雙底吹連續煉銅技術的應用與發展

孫曉峰

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

近年來，我國經濟駛入了快行道，這也推動了銅冶煉產業的迅猛發展。金屬銅的消費和產能均實現了跨越式增長，銅冶煉工藝方法也發生了巨大的變革。在熔煉工藝方面，比較成熟的有奧托昆普閃速熔煉、ISA(Ausmelt)頂吹熔煉、三菱法、側吹熔煉和底吹熔煉等技術。在吹煉工藝方面，除了傳統的P- S轉爐吹煉工藝外，還有閃速吹煉、頂吹吹煉、多槍頂吹吹煉和底吹吹煉等技術。在上述眾多的冶煉技術中，由底吹熔煉和底吹吹煉搭配形成的雙底吹連續煉銅技術是唯一由國內創新并擁有自主知識產權的銅冶煉工藝。

1 技術發展歷程

底吹熔煉技術起源于20世紀90年代初。1991～1992年，中國恩菲公司同湖南水口山礦務局等單位在水口山一臺底吹煉鉛爐上進行了首次“造锍捕金”半工業試驗，處理的原料是銅精礦與含金硫精礦的混合礦。整個試驗進行了3個多月，取得了較好的技術指標，為工業化提供了設計依據。1994年，底吹熔煉技術取得了專利授權書，命名為“水口山煉銅法”，現在也簡稱為SKS熔煉技術。2008年，首條底吹熔煉生產線——越南生權大龍1萬t/a銅冶煉項目建成投產。隨后，在國內相繼建成了5萬t/a至30萬t/a陰極銅不同產能規模的多條生產線。目前，中原黃金冶煉廠的銅精礦處理量已經達到150萬t/a，陰極銅的實際產能已經超過了33萬t/a。

銅锍底吹吹煉技術是在底吹熔煉技術的基礎上發展起來的，2012年，銅锍底吹連續吹煉半工業試驗在豫光冶煉廠完成。雙底吹連續煉銅技術的核心裝置為兩臺底吹爐，一臺底吹爐作為熔煉爐，處理銅精礦并產生銅锍；另一臺底吹爐作為吹煉爐，處理銅锍并產出粗銅。兩臺底吹爐的爐型結構相同，只是在加料口、排放口和氧槍等方面略有差異?；鸱ň珶捦ǔ２捎贸墒斓幕剞D陽極爐。雙底吹連續煉銅技術的工藝流程可簡述為：底吹爐熔煉——底吹爐吹煉——回轉陽極爐火法精煉。

2014年，首條雙底吹連續煉銅生產線在豫光玉川冶煉廠建成投產，年產10萬t陰極銅；2016年，包頭華鼎采用雙底吹連續煉銅工藝對原廠“底吹熔煉- PS轉爐吹煉”系統進行改造升級并建成投產，為改造傳統的P- S轉爐吹煉工藝提供了成功的實踐案例和工程示范；2016年，東營方圓建成了年處理100萬t銅精礦的雙底吹連續煉銅生產線；2018年，青海銅業和國投金城相繼建成投產了年產10萬t陰極銅的雙底吹連續煉銅生產線。國投金城冶煉廠首次采用了“三連爐”布置形式，將熔煉、吹煉和精煉三個工序全部通過流槽連接，徹底解決了銅锍和粗銅倒運產生的低空污染和熱量損失的問題。

2 反應機理

底吹熔煉技術的冶煉機理研究比較多，在此不再贅述。

底吹吹煉為粗銅、銅锍、爐渣三相共存情況下的連續吹煉，通過爐體底部的氧槍向熔池內鼓入富氧空氣，O2與銅锍層接觸并進行造锍反應；吹煉爐內熔體自下而上依次為粗銅、銅锍和爐渣三相分布，三相共存是底吹連續吹煉的特點之一。吹煉三相存在，導致了粗銅含S略高，一般為0.2%～0.6%。

與熔池熔煉通過Fe3O4傳遞氧不同，底吹連續吹煉所需的氧通過Cu2O傳遞。渣中Fe3O4適中，滿足形成硅酸鐵渣的條件，可以采用硅酸鐵渣型，并且吹煉氧利用率高這是底吹連續吹煉的又一特點。

其它連續吹煉工藝為了避免泡沫渣，均采用了鐵酸鈣—鐵酸銅渣型；澳斯麥特頂吹吹煉為周期間斷吹煉，需要大量配煤防止泡沫渣。

圖1 底吹仿真圖

圖2 底吹水模試驗圖

3 工藝特點

雙底吹連續煉銅技術具有如下主要特點：

(1)原料適應性強，可以處理含砷、鉛、鋅較高的雜料，各種返料和返渣，能夠通過造锍捕金綜合回收金銀等有價金屬。原料不需要制?；蚋稍?，可直接加入到爐內處理。

(2)爐體主要是由耐火磚砌筑而成，水冷元件少，爐體熱損失少，在冶煉過程中能夠節省燃料，在處理含S和含Fe較高的原料時，甚至能夠實現自熱熔煉。

(3)環保條件好。銅锍和粗銅均通過流槽流到下一道工序的爐子內，沒有熔體的吊運過程，不產生低空污染。全系統硫的捕集率>99.8%，實現冶煉系統清潔生產。

(4)采用熱態連續吹煉，銅锍的顯熱得到充分利用，節約了能源。

(5)氧氣底吹連續吹煉可以實現加料、供風、排渣、放銅全過程連續化，操作穩定，自動化程度高。

(6)系統熱利用率高，除能夠處理本系統的冷料外，還可以通過提高吹煉富氧濃度，在不增加設施的條件下，利用反應余熱處理殘極和外購冷料。

(7)爐型結構簡單，操作靈活性強。當系統停電、鍋爐檢修或制酸系統故障時，可快速將氧槍轉出熔池，對熔體進行保溫。待故障排除后，轉動爐體即可恢復生產。

(8)底吹吹煉爐溫度穩定，能克服轉爐周期作業溫度波動過大的缺點，有利于大幅度提高吹煉爐的壽命，降低耐火材料消耗和維修工作量，從而降低煉銅成本。

(9)底吹爐不需要大量銅水套冷卻，設備投資省，循環水系統的動力消耗小。

(10)一套底吹吹煉系統可取代多套轉爐系統，吹煉工序的投資大幅降低。

(11)該工藝實現了從原料到陽極銅生產過程的熔體全部通過流槽連接，沒有精礦制粒、精礦干燥、銅锍?；?、銅锍干燥、銅锍磨碎和熔劑磨碎等工序。占地小、流程短、工藝環節少、投資省、運行成本低。

4 工藝布置

為了降低風險，雙底吹連續煉銅工藝在產業化初期僅將底吹熔煉爐和底吹吹煉爐之間通過流槽連接起來，銅锍通過流槽流入吹煉爐。粗銅仍通過吊車吊運包子的形式加入到陽極爐內。這種布置形式，也稱作“兩連爐”布置。豫光銅冶煉廠在設計中采用了該布置形式。雖然取消了銅锍吊運這個環節，但是仍存在粗銅吊運過程逸散出SO2產生低空污染的問題，沒有徹底解決環保問題。

在“兩連爐”取得了成功的基礎上，國投金城項目首次采用了“三連爐”布置形式?！叭B爐”布置示意圖如圖3所示。圖中從右至左依次是底吹熔煉爐、底吹吹煉爐和兩臺回轉式陽極爐，四臺爐子呈“Y”字型布置，從高到低，順勢而下。熱態銅锍從熔煉爐端頭的虹吸口排出，經流槽流入底吹吹煉爐內；吹煉產出的粗銅通過流槽流入兩臺陽極爐內；陽極爐產出的陽極銅通過端部的排放口排出，經雙圓盤定量澆鑄機澆鑄成合格陽極板。

圖3 雙底吹連續煉銅“三連爐”布置示意圖

熔煉爐的頂部設有進料口，一端設有虹吸排放銅锍口，另一端設有放渣口。吹煉爐一端設有進銅锍口，另一端設有虹吸排粗銅口，爐渣排放口設在側部；爐頂設有殘極加料口和熔劑加入口，電解殘極通過殘極加料機輸送到爐頂并加入爐內。爐體底部設有多支氧槍，根據熔煉和吹煉的不同需要，通入不同種類的氣體。

5 產業化應用及性能指標

自2014年首套雙底吹連續煉銅裝置在豫光銅冶煉廠建成投產并取得成功以來，山東方圓、包頭華鼎、青海銅業和靈寶金城四家冶煉廠先后采用了該種煉銅工藝建廠并實現達產達標。各冶煉廠的產能規模及投產時間如表1所示。

表1 采用雙底吹連續煉銅技術的冶煉廠

從已投產的雙底吹連續煉銅冶煉廠的運行情況來看，該工藝的主要參數指標已經達到行業先進水平。典型的雙底吹連續煉銅工藝參數及技術指標如表2所示。

6 工藝及裝置的優化與升級思考

雙底吹連續煉銅技術自首次工業化應用以來，也僅僅不足十年的時間。目前雖然該技術已經在上述冶煉企業中得以應用，但仍處于發展階段，還存在值得改進和完善之處。

表2 典型的雙底吹連續煉銅工藝指標

(1)氧槍壽命。目前熔煉氧槍的壽命已經達到了90 d，但是吹煉氧槍的壽命只有20～30 d，需要定期檢查和清理氧槍。多家企業和單位一直致力于底吹氧槍的改進工作，相繼開展了包括改良氧槍材質、優化氧槍通道、加強氧槍冷卻、通入惰性保護氣體、調整爐況參數等多種方法的嘗試。隨著科技的進步，各種新型材料的合成和應用，以及研究的不斷深入，有望找到更好的方法來進一步提高氧槍壽命。

(2)氧槍數量。為了保障爐底攪動的均勻性，傳統氧槍的通氣量通?？刂圃?1 000～1 500) Nm3/支,但是隨著產能規模的擴大，底吹爐處理精礦量的能力已經達到了200～250 t/h，爐子需要設置30支以上的氧槍。爐體需要有足夠的位置來安裝氧槍，使得爐體長度超過30 m，爐殼的厚度達到100 mm，氧槍閥組也變得龐大復雜。不僅增加了占地面積和設備投資，也增加了氧槍維護的工作量。包頭華鼎冶煉廠在底吹熔煉爐上進行了大槍試驗，單支槍供風量達到3 000～4 000 Nm3/h。氧槍氣量增大后，氧槍個數有效減少，爐況沒有受到不良影響。在2018年的技改工程中，在底吹吹煉爐上也使用了大槍，使用效果仍在驗證中。為了滿足大規模生產的需要，底吹裝置的大型化是必然的趨勢，因此盡量降低爐體長度和氧槍數量是十分必要的，這需要設計單位與工廠開展更多的研究和工作。

(3)自動化換槍裝置的研發。底吹爐的氧槍通常依靠人工更換，換槍期間的勞動強度較高，且受制于工人本身的操作水平和熟練程度。目前，自動化換槍裝置的研發正在進行，通過自動化換槍裝置，可以有效的減少換槍作業對操作人員的高度依賴性，提升了底吹爐生產自動化水平，同時也是以人為本理念的一種體現。

(4)加料口粘結問題。為減少底吹爐加料口的煙氣溢散，需要維持加料口處的負壓狀態，會產生一定的漏風。漏入爐內的冷風與熔體攪動過程中噴濺起的液滴相遇，會附著在加料口下部，形成粘接物，嚴重時需人工清理。目前，專門用于清理加料口的懸臂式清理機被開發和應用于冶煉廠內，但是由于各企業的粘接情況不盡相同，使用效果仍有待完善。另一種可行的控制加料口粘接的思路是，盡量控制低液位的操作，或將爐體直徑適當放大，避免熔體噴濺到達加料口處。

(5)底吹精煉技術。底吹精煉技術是對底吹技術的發展和完善。底吹精煉技術的核心設備是底吹精煉爐，底吹精煉爐采用底吹噴槍進行氧化還原作業，單支噴槍送氣量是傳統氧化還原槍的3～4倍，可極大縮短氧化還原時間；噴槍氣體從爐底噴入，熔體表面噴濺小，熔體下部攪動強烈，可省去昂貴的透氣磚系統。2019年，包頭華鼎建成了一套底吹精煉系統，與原有的雙底吹系統形成“三連爐”配置，前后工序的冶金爐均通過流槽連接，熔體通過流槽倒運，徹底解決了困擾企業多年的冶煉煙氣低空污染的頑疾。目前，該技術展現出了較好的指標，但是由于投產時間尚短，仍需要進一步完善和改進，以達到更好的效果。

(6)智能化控制。在當前全球工業4.0技術背景下，智能工廠是未來有色冶煉行業技術升級轉型的重點發展方向之一?；诠に嚈C理模型的智能控制系統與生產系統緊密銜接，因此是智能工廠的核心組件。從冶煉生產技術的發展路線也可以看出，現代強化熔煉技術的瞬時性和連續性也勢必對工藝控制系統提出更高的要求。國內江銅貴冶、金隆銅業等閃速煉銅生產企業采用日本“東予”冶金數學模型對生產進行過程控制，Ausmelt頂吹煉銅技術開發了相應的PCS系統,日本三菱公司開發了三菱工藝運行支持系統(MIOSS系統)。而雙底吹連續煉銅工藝仍采用相對落后的DCS控制模式，憑人工經驗進行操作，還沒有與之相配套的智能控制系統被開發和應用。因此，盡快開發出底吹智能控制系統，提升生產系統的自動化和智能化程度，是當前雙底吹連續煉銅工藝優化和升級的一項重要內容。

7 結語

雙底吹連續煉銅技術具有工藝流程短、生產環節少、熱量利用率高、建設投資省和加工成本低等優點，徹底解決了P- S轉爐吹煉作業過程中產生的環保問題，工藝指標也達到了行業先進水平。該工藝自問世以來，短短幾年內便有多套生產線投入運營，得到了市場的充分認可。

隨著我國對環保的日益重視，P- S轉爐吹煉工藝因其存在的低空污染和廢氣排放超標等問題已經無法適應國家的環保政策，在未來將作為落后技術被逐步淘汰并退出銅冶煉的歷史舞臺。雙底吹連續煉銅技術必須盡快解決自身存在的問題，快速適應產業發展的需求，才能擔當起替代P- S轉爐吹煉工藝的重任。