年以前，公司轉爐大修爐壽僅為1100爐左右，頻繁修爐不僅降低了產能，還增加了生產成本。此外，造銅終點的控制是轉爐吹煉工藝的關鍵所在，一直以來，造銅終點基本依靠人工經驗判斷，容易導致過吹或欠吹，對后續火法精煉造成不利影響，且頻繁搖爐取樣帶來的煙氣逸散，增加很大的環保風險。本文針對銅冶煉轉爐吹煉工藝中爐窯穩定性、工藝智能化、安全、環保等關鍵問題，從工藝控制、爐窯砌筑方式、造銅終點智能控制方面進行深入研究，開發一套安全、環保、高效、智能化的銅冶煉轉爐工藝集成新技術。

1 工藝分析

1.1 吹煉機理

冰銅吹煉分造渣期和造銅期，造渣期主要是將冰銅中FeS氧化成FeO和SO2，通過溶劑的加入使FeO造渣脫出，SO2隨煙氣排出，最終得到主成分為Cu2S的白冰銅。造銅期Cu2S通過氧化將其中的S以SO2煙氣脫除，最終得到含銅98.5%以上粗銅。吹煉過程為放熱反應，具體反應如下式（1）-式（6）。

1.2 爐壽影響因素

影響銅冶煉轉爐爐壽的因素很多，其中主要因素包括：機械力、熱應力、化學侵蝕。

（1）機械力影響。吹煉過程伴隨著搖爐、加冷料、捅風眼等操作，這些操作產生的機械振動會對爐襯造成損壞。搖爐時電機帶動爐體轉動產生強大的機械振動，使爐襯磚縫松動，導致耐火磚脫落。吹煉一定時間向爐內加塊銅、殘極等冷料時，冷料瞬間進入熔體并快速沉降，對爐襯產生巨大的沖擊力，極易造成耐火磚脫落。捅風眼操作時，由于操作不當等原因，風眼與風眼機會存在水平偏差，導致風眼處存在強烈的機械振動，易對風眼磚造成極大損壞[3]。

（2）熱應力影響。熱應力是破壞爐襯的重要原因。吹煉過程中爐溫變化導致熱應力的產生，促使爐襯脫落。式（7）是溫差與材料斷裂強度的關系式；式（8）是耐火材料熱應力穩定參數關系式[4]。

式中：ΔTmax為最大溫差；σf為材料斷裂強度；μ為泊松比；α線膨脹系數；E為彈性模量。

式中：Rst為材料熱應力穩定參數；G為斷裂表面能；λ為熱導率；E0為斷裂強度。

由式（7）可知，當最大溫差引起的熱應力達到材料斷裂強度時，材料就會發生斷裂，冶煉過程中高溫熔體極易滲透材料內部，加劇材料的損壞。由式（8）可知，材料線膨脹系數與楊氏模量越小，斷裂表面能與導熱系數越大，材料熱應力穩定參數越大，材料開裂所需溫差就越大。結合生產實際可知，爐溫波動越大，熱應力越強，耐火材料越容易開裂，爐襯損壞越嚴重，轉爐吹煉過程中頻繁搖爐或停爐時間過長都將造成爐溫波動，加劇爐襯損壞。

（3）化學侵蝕。化學侵蝕主要由酸性渣與堿性耐火磚發生化學反應造成。一方面，吹煉產生的渣中酸性物鐵橄欖石會與鎂質耐火磚中MgO反應使耐火磚溶解，且隨著溫度和渣中SiO2含量的升高，MgO在鐵橄欖石中的溶解度升高，具體溶解關系曲線如圖1所示[5]。另一方面，溶劑中的SiO2會與耐火磚中的方鎂石及鉻鐵礦形成固溶體，引起鉻鐵礦晶粒破裂，造銅期熔體及金屬銅極易滲入耐火磚體，使耐火磚結構遭到破壞。此外，吹煉過程中產生的SO2在氧氣氣氛下容易與耐火磚中的堿性氧化物發生反應引起耐火磚損壞[6]。化學侵蝕存在的反應如下式（9）～（11）所示。

圖1 不同溫度下耐火磚中MgO溶解性與渣中SiO2含量的關系

1.3 造銅終點控制機理

造銅期粗銅產量與冰銅量、冰銅成分、富氧量、溶體溫度、冷料加入速度及加入時間等有關，整體呈非線性關系。吹煉終點受風量、富氧率、冰銅品位、影響，而風量又與入爐物料量、物料成分、爐內負壓等有關，使得吹煉終點控制呈現多變量耦合性。此外，吹煉過程存在進料量波動、入爐物料含水量變化、設備漏風、設備故障導致熔體熱損、煙氣含塵等都會給造銅終點判斷帶來困難。

造銅期煙氣中SO2濃度相對比較穩定，當接近造銅終點時，SO2濃度會急劇下降，因此通過監測煙氣SO2濃度變化對造銅終點起到很好的預判效果。造銅錘煉過程為強烈的物理化學反應，會伴隨大量反應熱，為維持爐溫穩定，過程中需不斷加入冷料進行平衡，當接近造銅終點時，反應放熱量下降并趨于穩定，對過程溫度的監測，有利于造銅終點的判斷。此外，造銅期是不斷耗氧的過程，吹煉過程中煙氣中O2濃度基保持穩定，接近造銅終點時，由于冰銅中S基本脫除，煙氣中O2濃度急劇上升，因此，煙氣中O2濃度的監測也是造銅終點判斷的重要依據。

2 集成技術的開發及應用

2.1 工藝控制優化

（1）控制冰銅品位。冰銅品位是影響爐壽的重要因素。冰銅品位低，渣量大，溫度高，吹煉時間延長，渣與耐火磚高溫條件下長時間接觸導致爐襯磚溶解嚴重。冰銅品位過高，發熱量低，高氧勢下環境下極易極易產生大量Fe3O4，增加渣粘度，渣含銅升高（反應如式12所示），此外，風眼容易被粘結，頻繁清風眼對風眼磚造成嚴重損壞。生產中嚴格控制冰銅品位在56～58%之間，保證發熱量的同時減少渣量，控制渣中SiO2含量在18～26%之間。

（2）還原造渣控制渣型。為了在吹煉造渣期獲得粘度低、流動性好的轉爐渣，從而降低渣含銅，造渣末期利用冰銅中FeS還原性最大限度還原渣中Fe3O4，具體反應如式（13）-（14）所示。實際生產操作中，首先造渣末期通過過吹來提高爐溫（1250℃左右），并加入足夠的造渣劑；再加入還原冰銅，吹煉5分鐘左右即可搖爐放渣；將爐子搖下后，停頓3～5分鐘，待爐內熔體熔體平靜不晃動后再緩慢放渣。

（3）控制爐溫和爐時。溫度是影響爐壽的關鍵因素。爐襯腐蝕主要由：機械沖刷、熱應力和化學腐蝕造成，而這三種作用的核心在于溫度。為了減小溫度過高對爐襯的損壞，吹煉過程中，確保爐溫波動在100℃以內，爐溫過高時可通過加冷料、調整用氧量控制。高溫吹煉過程中，爐襯與熔體接觸時間越長，熔體對爐襯侵蝕越明顯。嚴格控制吹煉一周期和二周期時間，嚴禁過吹現象發生，減小爐襯的侵蝕。此外，爐溫波動大會加劇熱應力作用，主要體現在烘爐和停吹階段。烘爐效果直接影響耐火材料的使用壽命，爐修后經合理的烘烤，磚與磚、磚與耐火填料之間的膨脹縫和結合部可充分結合，水分有效脫除，可有效提升耐火材料使用時間。根據生產實際研究，小修烘爐時間應控制在2天以上，大修烘爐時間應控制在4天以上，升溫曲線如圖2所示。停吹等料或放料時間過長也會導致爐溫波動大，生產過程中應嚴格控制節奏，協調好進料和放料，控制清理爐口時間在10～30min，避免長時間停吹導致爐溫過低。

圖2 轉爐小修和大修后烘爐升溫曲線

2.2 爐窯砌筑方式及耐材優化

（1）爐口整體澆筑技術開發。為提高爐口區域抗沖刷、擊打能力，減小爐口磚的損壞，在爐口砌筑時改變以往逐層耐火磚疊加砌筑的方法，將爐口用高強度復合澆注料澆鑄成型后再整體砌筑，如圖3所示。爐口預先澆鑄后在整體砌筑，解決了傳統砌筑時因耐火磚層間粘結松動導致耐火磚脫落的難題，提升爐口結構整體性，增加爐口區域抗沖擊能力，同時，爐口澆鑄時采用的新型材料強度高，有效降低爐口清理過程中的機械損傷。

圖3 爐口整體砌筑示意圖

（2）風眼磚結構優化及內管材料優選。受高壓風攪動影響，轉爐風眼區耐火磚受高溫溶體侵蝕較強，加之吹煉過程頻繁捅風眼會加速風眼磚的機械損壞，風眼磚壽命的高低是影響轉爐爐壽的關鍵因素。如圖4是風眼磚砌筑結構圖，可以看出，一方面風眼磚采用拼接方式砌筑，爐內風管端頭上方區域（圖4中1部位）因其整體性較差，極易被洗刷脫落，導致風管暴露，加速風眼磚的侵蝕；另一方面，風管耐高溫性、抗侵蝕性不強會加速風管消耗，使風眼磚失去內管保護，捅風眼時極易受機械損傷。結合風眼磚結構和砌筑特點，經過長期的生產實踐證明，適當增加風眼磚長度，可使圖4中1部位整體性增強，抗沖刷能力提升，并采用耐熱鋼或高合金鋼材質的內風管，極大地提升了風眼磚的使用壽命。

圖4 風眼磚結構示意圖

2.3 造銅終點智能判斷系統開發

對吹煉過程煙氣的檢測主要通過探測器、光譜儀、光源、取樣設備、冷卻原件和集成分析主機完成，利用氣體分子對紫外光的特征吸收光譜，通過差分吸收光普技術，實現煙氣成分的定性、定量監測（如圖5所示）。由圖可知，吹煉過程中SO2和O2濃度基本處于穩定狀態，當接近造銅終點時，SO2濃度曲線有明顯的下降劇變，而O2濃度也有急劇上升的變化。當SO2濃度高于1%，O2濃度低于80%，將導致欠吹；當SO2濃度達到1%以下，O2濃度達到80%以上時，基本達到大泡銅要求；當SO2濃達到0.5%以下O2濃度達到82%以上時，可達到火山銅要求，繼續吹煉將導致過吹。此外，溫度監測對終點判斷起到了很好的輔助作用。圖6是吹煉過程中鍋爐入口煙氣溫度的監測數據，從圖中可以看出，吹煉前期因持續反應放熱，煙氣溫度呈上升趨勢，通過冷料的加入可實現熱量的平衡，控制煙氣溫度在80℃以下，接近造銅終點時，煙氣溫度有明顯的下降趨勢，當溫度降低至60℃左右時，達到火山銅要求。

圖5 造銅期煙氣中SO2和O2濃度監測曲線

圖6 造銅期煙氣溫度變化曲線

通過對吹煉造銅期煙氣成分和溫度的在線監測，可以快速準確判斷爐內反應程度，指導冷料加入的時機和加入量，實現了轉爐吹煉造銅期過程的智能化控制和終點的智能化判斷，且搖爐次數由8次/爐降低至4次/爐，大大降低煙氣逸散帶來的環保風險和頻繁取樣觀察時存在安全風險。此外，為了避免粉塵對取樣濾芯的影響，本系統中對取樣裝置進行了優化，發明了一種具有反吹掃功能的取樣過濾器，如圖7所示，提高了濾芯的使用壽命和取樣判斷的準確性。

圖7 優化后的過濾器

3 應用結果

3.1 渣含銅降低

生產應用表明，通過還原造渣模式，轉爐渣型得到很好控制，渣中Fe3O4量較之前有明顯下降，渣含銅明顯下降，見表1。結合放渣過程的精細化操作，有效降低了轉爐吹煉過程因轉爐工藝特性造成的金屬損失。該生產工藝的實施，使轉爐渣含銅降低約25.7%。

表1 某爐次渣樣主要成分分析

3.2 爐壽提升

通過砌筑方式和耐材的優化，轉爐爐壽得到明顯提升。2018年提高轉爐爐壽優化措施實施以前，轉爐平均大修爐壽僅為1100爐，通過一系列的優化措施，轉爐爐壽爐口耐高溫、抗侵蝕、抗機械沖擊性能明顯提高，風眼磚使用壽也有明顯提升，這兩個轉爐易損部位性能的提升，使得轉爐爐壽逐年提高，大修爐壽已達1983爐，比優化措施實施前的歷史最優爐壽提高500余爐，有效減少耐火材料的消耗，降低轉爐吹煉生產成本，同時保證生產組織的穩定運行。

3.3 粗銅質量穩定

經過長期的多組元耦合仿真修正，在冰銅品位、入爐冷料量、送風量等存在波動時，采用該智判斷系統指導生產的粗銅品質均滿足生產指標要求，表2是隨機抽取由智能判斷系統指導生產的粗銅檢驗結果，從分析樣顯示，該判斷系統做出的判斷精確度可達92%以上粗銅品位均能保持在98.5%以上。

表2 粗銅樣品位

3.4 安全環保能力提升

工藝控制的優化和轉爐關鍵部位穩定性的提升，大大降低爐口拉槽、風眼堵死可能帶來的噴爐、漏銅等安全風險。智能終點判斷系統的應用，有效避免了因頻繁搖爐取樣判斷帶來的煙氣逸散，降低了轉爐吹煉存在的環保風險。

4 結論

通過優化工藝控制、改進爐窯砌筑方式、耐材優選及結構優化、造銅終點智能判斷系統研發形成了集安全、環保、高效、智能化于一體的銅冶煉轉爐工藝集成新技術，其應用效果非常明顯：

（1）采用控制冰銅品位、還原造渣、精細化放渣操作等優化控制措施，可有效降低轉爐渣含銅。

（2）通過改進爐窯砌筑方式、優化耐材選型使轉爐爐壽顯著提高，減少了耐火材料消耗，實現降本增效的目標，確保生產組織穩定。

（3）銅冶煉轉爐造銅終點智能判斷提高了轉爐吹煉的自動化控制水平及吹煉終點準確性，有效減少了產品質量波動。

（4）集工藝控制、爐壽提升和智能化于一體的銅冶煉轉爐吹煉技術具有明顯的安全、環保效益，為銅冶煉轉爐工藝的可持續發展奠定了基礎。