大型再生銅反射爐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究

陳興發(fā)，戚 平，連華林

（1.東江環(huán)保股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.廣西防城港滬港金屬有限公司，廣西 防城港 538004）

我國(guó)是世界銅消費(fèi)第一大國(guó)，相對(duì)于銅產(chǎn)能，我國(guó)銅精礦自給能力僅為30%左右。銅資源嚴(yán)重不足將是制約我國(guó)銅冶煉工業(yè)發(fā)展的主要因素之一，廢雜銅冶煉成為彌補(bǔ)銅精礦產(chǎn)能不足的重要途徑[1,2]。

1 再生銅冶煉主要設(shè)備及優(yōu)缺點(diǎn)

用于火法精煉再生的原料主要有以下幾種：

①鼓風(fēng)爐還原熔煉高鋅雜銅和精煉爐渣產(chǎn)出的黑銅；②轉(zhuǎn)爐吹煉高鉛、錫雜銅產(chǎn)生的次粗銅；③含銅92%～98.5%的漆包線(xiàn)、電線(xiàn)電纜、電器含銅原件等廢雜銅；④電解車(chē)間的返回品殘極、海綿銅等。用于再生銅火法精煉的主要設(shè)備有：固定式反射爐、回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐、傾動(dòng)爐、卡爾多爐等，幾種精煉爐各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 固定式反射爐

優(yōu)點(diǎn)：①建設(shè)周期短，投資省，見(jiàn)效快。②原料適應(yīng)性強(qiáng)，可處理含銅品位80%～98.5%的各類(lèi)黑銅、次粗銅、廢雜銅。③操作簡(jiǎn)單，各階段操作容易實(shí)現(xiàn)按要求控制。④精煉渣含銅低，約在15%左右。⑤兩加料口，加料方便，布料均勻。

缺點(diǎn)：①熱效率較低。②機(jī)械化程度不高，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。③作業(yè)環(huán)境相對(duì)較差。

1.2 回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐

優(yōu)點(diǎn)：①爐子密閉性好，熱效率高。②機(jī)械化程度高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度小。③作業(yè)環(huán)境相對(duì)較好。

缺點(diǎn)：①單爐口加料，加料困難，冷料適應(yīng)性差。②對(duì)原料要求較高，處理低雜粗原料難度大，一般僅處理含銅98.5以上的礦粗銅。③渣含銅偏高，約30%～40%。④投資較大。

1.3 傾動(dòng)爐

優(yōu)點(diǎn)：①機(jī)械化程度高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度小。②爐體密閉性好，作業(yè)環(huán)境相對(duì)較好。③兩個(gè)加料口加料，加料方便，布料均勻。④爐內(nèi)傳熱好，熱效率高。

缺點(diǎn)：①渣含銅偏高，約30%～40%。②還原劑消耗較大。③爐體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備投資大，引進(jìn)費(fèi)用高。

近年來(lái)，固定式反射爐在機(jī)械化程度、環(huán)保除塵以及節(jié)能等方面得到了較大的發(fā)展，固定式反射爐以較寬泛的低雜粗原料適應(yīng)性、容易操作、低渣含銅、低投入等優(yōu)勢(shì)得到了大多數(shù)冶煉企業(yè)的認(rèn)可，目前，國(guó)內(nèi)大部分再生銅精煉企業(yè)所選工藝仍以固定式反射爐精煉為主流，固定式反射爐在作業(yè)環(huán)境、機(jī)械化程度、節(jié)能等方面仍有較大的空間可以挖掘，因此，對(duì)于固定式反射爐節(jié)能等關(guān)鍵技術(shù)的研究對(duì)于推動(dòng)再生銅精煉及銅工業(yè)發(fā)展具有重大的意義[3]。

2 傳統(tǒng)大型固定式反射爐現(xiàn)狀及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

固定式反射爐主要是對(duì)粗銅和再生銅進(jìn)行精煉操作，進(jìn)一步除掉銅中的有害雜質(zhì)，以滿(mǎn)足電解精煉對(duì)陽(yáng)極板化學(xué)成分的要求，火法精煉在固定式反射爐中進(jìn)行。火法精煉過(guò)程分加料熔化期、氧化期和還原期和保溫澆鑄期，氧化期往銅熔體中鼓入壓縮空氣，使其中的鉛、砷、銻、鉍等雜質(zhì)氧化與二氧化硅、氧化鈣等造渣進(jìn)入精煉渣中。氧化期結(jié)束后除掉浮在銅液上部氧化產(chǎn)生的精煉渣，接著進(jìn)入還原期，還原期是將氧化期銅液中產(chǎn)生的氧化亞銅還原成銅，還原期往銅液中加入碳基還原劑。反射爐產(chǎn)物有陽(yáng)極銅、精煉渣和煙氣。反射爐煙氣經(jīng)余熱鍋爐、換熱器和布袋收塵器除塵后，與環(huán)保通風(fēng)煙氣混合后經(jīng)環(huán)保煙囪排空。為了滿(mǎn)足電解精煉對(duì)陽(yáng)極板的物理性能要求，火法精煉產(chǎn)出的銅液在圓盤(pán)澆鑄機(jī)鑄模中澆鑄成陽(yáng)極板。

圖1 冷態(tài)雜銅反射爐精煉工藝流程圖

國(guó)內(nèi)以再生銅為原料的固定式反射爐占再生銅精煉產(chǎn)能的90%以上，中小企業(yè)居多[4-6]。這些中小企業(yè)所選用的固定式反射爐產(chǎn)能基本是單爐精煉銅60t、80t、100t三種規(guī)格，由于企業(yè)自身經(jīng)濟(jì)、技術(shù)力量限制，這些企業(yè)的固定式反射爐呈現(xiàn)出：

①單爐產(chǎn)能低，動(dòng)力、人工、管理成本較高；②機(jī)械化程度低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大；③環(huán)保設(shè)施投入不足，作業(yè)環(huán)境惡劣等缺陷，這一些列的問(wèn)題對(duì)再生銅回收、安全、環(huán)保、規(guī)范化生產(chǎn)帶來(lái)了諸多不利因素。

近年來(lái)，為規(guī)范再生銅的回收、提高再生銅利用效率、降低再生銅精煉成本、降低再生銅冶煉帶來(lái)的環(huán)保影響，江西銅業(yè)、云南銅業(yè)、廣西有色等大型國(guó)有企業(yè)紛紛在各地投資建設(shè)再生銅冶煉基地，固定式反射爐均朝著大型化、機(jī)械化、節(jié)能環(huán)保三大方面發(fā)展。

但由于對(duì)大型反射爐結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條件等方面經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足，各家所建成的大型反射爐在能耗方面遠(yuǎn)低于期望。筆者現(xiàn)以江西銅業(yè)集團(tuán)清遠(yuǎn)市分公司（清遠(yuǎn)江銅長(zhǎng)盈銅業(yè)有限公司），云南銅業(yè)集團(tuán)清遠(yuǎn)分公司（廣東清遠(yuǎn)云銅有色金屬有限公司）兩家企業(yè)240噸固定式反射爐和幾家60t產(chǎn)能的固定式反射爐各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比來(lái)闡述現(xiàn)有大型固定式反射爐存在的問(wèn)題。

表1 傳統(tǒng)大型反射爐與小型反射爐各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

上表數(shù)據(jù)江銅長(zhǎng)盈和清遠(yuǎn)云銅240噸/單爐大型固定式反射爐各主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比80噸/單爐的小型固定式反射爐均存在較大的差距。

3 傳統(tǒng)大型固定式反射爐存在的問(wèn)題

對(duì)比分析，小型雜銅反射爐在技術(shù)指標(biāo)較大型雜銅反射爐均有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)。反射爐熔煉技術(shù)指標(biāo)影響因素是多方面的，本文針對(duì)爐型結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行研究，通過(guò)筆者四年多的生產(chǎn)實(shí)踐和調(diào)研分析，大型雜銅反射爐結(jié)構(gòu)方面存在待優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

表2 傳統(tǒng)大型固定式反射爐與小型固定式反射爐結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比分析

結(jié)合傳統(tǒng)大型固定式反射爐與小型反射爐結(jié)構(gòu)差異及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)差異對(duì)比，通過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及理論分析，筆者對(duì)傳統(tǒng)大型反射爐在結(jié)構(gòu)方面存在的問(wèn)題總結(jié)如下：

（1）長(zhǎng)寬比取值過(guò)大，爐長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，重油燃燒器火焰覆蓋面積為靠近燃燒器位置4.5米范圍，這個(gè)區(qū)間爐膛溫度高，物料熔化速度快，隨著溫度場(chǎng)延4.5米至爐尾位置分布，溫度逐漸下降，物料熔化速度減慢，這種延爐長(zhǎng)方向物料熔化速度的差異導(dǎo)致熔化周期拉長(zhǎng)，油耗大幅增加。

（2）反射爐下壓爐頂有利于高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)卷吸，增加煙氣停留時(shí)間，下壓爐頂高度取值過(guò)大，導(dǎo)致大量高溫?zé)煔饪焖購(gòu)臒煹懒魇?，這也是造成大型反射爐能耗過(guò)高的原因。

（3）熔池深度取值過(guò)大，反射爐加熱爐料主要依靠輻射間接傳熱至熔體表面，熱量再由熔體表面向內(nèi)進(jìn)行傳遞，氧化過(guò)程亦如此，深度過(guò)深對(duì)于熔體熔化和氧化都帶來(lái)較大的難度，為實(shí)現(xiàn)熔體熔化必須延長(zhǎng)熔化周期以及氧化時(shí)間，從而導(dǎo)致了重油單耗及還原劑單耗、渣含銅升高等聯(lián)鎖反應(yīng)。

（4）由于爐頭、爐尾熔化速度的不均勻性，為強(qiáng)化熔池內(nèi)熱傳遞，常使用吹氧作業(yè)進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)，強(qiáng)化熱傳遞的過(guò)程同時(shí)也導(dǎo)致Cu氧化深度過(guò)大,這既是造成還原劑單耗增加的因素也是造成爐渣含銅過(guò)高的主要因素。

（5）溜槽長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，在進(jìn)行銅水澆鑄過(guò)程中溜槽散熱損失較大，為確保銅水溫度滿(mǎn)足澆鑄要求，澆鑄過(guò)程必須燃燒重油彌補(bǔ)散熱損失。

表3 傳統(tǒng)大型固定式反射爐與小型固定式反射爐各生產(chǎn)周期耗時(shí)對(duì)比對(duì)比分析

從生產(chǎn)周期來(lái)看，傳統(tǒng)大型反射爐單爐作業(yè)時(shí)間比小型固定式反射爐長(zhǎng)很多，具體差異主要集中于加料與熔化階段，尤其是熔化速度差異更加明顯。

華清天恒和廣州翔俊兩家80噸/單爐小型固定式反射爐對(duì)比大型固定式反射爐主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）爐長(zhǎng)6.6m，重油燃燒火焰基本可以完全覆蓋整個(gè)爐膛，爐頭、爐尾物料熔化速度均衡，熔化時(shí)間短，油耗低。

（2）物料熔化速度快，也間接縮短了吹氧強(qiáng)制熱交換的時(shí)間，銅水氧化深度滿(mǎn)足除雜要求即可，后期還原劑單耗，精煉渣含銅品位自然也得到較大的優(yōu)化。

（3）熔池深度淺，熔體間熱交換快，熔化爐時(shí)和強(qiáng)制吹氧熔化時(shí)間短，還原劑單耗低，渣含銅低。

（4）中部排渣排銅，溜槽短，澆鑄過(guò)程延溜槽熱損失少。

4 新型大型固定式反射爐創(chuàng)新點(diǎn)

（1）在爐尾增設(shè)重油燃燒裝置，由爐頭供熱改為爐頭爐尾同時(shí)供熱，確保高溫火焰能基本覆蓋整個(gè)爐膛，消除爐頭、爐尾物料熔化速度不均衡帶來(lái)的不利影響。

（2）由爐尾排煙改為中部排煙。

（3）延爐長(zhǎng)方向，以爐子中心為基準(zhǔn)，左右對(duì)稱(chēng)布置下壓爐頂，確保高溫?zé)煔庠跔t膛內(nèi)停留時(shí)間。

（4）支撐中央煙道及兩下壓爐頂立柱均采用水冷循環(huán)立柱，并在水冷立柱內(nèi)側(cè)砌筑耐火材料。

（5）延爐長(zhǎng)方向，以爐子中心為基線(xiàn)，在渣線(xiàn)位置敷設(shè)排渣孔。

（6）以爐子中心線(xiàn)為基線(xiàn)，兩出銅口近可能向中部靠攏。

（7）將兩出銅口爐墻厚度由860mm加厚至1160mm。

（8）將熔池深度由0.85m改為0.64m,力求縮短銅水熱交換時(shí)間，降低氧化深度，以達(dá)到降低熔化時(shí)間和降低渣含銅的目的。

（9）將原普通空氣助燃風(fēng)采用換熱器與煙氣進(jìn)行換熱，力求燃燒用空氣溫度≥200℃，以提高熱利用率。

（10）在出渣溜槽位置設(shè)置重金屬沉降鍋，以達(dá)到減少渣中機(jī)械損失的目的。

5 新型大型固定式反射爐綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

對(duì)傳統(tǒng)大型固定式反射爐結(jié)構(gòu)的改動(dòng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)二個(gè)月的生產(chǎn)實(shí)踐證明，改動(dòng)后的新型固定式反射爐各經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均得到較大的提升，體現(xiàn)在生產(chǎn)成本上優(yōu)勢(shì)明顯。以下是傳統(tǒng)大型爐與新型爐各經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。

表4 傳統(tǒng)大型固定式反射爐與新型大型固定反射爐綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

6 新型大型固定式反射爐亟待經(jīng)濟(jì)的技術(shù)問(wèn)題

雖然改動(dòng)后的新型固定式反射爐各經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)均得到較大的提升，但仍存在一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題亟待進(jìn)一步研究解決，具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

①由于煙道由尾部改動(dòng)至中部，中部左右兩側(cè)對(duì)稱(chēng)下壓爐頂容易出現(xiàn)變形垮塌，在開(kāi)爐后兩個(gè)月下壓爐頂垮塌導(dǎo)致生產(chǎn)無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行。②煙道支撐及水平煙道高溫受高溫氣體的侵蝕導(dǎo)致變形嚴(yán)重。

7 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）節(jié)能效益：（按年產(chǎn)陽(yáng)極銅100000噸，重油單價(jià)4800元/噸計(jì)）。

年節(jié)能效益：Q=100000×（84-59）÷1000×4800=12000000元。

（3）金屬回收效益（按一噸精煉渣加工至陽(yáng)極銅的成本2000元計(jì)，入爐原料品位按90%計(jì)）

金屬回收效益：Q1=100000÷90%×（6%-3%）×2000=6666666.67元。

年產(chǎn)10萬(wàn)噸陽(yáng)極銅生產(chǎn)企業(yè)，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)固定式反射爐的技改，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的大幅降低，年成本結(jié)余=Q+Q1約為1867萬(wàn)元，這對(duì)于打造企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益最大化起到積極的意義。

8 生態(tài)效益及社會(huì)效益分析

隨著該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不斷進(jìn)步和成熟，企業(yè)廢雜銅冶煉能耗逐年降低，節(jié)約了大量的能源，同時(shí)，原料回收率提高，大大二次生產(chǎn)成本，能耗的降低同時(shí)也可大大緩解地方及企業(yè)環(huán)保壓力，筆者已就新型大型反射爐結(jié)構(gòu)上亟待解決的問(wèn)題進(jìn)行了闡述。

相信經(jīng)過(guò)廣大銅冶煉從業(yè)者的不斷深化研究，一定能在新型反射爐的壽命方面取得突破性進(jìn)展，這項(xiàng)新技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用將對(duì)未來(lái)廢雜銅冶煉提供一種更加節(jié)能、更加環(huán)保的方式，意義重大。