多維協同優化高品位再生銅冶煉能耗的研究

中圖分類號：TF811 文獻標志碼：B 文章編號：1004-4345（2025）02-0020-05

Research on Multi-dimensional Collaborative Optimization of Energy Consumption in High-grade Recycled Copper Smelting

CHENG Guitao， XIANG Chao，LUO Bo， GUO Congfa， CHEN Heyin （Jiangxi Copper （Qingyuan） Corporation， Qingyuan， Guangdong ， China）

AbstractInresponse totheshortcomingsoflowautomationlevelandhighenergyconsumptionoffixedanodefurmaces，the thermal ffciencyinsidethefurnacecanbesystematicallimprovedandtheheatlossofsmeltingcanbereducedbyoptiizingthe structureofthefixedanodefuacebody（including masonymaterialsatfurnacebotom，heightoffuraceopeningandslagtapholes， heightof reflectingarch，positionandangleofbumer，etc.）andproductionprocesscontrol（includingliquidlevelmanagement， charging mode，andoxidationmethod）.Acomparativeexperimentwascarredoutfora3Otfixedanodefunaceinacertainplant， based on which it leads to a 15.0% reduction in heavy oil unit consumption and a 20.0% reduction in liquid oxygen unit consumption， verifying the effctivenessof this multidimensional optimization strategy.

Keywords anode furnace; secondary copper smelting; furnace structure; process control; thermal efficiency

目前，再生銅冶煉生產使用的爐型一般為固定式陽極爐或傾轉式陽極爐。固定式陽極爐以其投資小、原料適應性強被廣泛使用，但該爐型與傾轉式陽極爐相比，自動化水平不高，能源單耗偏高。現有文獻多聚焦于陽極爐燃料類型的優化（如摻氮還原1摻氧燃燒、多氧燃燒、稀氧燃燒4、摻氧氧化[）或操作模式的改進（智能冶煉優化作業模式、來料控制8]、降低出銅溫度原料搭配[），但對此爐型爐體結構與液位控制的協同優化研究不足。

陽極爐的熱量來源主要包括燃燒熱與反應熱燃燒熱由燃料燃燒提供，反應熱則源于再生銅冶煉過程中的金屬氧化（放熱）或還原（吸熱）過程。由于再生銅的品位高、雜質少，氧化造渣時間短，氧化反應的熱貢獻有限；而還原反應是個吸熱過程，應盡量縮短以減少熱量損失并降低還原劑單耗。以國內某廠 300t 固定式陽極爐為例，該陽極爐由于長寬比較大，設計有2個加料門。投產以來，該廠陽極爐重油能耗較高，本文基于該廠在用的2臺（原始砌筑尺寸一致）固定式陽極爐的進行改造對比試驗，利用1號爐大修期間實施改造，2號爐保持原樣，主要用于能耗對比。試驗以提升爐內熱利用率、降低冶煉能耗為目標，從優化固定式陽極爐爐體結構（爐底砌筑材料、爐門/渣口高度、反射拱高度、燃燒器位置）和生產工藝控制（液位控制、投料方式及氧化方式）入手，搭建一個系統性設計優化與工藝控制方案。

1爐體結構的優化

1.1爐底砌筑材料結構優化

某廠陽極爐底結構自下而上為鋼板（ 30mm^? ）、硅酸鋁纖維板（ 10mm. 、黏土磚（ 150mm ）、鎂鉻質搗打層（最低處 84mm ）、反拱磚 1（230mm） 及反拱磚2（380mm） ，見圖1。不同材料承擔不同作用：反拱磚1和反拱磚2主要用于抵御來自投料的機械撞擊和承受熔體高溫；搗打層主要用于防止熔體侵蝕及保溫；碳酸鋁纖維板主要用于吸收膨脹系數和保溫作用；黏土磚層則兼具保溫和定型功能。

根據熱力學原理，更緊密填充的材料具有更高的熱導率，而具有大量氣穴的材料熱傳導率更低。據研究，本爐型搗打層采用的是以鎂砂為主，輔以耐高溫水泥的混合耐火材料。該材料密度小，熱導率低，保溫性能優于黏土磚層。因此，本文擬將搗打層厚度由 84mm 增至 130mm （弧度保持不變），將黏土磚層厚度相應減少 46mm 。

具體改造對比試驗如下：2臺陽極爐（1號為改造爐，2號為原設計爐）配備同等質量、相同配比的物料，采用同樣的加料方式及冶煉操作方法，將銅水升溫至 后，密閉爐門與渣口進行保溫測試。每 30min 記錄1次爐內銅水溫度。2臺陽極爐的保溫曲線見圖2。

由圖2可知，1號爐搗打層增厚后，保溫性能得到顯著提升，其保溫曲線斜率明顯小于2號爐的，表明1號爐熱損失減少，澆筑期能耗降低。

1.2 爐口與渣口高度調整

該廠陽極爐的設計爐膛銅水液位高 881mm ，爐底反拱高度差為 301mm ，渣層厚度為 180mm 。渣層最高點比爐門下沿高 84mm ，最低點比爐門下沿高96mm ，見圖3。

由于渣層高度最高處可高出爐門口下沿約84mm ，通常需要在投完最后一批料后在爐門口加灌 150mm 澆筑料。然而，飛濺的銅水會在爐門處凝結形成冷銅，厚度超過 300mm ，須在澆筑期間加大燃料供應將其軟化，再通過叉車撬松。這項工作耗時很長 （30～60min ，甚至更長）不僅會增加澆筑期間的能耗，而且會導致爐子“空燒”，浪費能源。此外，爐門加高后還會導致風管插入深度不足，降低氧化/還原效率，延長反應時間，增加熱損失。

原設計渣口下沿高于渣層液位最低點，扒渣后期需人工“撈渣”，勞動強度大，效率低且耗時長。且由于渣口溫度高，扒渣時需適當提高爐內負壓，這意味著扒渣時間越長，爐內熱損失越大。

為了解決爐口與渣口的高度問題，一方面將爐口下沿高度增加 95mm ，使銅液位低于爐門下沿191mm ，以驗證銅水飛濺情況；另一方面，將渣口下沿高度下降 90mm ，使渣口下沿僅略高于渣層底部，以方便后續扒渣作業，縮短扒渣時間，同時可避免在渣銅結合位置扒渣。

對比試驗如下：兩臺陽極爐配備同等質量的相同物料，采用同樣的加料方式及冶煉操作方法，記錄氧化結束后爐門口的冷銅高度、扒渣時間及清理爐門口冷銅所需時間。兩臺陽極爐生產數據對比見圖4。為便于數據對比，1號陽極爐投料結束后前門下沿僅鋪一層約 10mm 厚澆筑料，后門下沿鋪 150mm 厚澆筑料；2號陽極爐則按常規，在前門和后門下沿均鋪 150mm 厚澆筑料。

由圖4可知，1號陽極爐爐門下沿加高 95mm 后，銅水液位在爐門口下沿以下約 191mm 處，相對安全；渣層高點則基本與爐門口下沿平齊。在冶煉過程中，1號爐前門口飛濺的冷銅量明顯減少，作業結束后可以很輕松地清理干凈；1號陽極爐后門的實際冷銅量較2號爐也大幅減少。而2號陽極爐不僅必須加高爐門口約 150mm 才能保證冶煉安全，而且需要額外補充重油，軟化冷銅，冷銅清理時間遠高于1號爐。而從渣口的扒渣效率看，1號爐渣層低位與渣口平齊，扒渣時只需要控制好渣口擋渣層的高度即可。扒渣前期，渣會自然流出，扒渣強度大大降低；扒渣后期的作業強度較2號爐也明顯降低，扒渣時間平均縮短了約 24min 。

1.3燃燒器位置與角度的優化

合理的燃燒器高度和角度，有利于平衡陽極爐溫度分布，提高熱利用率。研究表明，富氧燃燒的冶金爐內溫度分布并不是均勻的，隨著氧氣濃度的增加，爐內的最高溫度、平均溫度及煙氣出口溫度都呈上升趨勢，且高溫區集中于氧氣濃度較高的區域[2]

該陽極爐原設計的燃燒器高度為 ，距爐口下沿 ，燒嘴角度為 12^° ，燒嘴和氧槍間隔 180mm ，這意味著燃燒高溫區距熔體上方有約900mm ，距離較遠。若適當下移燃燒器可使高溫區更貼近熔體表面，增強輻射傳熱強度。然而，由于冶煉過程中需要向熔體內插入帶有氧化劑或還原劑的鋼管，若燃燒器過于貼近熔體，冶煉時會有高溫熔體飛濺，干擾氧氣的擴散路徑，導致氧氣在爐內分布不均勻，燃燒不完全，降低燃燒熱效率。嚴重時，飛濺的熔體還有可能堵塞燃燒器，導致結焦，減弱重油燃燒效率。因此，燃燒器的下移幅度需要謹慎控制。此外，燃燒器的角度設計也會影響爐內溫度場分布。燃燒器角度過大易致爐頭與爐尾溫差顯著，角度過小則會使高溫區后移，從而增加煙道熱損失[13]

為驗證燃燒器位置與角度的優化方案，本文進行了如下改造試驗：1）爐門口下沿高度增加 95mm 的同時，將燃燒器的高度降低 300mm ，使燃燒器與爐門口下沿的高度差調整至 414mm2 為研究燃燒器角度對能耗的影響，將燒嘴外徑由 δ72mm 縮至δ60mm ，燃燒器水套間隙增至 18mm 。3）先保持燒嘴角度（ 12^° ）不變，觀察工況并記錄，然后調整燒嘴角度至 6^° ，繼續觀察工況變化。

試驗證明，燃燒器高度降低后，在燒嘴角度保持12^° 不變的情況下，火焰射程縮短，導致爐前1/4區域物料熔化速率加快，爐尾3/4區域熔化困難。氧化作業時，隨著造渣反應的進行，液位逐漸上升，進一步縮短了燃燒器射程，導致爐尾物料熔化效率進一步降低。調整燒嘴角度至 6^° 后，可緩解此問題。燃燒器高度和角度調整后，1號爐和2號爐的數據對比見圖5。

為進一步研究燃燒器角度對冶煉能耗的影響，利用大修后的1號陽極爐，采用改造后的 δ60mm 小管徑燒嘴，通過在槍管上加焊不同厚度、不同位置的鐵板，不斷調試燃燒器角度，以期得到能耗最低、熱損失最小的角度。試驗數據見圖6。

由圖6可知，燃燒器角度在 8^°～9^° 時，能耗最優，角度過大 （gt;9^° ）會導致爐頭過熱，角度過小 （lt;8^°） 會加劇爐尾熱損失。

1.4爐尾反射拱高度優化

反射拱由7環遞減拱腳磚砌筑至爐尾，其作用是將爐內熱量反射至熔體，從而提高爐內熱效率作用。由于采用純氧燃燒會加劇爐頭與爐尾溫差，反射拱高度與液位差過大會進一步減少熱量反射效率，過小則易堵塞煙道或導致拱腳受渣侵蝕

原設計反射拱最低處距爐門下沿高約 300mm ，距液位最高點約 216mm 。煙道底部反射拱（ 460mm 寬）受煙氣沖刷嚴重，侵蝕后可能會引發結構松動，增加熱損失與安全隱患。為最大限度提升爐尾反射拱對熱量的反射回收效果，同時避免渣線波動侵蝕反射拱，減少投料飛濺損傷，將最下層反射拱腳磚高度由 降至 1200mm 。改造效果通過爐尾冷銅熔化情況進行評估。

評估結果證明，反射拱高度優化后，由于煙氣熱損失減少，爐尾回收熱量增加，投料能力顯著提升。單爐投料批次由1批增至2批，投料量由 35t 增至55t ，熔化效率提升 40% 。

2 生產工藝控制優化

2.1液位的精準控制

液位過高易導致爐門口溢銅，需通過加高爐門口的澆筑料進行預防，但此措施會導致冶煉時間延長并造成能源浪費。液位過低則會擴大高溫區與熔體之間的距離，降低熱效率，同時增大爐尾煙氣出口空間，導致反射熱量無法有效回收，進而增加熱損失。此外，液位異常還會加劇扒渣作業的難度，延長作業時間并進一步增加熱損失。

在陽極爐生產過程中，實現精準液位控制的核心在于確保入爐物料（輸入）與產出物料（輸出）的動態平衡。固定式陽極爐的入爐原料主要包括打包殘極和銅錠，輔以少量銅碎料。入爐前，所有原料需經過嚴格地稱重，其中銅錠由于轉運過程中需要用料架固定，稱重時需統一扣除料架質量。然而，料架規格很多，不同料架之間的質量偏差在 150kg 左右。根據技術人員對100批次物料的跟蹤統計發現，單批次物料過磅偏差接近 0.6t ，極端情況甚至超過1.0t 。每爐物料又分成4＼～5個批次，累計下來，誤差越來越大，最終導致爐內液位無法精準控制，給生產帶來諸多安全隱患。因此，本次改造試驗提出對料架逐個編號并過磅登記，做到精準去皮稱重，以確保入爐物料的稱量精度。每爐物料完全入爐，并對產出物料進行全程計量，以精確追蹤爐內銅物料變化。

試驗結果證明，優化人爐物料的稱重管理后，銅水液位較之前相對穩定和統一，避免了溢銅或扒渣困難的問題，間接降低了能耗。

2.2投料方式優化

傳統投料方式是本著充分利用爐內空間的原則，盡可能多地投人物料。這種方式未考慮到不同形狀或密度的銅料所需熔化熱量及其在不同溫度場下的熔化速率存在差異，導致爐內物料熔化不均，甚至出現油槍火焰被遮擋，油和氧難以充分有效接觸的情況，從而進一步影響熔化效果。若爐內各區域物料熔化差異過大，將影響投料節奏。因此，應優化投料方式，確保各區域物料熔化速度持同步，為連續投料創造有利條件。

基于銅物料熔化特性（低密度、多孔隙物料熔化速度快）及爐內溫度場分布特點（前端溫度高于尾部溫度），優化后的投料策略如下：1）空爐時，先墊殘極或碎料作為緩沖層，再投入銅錠，以避免銅錠直接沖擊爐底。2）由于該爐型有前后兩個加料門，結合爐內溫度場分布特點，針對首批投料時前后門的物料搭配問題進行優化研究。試驗對兩種投料方式進行了對比。（1）殘極鋪底后剩余殘極投前門，銅錠投后門。（2）殘極鋪底后剩余殘極投后門，銅錠投前門。結果表明，采用方式（1），首批投料完成后，由于前門的溫度高，投入的殘極已部分熔化，可補投少量銅錠，但后門溫度低，投入的銅錠尚未熔化，無法補投。采用方式（2），前門、后門物料熔化速率接近，均可繼續補投第2批料，但只有前門可投第3、4批料。這說明方式（2）的后門利用率更高，可多投一批料，且總投料時間縮短 2h 。改造前后投料相關數據對比見圖7。需要注意的是：投料時須嚴格控制前門至燃燒器位置的料位高度，以確保燃燒器端墻往火焰方向 2m 長度位置，料位不高于液位線，防止料位改變氧氣傳播方向，從而影響燃燒效率。

2.3局部低溫氧化

物料基本熔化后，需向爐內插入耐火材料包裹的鋼管并通入壓縮空氣進行氧化。傳統定點氧化方式是每更換1根氧化風管移動1次位置，直至氧化完全。該操作方式存在以下弊端：1）物料完全熔化后氧化耗時過長，增加能耗；2）氧化不均易導致終點誤判，需額外添加燃料改善銅水流動性；3）等待物料完全熔化的過程中，銅水溫度偏高，導致銅水內溶解氧濃度偏高（見表1），延長還原時間并增加熱損失。

針對上述問題，本次改造試驗提出采用局部低溫氧化優化：利用陽極爐前門區域溫度高、熔化快的特點，在前門物料局部熔化為液態時插入氧化風管，通過全方位移動風管提升氧化均勻性與效率。風管應遠離爐門以降低冷銅飛濺的風險，并及時清理少量結銅，避免清理難度增加。該優化措施可有效控制銅液中的氧含量，實現淺氧化作業，縮短還原時間。

改造后，氧化時間縮短約 ^1h ，氧化至還原階段能耗小幅下降，扒渣終點溫度穩定于 1150^°C 。重油單耗降低 6.88kg/t ，液氧單耗降低 21.51kg/t ，各階段能耗對比見表2。

3結論

精煉車間重油與液氧成本占生產變動成本的75% ，降低陽極爐能耗對成本控制至關重要。本研究從固定式陽極爐爐體結構（爐底砌筑材料、爐門/渣口高度、反射拱高度、燃燒器位置）和生產工藝控制（液位控制、投料方式及氧化方式）2大方向7個角度進行優化，結合冶金原理與工業試驗驗證，形成了一套系統性節能方案。改造后， 300t 固定式陽極爐重油單耗降低 6.88kg/t （降幅 15.0% ），液氧單耗降低 21.51kg/t （降幅 21.5% ）。以年產 120kt 陽極銅測算，年可節約重油 825.6t， 液氧 2581.2t ，經濟效益約500萬元。

本方案適用于采用富氧燃燒技術且配備雙加料門的大型固定式或傾轉式陽極爐（如 150t 以上爐型），通過改善爐內溫度場分布與熱傳遞效率實現節能。需注意的是，能耗降低可能導致煙氣余熱回收的效率下降，因此余熱回收系統也應一并配套改造優化[15]。后續研究可拓展至智能液位控制與氧燃比動態調節，以進一步提升能效。

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