近年來貴冶熔煉技術進步與發展

胡 展

（江西銅業集團公司貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

隨著世界經濟貿易的總體形勢， 江西銅業集團公司貴溪冶煉廠（以下簡稱“貴冶”）在“建成世界最好現代化煉銅工廠”發展的道路中，面臨著資源短缺、低能耗高資源利用率、環境約束進一步增強等一系列問題的挑戰，倒逼貴冶要自我加壓、不斷深挖內潛。為解決當前面臨的各種不利局勢，我們堅持以“技術創新、綠色冶煉、協同發展”的構筑體系為導向，構建出高效協同的作業管控模式，培育競爭新優勢，引領行業新發展，力爭建成核心指標、技術裝備、環境保護水平等領先的世界最好現代化煉銅工廠。

2 工藝簡介

貴冶熔煉車間現有2套生產系統，分別為2臺閃速爐、9臺轉爐、6臺陽極爐、1臺卡爾多爐以及其它相關配套設備。形成了年處理精礦量200多萬噸，年產陽極銅近80萬噸的生產規模。其主要生產工藝是將干燥后的精礦經中央精礦噴嘴與工藝風充分混合后噴入閃速爐，在反應塔內進行熱離解和氧化反應，得到的冰銅和爐渣在沉淀池內分離。閃速爐產出的冰銅通過吊車裝入轉爐吹煉成粗銅。卡爾多爐通過處理廢雜銅和低品位含銅物料產出粗銅。轉爐和卡爾多爐產出的粗銅進一步在陽極爐中精煉，最終通過圓盤澆鑄機澆鑄成能滿足電解工序要求的陽極板。閃速爐渣和轉爐渣一起運至渣選礦車間浮選處理，產出的渣精礦返閃速爐熔煉。閃速爐和轉爐產出的高溫二氧化硫煙氣經由各自的廢熱鍋爐降溫和電收塵器除塵后送往硫酸車間制酸。陽極爐及卡爾多爐產出的高溫工藝煙氣經廢熱鍋爐降溫（卡爐：水冷煙道冷卻）和布袋收塵除塵后，再經過有機胺脫硫裝置進行煙氣脫硫，二氧化硫尾排達標后排空。

3 近年來貴冶熔煉技術進步與發展

近年來，貴冶針對影響工廠技經指標、成本空間及安全環保等方面，通過積極探索與實踐，融合自主開發技術應用、智能裝備升級以及優化改造等創新手段，解決了諸多影響企業發展的瓶頸難題。以下重點從近年來貴冶熔煉技術進步的創新點及實施效果進行詳細闡述，主要技術創新內容包括有以下幾點：“一步法”拆除電爐、“貴冶式”精礦噴嘴、有機胺脫硫技術應用、自動捅風眼研發、極板轉運技術投入與應用、多氧燃燒技術開發與應用。

3.1 貴冶實施“一步法”拆除電爐

目前貴冶熔煉一系統閃速爐精礦噴嘴存在給料不穩定、布料不均勻，閃速爐反應塔水套冷卻強度不足[1]，沉淀池及上升煙道水冷結構形式不合理等問題。此外，采用電爐處理閃速爐渣，還存在能耗高、環境差及檢修維護費用高等缺點。為破解上述多重難點問題，貴冶主要是通過“一步法”拆除電爐、閃速爐沉淀池擴容改造、閃速爐爐體結構優化以及閃速爐給料方式優化改進等技術創新手段，以期達到節能降耗、減少維護檢修量、提高作業效率和降低生產成本的目的。

3.1.1 “一步法”拆除電爐主要創新內容

（1）通過閃速爐沉淀池擴容和給料系統的改造，實現了貧化電爐的一步拆除。在爐窯外框結構不變前提下，提高渣線擴大熔池面積，增大冰銅存儲空間，確保滿負荷生產條件下“三大爐”高效協同作業。

（2）“一步法”拆除電爐。充分運用現代先進施工設備和爆破技術，并聯合多專業協同實施工法，使拆除電爐僅耗時15天，創世界最短耗時紀錄，并開創了貴冶閃速爐爐窯系統改造的新局面。

（3）閃速爐爐窯結構模式優化。針對爐窯結構自主設計的“多種類型”水套結構、沉淀池拱頂吊掛弧形銅梁、爐體冷卻水系統優化以及上升煙道、事故煙道結構改進等自主創新成果，保障爐窯安全運行。

（4）自主創新閃速爐爐底磚的施工方法。采用爐底磚鉆孔檢測取樣技術、自主創新新老耐火磚錯縫疊加排列砌筑方法、閃速爐爐底磚各區域多維度、分層次局部選點拆除法等技術創新手段，逐步分析、判定各區域爐底磚消耗程度，不僅使爐底檢修面積減少到原有的十分之一，而且大幅降低了檢修時間和年修成本。

（5）給料系統優化改進。煙塵失重技術應用及控制優化、精礦失重給料系統及精礦噴嘴的優化改進、重新設計風動溜槽替代振動布料器等空白技術的植入，既保證系統的控制精度，又為系統適應高作業率、高穩定性提供強有力保證。

3.1.2 “一步法”拆除電爐實施效果

自貴冶實施“一步法”拆除電爐以來，該項目改造后電單耗大幅下降，僅電爐每小時消耗電量就由1496.57Kw/h下降為0，此一項即節約成本超660萬元。此外，創造了15天拆除電爐的最短時間記錄，以29天完成同行業60天才能完成的渣直排改造。

自項目改造后，1#閃速爐爐況更加穩定，不僅滿足了“三大爐”作業生產需求，圓滿地完成了企業各項生產任務，而且技經指標、環保水平等方面均得以大幅提升，進一步優化擴展了硫酸系統以及離子液脫硫系統能力空間，使得改造后的環保指標顆粒物、SO2的尾氣排放量分別減少了20.3t/a、81.4t/a。此外，改造后1#閃速爐平均作業率高達99.64%、日均BD值3451t/日（剔除2月份疫情影響），創歷史最好水平（見表1）。

3.2 “貴冶式”精礦噴嘴研發與成功投入使用

閃速冶煉核心裝備精礦噴嘴長期以來受制于國外技術封鎖，從早期的日本文丘里型精礦噴嘴到奧圖泰中央擴散噴射型精礦噴嘴均需要依靠國外進口，國內同行業也在不斷嘗試創新發展精礦噴嘴[2]，如祥光銅業脈動旋風型冶金噴嘴、金隆銅業雙旋流預混型冶金噴嘴，貴冶目前使用的是奧圖泰中央擴散噴射型精礦噴嘴，隨著原料來源日趨復雜，裝入量的不斷提升，該噴嘴逐漸出現了反應塔中物料與反應氣流之間的混合不均勻、反應塔底部出現生料、反應塔塔壁局部過熱、煙灰發生率高、上升煙道結瘤堵塞等問題，貴冶急需研發一套自主知識產權噴嘴。

表1 1#閃速爐改造前主要技經指標對比表（月平均值）

3.2.1 “貴冶式”精礦噴嘴主要創新內容

（1） 建立貴冶閃速爐熔煉過程數值仿真模型。通過工業實驗對數值仿真模型進行校驗，經與測試結果比較，數值仿真得到的氣相溫度誤差≤6%，能合理準確的反映氣粒兩相流動傳熱過程的特點（見圖1）。

（2）采用旋流式預混出風方式（見圖2）。貴冶式精礦噴嘴的旋流風能有效的帶到顆粒與工藝風向外擴張，有效的促進精礦和氣流混合，在高投料量的作業情況下，氧的利用率得以大幅提升；此外相較于CJD噴嘴，整體的高溫區域有所下移，煙塵發生率降低至4%以下。

（3）重新設計導流錐。相較于CDJ噴嘴，對顆粒分散作用增強，顆粒入射反應塔內的分散角度（見表2），有利于顆粒在爐內的適當角度，進一步降低煙塵發生率。

（4）增大旋流葉片尺寸。增加的旋流風有助于增大顆粒的分散，并且新型分散曲面有助于顆粒的適當分散，進一步提升氧的利用率。

（5）分散錐底部采用風冷底板設計，并增設中央氧通道。爐內氣、粒混合更加充分，反應更加完全，穩定了爐況，使煙塵發生率更低，保證了鍋爐系統穩定和排煙系統長周期生產；反應區域更加穩定，減少了對塔壁的沖刷，延長爐體使用壽命。

圖1 熔煉過程仿真氣粒分布狀況圖

圖2 貴冶式精礦噴嘴旋流式預混結構圖

表2 反應塔內中央氣柱、料錐分布直徑表

3.2.2 “貴冶式”精礦噴嘴實施效果

自“貴冶式”精礦噴嘴研發與成功投入使用，成功解決了反應塔中物料與反應氣流之間的混合不均勻、反應塔底部出現生料、反應塔塔壁局部過熱、煙灰發生率高、上升煙道結瘤堵塞等問題，使得精礦粒子著火性能更好，整體高溫區域有所下移，塔壁溫度波動大幅降低，煙灰發生率降至3%以下，反應噸礦氧消耗由139Nm3/t.礦降低至133Nm3/t.礦，O2利用率得到提升（見表3）。同時，鍋爐入口溫度降低，在一定程度上降低了鍋爐負荷。此外，該項成果還獲得兩項國家實用新型專利證書。

表3 2#閃速爐精礦噴嘴應用前后主要技經指標對比表（月平均值）

3.3 有機胺脫硫技術應用

隨著貴冶產能不斷提升，原活性焦工藝設計能力不足難以達到國家環保政策新要求，同時活性焦脫硫還存在易著火、維護難、揚塵大、現場環境差等缺點，不論從管理還是國家環保政策活性焦脫硫都難以達到要求。針對常規有機胺脫硫工藝[3]需要維護、值守和手動操作的區域，進行了一系列技術開發與應用，實現了無值守、免維護的新運行模式。

3.3.1 有機胺脫硫技術應用主要創新內容

（1）FF+CF環集煙氣凈化處理技術。其一，自動除酸霧脫濕技術的研發。利用石灰吸潮吸酸的特性，在環集煙氣進入布袋收塵器前采用負壓自吸式自動噴入石灰粉，達到中和環集煙氣中的酸霧，同時降低了環集煙氣中的水分含量。其二，布袋收塵消防噴吹技術的開發。利用氮氣阻燃的特性，將常規布袋除塵器中的空氣反吹改成氮氣反吹，并增加了氮氣消防設施，確保了布袋收塵系統的安全穩定運行。其三，高效噴淋凈化技術的應用。在環集煙氣進入脫硫塔前設計了高效噴淋凈化設施，即在入塔垂直段設兩層預洗滌順流噴嘴，快速噴淋降溫、除塵、除酸霧，減少酸霧進入脫硫塔吸收段。經過洗滌塔后煙氣溫度降至35℃左右，洗滌段出口酸霧及塵含量≤30mg/Nm3。

（2）開發一系列新技術，降低再生蒸汽消耗。其一，智能蒸汽減溫減壓控制技術。在蒸汽進入再沸器前和再沸器輸水結合開發了一整套全自動化的蒸汽減溫減壓控制系統，達到了在不同胺液流量下，蒸汽始終保持一個最優的溫度與壓力值，保證了胺液再生連續性，最大限度的提高再生效率減少了蒸汽的消耗。其二，再沸器循環方式優化。改變原有再沸器和再生塔的相對位置，使循環方式由虹吸式變為強制循環，極大的提高了再沸器的換熱效率，減少了蒸汽消耗。其三，開發脫硫液循環量自動控制模型。循環量模型根據煙氣量、出入口SO2濃度的變化自動調整循環量，在確保脫硫效率的前提下，實現循環量最低控制，減少蒸汽消耗。其四，改進再生塔SO2解析的方式。常規有機胺脫硫采用常壓再生解析方式，解析溫度為100度，我們利用硫酸一級動力波自身負壓，將胺液解析溫度降低至98度，再沸器內蒸汽與貧液換熱效率提高，減少蒸汽耗量。

（3）秉承無人值守、免維護設計理念，實現全自動化控制。其一，建立脫硫液循環量自動控制模型。開發脫硫液自動控制模型，自動采集環集煙氣流量、入口煙氣SO2濃度和出口尾排SO2濃度等參數，并自行進行計算，自動調節脫硫液循環量替代人為調節。其二，建立了自動配液模型，實現了自動配制脫硫液與輔助液的功能。自動配液模型根據系統需求自動配制系統所需的脫硫液和輔助液，替代了人工配液。其三，優化胺胺液循環方式，將溶液槽內脫鹽凈化后的胺液納入循環，降低了胺液中的硫酸根含量，提高了二氧化硫吸收效率。

3.3.2 有機胺脫硫技術應用實施效果

有機胺脫硫技術首次成功應用于FF+CF環集煙氣處理中，并大量開發和使用高效節能技術和自動化控制技術，實現了業內同等規模裝置中，運行成本最低，環保指標最優，日常維護量最小，且無人值守，在國內處于先進領先地位。其中，該裝置投入后煙氣排放濃度由原來的200mg/nm3左右降低到80mg/nm3以下，蒸汽使用量節約近1萬余噸（見圖3）。

圖3 有機胺脫硫改造指標對比圖

3.4 自動捅風眼機研發

在國內冶金行業，目前PS轉爐捅風眼均采用的是人工捅風眼操作，人員的作業環境差、勞動強度大、設備故障率高、生產效率低。結合現代可編程控制技術、伺服電機軸編碼器定位技術、傳感器技術、觸摸屏技術、網絡通信技術、攝像監控技術研發一款全自動的捅風眼機[4]（見圖4）替代現有的手動捅風眼機。

圖4 自動捅風眼機實物圖

3.4.1 自動捅風眼機研發主要創新內容

（1）自動風眼機利用PLC+可編程控制技術為自動捅風眼機建立了“聰明”的大腦、并能通過觸摸屏對相關參數進行調整及監控。

（2）捅風眼機的行走機構需要快速反應，且傳動精確，原手動捅風眼機使用的普通電機加鏈條傳動的方式已經滿足不了使用要求；本機使用伺服電機驅動減速機、減速機通過膜片聯軸器驅動小齒輪、小齒輪跟大齒條嚙合實現捅風眼機行走功能。

（3）為使鋼釬能準確捅入風眼，捅風眼機行走姿態必須平穩，本項目用方鋼制成緩沖墻，通過四個緩沖輪進行約束，保證了運行姿態平穩；并利用氣缸伸縮驅動鋼釬的前進后退動作，將風眼與原點的距離輸入系統，將伺服電機軸編碼器獲取的數據與設定值進行比對，計算行走的距離，實現行走距離精確控制。

（4）隨著爐磚的不斷消耗，捅釬深度要進行調整，利用超聲波傳感器技術檢測捅釬深度，實現對捅釬深度控制；隨著爐次的增加，壞風眼也會逐漸產生，將每臺轉爐的所有風眼在系統里進行編號，通過屏蔽壞風眼對應的編號，便可自動避開壞風眼進行作業。

（5）利用網絡通信技術實現PLC、觸摸屏、伺服驅動器的通信控制，并結合攝像監控技術實現捅風眼機全方位監控。

3.4.2 自動捅風眼機研發實施效果

自動捅風眼機的投入使用后，提高了設備穩定性，改善了員工的工作環境，降低了員工工作強度，提升了轉爐的部分技經指標（其中，轉爐平均爐齡由335爐次上升至375爐次，轉爐送風時率由76.09%上升至79.17%），為整個熔煉工序的“均衡、穩定、高效”生產起到非常好的橋梁作用（見圖5）。此外，自動捅風眼機研發在國內屬于首創，我廠掌握了核心競爭力，搶占了國內市場，已對外銷售自動捅風眼機近二十余臺，其中包括恒邦股份、銅陵有色、金川冶煉廠、五鑫銅業、云南滇中冶煉廠、易門冶煉廠。

3.5 極板轉運技術投入與應用

傳統極板運輸采用叉車叉運，既自動化還需多人員配合，質量檢測、產品質量追溯、倉儲、配料、上機，不僅人力成本大，人為操作故障率高，還存在安全隱患。通過極板轉運技術投入與應用[5]，結合智能化、數字化、信息化技術支持，實現極板轉運無人化操控模式，為工廠深度降本增效夯實基礎。

3.5.1 極板轉運主要技術創新內容

（1）貴冶熔煉生產的陽極板由智能工業機器手抓取，進行三維視覺外觀質量檢測，不合格進入修整機組，合格的陽極進行稱重、噴碼，最后由機器手堆疊成6塊，通過提升機送至地下環形RGV搬運設備中，運輸到電解車間陽極立體倉庫存儲。實現陽極板智能化轉運和倉儲。

（2）系統智能化配料，確保各種陽極均衡裝入電解系統，由AGV小車自動上機。電解產出的陰極銅經過三維視覺實時檢測，判斷陰極銅的質量是否合格與極板的錐度是否發生變化。機械手會把判斷后不合格的陰極銅進行單獨分類并經AGV送至立體倉庫單獨存儲。下線后的陰極銅、殘極經AGV送至陰極銅立體倉庫，進行稱重、打包貼標簽、自動入庫、自動出庫。

（3）通過實施自動化立體倉庫、多臺機械手協同、在線質量檢測、產品質量追溯、新物流裝備應用、工業大數據應用等措施，開展熔煉和電解智能車間的探索與實踐。使從熔煉到電解全物流環節更高效，更環保，更安全。利用互聯網技術，貫通上游環節（車間）、下游用戶，構建全局協同的優化、精準高效的信息物理系統，縮短了供應鏈。

3.5.2 極板轉運實施效果

極板轉運技術在世界銅冶煉行業首創，達到世界領先水平。極板轉運項目采用智能化的7臺RGV有軌制導搬運小車、15臺AGV自動引導運輸車、15臺智能工業機器人搬運系統，三維視覺檢測技術，自動化立體倉儲技術，實現陽極銅、陰極銅外觀質量智能檢測、分析和處理；陽極板從熔煉自動轉運至電解，進行立體倉儲、配料、上機；陰極銅自動下線、打包、稱重、貼標簽、入庫；大幅提高自動化水平，實現生產智能化、數據化、信息化的高度融合，提高生產穩定性，提升產品質量。其中，陽極爐物理規格合格率由98.4%上升至98.88%（見圖6）。此外，自極板轉運技術投入與應用以來，不僅可實現減員增效，而且人員勞動強度大幅下降。

3.6 多氧燃燒技術開發與應用

圖5 自動捅風眼機研發投入使用前后指標對比圖

圖6 極板轉運實施前后陽極板物理規格合格率

圖7 多氧燃燒技術數值仿真圖

陽極爐是火法煉銅的最后一道工序，負責將轉爐產出的粗銅精煉成的陽極銅（含銅99.2%以上）并澆鑄成陽極板，送電解工序進一步提純為陰極銅。整個陽極精煉過程分為進料升溫、氧化、還原、澆鑄四個程序。陽極爐爐內控制溫度高達1200℃，主要靠燃燒重油和天然氣升溫，重油和天然氣消耗量很大。作為國家“六五”期間成套引進的項目，日本東予冶煉廠既是貴冶的姊妹工廠，也是貴冶在技術上的老師。2015年在與日本東予冶煉廠做技術交流的時候，其陽極爐的各項能耗指標、產品質量等均大幅度優于貴冶。為對標國際一流企業，貴冶從技術進步和管理提升角度入手，以陽極精煉為“最后防線”，著力提升“三大爐”的運行效率，真正做到前后工序無縫銜接，在降低能耗的同時，提升產品質量，使得陽極爐取得歷史突破的“四變二”作業模式應運而生。

3.6.1 多氧燃燒技術主要創新內容

（1）多氧彌漫式燃燒技術。高速噴射的氧氣摻混煙氣后迅速擴散，成彌散狀態，氧氣與燃料的氧化反應在整個空間進行，爐膛內溫度趨于均勻分布狀態（見圖7）。多氧燃燒[6]冶煉新技術的工作原理與傳統的空氣助燃冶煉有本質上的不同，氧氣供應壓力0.5MPa，噴射速度設計為150～260m/s，氧氣從噴嘴中高速噴出，氧氣高速噴射產生的動能，卷吸周圍煙氣，使得氧氣與煙氣摻混，將氧氣稀釋后，燃料與爐氣混合后均勻分布在爐膛中彌漫性燃燒。彌漫性燃燒使得爐膛溫度分布均勻、燃料燃燒更加充分、煙氣量大大減少、燃料消耗量顯著降低。為了實現煙氣再循環摻混彌漫性燃燒，在多氧燃燒器設計時，我們采用逐級供氧，逐級摻混的燃燒方式，擴大了燃燒空間，降低了火焰燃燒強度，隨之降低了火焰溫度。多氧燃燒器利用一次氧和二次氧的供給方式，控制氧氣與燃料的交混點。爐膛內的燃料先與一次氧發生反應，形成根部火焰，未燃燒的燃料與二次氧逐級摻混并發生反應，從而形成逐級燃燒。多氧燃燒器的一次氧和二次氧噴口分別與燃料噴口的軸線成一定夾角，燃燒時著火點距離燒嘴磚30cm，火焰在爐膛內燃燒，有效解決了燒嘴磚和爐墻的燒蝕問題，延長了燒嘴磚的使用壽命。

（2）安全燃燒自動精準控制技術。安全燃燒自動精準控制技術，對燃料和氧氣可以實現在線實時精確配比，在保證充分燃燒的情況下，精確控制空燃比及爐內的氧化還原氣氛，為爐窯的加熱質量提供更可靠的保障。同時也為系統的安全燃燒提供了保證。多氧燃燒裝置由燒嘴磚、氧氣閥組閥組和燃料閥組構成，控制系統采用 PLC 作為系統解決方案，生產過程兩種主要物料燃料與氧氣物料配比采用雙閉環比值控制系統。經過生產實踐，采用雙閉環比值控制的多氧燃燒 PLC 控制系統運行穩定、安全可靠、自動化程度高，大幅降低操作工的勞動強度，降低燃料消耗，取得了顯著的節能效果和環保效果。多氧燃燒裝置中燃料與氧氣流量按一定比例設定進行控制，一次氧與二次氧流量按一定比例設定進行控制，通過改變一次氧壓力調節閥，燃料壓力調節，一次氧流量調節閥，二次氧流量調節閥，燃料流量調節閥使爐膛的火焰達到最佳燃燒效果（見圖8）。

3.6.2 多氧燃燒技術實施效果

自貴冶實施多氧燃燒技術以來, 節能減排效果顯著，節約燃料不低于55%，煙氣排放量減少70%左右，并解決了純氧助燃引起的爐膛溫度局部驟高、容易對窯爐造成燒損的問題，爐膛內溫度分布均勻，達到安全燃燒的效果。

圖8 多氧燃燒系統組成結構圖

圖9 多氧燃燒技術實施前后指標對比圖

（1）節能效果顯著。氧燃燒器與傳統空氣助燃燃燒器對比熱利用率大幅提升,在銅液每小時升溫帽度相同的情況下,改造后所需重油流不到改造前的1/2（見圖9）。特別是4#陽極爐噸重油單耗為52公斤,首次優于同等工況條件下日本東予冶煉廠保持的57公斤噸銅的世界最好水平,改造后,單臺陽極爐每年節約重油達2000噸,每噸重油按計劃價3600元噸計,每年單臺應用情況爐可節約成本720萬元。

（2）污染物排放量大幅減少。重油消耗大幅度減少，煙氣排放量二氧化碳同比例減少，特別是氮氧化物排放比改造前有大幅度的減少，減排效果非常顯著。

（3）自動化程度提高。多氧燃燒系統所有控制元件均在PLC上控制,并通過編制特定程序實現“一鍵點火”“一鍵熄火”，操作簡單、快速,自動化程度高，可避免因操作不當成氧、油供給不同步以及油槍吹掃蒸汽流量過大而冒黑煙的現象。

4 結語

貴冶堅持以“技術創新引領”為導向，持續拓展“技術創新、綠色冶煉、高質量發展”內涵，擔當“綠色發展樣板”的先行者，僅實現了技術、管控模式的高度集成以及全面優化升級，而且為公司內部冶煉廠和冶煉同行積淀了經驗，鞏固了貴冶銅冶煉行業領導者地位。