探討陽極爐精細化管理生產實踐

黎亞琦，沈 超

北方某公司熔煉廠日均生產陽極銅550t。工藝流程采用雙側富氧側吹熔煉—底吹吹煉—回轉式陽極爐精煉的全熱態連續煉銅生產工藝。側吹與底吹采用全熱態連續煉銅，熱量損失少，作業效率高，底吹吹煉在正常生產時不需要消耗燃料。因粗銅自發反應熱量低，需要外部熱量來維持銅液溫度，消耗量較大，CNG單耗成為精煉工序噸銅冶煉能耗的重要指標。在建廠兩年后隨著公司冶煉技術水平鞏固和提高，陽極爐精煉工序先后進行了摻氮還原、生產效率提高、陽極板合格率提升等等方面實行技改措施后，在降低能源消耗、提高產品質量等多個方面都取得了較大進步。CNG 單耗及陽極板合格率逐步達到國內先進水平。

1 工藝介紹

1.1 生產現狀

熔煉系統吹煉工序配備了1 臺可年產粗銅18 萬噸的底吹爐，吹煉過程為：全熱態連續煉銅，側吹產出熱冰銅通過溜槽直接進入底吹爐，生產穩定的情況下日產粗銅550t。陽極爐精煉工序配備了2 臺裝入量為280t 的陽極爐和1 臺圓盤澆鑄機，其生產過程分為：加料、保溫、氧化、還原、澆鑄5 個周期。陽極爐工序2臺陽極爐全部投入生產，根據生產計劃平均日產陽極銅2 爐次，個別情況可完成3 爐次，利用空爐保溫時間處理陽極爐自產冷銅及殘極等其他含銅物料。

目前傳統陽極爐基本采用冶金行車吊裝粗銅包給陽極爐加料，存在單包加料量少，銅溫散熱快，嚴重的低空污染等問題，造成車間現場環保壓力大，銅液升溫能源消耗大，同時冶金行車吊運粗銅包行進時，存在較大安全風險。北方某公司陽極針對傳統陽極爐低空污染問題，在爐體一端開設加料口，通過保溫溜槽加料，在進料口上方加設環集煙罩，完全解決低空煙氣污染，銅液溫度散熱快的問題，生產過程更加安全環保，同時降低行車安裝和銅包運營成本。在冶煉過程中通過運用帶硫還原、摻氮還原，使銅液充分攪拌，天然氣利用率從30%提高至50%左右，天然氣單耗降低明顯。

1.2 降低CNG 單耗的方法

熔煉系統的陽極銅產量主要取決于側吹爐精礦處理量和底吹爐冷料處理量。在上述兩道工序產能穩定的情況下，陽極爐總產量基本固定，盡可能通過提升陽極板合格率，保證陽極爐產量。陽極爐天然氣消耗主要集中在保溫天然氣，根據陽極爐爐型結構，對燃燒天然氣壓力、氧氣壓力進行多次調整，保溫天然氣單耗已逐步降低，進一步下降空間有限。在日均陽極銅產量維持穩定的前提下，通過縮短各周期的作業時間、提高作業效率，不斷革新作業制度、提高現場精細化管理，穩定單爐產量，實現陽極爐噸銅天然氣單耗的大幅下降。

2 制約生產效率的主要因素

2.1 氧化期時間過長

氧化期時間過長且波動大。底吹吹煉的主要目的是脫硫、造渣，其風量大、氧濃高、速度快，吹煉過程受冰銅品位的影響較大，吹煉中后期含硫量變化很快，吹煉終點采用對煙氣中SO2濃度檢測判斷開口時機，并結合現場人工取樣判斷，存在一定的偏差。因采用熱態連續煉銅工藝，為避免底吹爐爐內過吹，底吹放銅后期需要進熱冰銅來控制爐內過氧化程度，熱冰銅入爐時間也會對粗銅品質產生較大影響，造成粗銅含硫變化大，甚至出現含硫達到0.5%以上，陽極爐氧化超過7 個小時的情況，導致陽極爐氧化期所需時間波動較大。

2.2 升溫幅度大、耗時長

底吹粗銅終點溫度控制在1210±10℃，通過粗銅溜槽分兩次向陽極爐進料，第一次進料150t，第二次進料130t，中間間隔時間4h ～5h。陽極爐精煉需要升溫至1160℃～1170℃進行還原作業才能確保還原結束銅液達到出銅目標溫度1210℃。雖然底吹爐放銅溫度較高，但空爐期間陽極爐需要處理15t 左右冷銅，第一次加料后銅液溫度基本在1150℃左右，長時間不進料時甚至出現1100℃的情況，對陽極爐氧化升溫產生較大影響，如果氧化期間溫度未達到1150℃，還原期間需要通過稀氧燃燒提供600Nm3/h 以上的氧氣流量來提升銅液溫度，因氧勢過強，造成還原時間大幅延長，還原天然氣用量隨之增加。

2.3 澆鑄速度低，合格率低

澆鑄系統配備一套圓盤澆鑄機，采用雙18 模圓盤澆鑄機。澆鑄作業流程可分為：陽極板澆鑄、陽極板冷卻、陽極板提取、脫模劑噴涂四個階段。制約圓盤澆鑄機速度的關鍵部分是陽極板澆鑄階段。

陽極板澆鑄過程由中間包倒銅和電子秤澆鑄兩個機械動作完成，利用每個機械動作開始和結束的時間點，可將每塊陽極板的澆鑄過程劃分為4 個階段：①中間包等待時間（電子秤返回到位→中間包開始倒銅）；②中間包倒銅時間（中間包開始倒銅→中間包返回到位）；③電子秤等待時間（中間包返回到位→電子秤開始滑動）；④電子秤澆鑄時間（電子秤啟動→電子秤返回到位）。而中間包倒銅和電子秤澆鑄的兩個機械動作并不連貫，均存在2s ～3s 左右的等待時間，拉長了單塊陽極板澆鑄時間，影響圓盤澆鑄機的澆鑄能力，完成一塊陽極板澆鑄需用時32.76s，造成圓盤澆鑄速度只能維持在75t/h ～80t/h，加上澆鑄前期準備工作和澆鑄后清理工作，出一爐銅需要6h ～7h，主要包括：

（1）單爐澆鑄時間偏長，存在延誤底吹放銅時間，影響熔吹動態平衡風險。

（2）因澆鑄期間需要使用燃燒天然氣對銅液提溫，以滿足澆鑄需求，澆鑄時間越長，天然氣用量越多。

（3）澆鑄時間偏長，員工整體勞動強度增大，設備負載時間延長，不利于人員安全穩定及設備平穩運行。

2.4 陽極板合格率偏低，合格產量降低

投產前兩年受崗位員工操作熟練度及設備影響，陽極板合格率一直處于偏低狀態，存在陽極板物理規格不穩定，鼓包、飛邊毛刺、耳部和下板身厚度超限等問題，員工工藝操作能力欠缺，應對突發情況處理速度慢，造成單圓盤澆鑄時間偏長，甚至出現終止澆鑄的情況，產出大量廢板。并且設備故障率偏高，尤其突出點為電子秤運行不穩定，導致大量陽極板存在偏輕偏重問題，對合格陽極板產量及噸銅能耗產生較大影響。2021年1月至7月陽極板平均合格率僅98.27%，每月自廢板達到500 塊以上，距離國內先進企業相距甚遠，成為陽極爐需要重點突破的項目。

3 提高生產效率的措施

3.1 推行標準化操作，縮短氧化還原進程

（1）不斷推行現場標準化操作，底吹爐做好吹煉終點控制，并根據底吹工藝生產條件，控制第二次來料粗銅樣為麻銅，含硫0.15%～0.25%之間，加料期間陽極爐前與底吹爐前人員配合取樣判斷，決定底吹進冰銅時機，通過粗銅樣穩定控制，保證陽極爐氧化期間壓縮空氣流量在800Nm3/h 左右，陽極爐氧化作業時間可控制在3h 以內。由于粗銅有少量硫含量，可充分利用氧化脫離放熱，節省燃燒天然氣用量，同時此品位下粗銅含氧也相對較低，在0.1%以內，避免氧化結束后氧化樣含大量氧斑，影響還原作業。

（2）根據氧化、還原作業進程，靈活調整爐內負壓。因氧化初期銅液含硫較高，煙氣量大，隨著反應進程，煙氣量逐漸降低，爐內負壓也跟隨調整，避免爐內熱量被大量抽走，并根據單爐澆鑄量，定期檢查爐體Z 型煙道，來調整單爐粗銅加入量。

（3）調整還原天然氣壓力。使用摻氮還原工藝后，還原天然氣單耗取得了較大突破，但仍然存在還原期間天然氣流量波動的情況，影響風管送氣穩定性，維護一次風管，將浪費20min 左右還原時間，遂將還原天然氣壓力由3.9 公斤調整至4.1 公斤，有效穩定了還原期間風管通氣流量，提高還原效率。

（4）各班組根據爐口結焦情況，對爐口進行清理維護。爐口結焦嚴重，不僅會影響陽極爐有效排渣，造成爐內積渣較多，影響單爐產量和氧化、還原作業周期，造成天然氣單耗增加；同時也會造成作業期間煙氣外溢嚴重，爐口蓋和氣缸變形、損壞。國產打渣機修復后，立即要求橫班對爐前人員進行操作培訓，各班爐前崗位主動清理維護爐口，保證爐口整潔和有效排渣，提高了加料檢尺準確性，月均單爐產量可穩定控制在280t左右，降低天然氣單耗，同時避免爐口蓋和氣缸損壞、變形，外溢煙氣污染環境等。

（5）制定詳細的爐前操作規范。尤其針對風管維護方面，要求爐前人員按規定維護風管，并將維護情況交接下一班組，避免了因風管送氣問題影響氧化、還原作業節奏，操作規范執行后，爐前人員崗位責任心得到一定提升，作業期間風管流量波動與燒風管情況明顯減少，不僅節省了風管消耗與風口磚損耗，同時有效提高氧化、還原作業效率。

（6）經過精細化管理和部分技改后，陽極爐單爐氧化、還原總時長由9h ～10h 降低至6h ～7h，作業效率得到明顯提升，在采用底吹吹煉的工藝情況下，已具備和轉爐吹煉工藝相媲美的能力。

3.2 提高升溫效率，精簡冷料處理

（1）優化陽極爐冷料處理。一是調整出銅口制作角度，將出銅口制作高度放低5cm，并改良出銅口耐火材料，因高鋁耐火料存在沖刷易脫落現象，遂采取高鋁耐火料與611 搗打料3：1 混合，增加耐火料強度，避免澆鑄期間出銅口散花，活動溜槽堆積產生大量冷銅，通過以上改進，活動溜槽冷銅重量由2t 左右控制到1t 左右，并且活動溜槽后端無堆積較高的冷銅，澆鑄角度基本為58°，接近極限角度60°，盡量澆出爐內剩余銅量，減少存銅；二是澆鑄結束時，爐后中控將中間包剩余銅量盡可能倒至澆鑄包內，廢陽極人員使用渣鏟將澆鑄包內剩余銅液扒至鋼模內，出成廢板，將廢板供底吹使用，澆鑄包剩余銅液由700kg左右降低至150kg ～200kg，減少了陽極爐需要處理的中間包、澆鑄包剩余冷銅。陽極爐自產冷銅量降低，保溫期間可采取降低燃燒天然氣用量。

（2）充分利用底吹粗銅溫度。底吹放銅溫度控制要求為1220±10℃，到陽極爐后測溫均值在1170 ～1190 之間。在底吹第一次進料前1h 處理陽極冷料，利用預氧化放熱熔化冷料，控制預氧化結束溫度在1160±10℃。因陽極爐氧化脫硫過程為放熱反應，降低溫度有助于反應的正向進行，第二次進料結束后測溫均值在1180℃左右，可控制燃燒天然氣在120Nm3/h ～150Nm3/h。采用適當降溫的措施，不僅可以加快氧化反應速率，也可以節省燃燒天然氣用量，控制氧化結束溫度1170℃～1180℃之間，保證還原期間能夠有效升溫。

（3）調整燃燒天然氣壓力。因陽極爐爐體較長，達到13.5m，2.8 公斤左右的燃燒天然氣壓力鋼性較差，火焰長度偏短，與閥組廠家溝通對接后，調整燃燒天然氣壓力到4.5 公斤，火焰剛性與長度明顯增強，爐體遠端受熱也更加均勻，增強爐體保溫效果，保溫期間燃燒天然氣流量由150Nm3/h ～180Nm3/h，調整至110Nm3/h ～130Nm3/h，降低燃燒天然氣用量。

3.3 提高澆鑄速度

為提高陽極板澆鑄速度且保證陽極板合格率，工藝及電儀技術人員通過優化圓盤控制程序和電子秤澆鑄曲線，提高澆鑄過程中各機械動作的連貫性。并不斷優化澆鑄包、鋼模、噴淋水等附屬設施，在確保穩定的前提下盡量加快電子秤運行速度。經過多項改造和優化后，澆鑄期間各項機械動作更加連貫，通過對噴淋水的改造提升，保證了在高澆鑄速度下陽極板的冷卻效果，使圓盤澆鑄機的平均澆鑄能力由75t/h ～80t/h提高至90t/h ～100t/h。每爐次陽極銅（280t）的澆鑄時間由3.7h 縮短至3h，且產出陽極板物理規格滿足電解生產需求，合格率達到99.3%以上，為員工在高溫、高風險環境下的作業安全也提供一定保障。

3.4 提高陽極板合格率

為提高陽極板合格率，保證實際澆鑄產量，實現降低能源消耗和噸銅成本的目標，針對崗位員工技能操作水平、設備運轉率、應急處理能力方面進行全面改進，主要實施的措施有：

（1）優化調整爐后中控操作模式，將中間包自動調整灌量角度改為中間包固定倒銅角度，穩定澆鑄包裝入銅量，澆鑄溢流量得到穩定控制，減少陽極板偏輕偏重。

（2）制定完善的設備點檢要求，配合設備與電儀等專業人員協同檢查，養成員工澆鑄空檔期設備點檢習慣，對電子秤內部傳感器落位、鏈條松緊度、滾輪偏離度進行仔細檢查，拍照上傳，并同時對電子秤按照1200kg 進行校秤工作，廢陽極崗位人員對提取機、水槽鏈條等設備進行檢查維護，澆鑄前1 小時進行模擬運行，相關措施實施后，20 余次在澆鑄前期檢查發現設備問題并處理，大幅降低澆鑄期間設備故障率，提高澆鑄穩定性。

（3）嚴格落實活動溜槽、固定流槽、中間包、澆鑄制作要求，通過生產對比，選擇合適澆鑄包尺寸，固定澆鑄包深度為24cm，高度距離鋼模32±1CM，澆鑄期間控制澆鑄包灌量在750kg ～900kg 之間，爐后中控對澆鑄包尺寸進行嚴格核實，并拍照確認發給下一班組，通過認真把控，基本消除澆鑄期間澆鑄包超量程和沖包現象。

（4）爐前嚴格按照熔煉廠《三大操作規程》執行相關操作，控制銅液含氧量在0.10%～0.12%之間，澆鑄溫度1210±10℃，澆鑄前檢查確認出銅口通道通暢，銅口大小5cm ～7cm 之間，滿足澆鑄流量，確認出銅口耐火料制作標準，無松動、無毛邊，提高爐后中控搖爐穩定性。

（5）通過技術改進，減少不必要的人為操作，并持續推進崗位人員技能培訓，編寫陽極爐應急演練處置方案，提升崗位員工應急演練熟練度。出現設備故障時，崗位人員操作準確、及時，大幅降低應急處置時長，提升員工自信。

（6）嚴格執行班前各崗位單獨交接制度，接班人員會前提前到崗了解本崗位生產情況，交付人員認真對接，不得隱瞞故障問題，提升班組間協調度。

（7）經過多項技術優化、崗位員工技能提升，明確操作工人、當班班長以及橫班值班長的責任和責任意識。通過工序管理人員堅持不懈的監督管理，還是取得了相應成效，2021年11月～2022年4月陽極板平均合格率達到99.3%以上，每月自廢板不足100 塊，較之前的98.27%，取得較大提升，自廢板數也大幅降低，陽極板合格率逐步達到國內先進水平。

3.5 降低設備故障率

為保證澆鑄期間生產連續性，提高設備運行穩定性，針對提取機、水槽鏈條、電子秤、圓盤限位等重點設備進行專項點檢維護，要求電儀、設備等技術人員對崗位工藝人員開展培訓學習，掌握設備點檢、維護要求。每月組織聯合檢查，做好預防性維修，設備運行穩定性得到較大提高，保證了陽極爐生產的連續性。主要包括：

（1）穩定陽極爐工序的電儀及設備維修人員。因陽極爐在澆鑄期間屬于連續澆鑄狀態，若出現個別影響澆鑄的設備故障，需要在短時間內恢復完成，對電儀及設備維修人員的熟練度和問題判斷準確性要求較高。所以要對陽極爐區域配備穩定的電儀及設備維修人員，能夠準備判斷并修復設備故障，在盡可能短的時間內恢復正常澆鑄狀態。

（2）對重點設備實行預防性動態維修。利用陽極爐作業周期間隙，通過工藝人員巡檢和聯合檢查對易損、易出故障的薄弱環節和部位重點監測。包括提取機結構強度、電子秤內部結構、圓盤各傳感器等，判斷故障周期。并提前做好維修所需的備品備件計劃和材料計劃，做好預防性維修工作。

（3）崗位員工逐步專業化。定期邀請專業人員多陽極爐崗位人員組織設備理論培訓，掌握設備故障表現，做到根據現場問題表現，判斷故障設備及故障原因，向值班人員提供有針對性的維修方向，提高設備維修效率。通過理論學習加現場實踐，員工崗位工作經驗不斷豐富，多次將設備故障問題暴露在巡檢維護期間，大大提高了澆鑄期間的連續穩定，為合格率提升做出重要保障。

4 實踐效果

自2021年大修后，針對過往制約能耗降低和產品質量提升的問題，先后執行上述各項措施和技改，并不斷推行精細化管理。在能源管控和產品質量方面取得了較大突破，達到了預期效果。陽極爐單爐平均作業時長有12h 縮短至8h ～10h，單爐產量由250t 提升至280t。陽極爐噸銅天然氣單耗由20Nm3/t 以上降低至16Nm3/t 以下。陽極板合格率由98.2%左右提升至99.3%以上。各項生產數據和生產指標均達到歷史最好水平，陽極爐生產作業效率得到大幅提高。

5 結語

該公司在投產兩年后，陽極爐工序針對前期生產技術薄弱、員工能力欠缺、操作制度不完善等各類制約生產的各類問題，提出各類改進措施和技改方案。噸銅天然氣單耗和陽極板合格率等重點管控指標，逐步達到并靠近國內先進水平。并在借助底吹爐連續吹煉的優勢下，不斷提升工藝技術能力，技改創新，在能源管控各產品質量方面繼續取得突破。