新型煉銅轉(zhuǎn)爐設(shè)計(jì)應(yīng)用與實(shí)踐

于海波， 劉大方， 杜昱初， 招楊， 楊文杰， 管桂生

（1. 云南銅業(yè)股份有限公司西南銅業(yè)分公司， 昆明650102；2. 楚雄滇中有色金屬有限責(zé)任公司，云南 楚雄675000）

全球銅冶煉發(fā)展迅速，優(yōu)質(zhì)原料的匱乏主要體現(xiàn)在原料中高雜原料所占比例越來(lái)越高[1]，使冶煉企業(yè)不得不適應(yīng)于原料的變化，因此，對(duì)高雜原料的處理能力成為銅冶煉企業(yè)盈利的判定標(biāo)準(zhǔn)。銅精礦原料成分日趨復(fù)雜及粗銅雜質(zhì)元素越來(lái)越高， 主要體現(xiàn)在Pb、As、Sb、Bi、Ni 的含量增加[2]；銅火法冶煉最終產(chǎn)品質(zhì)量受到較為嚴(yán)重的影響， 導(dǎo)致陽(yáng)極銅質(zhì)量波動(dòng)較大，影響精銅質(zhì)量的穩(wěn)定[3-4]。 陽(yáng)極銅質(zhì)量直接影響著精銅質(zhì)量和電解工序的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)[5-6]；如果繼續(xù)延用傳統(tǒng)工藝將導(dǎo)致大量的不合格陽(yáng)極銅需回爐處理，造成火法精煉工序返煉加工成本增加，并造成了銅、金、銀等金屬的返煉損失[7]。

銅锍的吹煉工藝主要有P-S 轉(zhuǎn)爐（Pierce-Smith轉(zhuǎn)爐）、閃速吹煉爐、頂吹吹煉爐、底吹吹煉爐[8-12]。 目前應(yīng)用最廣的工藝仍然是P-S 轉(zhuǎn)爐工藝[13]。P-S 轉(zhuǎn)爐能夠更好地適應(yīng)原料的變化， 產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到控制要求，比起底吹吹煉爐、多槍頂吹吹煉爐，側(cè)吹吹煉爐具有操作簡(jiǎn)單、冷物料處理多、脫雜能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[14-15]。但由于其間斷性、周期性的操作模式，一周期需分階段進(jìn)料，導(dǎo)致其頻繁搖爐；同時(shí)，為考慮吊車(chē)進(jìn)料的空間要求，其煙罩設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效密封；因P-S 轉(zhuǎn)爐吹煉搖爐頻繁且煙罩密封性差致使低空污染較為嚴(yán)重[16-17]，無(wú)法滿足環(huán)保生產(chǎn)要求。 因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 新型轉(zhuǎn)爐工藝設(shè)計(jì)思路

本文針對(duì)P-S 轉(zhuǎn)爐使用過(guò)程中存在的煙氣逸散問(wèn)題，擬通過(guò)密閉溜槽連接到轉(zhuǎn)爐端墻上設(shè)置的進(jìn)料口，實(shí)現(xiàn)吹煉所需熱銅锍的連續(xù)添加。 與現(xiàn)有工藝方法相比，密閉溜槽連續(xù)進(jìn)料有效避免了間歇式的周期性作業(yè)導(dǎo)致?lián)u爐頻繁的問(wèn)題；同時(shí)，由于無(wú)需采用吊車(chē)進(jìn)料，為煙罩密封優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。 吹煉過(guò)程中所需含銅物料、熔劑分別通過(guò)殘極加料機(jī)及熔劑加入系統(tǒng)從爐口加入轉(zhuǎn)爐內(nèi)，由終點(diǎn)判斷系統(tǒng)自動(dòng)判斷粗銅終點(diǎn)，吹煉至終點(diǎn)將轉(zhuǎn)爐內(nèi)產(chǎn)出的粗銅從爐口傾倒至粗銅包內(nèi)，再由運(yùn)銅小車(chē)運(yùn)送至陽(yáng)極爐進(jìn)行火法精煉。

1.2 火法工藝配置設(shè)計(jì)

根據(jù)新型轉(zhuǎn)爐工藝設(shè)計(jì)思路，在進(jìn)行火法系統(tǒng)匹配性設(shè)計(jì)的過(guò)程中， 吹煉工藝采用側(cè)吹轉(zhuǎn)爐配置，火法精煉工藝選用回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐進(jìn)行配置，2 臺(tái)新型轉(zhuǎn)爐交替生產(chǎn)。 具體的工藝配置及生產(chǎn)組織模式如下所述。

熔煉爐按一定的下料量連續(xù)生產(chǎn)， 產(chǎn)生銅锍，兩臺(tái)新型轉(zhuǎn)爐中（即轉(zhuǎn)爐A 和轉(zhuǎn)爐B），轉(zhuǎn)爐A 進(jìn)行進(jìn)料操作，轉(zhuǎn)爐B 進(jìn)行吹煉操作，轉(zhuǎn)爐B 在吹煉操作結(jié)束后，再由轉(zhuǎn)爐A 接連進(jìn)行吹煉作業(yè)，保證銅锍能連續(xù)不斷的流入側(cè)吹吹煉爐，實(shí)現(xiàn)熔煉爐連續(xù)生產(chǎn)。 火法系統(tǒng)配置如圖1 所示。

1.3 新型轉(zhuǎn)爐物料平衡及熱平衡測(cè)算

預(yù)計(jì)新型轉(zhuǎn)爐銅锍處理能力為180 噸/爐， 根據(jù)文獻(xiàn)[18-20]資料，得到吹煉物料平衡計(jì)算如表1 所示；新型轉(zhuǎn)爐吹煉高品位冰銅，一次性進(jìn)料完成，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐單爐次連續(xù)吹煉， 吹煉過(guò)程中不進(jìn)行搖爐操作，不僅保留了轉(zhuǎn)爐原有的冷料處理優(yōu)勢(shì)，更減少了搖爐過(guò)程中的熱損失， 抵消了溜槽進(jìn)料的熱損失，根據(jù)表1 的物料平衡進(jìn)行熱平衡計(jì)算如表2 所示，表2中熱支出的多余熱為16.18%， 根據(jù)P-S 轉(zhuǎn)爐操作經(jīng)驗(yàn)，這些多余熱可以熔化不低于100 噸/爐的冷銅，冷料率預(yù)計(jì)可達(dá)80%，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐持平。

表1 新型轉(zhuǎn)爐高品位銅锍吹煉物料核算Table 1 Material accounting in high-grade copper blasting process in new converter

表2 新型轉(zhuǎn)爐熱平衡核算Table 2 Heat balance accounting for new converter

1.4 新型轉(zhuǎn)爐冷料率及脫雜能力目標(biāo)

雜質(zhì)脫除率：新型轉(zhuǎn)爐吹煉Pb 脫除率達(dá)75%以上，As 脫除率達(dá)80%以上，Bi 脫除率達(dá)75%以上，新型轉(zhuǎn)爐冷銅處理率≥70%。

2 新型轉(zhuǎn)爐爐體結(jié)構(gòu)改造及主要構(gòu)件配置

2.1 新型轉(zhuǎn)爐本體設(shè)計(jì)

根據(jù)進(jìn)料口位置及風(fēng)眼布局核算結(jié)果，對(duì)爐體結(jié)構(gòu)和集煙系統(tǒng)進(jìn)行改造，如圖2 所示，圖2 所示為新型側(cè)吹轉(zhuǎn)爐及環(huán)保密封煙罩效果圖。爐體具體設(shè)計(jì)思路為：通過(guò)砌筑方式封堵進(jìn)料口端墻端風(fēng)眼；端墻進(jìn)料端切割出進(jìn)料口， 用進(jìn)料孔專用套磚進(jìn)行砌筑；進(jìn)料口位置新增氣動(dòng)活動(dòng)擋板及集煙罩進(jìn)行煙氣收集，進(jìn)料口增加密封活動(dòng)擋板，進(jìn)料時(shí)打開(kāi)，吹煉過(guò)程中關(guān)閉；設(shè)計(jì)密封集煙罩引入轉(zhuǎn)爐環(huán)保煙管，確保逸散煙氣有效收集；爐基由鋼筋水泥澆鑄而成，爐基上表面有地腳螺絲固定托輥底盤(pán)，在托輥底盤(pán)的上面每側(cè)有兩對(duì)托輥支撐爐子的質(zhì)量， 并使?fàn)t子在其上旋轉(zhuǎn)；爐體由爐殼、爐口、護(hù)板、托圈、大齒輪、風(fēng)眼以及爐襯等組成 （爐殼由40~50 mm 鍋爐鋼板焊接成圓筒，圓筒兩端為端蓋，也用同樣規(guī)格的鋼板制成。 在爐殼兩端各有一個(gè)大圈，被支撐在托輥上，而托輪通過(guò)底盤(pán)固定在爐子基座上；在爐殼的中央開(kāi)一個(gè)向后傾斜的爐口，爐口呈長(zhǎng)方形或圓形，爐口面積可占熔池最大水平面的15%~25%，優(yōu)選20%左右，并采用高強(qiáng)度耐火材料的整體澆鑄技術(shù)；護(hù)板是焊接在爐口周?chē)谋Ｗo(hù)板，其目的是為了保護(hù)爐口附近的爐殼，也可以保護(hù)環(huán)形風(fēng)管等進(jìn)風(fēng)裝置，使它們免受?chē)姙R熔體的侵蝕，爐口護(hù)板應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度、寬度和厚度；滾圈由托輪支撐，起到旋轉(zhuǎn)爐體并傳遞、承載爐體質(zhì)量的作用，轉(zhuǎn)爐的滾圈有矩形、箱形、工字形斷面，銅轉(zhuǎn)爐采用工字形斷面；轉(zhuǎn)爐一側(cè)爐殼上裝有一個(gè)大齒輪，是轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動(dòng)的從動(dòng)輪，當(dāng)主動(dòng)輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)小齒輪，小齒輪帶動(dòng)大齒輪可使轉(zhuǎn)爐做360°正、反方向旋轉(zhuǎn)；風(fēng)眼具體設(shè)置在轉(zhuǎn)爐爐殼的后側(cè)下方，依據(jù)需要開(kāi)有30~60 個(gè)圓孔， 風(fēng)管穿過(guò)圓孔并通過(guò)螺紋聯(lián)結(jié)安裝在風(fēng)箱上，在伸入轉(zhuǎn)爐內(nèi)的風(fēng)管部分砌筑耐火磚后，即形成，并應(yīng)用整體熱態(tài)換磚技術(shù)；爐襯在爐殼里所襯的耐火材料，具體可使用鎂質(zhì)、鉻鎂質(zhì)等耐火材料。

2.2 新型轉(zhuǎn)爐進(jìn)料溜槽及集煙罩設(shè)計(jì)

銅锍經(jīng)溜槽流入進(jìn)料口中，如圖3 所示。 圖3 中的3 為進(jìn)料口溜槽及小車(chē)，通過(guò)小車(chē)承載溜槽實(shí)現(xiàn)溜槽與爐體進(jìn)料口的對(duì)接和脫離，當(dāng)需進(jìn)料時(shí)小車(chē)在軌道移動(dòng)到規(guī)定位置，溜槽與進(jìn)料口對(duì)接；當(dāng)放料完畢后，小車(chē)在軌道上后退至原位置，溜槽與進(jìn)料口脫離，進(jìn)料口密封門(mén)關(guān)閉，為防止進(jìn)料過(guò)程中煙塵外溢及熱量損失，進(jìn)料溜槽設(shè)計(jì)為密閉型。 圖3 中5 為中間包及溜槽，連接熔煉爐與進(jìn)料口溜槽，將熔煉爐中的銅锍流進(jìn)中間包溜槽，實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料，避免通過(guò)吊車(chē)從爐口進(jìn)料的操作；圖3 中的2 為中間包溜槽上方集煙裝置，用于收集中間包溜槽中銅锍產(chǎn)生煙氣。 圖3 中的1 為中間包溜槽煙管，4 為爐體爐口集煙罩， 收集新型轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵。

2.3 殘極及其它冷料的加入方式設(shè)計(jì)

兩周期吹煉過(guò)程中需要加入的殘極及其它冷料，采用殘極加料機(jī)實(shí)現(xiàn)吹煉過(guò)程中冷銅的連續(xù)加入，避免搖爐加料的操作，從而實(shí)現(xiàn)單爐次搖爐兩次(起吹及出銅)的連續(xù)吹煉；搖爐供風(fēng)量與吹煉角度契合的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)搖爐過(guò)程煙氣不外逸。

3 新型轉(zhuǎn)爐工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)踐

3.1 新型轉(zhuǎn)爐爐體改造實(shí)踐

將原有P-S 轉(zhuǎn)爐進(jìn)行改造成新型銅锍吹煉設(shè)備， 在P-S 轉(zhuǎn)爐本體端墻中心以上706 mm 為中心（圓形端墻圓心的正上706 mm 處） 設(shè)置600 mm×600 mm 的進(jìn)料口，并在進(jìn)料口配置密封門(mén)。 在進(jìn)料口與熔煉爐之間設(shè)置有溜槽，用于將熔煉爐中的銅锍送入轉(zhuǎn)爐中。 溜槽其中的與進(jìn)料口對(duì)接的一段，進(jìn)料完畢后， 通過(guò)其下部的小車(chē)將溜槽從進(jìn)料口脫離，便于關(guān)閉進(jìn)料口密封門(mén)；在溜槽另一與熔煉爐相連的部分的上方設(shè)置集煙罩。在爐口設(shè)置安裝密閉集煙罩及加料小車(chē)。

3.2 新型冰銅進(jìn)料方式及吹煉實(shí)踐

將熔煉爐產(chǎn)生的冰銅（品位72%），通過(guò)進(jìn)料溜槽和進(jìn)料口流入吹煉爐內(nèi)，進(jìn)料量為180 t，一次性連續(xù)進(jìn)料，時(shí)間為0.5 h。開(kāi)啟風(fēng)量-搖爐角度聯(lián)動(dòng)控制，并設(shè)置供風(fēng)量為 18 000~30 000 m3/h、 供氧量為800~1 500 m3/h 進(jìn)行吹煉操作。 在吹煉過(guò)程中，根據(jù)爐溫和爐況，將106 t 冷銅（殘極，品位98.5%）通過(guò)加料系統(tǒng)分批次加入爐內(nèi)，吹煉過(guò)程不搖爐。 在吹煉過(guò)程中， 吹煉煙氣通過(guò)密閉集煙罩得到有效收集，直到達(dá)到吹煉終點(diǎn)，搖爐出銅，吹煉時(shí)間200 min，低空污染現(xiàn)象基本消除。 同時(shí)，使用現(xiàn)階段我廠自主研發(fā)的新型脫雜劑在進(jìn)料前加入，吹煉過(guò)程中進(jìn)一步提升了 As、Sb、Bi 的脫除效率。

經(jīng)工業(yè)化試驗(yàn)驗(yàn)證，采用該種生產(chǎn)工藝模式下的Pb 脫除率可達(dá)76.12%，As 的脫除率可達(dá)到81.4%，Sb 的脫除率可達(dá)到 59.78%，Bi 的脫除率可達(dá)到75.06%，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所列。

表3 新型轉(zhuǎn)爐脫雜效率Table 3 Impurity removal efficiency of a new type converter

4 結(jié) 論

1） 新型轉(zhuǎn)爐采用了爐體端部進(jìn)料設(shè)計(jì)、 靈活的進(jìn)料溜槽設(shè)計(jì)、 冷銅連續(xù)加料系統(tǒng)設(shè)計(jì)及密封型集煙罩的設(shè)計(jì)， 保留了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐的高冷料率和高脫雜能力。

2） 新型轉(zhuǎn)爐實(shí)現(xiàn)了不搖爐熱冰銅從特殊進(jìn)料口連續(xù)進(jìn)料，消除了爐口加料頻繁、搖爐操作導(dǎo)致的低空污染現(xiàn)象，克服了原有P-S 轉(zhuǎn)爐工藝的最大劣勢(shì)；實(shí)現(xiàn)了不搖爐連續(xù)從爐口添加冷銅， 且爐口設(shè)置的密封集煙罩吹煉過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣得到全部收集，解決了低空污染問(wèn)題；通過(guò)工業(yè)實(shí)踐得到：Pb 脫除率達(dá) 76.12% ，As 脫 除 率 達(dá) 81.4% ，Sb 脫 除 率 達(dá)59.78%，Bi 的脫除率可達(dá)到75.06%， 基本達(dá)到了預(yù)期效果。

3） 新型轉(zhuǎn)爐的吹煉工藝采用側(cè)吹轉(zhuǎn)爐配置，火法精煉工藝選用回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐進(jìn)行配置， 兩臺(tái)新型轉(zhuǎn)爐交替生產(chǎn)，較好的匹配了火法熔煉系統(tǒng)，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。