和鼎銅業一系統側吹爐升級改造實踐

〔摘 要〕詳細介紹了和鼎銅業側吹爐的升級改造過程及其效果。和鼎銅業一期項目采用側吹熔池熔煉工藝，該項目在三期技改過程中，對側吹爐的爐體結構、銅水套形式、煙道選型等方面進行了優化。改造后的側吹爐實現了各區域獨立檢修，提高了銅水套使用周期，避免了煙道積灰和結焦，顯著提升了冶煉產能和環保性能。研究結果表明，改造后的側吹爐處理量穩定，冰銅品位提高，運轉率和燃料率均優于原系統，為和鼎銅業帶來了顯著的經濟效益。

〔關鍵詞〕側吹爐;銅水套;煙道;一次風口;二次風

中圖分類號：TF811 " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）0６-0021-0４

Practice on Upgrading and Renovation of No. 1 System Side-Blown Furnace in Heding Copper

ZHANG Xiaoming

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract" The paper introduces the upgrading and renovation of Heding side-blown furnace and its effect in detail. Heding Copper's Phase 1 project adopts SBF bath smelting process. The project optimizes the SBF body structure， type of copper water jacket and flue duct selection in the Phase III technical renovation. The renovation has achieved independent maintenance in all SBF areas， improved the service life of copper water jacket， avoided ash accumulation and coking in the flue duct， and significantly improved smelting capacity and environmental performance. The research results show that the side-blown furnace has stable processing capacity after renovation， high matte grade， and better operating rate and fuel efficiency than the original system， which brings significant economic benefits to Heding Copper.

Keywords" side-blown furnace （SBF）; copper water jacket; flue duct; primary air tuyere; secondary air

1" "側吹爐概況

側吹爐是目前國內銅冶煉廠廣泛應用的銅火法熔煉爐型，具有投資小、作業率高、能耗低、高產能、原料適應性強、能有效解決低空污染、環保效果好等特點。其單系統建設規模從100 kt/a到300 kt/a都能適應。現有運行的側吹爐使用單位具體情況如表1所示。

浙江江銅富冶和鼎銅業有限公司是較早應用側吹熔煉技術的單位。該公司自2010年開始設計建造一期100 kt/a礦產電解銅項目，熔煉系統選擇了側吹熔煉工藝。2013年，側吹爐一次性點火試生產成功，經過一段時間生產運行，取得了較好的經濟技術指標，具體情況如表2所示。

2016年中國瑞林工程技術股份有限公司（以下簡稱“中國瑞林”）受和鼎銅業的委托，對側吹爐進行擴產改造，在該項目二期建設中對一期熔煉系統進行系統診斷，并針對一期側吹爐存在的問題進行優化設計。該技術改造項目已于2017年8月順利投產，擴產后的側吹爐生產能力達到150 kt/a礦產電解銅規模。改造后，該項目煙塵率僅為2%，渣含銅（渣中銅質量分數）在0.35%以下，作業率大于99%；富氧濃度（氧氣體積分數）穩定在80%以上，爐前氧氣壓力為110 kPa，燃料效率僅為2%～4%，精礦到粗銅的能耗（標準煤）為132 kg/t，與改造前相比能耗降低了約10%；爐體氣封性能好，溢散煙氣少，硫的捕集率可高達99%，滿足當前越來越嚴格的環保要求[1]。但在實際運行過程中，也存在一些問題，如檢修爐缸耐材時需要拆除上部水套及耐火材料，銅水套掛渣效果不穩定，部分區域耐火材料侵蝕嚴重，煙道部位存在黏結現象，影響煙氣暢通。

２０２３年，和鼎銅業針對上述問題，開展了三期技改，經過技術交流和方案比選，選擇采用中國瑞林提供的側吹爐設計方案。因廠房大小限制，綜合考慮水套布置問題，該方案放銅锍端順延擴建了400 mm，放渣口端順延擴建了600 mm，1＃側吹爐面積最終定為32.5 m2，比原有側吹爐的爐床面積（30 m2）增加了2.5 m2。爐床面積增加后，沉降區能夠給冰銅和渣提供更充足的沉降分離時間及空間，有利于降低渣含銅，進一步提高直收率。通過本次技術改造，側吹爐生產能力需達到195 kt/a礦產粗銅規模。

2" "和鼎銅業一系統側吹爐存在問題

2.1" 爐缸

側吹爐耐火材料和水套采用層疊式組合，從下往上分別是爐缸、爐中部、爐上部（見圖1）。檢修更換爐缸耐材時，需要將爐中部銅水套和爐上部耐材先拆除，砌筑時又需要從位于底部的爐缸開始逐步向上進行。這既增加了檢修時長，又容易造成耐材的浪費，部分完好的煙氣區耐材也只能拆除。

2.2" 爐中部

側吹爐端墻銅水套采用掛磚結構。每個爐期結束，掛磚基本消耗完，檢修時又需將掛磚孔逐個清理干凈，再重新掛磚，增加了許多檢修工作量。部分位置的耐火材料因長期工作在高溫環境下，容易被熔體沖刷、侵蝕。

2.3" 煙道

出爐煙道采用耐火材料砌筑，具有保溫效果好、耐沖刷的特點，在日常生產過程中基本無需維護。然而，在與鍋爐接口處，由于空間突然擴大，導致煙氣溫度和流速陡降，會有熔融物沉積在接口下部。同時，因耐火材料煙道保溫效果好，部分熔融物會順著煙道回流。為了避免熔融物造成大量黏結，需要維持較高的煙氣溫度，但這無形中增加了燃料的消耗。側吹爐煙道與本體采用變徑連接，極大地影響了煙氣的流動，且此處也容易發生煙道黏結現象。兩種結渣的典型成分見表3。

3" "側吹爐升級改造措施

3.1" 爐體結構改進

側吹爐爐體包括爐缸、爐中部、爐上部3個部分，由于接觸介質的不同，各部分對應使用不同的材料。爐缸區使用耐沖刷的電熔鎂鉻磚，爐中部使用換熱效率高的銅水套，爐上部則使用半再結合鎂鉻磚。傳統的支撐方式是：煙氣區的鎂鉻磚疊放在銅水套上，銅水套壓在爐缸的耐火材料上，整個爐體的重量最終落在爐基礎上。這種結構能滿足整體穩定性要求，但不利于后期的檢修。

為了能夠實現爐缸區耐火材料的單獨檢修，技術人員利用三維軟件進行設計，將爐上部耐火材料和爐中部銅水套的荷載轉移到爐體的鋼結構立柱上。這樣，水套的安裝與耐火磚的砌筑就相互獨立，互不干擾，既保證了受力的獨立性，又縮短了大修和冷修的時間[2]。同時，技術人員還重新設計了部分耐火材料，使其直接支撐在鋼結構上，進一步轉移了各區域的受力，解決了原有的難題。爐體3個部分可以獨立檢修，在不動水套及爐上部耐材的情況下，直接對爐缸區耐材進行更換，大大節省了檢修時間和檢修工作量（見圖2）。

3.2" 銅水套優化

將爐身端墻水套改為嵌磚式設計，即將耐火材料插在銅水套齒內，使其不易掉落。這既避免了高溫熔體直接沖刷銅水套，又使銅水套能通過冷卻換熱對耐火材料起到保護作用，從而大大延長了使用周期，耐火材料經歷兩次檢修都無需更換。此外，在易損耗的耐火材料區域，還增設了夾層水套，其結構簡單且安全可靠。

3.3" 煙道優化

二期技改時，中國瑞林與和鼎銅業就組織人員論證過多種煙道方案，并實地走訪考察了多家單位，最終選擇鍋爐上升煙道直接與爐頂結合的方式。這種方式利用鍋爐膜式壁強制換熱的特點使熔融物凝固，在定時振打的作用下結渣自然脫落。為了避免煙道積灰，技術人員將斜煙道改為直煙道。改造后，煙道完全滿足生產要求，日常只需清理下降煙道沉灰室內的積灰即可。

在年度檢修時，技術人員對上升煙道內的結焦進行了一次性徹底清理，并將清理下的結焦物返回系統進行處理。本次三期技改使產能提高了30%，煙氣量也相應地有所增加。為了使煙道適應提產后的煙氣流速，對側吹爐本體出煙口尺寸進行了調整，由原先的3 800 mm×2 800 mm擴大到4 060 mm×4 086 mm。同時，上部煙道的直徑也由3 800 mm增加至4 060 mm。優化設計后，爐本體與煙道的連接變得更加平順，不僅有利于煙氣的順暢流動，還能有效防止因通道變窄而形成結焦支撐點。此外，對煙道與鍋爐的連接處尺寸也進行了調整，由3 800 mm×4 600 mm調整為4 060 mm×5 200 mm，進一步增大了煙氣過流的截面面積，確保煙氣流速能夠穩定在一個合理的范圍內，從而使生產過程更加平穩有序。

3.4" 一次風口設計

在爐中部相對的兩側壁上，沿水平方向間隔設置若干個一次風口。相鄰的一次風口間隔為600 mm，每個風口的橫截面直徑為38 mm，且一次風口與爐缸頂部之間的距離不小于400 mm。這些風口貫穿爐中部側壁及風口水套，爐墻則圍合形成煙氣區。與現有技術相比，本次技改通過設置排列更緊密且風口面積更大的一次風口（相鄰風口間隔調整為400 mm，風口直徑增加至42 mm），有效增加了工藝風的送風量。在確保一次風富氧濃度、入爐銅精礦的S/Cu質量比和冰銅品位基本不變的前提下，提高了爐內一次風氧量和投礦量。在熔煉過程中，由于物料自身反應熱增加，焦炭和粉煤的用量會隨之減少[3]，從而大幅提升了側吹熔煉裝置的單位體積處理能力，提高了冶煉產能。

3.5" 二次風設計

側吹爐送入二次風的主要目的是促進熔煉過程中產生的單體硫充分燃燒形成SO2，抑制單體硫的析出，并減少燃料燃燒產生的煙氣中CO的含量。同時，保證煙氣中的O2含量，使富氧側吹爐熔煉過程中排放的煙氣成分符合硫酸系統的工藝要求，確保硫酸系統正常生產的連續性[4]。二次風利用傾轉溜槽和冰銅包煙罩的環集煙氣，省去了二次風鼓風機的使用，顯著降低了脫硫裝置的煙氣處理量，并有效利用了部分環集煙氣中的SO2制酸，降低了設備成本和能耗，經濟效益顯著。

3.6" 放銅口設計

側吹爐一端設有排放爐渣的渣口，另一端則設有排放銅锍的銅锍口。原有銅锍口為傾斜45 °的虹吸口，本次優化設計將其傾斜角度調整為30 °。由于提產后投料量增加，經計算，將銅锍排放口的截面擴大至300 mm×300 mm，以確保銅锍排放作業更加平穩，避免冰銅流量波動導致的爐況不穩定和控制難度大等問題。此外，銅锍排放端采用臺階式設計，減少了耐火材料的使用量，降低了成本。

3.7" 爐頂加料口設計

爐料通過爐頂的加料口連續加入熔煉區，在鼓入氣流的攪拌下迅速熔入以爐渣為主的熔體中。原設計爐頂設有3個加料口，其中2個通過爐頂膠帶給料機上的犁式卸料器（單側）分配物料，剩余1個則由膠帶給料機的頭輪給料。在本次改造中，為了更均勻地將混合物料分散加入爐內反應區，提高熔煉強度、防止下生料并提高生產效率，技術人員綜合考慮了整體布局，將爐頂加料口增加至4個，且新設計的加料口間距均為1 400 mm（原間距為1 950 ～2 400 mm）。其中，3個加料口采用犁式卸料器（單側）加入，另1個采用膠帶的頭輪加入。犁式卸料器設計保持不變，通過依次刮取不同寬度的物料，實現物料均勻分配至各加料口中。

3.8" 爐體循環水系統設計

側吹爐爐體循環水系統是保證熔煉爐安全運行的關鍵環節。它負責及時為爐體散熱，滿足爐體局部掛渣的需要，從而延長爐子使用壽命。根據中華人民共和國應急管理部令第10號《工貿企業重大事故隱患判定標準》的要求，熔融金屬冶煉爐窯的閉路循環水冷元件必須設置出水溫度、進出水流量差的監測報警裝置。針對這一要求，技術人員對側吹熔煉爐的不同部位采用了針對性的設計：熔煉爐循環水總供水總管道上設置了流量、壓力和溫度測點；爐頂供水集水箱與供水總管間的支總管上設置了壓力和流量測點，爐頂供水集水箱至爐頂水套的每個支管道上均設置控制閥門，且每個回水支管均設置了溫度測點；上升煙道區域的循環水管路設計與爐頂區設計相同；熔體區的爐膛供水集水箱與供水總管間的支總管上同樣設置了壓力和流量測點，每個支管道上均設有控制閥門和流量測點，每個回水支管均設置了溫度測點和流量測點，并根據進出口流量差值設置了監測報警功能。在上述基礎上，還在冰銅排放口水套的循環管路、各供水支管上增設了緊急切斷閥，以確保在出現異常情況時冰銅排放口處的生產操作安全。爐膛其他區域水套的循環水管道設計與爐頂區的要求一致。水冷溜槽分為未伸入爐內段和伸入爐內段（側加頂工藝）：未伸入爐內段的循環水設計與爐頂區、上升煙道區域的要求相同，而伸入爐內段的循環水設計則與爐膛熔煉區的設計要求一致。

4" "改進后的效果

改造后的新側吹爐已順利投產，并穩定運行了3個月，各項指標都優于原一系統。目前一系統側吹爐主要運行指標見表4。

5" "結論

銅熔池熔煉技術因其原料適應性強、生產效率高、煙塵排放少、渣含銅低等優點，在工業生產中得到了廣泛應用。隨著銅礦原礦品位下降、伴生礦增多以及雜質含量上升等現狀的加劇，預計熔池熔煉的優勢今后將進一步顯現[4-5]。側吹爐結構簡單、配置靈活、產能調節便捷，其技術進步的核心在于提升熔煉強度，以更低的投資和運行成本實現更高的單爐產能和更低的能耗。然而，提高冶煉強度也會帶來反應效率降低、爐體磨損加速等一系列挑戰。在此背景下，和鼎銅業與中國瑞林合作，成功對側吹爐進行了升級改造，通過提高富氧濃度、合理增設水套、優化爐體結構等技術措施，顯著提升了側吹爐的生產效率。未來，該廠針對側吹爐改進的目標將聚焦于提高自動化水平，降低勞動強度，運用數據實時采集系統實現生產過程的智能化，從而減少操作干擾，提升生產穩定性。作為具有自主知識產權的工藝，側吹熔煉技術在銅冶煉領域的應用前景廣闊。

參考文獻

[1] 張小明，劉旸，唐斌.和鼎側吹熔煉爐技術改造[J].有色冶金設計與研究，2019，40（3）：14-16.

[2] 黃文華，劉濤.側吹爐的應用現狀和發展前景[J].銅業工程，2017（3）：54-59.

[3] 簡錫明，張曉丹.側吹爐技術優化操作實踐[J].有色金屬（冶煉部分），2017（11）：9-13.

[4] 羅銀華，王志超.富邦富氧側吹熔池煉銅爐生產實踐[J].有色金屬（冶煉部分），2013（7）：19-22.

[5] 胡狀云.富氧側吹銅冶煉工藝控制系統的設計與應用[J].南方金屬，2023（4）：9-12.