煉銅轉爐設計應用與實踐分析

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摘要：銅冶煉過程中，轉爐吹煉技術存在一定的缺陷。通過利用原有轉爐端墻開發設計了新型進料分口及進料溜槽，將熔煉爐產生的高品位銅锍連續排放至轉爐內進行吹煉，吹煉過程中所需冷銅通過殘極加料機從爐口加入轉爐內，吹煉至終點搖爐出銅。從而解決了原轉爐吹煉操作存在多次頻繁搖爐進料，造成低空污染嚴重的問題，并保留了轉爐原有的操作靈活、冷料率大、脫雜能力強等優勢。經工業化試驗驗證，采用該種生產工藝模式下的Pb脫除率可達到76.12%，As的脫除率可達到81.4%，Sb的脫除率可達到59.78%，Bi的脫除率可達到75.06%。

關鍵詞：新型轉爐；連續進料；低空污染；冷料率；脫雜能力

全球銅冶煉發展迅速，優質原料的匱乏主要體現在原料中高雜原料所占比例越來越高[1]，使冶煉企業不得不適應于原料的變化，因此，對高雜原料的處理能力成為銅冶煉企業盈利的判定標準。銅精礦原料成分日趨復雜及粗銅雜質元素越來越高，主要體現在Pb、As、Sb、Bi、Ni的含量增加[2]；銅火法冶煉最終產品質量受到較為嚴重的影響，導致陽極銅質量波動較大，影響精銅質量的穩定[3-4]。陽極銅質量直接影響著精銅質量和電解工序的各項經濟技術指標[5-6]；如果繼續延用傳統工藝將導致大量的不合格陽極銅需回爐處理，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轉爐（Pierce-Smith轉爐）、閃速吹煉爐、頂吹吹煉爐、底吹吹煉爐[8-12]。目前應用最廣的工藝仍然是P-S轉爐工藝[13]。P-S轉爐能夠更好地適應原料的變化，產品質量達到控制要求，比起底吹吹煉爐、多槍頂吹吹煉爐，側吹吹煉爐具有操作簡單、冷物料處理多、脫雜能力強等優勢[14-15]。但由于其間斷性、周期性的操作模式，一周期需分階段進料，導致其頻繁搖爐；同時，為考慮吊車進料的空間要求，其煙罩設計無法實現有效密封；因P-S轉爐吹煉搖爐頻繁且煙罩密封性差致使低空污染較為嚴重[16-17]，無法滿足環保生產要求。因此，現有技術還有待于改進和發展。

1工藝設計

1.1新型轉爐工藝設計思路。本文針對P-S轉爐使用過程中存在的煙氣逸散問題，擬通過密閉溜槽連接到轉爐端墻上設置的進料口，實現吹煉所需熱銅锍的連續添加。與現有工藝方法相比，密閉溜槽連續進料有效避免了間歇式的周期性作業導致搖爐頻繁的問題；同時，由于無需采用吊車進料，為煙罩密封優化設計創造了條件。吹煉過程中所需含銅物料、熔劑分別通過殘極加料機及熔劑加入系統從爐口加入轉爐內，由終點判斷系統自動判斷粗銅終點，吹煉至終點將轉爐內產出的粗銅從爐口傾倒至粗銅包內，再由運銅小車運送至陽極爐進行火法精煉。1.2火法工藝配置設計。根據新型轉爐工藝設計思路，在進行火法系統匹配性設計的過程中，吹煉工藝采用側吹轉爐配置，火法精煉工藝選用回轉式陽極爐進行配置，2臺新型轉爐交替生產。具體的工藝配置及生產組織模式如下所述。熔煉爐按一定的下料量連續生產，產生銅锍，兩臺新型轉爐中（即轉爐A和轉爐B），轉爐A進行進料操作，轉爐B進行吹煉操作，轉爐B在吹煉操作結束后，再由轉爐A接連進行吹煉作業，保證銅锍能連續不斷的流入側吹吹煉爐，實現熔煉爐連續生產。火法系統配置如圖1所示。1.3新型轉爐物料平衡及熱平衡測算。預計新型轉爐銅锍處理能力為180噸/爐，根據文獻[18-20]資料，得到吹煉物料平衡計算如表1所示；新型轉爐吹煉高品位冰銅，一次性進料完成，實現了轉爐單爐次連續吹煉，吹煉過程中不進行搖爐操作，不僅保留了轉爐原有的冷料處理優勢，更減少了搖爐過程中的熱損失，抵消了溜槽進料的熱損失，根據表1的物料平衡進行熱平衡計算如表2所示，表2中熱支出的多余熱為16.18%，根據P-S轉爐操作經驗，這些多余熱可以熔化不低于100噸/爐的冷銅，冷料率預計可達80%，與傳統轉爐持平。1.4新型轉爐冷料率及脫雜能力目標雜質脫除率：新型轉爐吹煉Pb脫除率達75%以上，As脫除率達80%以上，Bi脫除率達75%以上，新型轉爐冷銅處理率≥70%。

2新型轉爐爐體結構改造及主要構件配置

2.1新型轉爐本體設計。根據進料口位置及風眼布局核算結果，對爐體結構和集煙系統進行改造，如圖2所示，圖2所示為新型側吹轉爐及環保密封煙罩效果圖。爐體具體設計思路為：通過砌筑方式封堵進料口端墻端風眼；端墻進料端切割出進料口，用進料孔專用套磚進行砌筑；進料口位置新增氣動活動擋板及集煙罩進行煙氣收集，進料口增加密封活動擋板，進料時打開，吹煉過程中關閉；設計密封集煙罩引入轉爐環保煙管，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，在托輥底盤的上面每側有兩對托輥支撐爐子的質量，并使爐子在其上旋轉；爐體由爐殼、爐口、護板、托圈、大齒輪、風眼以及爐襯等組成（爐殼由40~50mm鍋爐鋼板焊接成圓筒，圓筒兩端為端蓋，也用同樣規格的鋼板制成。在爐殼兩端各有一個大圈，被支撐在托輥上，而托輪通過底盤固定在爐子基座上；在爐殼的中央開一個向后傾斜的爐口，爐口呈長方形或圓形，爐口面積可占熔池最大水平面的15%~25%，優選20%左右，并采用高強度耐火材料的整體澆鑄技術；護板是焊接在爐口周圍的保護板，其目的是為了保護爐口附近的爐殼，也可以保護環形風管等進風裝置，使它們免受噴濺熔體的侵蝕，爐口護板應有足夠的長度、寬度和厚度；滾圈由托輪支撐，起到旋轉爐體并傳遞、承載爐體質量的作用，轉爐的滾圈有矩形、箱形、工字形斷面，銅轉爐采用工字形斷面；轉爐一側爐殼上裝有一個大齒輪，是轉爐轉動的從動輪，當主動輪電機轉動時通過減速機帶動小齒輪，小齒輪帶動大齒輪可使轉爐做360°正、反方向旋轉；風眼具體設置在轉爐爐殼的后側下方，依據需要開有30~60個圓孔，風管穿過圓孔并通過螺紋聯結安裝在風箱上，在伸入轉爐內的風管部分砌筑耐火磚后，即形成，并應用整體熱態換磚技術；爐襯在爐殼里所襯的耐火材料，具體可使用鎂質、鉻鎂質等耐火材料。2.2新型轉爐進料溜槽及集煙罩設計。銅锍經溜槽流入進料口中，如圖3所示。圖3中的3為進料口溜槽及小車，通過小車承載溜槽實現溜槽與爐體進料口的對接和脫離，當需進料時小車在軌道移動到規定位置，溜槽與進料口對接；當放料完畢后，小車在軌道上后退至原位置，溜槽與進料口脫離，進料口密封門關閉，為防止進料過程中煙塵外溢及熱量損失，進料溜槽設計為密閉型。圖3中5為中間包及溜槽，連接熔煉爐與進料口溜槽，將熔煉爐中的銅锍流進中間包溜槽，實現連續進料，避免通過吊車從爐口進料的操作；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，收集新型轉爐吹煉過程中產生的煙塵。2.3殘極及其它冷料的加入方式設計。兩周期吹煉過程中需要加入的殘極及其它冷料，采用殘極加料機實現吹煉過程中冷銅的連續加入，避免搖爐加料的操作，從而實現單爐次搖爐兩次(起吹及出銅)的連續吹煉；搖爐供風量與吹煉角度契合的自動化控制，實現搖爐過程煙氣不外逸。

3新型轉爐工業化生產應用實踐

3.1新型轉爐爐體改造實踐。將原有P-S轉爐進行改造成新型銅锍吹煉設備，在P-S轉爐本體端墻中心以上706mm為中心（圓形端墻圓心的正上706mm處）設置600mm×600mm的進料口，并在進料口配置密封門。在進料口與熔煉爐之間設置有溜槽，用于將熔煉爐中的銅锍送入轉爐中。溜槽其中的與進料口對接的一段，進料完畢后，通過其下部的小車將溜槽從進料口脫離，便于關閉進料口密封門；在溜槽另一與熔煉爐相連的部分的上方設置集煙罩。在爐口設置安裝密閉集煙罩及加料小車。3.2新型冰銅進料方式及吹煉實踐。將熔煉爐產生的冰銅（品位72%），通過進料溜槽和進料口流入吹煉爐內，進料量為180t，一次性連續進料，時間為0.5h。開啟風量-搖爐角度聯動控制，并設置供風量為18000~30000m3/h、供氧量為800~1500m3/h進行吹煉操作。在吹煉過程中，根據爐溫和爐況，將106t冷銅（殘極，品位98.5%）通過加料系統分批次加入爐內，吹煉過程不搖爐。在吹煉過程中，吹煉煙氣通過密閉集煙罩得到有效收集，直到達到吹煉終點，搖爐出銅，吹煉時間200min，低空污染現象基本消除。同時，使用現階段我廠自主研發的新型脫雜劑在進料前加入，吹煉過程中進一步提升了As、Sb、Bi的脫除效率。經工業化試驗驗證，采用該種生產工藝模式下的Pb脫除率可達76.12%，As的脫除率可達到81.4%，Sb的脫除率可達到59.78%，Bi的脫除率可達到75.06%，具體試驗數據如表3所列。

4結論

1）新型轉爐采用了爐體端部進料設計、靈活的進料溜槽設計、冷銅連續加料系統設計及密封型集煙罩的設計，保留了傳統轉爐的高冷料率和高脫雜能力。2）新型轉爐實現了不搖爐熱冰銅從特殊進料口連續進料，消除了爐口加料頻繁、搖爐操作導致的低空污染現象，克服了原有P-S轉爐工藝的最大劣勢；實現了不搖爐連續從爐口添加冷銅，且爐口設置的密封集煙罩吹煉過程中產生的煙氣得到全部收集，解決了低空污染問題；通過工業實踐得到：Pb脫除率達76.12%，As脫除率達81.4%，Sb脫除率達59.78%，Bi的脫除率可達到75.06%，基本達到了預期效果。3）新型轉爐的吹煉工藝采用側吹轉爐配置，火法精煉工藝選用回轉式陽極爐進行配置，兩臺新型轉爐交替生產，較好的匹配了火法熔煉系統，具有較好的推廣應用價值。

作者:于海波 劉大方 杜昱初 招楊 楊文杰 管桂生 單位:1.云南銅業股份有限公司西南銅業分公司2.楚雄滇中有色金屬有限責任公司