聯(lián)合精煉工藝的優(yōu)化

袁輔平

（大冶有色金屬集團控股有限公司 金生公司，湖北 黃石 435005）

聯(lián)合精煉工藝的優(yōu)化

袁輔平

（大冶有色金屬集團控股有限公司 金生公司，湖北 黃石 435005）

通過用豎爐進行熔化粗銅、紫雜銅等原料的試驗，實現(xiàn)了安全、高效、節(jié)能地處理低品位原料，增強了豎爐的原料適應(yīng)性。為縮短精煉爐的還原時間，試驗了通過調(diào)整豎爐內(nèi)燃燒氣氛、對銅液進行脫氧。探討了改進豎爐爐型結(jié)構(gòu)、還原豎爐銅液的技術(shù)思路。

有色金屬冶金；豎爐；熔化；精煉；煙囪效應(yīng)；還原氣氛

1 引言

國內(nèi)的再生銅生產(chǎn)企業(yè)，大多數(shù)采用一段法生產(chǎn)工藝，即：將粗銅、紫雜銅等原料加入精煉反射爐，依次進行“進料”、“熔化”、“氧化精煉”、“還原精煉”、“保溫（澆鑄）”作業(yè)，脫除雜質(zhì)，精煉成陽極銅。一段法工藝為間斷作業(yè)，生產(chǎn)效率較低。根據(jù)生產(chǎn)實踐，“進料”、“熔化”作業(yè)階段的作業(yè)時間占爐次爐時的50%，能耗為爐次能耗的60%。

2 聯(lián)合精煉工藝簡介

2.1 豎爐簡介

燃氣豎爐［1］如圖1所示，爐體為豎立的圓筒形，銅原料從頂部的加料口加入后，在爐膛內(nèi)堆積成6～7m高的圓柱狀料堆，稱為“料柱”。豎爐爐體的上段為預(yù)熱段，爐膛內(nèi)徑1800mm，將位于該段的料柱由常溫提高到800℃；下段為熔化段，爐膛內(nèi)徑從￠1800mm逐層收縮至￠1536mm，使料柱下部呈倒錐形；熔化段布設(shè)上、下兩排天然氣燒嘴（一般只用下排燒嘴），燒嘴圍繞圓周均勻分布，使料柱各個方向的銅料熔化速度基本同步，以維持料柱形狀的穩(wěn)定性。料柱下部倒錐與爐壁之間存在60～150mm寬的間隙，成為環(huán)繞料柱的銅液通道。豎爐爐底坡度為8°，銅料熔化后，銅液匯入銅液通道，從出銅口流出。燒嘴燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣，在煙囪效應(yīng)［2］的作用下，垂直上升，與料柱逆向換熱后從豎爐頂部排出。

2.2 聯(lián)合精煉工藝簡介

大冶有色金生公司現(xiàn)采用改進的一段法工藝——聯(lián)合精煉工藝，特點是單設(shè)一臺燃氣豎爐作為熔化爐，與精煉反射爐組成一個精煉系統(tǒng)。生產(chǎn)時，豎爐連續(xù)加入殘極原料并熔化成銅液，銅液經(jīng)保溫溜槽連續(xù)送入精煉反射爐；精煉反射爐不再進行“進料”、“熔化”作業(yè)，只需對銅液進行“氧化精煉”、“還原精煉”“、保溫”作業(yè)。聯(lián)合工藝同時進行3個作業(yè)：豎爐連續(xù)加料；銅料在豎爐內(nèi)連續(xù)熔化成銅液；精煉爐進行“氧化精煉”/“還原精煉”/“保溫”作業(yè)。聯(lián)合工藝的作業(yè)效率因而大幅提高，日產(chǎn)水平從傳統(tǒng)工藝的120t增加到450t；充分發(fā)揮了豎爐熱效率高的優(yōu)勢，能耗較傳統(tǒng)工藝降低50%。

圖1 豎爐結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 聯(lián)合精煉工藝生產(chǎn)情況及存在問題

由于豎爐只能處理含銅98.5%～99.0%以上的電解殘極，而殘極的供應(yīng)量有限，導致聯(lián)合精煉的開動率只有35%，亟需拓寬豎爐對原料的適應(yīng)性。低品位銅原料，只能采用傳統(tǒng)一段法工藝處理，存在如下突出的問題：

（1）加料作業(yè)熱損失大。精煉爐的加料區(qū)域位于爐膛的高溫區(qū)（溫度1200～1300℃），加料時頻繁開啟加料工作門，一是熱損失很大；二是溫度反復升降，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導致周邊的爐襯易損壞。豎爐則從頂部進料，該處溫度維持在120～150℃，相應(yīng)的熱損失小。

（2）爐次產(chǎn)量低。精煉爐的單爐次產(chǎn)量取決于加料量，加料量則取決于爐容量。聯(lián)合精煉工藝的特點是，單爐次產(chǎn)量可達配套的精煉爐的爐容的2倍。

（3）進料安全性差。紫雜銅打包后，運輸、存儲時若滲入水分，難以檢查，加入精煉爐前如未徹底干燥脫水，接觸高溫銅液就會“放炮”，傷及人員，甚至掀掉爐拱。加入豎爐的原料，會在預(yù)熱段停留1h以上，得以充分干燥，消除了安全隱患。

因此，不論是為了確保生產(chǎn)安全，還是為了增產(chǎn)節(jié)能，用豎爐處理低品位銅原料都是值得嘗試的。

3 聯(lián)合工藝的優(yōu)化及實踐

3.1 聯(lián)合工藝處理低品位銅的試驗

3.1.1 小粗銅試驗

初次試驗的原料為品位95%，單重60kg的條狀小粗銅?？紤]到小粗銅的雜質(zhì)含量高，熔化后爐渣數(shù)量較大。為避免爐渣滯留在豎爐的銅液通道中，影響正常作業(yè)，要求試驗時將豎爐燒嘴的總用氣量從正常生產(chǎn)的450m3/h增加到550m3/h，以加快粗銅的熔化速度，產(chǎn)生較大的銅液流量來帶走爐渣。

試驗開始后，豎爐出銅口處從負壓轉(zhuǎn)變?yōu)閺娏艺龎?，火焰大量外溢，作業(yè)環(huán)境極為惡劣。小粗銅加入豎爐后，布料范圍較大，在料柱頂部形成空隙很小的覆蓋層，料柱上方的溫度從試驗前的120～150℃降低至80℃。豎爐的熔化速度未按預(yù)想地增加，銅液流速反而從試驗前的18～20t/h下降到15～16t/h；銅液中帶走的爐渣量也很少。雖然立即用人工扒爐內(nèi)積渣，但由于料柱的阻礙，無法徹底扒渣。爐渣在銅液通道內(nèi)迅速堆積，試驗2h后在銅液通道內(nèi)形成渣壩，導致銅液大量滯留并倒灌入豎爐下排燒嘴，試驗被迫中止。

3.1.2 粗銅錠試驗

小粗銅試驗失敗的原因，分析認為一是品位低，渣量大；二是體積偏小，布料后形成覆蓋層，對煙氣的阻力增大，惡化了化料效果，增加了氣耗。第二次試驗于是改用品位98%、單重200～400kg/塊的粗銅錠，以減少熔化后的渣量，同時改善料柱的透氣性。

試驗開始后，豎爐出銅口處維持負壓，料柱頂部沒有出現(xiàn)覆蓋層，料柱上方的溫度反而增加到150～180℃，說明料柱的透氣性明顯改善。豎爐燒嘴的總用氣量控制為550m3/h，但豎爐的熔化速度沒有明顯變化，銅液流速與試驗前相同，為18～20t/h。銅液中帶走的爐渣量明顯增多，但爐渣在銅液通道內(nèi)的堆積速度仍很快。試驗6h后，爐渣在銅液通道形成渣壩，導致銅液大量滯留后倒灌入豎爐下排燒嘴，試驗再次中止。

經(jīng)過兩次熔化粗銅的試驗，得出結(jié)論是豎爐無法單獨處理粗銅，原因是：粗銅熔化時產(chǎn)生的大量爐渣，只有少量被銅液夾帶流走；而料柱的存在，導致無法用人工徹底地扒出爐渣。滯留在銅液通道中的爐渣，會越積越多，發(fā)展成渣壩，阻擋銅液流動。此外，原料的體積應(yīng)適當，否則會顯著增加氣耗：體積過小，布料后可能形成覆蓋層，阻礙煙氣流動，影響正常的化料作業(yè)；體積過大，料柱透氣性過大，熱損失大，銅料與煙氣的熱交換效果下降。

3.1.3 處理紫雜銅試驗

根據(jù)粗銅試驗的經(jīng)驗，為減少爐渣的影響，挑選出純度達99%、不含異物的紫雜銅。由于該紫雜銅為銅線、銅桿，為防止加料后在料柱頂部形成覆蓋層，預(yù)先用250KN的金屬打包機將其擠壓成600mm×600mm×800mm的銅包。

試驗開始后，豎爐燒嘴的總用氣量控制在450 m3/h，豎爐出銅口處出現(xiàn)強烈的正壓，火焰向外噴射；料柱的頂部沒有形成覆蓋層，但預(yù)熱段的料柱空隙極微小，料柱上方的溫度降低至60℃，說明料柱的透氣性比熔化小粗銅時更差。

豎爐熔化速度顯著加快，銅液流量表面上從試驗前18～20t/h提高到20～25t/h，但銅液中夾帶著大量未熔的紫雜銅。更嚴重的是，料柱下部的倒錐部分發(fā)生坍塌，不能維持正常的倒錐形狀。雖然當即將燒嘴的總用氣量減少到350m3/h，以降低熔化速度，試驗一個小時后，料柱的倒錐部分徹底消失，導致料柱懸空；維持半小時后，整個料柱垮塌下來，堵住出銅口，導致銅液無法流出，倒灌入豎爐下排燒嘴，試驗被迫中止。

分析試驗失敗的原因在于：相比粗銅，紫雜銅包的結(jié)構(gòu)疏松、承重能力弱，比表面積遠大于粗銅。在豎爐預(yù)熱段更充分地與高溫煙氣進行熱交換，迅速升溫甚至局部熔化（在豎爐預(yù)熱段爐襯發(fā)現(xiàn)凝固的紫雜銅液），造成銅包結(jié)構(gòu)膨脹、解體，影響透氣性；更惡劣的是，銅包解體后，承重能力進一步削弱，在料柱的重壓下，位于料柱倒錐部分的紫雜銅線尚未熔化，就從料柱上墜落到銅液中，破壞了料柱的形狀，最終導致料柱倒錐部分消失。

幾次試驗的結(jié)果表明，豎爐處理的低品位原料必須滿足三個基本要求：品位不能過低，確保銅液能將大部分爐渣帶出豎爐，不會在銅液通道內(nèi)形成渣壩。原料比表面積合理，既能充分與煙氣進行熱交換，以較快的速度熔化；布料后又不妨礙煙氣流動。形成的料柱自承重能力好，能維持穩(wěn)定的料柱結(jié)構(gòu)，尤其是倒錐部分必須始終保持完好。由于粗銅、紫雜銅的品位、比表面積、料柱自承重能力無法同時滿足以上三個基本要求，因而不能單獨進豎爐處理。聯(lián)合精煉的原料—殘極則同時符合三個要求，故豎爐能正常熔化殘極。

3.1.4 聯(lián)合工藝處理低品位銅試驗結(jié)果及改進

根據(jù)試驗結(jié)果，改進思路是：加料時以殘極為主、搭配其他低品位原料，形成滿足三個基本要求的混合原料，使豎爐能夠正常進行熔化作業(yè)。

將品位98%紫雜銅打包后，與殘極按1∶5的質(zhì)量比例搭配加入豎爐，燒嘴的總用氣量控制在500m3/h，出銅口處負壓減弱，但料柱上方的溫度維持120～150℃；豎爐熔化速度不變，銅液流量為18～20t/h。料柱沒有發(fā)生垮塌，銅液的流動順暢。進一步將紫雜銅包與殘極的比例提高到1∶4，豎爐作業(yè)依然運行正常。

后續(xù)的試驗中，將品位95%～96%的粗銅板（鑄造成陽極板的形狀）與殘極按1∶4的質(zhì)量比例加入豎爐，豎爐作業(yè)基本正常。搭配比例提高到1∶3后，爐壓、料柱透氣性依然正常；豎爐化料速度略有下降，銅液流量16～18t/h；但爐內(nèi)積渣速度明顯超過單獨處理殘極，每生產(chǎn)20～30天，豎爐需要停爐，清理爐膛內(nèi)的爐渣。

試驗的成功，表明只要配料時以殘極為主，豎爐可以處理低品位原料，實現(xiàn)正常運行。雖然沒有實現(xiàn)單獨處理低品位原料，但依然拓寬了豎爐對原料的適應(yīng)性，發(fā)揮豎爐熱效率高、連續(xù)加料、連續(xù)熔化的優(yōu)勢降低了綜合能耗。

3.2 豎爐銅液脫氧試驗

生產(chǎn)實踐中，豎爐熔化高純度的殘極、紫雜銅時，由于銅液中雜質(zhì)含量少，精煉爐內(nèi)無需氧化造渣，省去了氧化、扒渣作業(yè)，但仍需要較長的還原作業(yè)時間。由于豎爐的化料速度會顯著增加，若稍有延誤，未在精煉爐的液位達到上限前完成還原作業(yè)、并開始澆鑄，豎爐就必須停爐。豎爐停爐，既降低了開動率，也損害了豎爐的爐壽。

3.2.1 豎爐的還原氣氛試驗

在豎爐出銅口處對銅液取樣，發(fā)現(xiàn)銅樣表面的中心明顯下凹，為明顯的氧化樣。顯然，殘極、紫雜銅帶入的氧量是可以忽略不計的；而豎爐燒嘴的燃燒煙氣CO濃度在0～1%，呈弱還原性氣氛，說明燃燒煙氣中基本沒有富余的氧氣。分析認為，由于豎爐的形狀結(jié)構(gòu)特點，有較強的煙囪效應(yīng)，能經(jīng)出銅口外部吸入外界的空氣。豎爐內(nèi)銅液并不是被燃燒器的助燃空氣氧化，而是被從外界吸入的空氣氧化，進入保溫溜槽、精煉爐后還會進一步吸收氧氣［3］。

如果能減輕豎爐銅液的氧化深度，就能縮短精煉爐的還原時間，形成的技術(shù)改進思路是：使豎爐燒嘴天然氣適量過剩，使爐膛內(nèi)成為還原氣氛，避免銅液吸收氧氣。

試驗前，豎爐燒嘴風氣比均按10∶1控制，燃燒正常，火焰均為藍色、藍紫色，發(fā)出清晰的爆燃聲，料柱上有大量銅液滴落、甚至形成細流進入銅液通道。試驗開始后，維持風量不變，分別調(diào)節(jié)燒嘴的微調(diào)氣閥，增加天然氣量，把燒嘴風氣比調(diào)節(jié)到（9.33～9.42）∶1，豎爐燒嘴總氣量從試驗前的551～556Nm3/h，增加到612Nm3/h。燒嘴的火焰顏色都變得昏黃，燃燒聲音消失。料柱熔化速度大幅減慢，料柱上只有少量的銅液滴落，豎爐熔化速度從18～20t/h下降到1～2t/h。試驗開始后，15min在出銅口取樣一次，發(fā)現(xiàn)銅樣表面的中心依然下凹，氧化深度變淺，較試驗前略有改善，但仍為明顯的氧化樣。

后續(xù)進行的2次試驗，把燒嘴風氣比調(diào)節(jié)到（9.5～9.6）∶1，都只在一定程度上減輕了銅液的氧化程度，但熔化速度大幅下降，銅液流量＜3t/h，燒嘴天然氣消耗卻顯著增加，毫無經(jīng)濟性可言。

分析認為，豎爐燒嘴采用預(yù)混燃燒模式，風氣比按10∶1控制時，天然氣與燃燒風中氧氣充分混合，所以燃燒徹底、效率極高。試驗中降低燒嘴風氣比，使天然氣過剩，破壞正常的燃燒制度，無法正常燃燒，反而增加燃料消耗。

3.2.2 溜槽的脫氧還原試驗

為減少豎爐銅液在溜槽中吸收氧氣，在確保正常燃燒的前提下，減少保溫溜槽的燒嘴的空氣過剩系數(shù)。并嘗試在保溫溜槽對銅液進行還原，由于溜槽銅液深度只有50～150mm，無法插入還原管，只得采取插樹還原。但發(fā)現(xiàn)插入的樹木阻擋了溜槽燒嘴火焰，降低了銅液溫度，但溜槽出口的銅液樣的氧化程度并沒有明顯變化，脫氧、還原效果很不理想。

3.2.3 豎爐銅液還原的探討

試驗表明，減少豎爐銅液的氧化，單純控制燒嘴風氣比來是不可行的，可行的技術(shù)方向是對銅液進行還原。如果在現(xiàn)有的豎爐內(nèi)蓄積足夠多的銅液，理論上解決了還原的可行性問題，但無法解決銅液倒灌入下排燒嘴的問題。如果對豎爐進行改造，在爐底設(shè)置爐缸匯集銅液并還原，雖然可以解決銅液倒灌問題，但實質(zhì)上改造成了沖天爐［4-7］，走上了回頭路。豎爐是從沖天爐發(fā)展而來，但熱效率大幅提高，主要是因為：取消了爐缸，熔化的銅水不蓄積在爐內(nèi)。銅液在爐內(nèi)停留時間短，很難被提溫，向爐壁熱傳導也較少，熱損失少。

對于豎爐銅液脫氧這一難題，業(yè)內(nèi)給予了高度的關(guān)注，進行了很多積極的探討與嘗試，技術(shù)上比較可行的方案有常州東能公司開發(fā)中的廢銅豎爐，如圖2所示，該方案有兩個重要改進：一是熔化段的爐膛內(nèi)徑先縮小后放大，即大→小→大，由于熔化段的底部爐膛內(nèi)徑擴大，料柱的的倒錐部分與爐壁之間的銅液通道加寬了132mm，銅液流動更容

圖2 廢銅豎爐結(jié)構(gòu)示意圖

易保持暢通，有利于處理低品位原料。二是借鑒鼓風爐［8］，在出銅口處設(shè)保溫前床以蓄積銅液，進行插管還原；銅液與爐渣分層后可以扒渣。前床的存在，還減輕了豎爐的煙囪效應(yīng)，遏制了豎爐內(nèi)銅液吸收氧氣。該新型豎爐投產(chǎn)后，若能實現(xiàn)設(shè)計效果，將對聯(lián)合精煉工藝的原料適應(yīng)性、作業(yè)方式產(chǎn)生重大影響，充分發(fā)揮豎爐節(jié)能、高效的優(yōu)勢，有利于用聯(lián)合精煉工藝取代傳統(tǒng)的一段再生工藝，滿足國家、社會對環(huán)保、節(jié)能的需求。

4 結(jié)語

通過不斷地試驗并完善工藝，聯(lián)合精煉工藝實現(xiàn)了對低品位的原料的處理，增強了原料適應(yīng)性。通過爐型優(yōu)化改造，有望增加豎爐的脫氧能力，進一步實現(xiàn)對聯(lián)合精煉工藝的發(fā)展完善，將能更大程度地取代傳統(tǒng)一段再生工藝，對于再生銅生產(chǎn)的節(jié)能、環(huán)保有著重要意義。

［1］袁精華.熔銅豎爐的設(shè)計［J］.有色設(shè)備， 2007，126（3）： 19-23.

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［3］張玉杰.淺析燃氣豎爐在我國銅加工行業(yè)應(yīng)用前景［J］.有色金屬再生與利用， 2004（4）：8-9.

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［8］有色冶金爐設(shè)計手冊編委會.有色冶金爐設(shè)計手冊［M］.北京：冶金工業(yè)出版社， 2007：510-511.

Optimization on Joint Refining Process

YUAN Fu-ping
（Daye Nonferrous Metal Group Holding Co.， Ltd， Jinsheng Company， Huangshi 435005， Hubei， China）

By the experiment of melting blister copper and red impure copper in shaft furnace， low-grade material was safely and effectively processed and achieved energy-saving， the material adaptability was improved.In order to shorten the deoxidization time of refining furnace， copper liquid was deoxidized through adjusting burning gas composition inside shaft furnace.In this article， the technical thinking of the improvement on shaft furnace structure and copper liquid deoxidization was discussed.

nonferrous metallurgy；shaft furnace；melting；refining；stack effect；reducing atmosphere

TF806

A

1009-3842（2015）06-0044-04

2015-05-27

袁輔平（1977-），男，湖北黃石人，高級工程師，主要從事火法煉銅方面的技術(shù)管理工作。E-mail： yfpls@sina.com