韋爾瓦(Huelva)冶煉廠40年閃速熔煉的歷史及經驗教訓

馮 欣 摘譯

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

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國外工程技術

韋爾瓦(Huelva)冶煉廠40年閃速熔煉的歷史及經驗教訓

馮 欣 摘譯

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

韋爾瓦冶煉廠于1970年投產，與此同時，力拓礦場上的老冶煉廠關閉了。這座新冶煉廠采用兩臺Momoda鼓風爐，處理能力為每天500 t干精礦。該冶煉廠投產后不久，提高冶煉產能便提上日程。通過對當時各種可選方案進分析后，最終選擇了閃速熔煉技術。1975年9月18日，新的奧托昆普閃速熔煉爐(FSF)投入運行，初期處理能力為每天900 t干精礦，采用了文丘里式燒嘴和空氣預熱。自那時起，韋爾瓦冶煉廠團隊與奧托昆普公司(現在的奧圖泰公司)一起對閃速熔煉爐設計、工藝條件和操作實踐進行了持續不斷地改進，現在的處理能力已達到每天3 500 t干精礦。韋爾瓦冶煉廠從1975開始至今，已經完成了五個爐齡，最后一個爐齡結束于2013年11月，主要對原閃速爐爐膛進行了改進。本論文介紹了多年來韋爾瓦冶煉廠閃速熔煉不斷改進的歷史及經驗教訓。

銅精礦； 冶煉； 閃速爐； 冷卻系統； 爐齡

韋爾瓦冶金聯合企業(HMC)于1970年投產，采用日本Momoda冶煉技術，兩臺鼓風爐的處理能力為每天500 t精礦。到了1972年，精礦供應出現了未預料到的增長，于是決定提高生產能力。為了實現處理能力達到每天1 000 t精礦的目標，對下述可選方案進行了研究：

·新建設兩臺Momoda鼓風爐；

·采用“較新”的閃速熔煉技術。

最終決定采用新的閃速熔煉爐取代鼓風爐以實現每天1 000 t干精礦的處理能力，同時也期望未來采用富氧后干精礦的處理能力可以達到每天1 500 t。1973年1月，企業與奧托昆普公司(現在的奧圖泰公司)簽署了新建閃速爐的許可協議。在芬蘭的強化培訓完成后，1975年9月18日，第一批精礦送入了閃速熔煉爐。自那時起，通過多樣化的工藝改進，比如在閃速熔煉爐采用富氧空氣、HMC擴建以及解決瓶頸項目的實施，干精礦的處理能力已可實現每天3 500 t。

然而，應當指出的是，銅精礦處理能力的提高離不開對閃速熔煉爐設計的不斷改進。自1975年以來，對閃速熔煉爐的每次改進都使它的爐齡更長、每個爐齡銅精礦的處理量更大，如圖1所示。本文介紹了多年來韋爾瓦冶煉廠閃速熔煉不斷改進的歷史及經驗教訓。

1 第一個爐齡：“新爐子”(1975年9月—1979年6月)

根據設計，該閃速爐的作業條件是空氣預熱到450 ℃，采用4個文丘里燒嘴。在初期投產后，不到一個月的時間就達到了設計處理能力(1975年10月)，閃速爐產出的冰銅品位為含銅40%～50%。

在第一個爐齡，冶煉的銅精礦來自力拓的礦山。由于精礦里的鋅、鉛含量較高，燒結和煙塵未經酸化導致爐身和余熱鍋爐(WHB)內爐結嚴重。為了處理這個問題，通過調整燃料消耗分布(反應塔/沉降池)，從50%/50%變為27%/73%，對閃速熔煉爐內部的能量分布進行了優化。

圖1 閃速爐爐齡及處理量的歷史數據對比

第一個爐齡后的停爐開始于1979年4月20日，歷時41天，對閃速熔煉爐開展的主要工作包括：

·更換閃速熔煉爐耐火磚：只有三分之一(450 t)的耐火材料被替換，損壞最嚴重的區域包括反應塔下面的三分之一、反應塔下的沉降池壁以及上升煙道。

·增強薄弱區域的冷卻能力，在反應塔下的沉降池壁新安裝了34個冷卻元件。

·對所有冰銅放出口進行了重新設計以改進冰銅的保溫。

·上升煙道頂部采用了新彈簧以控制閃速熔煉爐和余熱鍋爐之間的膨脹(在爐齡內觀察到的閃速熔煉爐與余熱鍋爐接合處受損的主要原因)。

2 第二個爐齡：“面對石油危機”(1979年6月—1985年6月)

在第二個爐齡出現的主要問題是20世紀70年代的能源危機導致石油價格持續上漲，這迫使大多數冶煉廠采用富氧操作來替代用油。當時，西班牙的電力價格由政府來控制，這使企業在第二個爐齡可以繼續用油來操作，但與此同時，也對閃速熔煉爐進行了幾次富氧試驗。這些試驗開始于1981年，最大供養量達到2 000 m3/h，試驗結果為未來大規模耗氧操作提供了很多必要的信息。

鑒于試驗取得了可喜的成果，在1984年新建了一座能力為每天300 t的氧氣站并于1985年1月投入使用。該氧氣站主要為當年1月至6月所進行的一系列新試驗提供服務。到了第二個爐齡快結束的時候，富氧濃度已經逐漸提高到40%，冰銅品位提高到55%～60%。

第二個爐齡后的停爐開始于1985年5月24日，歷時45天，開展的主要工作是在日常作業中引入富氧，做好相關準備：

·能力為8 300 Nm3/h的新氧氣站開始試車。

·采用1個奧托昆普中央噴射式燒嘴替代4個老式文丘里型燒嘴，旨在改善閃速熔煉爐的控制并延長爐齡，如圖2所示。

圖2 新采用的中央噴射式燒嘴

·由于采用了富氧空氣，沒必要保持閃速熔煉爐原高度，于是將反應塔從9.8 m縮短至6.8 m以減少熱損失，如圖3所示。

·由于工藝氣體溫度從345 ℃降至150 ℃，停用燃油預熱器，但仍保持蒸汽換熱器繼續運行。

圖3 反應塔高度降低

·由于預見到反應塔下部溫度很高，對冷卻設計進行了改進，加大了下部“L”形冷卻水套，與外部中間包相重疊，如圖4所示。

圖4 新的“L”形冷卻水套

值得一提的是，在這次停爐期間并未對耐火材料進行大規模更換，只是對一些接口處進行了小修，沉降池及上升煙道頂部仍按1975年投入運行時的安裝一樣保持不變。

3 第三個爐齡：“為未來做好準備”(1985年7月—1995年6月)

在這個爐齡有兩個里程碑事件，一是富氧操作得到鞏固加強，二是決定擴大產能。

富氧操作完全取得了預期效果：

·冶煉產能提高了30%。

·燃料消耗從1976年的100%下降到1986年的34%。

煙塵量也下降了20%。另一方面，煙氣量的降低導致余熱鍋爐蒸汽產量減少。由于閃速熔煉爐渣中銅和磁鐵礦含量的增加，有必要對渣貧化爐添加焦炭進行優化。

此外，新型中央燒嘴的運用使閃速熔煉爐的冶煉潛能得以充分發揮；該燒嘴初始設計的給料量為70 t/h，幾年后提高到了120 t/h?！绊f爾瓦擴建項目”的基本設計于1994年完成，該項目旨在充分利用現有閃速熔煉爐的生產能力進一步提高精礦處理量，同時解決工藝流程中的一些瓶頸問題，比如PS轉爐和酸廠。項目投資主要針對這些方面，同時還包括新建了第二座9 500 m3/h氧氣站。為了確保達到要求的給料量并實現爐子作業率最大化，對閃速熔煉爐還進行了下述改造：

·采用新型噴射式中央燒嘴，帶有工藝氣體速度控制裝置，冶煉能力可達到180 t/h。從1992年開始，奧托昆普公司和大西洋銅業公司共同開發了這款新型燒嘴。

將現有能力為60 t/h的刮板運輸機替換為能力為兩臺90t/h的新型運輸機為爐子給料。

增加一個冰銅流槽(5+1)和一個渣流槽(3+1)，使操作的靈活性更大。

對整個沉降池周圍重新布置水平冷卻件，加強熔池液面上耐火磚的穩定性。

在反應塔和上升煙道附近設計可拆卸耐火材料以便在需要的時候對現有冷卻元件進行更改。

重建沉降池頂部并納入新的冷卻元件。

對冰銅放出口和渣放出口進行了重新設計，現在分別為80 mm和135 mm，同行采用了新的冷卻元件以保證放出作業的順利進行。

第三個爐齡后的停爐開始于1995年4月24日，歷時49天。

4 第四個爐齡：“新韋爾瓦冶煉廠”(1995年6月—2004年5月)

新設備調試中出現的問題解決后，企業發現閃速熔煉爐的能力比預期更大，最大給料量達到了150 t/h；閃速熔煉爐沉降池按50 t/h給料量的能力進行設計，經證實并無不妥，冰銅品位和爐渣質量均很穩定。

經過研究發現，冶煉能力受限主要源自于煙氣處理系統，尤其是余熱鍋爐和酸廠的煙氣凈化工段。初步調查表明，如果對余熱鍋爐進行改造并在煙氣凈化工段安裝一些新設備，每年從銅精礦中可以增加20 000 t銅的產量。改造工作開始于1997年6月，停爐11天。

此外，過去的燒嘴采用水冷方式，而新型燒嘴采用了空氣冷卻，因此投產后在燒嘴的下部容易形成爐結。為了解決這個問題，曾經有一段時間需要經常清理爐結，這也對接近觀察孔造成了諸多不便。

與此同時，在1997年停爐齡間，企業決定拆除燒嘴周圍的襯磚，為其安裝了新的冷卻元件。新冷卻系統可以使爐結達到幾厘米大小時自己移位，不再構成操作上的問題。

1997年解決瓶頸項目完成后，冶煉能力在1998年和1999年期間穩定在每年處理100萬t精礦的水平。然而，在精礦給料系統中觀察到了流態化現象，這造成了爐渣質量差、冰銅品位控制不佳、反應塔某些位置溫度太高，進而破壞了耐火材料及冷卻元件。

直到2001年4月，利用酸廠27天停產更換催化劑的時間，企業安裝了新的閃速熔煉爐給料系統并對干精礦倉下部進行改造以消除“鼠洞”，這個問題終于得到解決，礦倉和給料系統之間的過渡得到改善。

通過采用奧托昆普公司提供的新型失重式(LIW)給料系統，過去的體積控制改變為重力系統，精礦密度的變化將不會對閃速熔煉爐給料量的計算產生重大影響，流態化問題可以控制在合理范圍內。LIW系統如圖5所示。

圖5 新型失重式給料系統

除了上述改造內容之外，在2001年的中期停爐間，對反應塔受損區域進行了維修以確保在2004年停爐(對閃速熔煉爐重新換襯里)之前保持預計的生產水平。將反應塔在熱態條件下與閃速熔煉爐其它部分隔開，對反應塔下面的三分之二進行了重建。

第四個爐齡后的停爐開始于2004年3月22日，歷時51天。在此次停爐期間所完成的維修及改造工作旨在實現下述目標：

·提高閃速熔煉爐的作業率。

·對閃速熔煉爐耐火材料進行100%換襯，爐膛除外。由于損壞嚴重，上升煙道內40%的鋼板需要更換。

·提高以下關鍵區域冷卻能力，如圖6所示。

圖6 新型閃速爐反應塔冷卻元件

—反應塔下部環形區域采用新型冷卻元件，與奧托昆普公司共同設計，在需要的時候可以在保持爐子熱態的條件下進行更換。

—上升煙道采用新型冷卻元件。

—沉降池頂部采用新型冷卻元件(反應塔與上升煙道接合處)。

改進操作和工藝。

·將熔池液面從1 000 mm提高到1 500 mm以提高閃速熔煉爐的冰銅保溫能力，這需要對沉降池壁上的冷卻元件全部重新設計。

·采用新型的精礦燒嘴，帶有奧圖泰公司(過去的奧托昆普公司)最新設計的工藝氣體控制閥，如圖7所示。

圖7 新型精礦燒嘴

5 第五個爐齡：“提高燒嘴性能”(2004年5月—2013年9月)

第五個爐齡為9年，期間在2007年和2011年分別進行了兩次停爐，主要是對酸廠和渣貧化爐按計劃進行了維護。對于閃速熔煉爐來說，在此期間重點主要放在優化精礦燒嘴性能及閃速熔煉爐操作以應對銅精礦中不斷增加的S/Cu比。

閃速熔煉爐恢復作業后不久，新型燒嘴的卓越性能便體現出來，實現了冰銅品位的高穩定性，渣含銅大大下降，如圖8所示。本爐齡開始階段最大的一個問題是閃速熔煉爐與余熱鍋爐接合處的爐結大量增加，有必要對上升煙道處燃油燒嘴的操作進行優化以應對這種現象。

圖8 FSF爐渣銅含量的演變，2004年停爐前后的平均值

如前所述，當精礦混合后的銅品位降低到一定程度時，閃速熔煉爐需要更多的富氧空氣來實現冰銅產量的目標。因此，在2007年停爐期間，所進行的改造內容包括：

·采用新型富氧空氣鼓風機轉子使最大工藝氣體流量提高了大約15 000 m3/h。

·重新設計了燒嘴的工藝氣體閥門以增加氣體流速范圍。

此外，連接失重式給料系統和精礦燒嘴進口流槽的兩臺刮板運輸機被替換為兩臺滑運機，如圖10所示，其目的在于：

·降低維護成本，提高閃速熔煉爐的作業率。

·將每條線上精礦混合的給料量從90干t/h增加到130干t/h。

·減少給料時的小波動，提供平滑料床，使混合精礦均勻分布在精礦燒嘴進口流槽兩個部分之間。

與此同時，鑒于氣體流動所造成的磨損，對反應塔和沉降池頂部之間接合處還進行了一些維修工作。該區域在2004年的停爐時還特別安裝了新的冷卻元件，但實踐證明，這些元件三年后并未達到預期的效果。最終這個區域內的所有耐火材料都被更換為質量更好的耐火磚，同時還新增了一些冷卻元件，如圖9所示。在這整個更換作業期間，爐子一直保持熱態。

圖9 A.新型空氣滑運系統，B.沉降池頂部接近反應塔部分的修復

圖10 重建的沉降池頂部

在隨后的幾年中，觀察到在燒嘴和冷卻水套之間的間隙形成了爐結，這些爐結阻礙了工藝氣體的分布，造成了冶煉反應效率低下。為了解決這個問題，在2011年停爐期間，更換了燒嘴，同時在燒嘴和水套周圍安裝了新設計的冷卻系統并配有8個觀察口，如圖10所示。這樣做的目的旨在：

·增加300%的冷卻面積以減少爐結的形成。

·改善人工清除爐結，因為按照之前的配置，清洗是從上部風箱開始的，無法實現對整個燒嘴的清洗。

此外，應當指出的是，由于銅精礦中硫含量的不斷增加，沉降池和上升煙道頂部都損耗嚴重，有必要對沉降池頂部進行部分重建，并對上升煙道頂部全部重建以確保冶煉能力可以一直保持到2013年停爐。

圖11 新的沉降池設計

通過上述努力，在第五個爐齡后面的幾年里實現了閃速熔煉爐的高作業率和冶煉能力。

6 2013年停爐：“新的開始”

圖12 閃速爐頂部重新設計，新型冷卻元件和平頂

這次停爐開始于2013年9月4日，結束于2013年11月11日，歷時68天，完成的主要工作是對閃速熔煉爐進行完全拆除和重建。應當指出的是，閃速熔煉爐的爐膛底部自1975年以來從未更換或維修過,僅在1995年采取了一些擴大爐膛的措施，因此有必要在2013年停爐期間對閃速熔煉爐底部進行重建。與奧鎂公司(RHI-AG)共同討論了新爐膛的設計，與原來的設計相比，改造的內容如圖11所示，主要包括：

·引入第三層150 mm鎂鉻磚耐火層對爐膛進行加強。

·將隔離混凝土替換為粘土磚，旨在避免混凝土出現不適宜的硬化或在烘爐階段發生其它風險。

此外，在停爐期間還對閃速熔煉爐的設計進行了下述改進：

·提高上升煙道的冷卻能力。

·對上升煙道頂部采用了新的平頂設計并對冷卻能力進行了改善。

·根據奧圖泰的新設計，對反應塔下熔池處冷卻水套進行加強，寬度從70 mm增加到115 mm。

·對閃速熔煉爐與余熱鍋爐的接合處采用了新設計。

拆除工作如期進行，在拆除爐膛過程中沒有出現大問題。與此同時，反應塔、沉降池和上升煙道的重建工作也同步進行，因為它們相互是可以隔離分開的，這不僅提高了工作效率，同時也使完成這些具有挑戰性的任務能夠滿足較高的安全標準。

對于反應塔來說，其狀況符合之前閃速熔煉爐檢測時的預期，特別值得一提的是，在2004年安裝的大多數下部冷卻元件仍然完好無損，因此將它們繼續保留使用。對于上升煙道來說，為了保護耐火磚、改善頂部密封從而防止煙氣逸散，采取了下述改造措施，如圖12所示。

·在上升煙道內部不同高度增加冷卻元件安裝的數量。

·在燃油燒嘴周圍安裝冷卻板以抵消其對爐壁的影響。

·將頂部設計由過去的拱形設計變為平頂設計，將緊急煙道出口處的圓形冷卻元件替換為方形元件，同時在頂部增加冷卻元件安裝的數量。

7 結論

1972年所做出的采用閃速熔煉技術的決策改變了韋爾瓦冶金聯合企業(HMC)的未來，使這座冶煉廠直到現在仍在持續生產。

經過40多年的運營，大西洋銅業公司韋爾瓦冶煉廠閃速熔煉爐已經經歷了多次的改造和升級，目的旨在：

·提高爐子的性能，保證每個爐齡的作業率。

·確保冶煉反應的效率。

·提高其適應各種不同混合精礦的靈活性。

通過這些持續不斷的改造提高，企業增強了對閃速熔煉基本原理的認識，有能力面對未來的挑戰。

略)

蘇 平 校對

日本長崎最大光伏電站運營 將通過海纜供電

臨近長崎機場的大村箕島光伏電站開始運營，發電能力達到30 MW，是日本長崎縣內最大規模的光伏電站。該光伏電站將通過10 km海底電纜為超1萬住戶提供電力。

負責這一光伏電站建設運營的是當地天然氣企業Super Pro和光伏面板企業Solar frontier合資成立的長崎光伏能源公司。日本長崎為擴大可再生能源，通過公開發行，向機場附近地區招攬光伏能源。對此，該縣將出租土地的時限設置為20年，并以此獲得土地租賃收入。

該光伏電站的年發電量預計達到3 700萬kWh。假設一般住戶一年的電力使用量為3 600 kW，發出的電力可供超1萬住戶使用。發出的電力提供給本土九州電力公司的輸電網絡，因此，敷設10公里海底電纜通往光伏電站。

40 Years of flash smelting operations in Huelva: Learning from our history

Translated selectively by FENG Xin

The Huelva smelter was commissioned in 1970 coinciding with the shutdown of the old smelter in the Rio Tinto mine site. That new smelter consisted of two Momoda blast furnaces with a capacity of 500 dmtpd of concentrate. After an analysis of the existing alternatives at that time, the flash smelting capacity was chosen. The new Outokumpu Flash Smelting Furnace (FSF) came into operation on 18 September 1975, with an initial capacity of 900 dmtpd of concentrate, using four Venturi-type burners and preheated at atmospheric air. Since that date the Huelva Smelter team, together with Outokumpu (now called Outotec), have continuously improved our FSF design, process conditions and operational practices, leading to a present capacity of 3500 dmptd of concentrate. Since 1975, five smelting campaigns have been completed, the last ending in November 2013 with the rebuilding of the original FSF hearth. This paper describes the history of these improvements and lessons learned.

copper concentrate; smelting; flash furnace; cooling system; campaign life

馮 欣(1981—)，四川南充人，恩菲公司海外業務部翻譯。

2016-06-01

TF811

B

1672-6103(2016)05-0001-07