閃速熔煉連續(xù)煉銅新工藝設(shè)想

朱明輝

（紫金礦業(yè)集團有限公司，福建上杭 364200)

隨著銅火法冶煉技術(shù)的發(fā)展，近20 年來銅火法冶煉工藝在國內(nèi)呈現(xiàn)出“百花齊放、百家爭鳴”的現(xiàn)象。 現(xiàn)階段主要存在的熔煉+吹煉工藝有：“閃速熔煉+閃速吹煉”（以下簡稱 “雙閃”）、“閃速熔煉+轉(zhuǎn)爐吹煉”、“側(cè)吹+頂吹”、“側(cè)吹+轉(zhuǎn)爐”、“側(cè)吹+底吹”、雙底吹等。這些冶煉工藝各有所長，為我國乃至世界大中型新建及改擴建銅冶煉廠提供了多種可供選擇的中國技術(shù)，也標志著我國銅火法冶煉技術(shù)已經(jīng)達到世界領(lǐng)先水平。 從設(shè)計規(guī)模、技經(jīng)指標、安全環(huán)保等方面綜合考量，連續(xù)煉銅工藝越來越體現(xiàn)出強大的生命力，完全符合銅火法冶煉技術(shù)朝著綠色、智能、循環(huán)經(jīng)濟、安全高效方向發(fā)展的趨勢。在上述連續(xù)煉銅工藝的基礎(chǔ)上，本文擬就“閃速熔煉+底吹吹煉”的連續(xù)煉銅工藝設(shè)想進行探討。

1 傳統(tǒng)閃速熔煉工藝現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)有多座閃速熔煉工藝的工廠，除了采用“雙閃”工藝外，其余均采用的是“閃速爐+PS 轉(zhuǎn)爐吹煉”工藝。閃速熔煉工藝具有產(chǎn)能大、能耗低、自動化程度高、環(huán)保好等特點，同時還具有較大的擴產(chǎn)潛力的優(yōu)勢，可以在較短的時間內(nèi)，在不需大改造的前提下，實現(xiàn)較大幅度的擴產(chǎn)。

“雙閃”工藝是為閃速熔煉配套閃速吹煉工藝。從原理上看,閃速吹煉屬于懸浮吹煉, 其是要在冰銅從閃速爐頂噴嘴噴出到落入沉淀池的很短的時間內(nèi)完成雜質(zhì)的氧化反應(yīng)。 閃速吹煉的優(yōu)勢主要在于:吹煉過程得到強化, 設(shè)備臺數(shù)少, 占地小; 煙氣量小且SO2濃度高, 后續(xù)余熱系統(tǒng)和煙氣制酸系統(tǒng)設(shè)備小,投資省, 運行費用低;無低空污染, 環(huán)保效果好;作業(yè)連續(xù)穩(wěn)定, 自動化程度高; 爐體壽命長, 耐火材料消耗量低; 操作靈活, 并可處理其它工廠的水淬冰銅。但它也存在冰銅顯熱未能利用, 粗銅含硫高, 不能處理冷料、爐體投資大等缺點[1]。

而與閃速爐配套最多的PS 轉(zhuǎn)爐吹煉工藝至今已有100 多年的歷史，PS 轉(zhuǎn)爐憑借其操作簡單靈活、對入爐物料的適應(yīng)性強、粗銅品質(zhì)好等特點，特別是能大量處理含銅冷料， 一直是礦產(chǎn)粗銅生產(chǎn)的標準工藝路線，是銅锍吹煉的主導(dǎo)工藝。即使在現(xiàn)在出現(xiàn)了這么多的連續(xù)煉銅新工藝的情況下，PS 轉(zhuǎn)爐吹煉產(chǎn)出的銅锍仍然占全世界銅锍總產(chǎn)量的80%以上。 然而，PS 轉(zhuǎn)爐受其工藝限制，只能周期性作業(yè)，導(dǎo)致熔體不可避免地在各爐之間用包子和行車倒運，造成SO2煙氣低空逸散收集困難、煙氣量大、SO2濃度低且波動大、制酸系統(tǒng)和環(huán)集系統(tǒng)的投資和運行成本高等問題。 特別是隨著國家對環(huán)保的要求不斷提高，采用連續(xù)吹煉工藝替代PS 轉(zhuǎn)爐吹煉成為必然的趨勢[2]。

2 “閃速熔煉+底吹吹煉”連續(xù)煉銅工藝設(shè)想

隨著我國銅火法冶煉技術(shù)的快速發(fā)展， 可供新建或改擴建項目選擇的工藝路線增多?？傮w來看，冶煉工藝的選擇應(yīng)該從戰(zhàn)略定位的角度出發(fā)， 同時綜合考慮設(shè)計規(guī)模、投資、原料特性、技術(shù)先進性、擬建地公共資源等問題[3]。

2.1 工藝的選擇

連續(xù)煉銅是指熔煉爐產(chǎn)出的熱態(tài)銅锍通過溜槽連續(xù)進料到吹煉爐，進行富氧吹煉。其工藝特征是吹煉爐能夠連續(xù)進料、連續(xù)排煙，且工藝操作能夠連續(xù)一致。國內(nèi)的連續(xù)煉銅技術(shù)近年來逐漸發(fā)展成熟，無論頂吹吹煉、 底吹吹煉或火精爐技術(shù)都得到工程應(yīng)用并取得成功。 例如，2019 年紫金礦業(yè)集團旗下的黑龍江紫金銅業(yè)“側(cè)吹+底吹”連續(xù)煉銅工藝順利投產(chǎn)，經(jīng)過近兩年的生產(chǎn)實踐，尤其是經(jīng)過2020 年8月的年修技改后，其總體技經(jīng)指標明顯優(yōu)于“側(cè)吹+轉(zhuǎn)爐”工藝。 經(jīng)過不斷地優(yōu)化，該項目底吹爐的噴槍壽命和爐壽命也明顯得到提高。

為了控制粗銅含硫， 連續(xù)吹煉工藝采用無銅锍的爐渣—粗銅兩相操作，因而爐渣的氧化程度高，渣中銅和Fe3O4的含量高，爐渣需要返回熔煉爐。 若能提高吹煉的銅直收率，降低吹煉渣量，則可以有效降低熔煉爐負荷，提高熔煉爐產(chǎn)能。 為達到此目的，必須提高吹煉的入爐銅锍品位。 閃速熔煉爐完全可以滿足目標銅锍品位區(qū)間的要求。 故在此基礎(chǔ)上筆者提出新的連續(xù)煉銅工藝設(shè)想。

1）熔煉技術(shù)的選擇。

近年來，新建銅冶煉廠熔煉工藝的選擇基本是閃速熔煉和側(cè)吹熔煉。自1985 年貴溪冶煉廠閃速熔煉工藝成功應(yīng)用以來，閃速熔煉技術(shù)又經(jīng)過了30 多年的優(yōu)化，已十分成熟。盡管我國在瓦紐科夫熔煉工藝的基礎(chǔ)上自主開發(fā)出了富氧雙側(cè)吹熔煉新工藝，且該工藝在2008 年投入使用以來，得到了迅速發(fā)展，已成為近年來中小規(guī)模冶煉廠的首選；但閃速熔煉憑借單套系統(tǒng)產(chǎn)能大、后續(xù)擴產(chǎn)潛力較大、規(guī)模效益明顯、工藝風氧濃高、漏風率低、煙氣量小且SO2濃度高、制酸和環(huán)保成本低、自動化程度高、爐體壽命長、系統(tǒng)作業(yè)率高等諸多優(yōu)勢仍然是目前最先進、可靠的冶煉技術(shù)，是國內(nèi)新建大型銅冶煉廠的主要選擇。

經(jīng)過長期實踐總結(jié)， 通常300 kt/a 以上規(guī)模的項目選擇閃速熔煉技術(shù)，300 kt/a 以下規(guī)模的項目選擇側(cè)吹熔煉技術(shù)。 尤其是400 kt/a 規(guī)模以上的大型銅冶煉廠，閃速熔煉技術(shù)是其首選工藝。

2）吹煉工藝的選擇。

目前，與閃速熔煉搭配的吹煉工藝主要是PS 轉(zhuǎn)爐吹煉和閃速吹煉工藝。傳統(tǒng)配套的PS 轉(zhuǎn)爐吹煉工藝產(chǎn)能低、爐壽短、漏風率高、煙氣量大且SO2濃度低，無法很好地配合閃速熔煉工藝；同時，轉(zhuǎn)爐自身的低空污染也無法從源頭根治。 閃速吹煉類似于閃速熔煉工藝， 雖然工藝技術(shù)指標先進、 自動化程度高，但需要配套冰銅?；⒈~碎磨和干燥等工序，流程較長，工程投資也相對較高。故這兩種工藝搭配目前都無法實現(xiàn)連續(xù)煉銅。 底吹吹煉技術(shù)是近些年發(fā)展起來的煉銅技術(shù)，因其具有原料適應(yīng)性強、連續(xù)進料、低空污染小、動力學反應(yīng)充分等優(yōu)勢，成為目前銅冶煉的一種發(fā)展趨勢。 黑龍江紫金銅業(yè)“側(cè)吹+底吹” 連續(xù)煉銅工藝的順利投產(chǎn)證明了底吹吹煉技術(shù)在連續(xù)煉銅工藝中的優(yōu)勢。 針對吹煉過程中反應(yīng)釋放的大量熱能， 可以通過在底吹爐中加入殘極和外購冷銅進行消耗，從而能夠維持爐內(nèi)的熱平衡。

綜上所述， 閃速熔煉目前仍然是極具競爭力的熔煉技術(shù)之一， 與底吹吹煉的結(jié)合可最大程度發(fā)揮各自優(yōu)點。

2.2 閃速熔煉連續(xù)煉銅新工藝流程

銅精礦、熔劑、渣精礦等物料按配料比例經(jīng)過配料系統(tǒng)后進入蒸汽干燥系統(tǒng)， 干燥后的干精礦由氣力提升裝置輸送到爐頂?shù)母删V倉。 干精礦經(jīng)閃速爐精礦噴嘴與富氧空氣充分混合后在反應(yīng)塔內(nèi)進行劇烈的反應(yīng)，通過工藝參數(shù)控制產(chǎn)出白冰銅、煙氣和爐渣。 爐渣進入渣選系統(tǒng)， 產(chǎn)出的渣精礦返回閃速爐；煙氣經(jīng)煙氣系統(tǒng)進入制酸系統(tǒng)生產(chǎn)硫酸；白冰銅經(jīng)溜槽直接進入底吹爐吹煉產(chǎn)出粗銅， 粗銅再經(jīng)溜槽進入陽極爐，從而達到連續(xù)煉銅的目的，陽極爐產(chǎn)出合格的陽極板送電解系統(tǒng)電解， 最終得到合格的陰極銅?！伴W速熔煉+底吹吹煉”連續(xù)煉銅主要工藝流程詳見圖1。

圖1 連續(xù)煉銅工藝流程

2.3 新工藝的優(yōu)勢

低能耗、 低成本運行是冶煉企業(yè)一直追求的目標。雖然通過精細化管理、工藝優(yōu)化可以降低生產(chǎn)成本，但選擇合適的工藝才是成本管控的起點。 “閃速熔煉+底吹吹煉”連續(xù)煉銅工藝除具備了閃速爐和底吹爐的所有工藝優(yōu)勢外， 通過對閃速熔煉與側(cè)吹熔煉、底吹吹煉與轉(zhuǎn)爐吹煉生產(chǎn)成本的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，“閃速熔煉+底吹吹煉” 的運行成本將會具有明顯優(yōu)勢，這也是本工藝設(shè)想的主要前提。筆者通過對紫金礦業(yè)集團旗下紫金銅業(yè)和黑龍江紫金銅業(yè)兩種工藝的生產(chǎn)成本剖析發(fā)現(xiàn)，由于閃速爐熔煉能耗低，生產(chǎn)成本比側(cè)吹熔煉低20%左右， 底吹吹煉比轉(zhuǎn)爐吹煉的生產(chǎn)成本低25%左右。 由此可見，“閃速熔煉+底吹吹煉”的工藝組合具有明顯的成本優(yōu)勢，可以有效提升企業(yè)生產(chǎn)運營的競爭能力， 同時還避免了轉(zhuǎn)爐低空污染大的問題。

2.4 存在問題及解決思路

“閃速熔煉+底吹吹煉”技術(shù)的結(jié)合可以進一步提升銅冶煉技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高工廠效益，但仍有一些問題需要在未來實施中充分考慮。

1）閃速爐生產(chǎn)高品位冰銅對爐況的影響。 目前閃速爐熔煉的冰銅品位多控制在70%左右。 但由于沉淀池相對靜止的特性， 這樣高的冰銅品位會導(dǎo)致爐結(jié)的增加， 同時高氧勢的操作也增加了單質(zhì)銅產(chǎn)生的可能性。如何在高冰銅品位下控制爐結(jié)的增加，降低單質(zhì)銅對爐底的侵蝕， 仍有待進一步研究。 目前，“雙閃” 工藝和世界上3 個一步煉銅工廠的實踐經(jīng)驗會為該工藝的優(yōu)化提供幫助。

2）吹煉過熱問題。由于熱態(tài)冰銅吹煉放熱較大，冶金過程的過熱問題將成為該工藝面臨的主要問題。黑龍江紫金銅業(yè)在底吹爐中加入冷銅、殘極以消耗多余熱能，滿足熱平衡的做法，是有益的嘗試。 同時，這種做法還可進一步增加產(chǎn)量。

3）吹煉爐壽和閃速爐匹配的問題。 閃速爐爐壽可輕易超過10 年， 而底吹爐壽命僅為12～18 個月，無法與之匹配。故連續(xù)吹煉雖然減少了中間環(huán)節(jié)，簡化了流程，但兩個爐窯的爐壽不匹配會影響工廠整體作業(yè)率。初步設(shè)想閃速爐配套2 臺底吹爐，即可同時作業(yè)，也可采用“1 用1 備”的生產(chǎn)組織模式。 同時，考慮在閃速爐增設(shè)冰銅水淬系統(tǒng)， 在1 臺底吹爐檢修時，閃速爐仍可滿負荷生產(chǎn)。水淬的冰銅可做為冷料加入底吹爐，作為解決底吹爐熱平衡的一種手段。 另外，從投資上2 臺底吹爐也會優(yōu)于3 臺轉(zhuǎn)爐的配置。

3 結(jié)語

自第 1 臺煉銅閃速爐于 1949 年在芬蘭Harjavalta 冶煉廠投入工業(yè)應(yīng)用以來，閃速熔煉工藝歷經(jīng)了60 余年的不斷發(fā)展與完善。 據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2018 年底， 全球27 個國家已建或在建的銅閃速爐共有57 臺，其中中國有12 臺。全球50%以上的銅產(chǎn)自閃速熔煉工藝的工廠， 由此可見閃速熔煉工藝仍是當今國內(nèi)外大型新建或改造銅冶煉廠的首選工藝。連續(xù)吹煉技術(shù)近年在中國已發(fā)展成熟，頂吹單爐產(chǎn)能達到了300 kt， 底吹的單爐產(chǎn)能也達到了150 kt以上。連續(xù)吹煉與傳統(tǒng)的PS 轉(zhuǎn)爐相比在生產(chǎn)成本和環(huán)保上都體現(xiàn)出巨大優(yōu)越性。 相信閃速技術(shù)和底吹吹煉技術(shù)的組合能夠有效地解決目前吹煉工藝，特別是PS 轉(zhuǎn)爐所存在的環(huán)保和產(chǎn)能上的瓶頸。該連續(xù)煉銅工藝的成本優(yōu)勢也將為新建大型銅冶煉廠提供了一種全新的工藝選擇， 同時也對提升我國乃至世界銅冶煉技術(shù)水平有著十分重要的意義。