大型再生銅反射爐結構關鍵技術研究

陳興發，戚 平，連華林

（1.東江環保股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.廣西防城港滬港金屬有限公司，廣西 防城港 538004）

我國是世界銅消費第一大國，相對于銅產能，我國銅精礦自給能力僅為30%左右。銅資源嚴重不足將是制約我國銅冶煉工業發展的主要因素之一，廢雜銅冶煉成為彌補銅精礦產能不足的重要途徑[1,2]。

1 再生銅冶煉主要設備及優缺點

用于火法精煉再生的原料主要有以下幾種：

①鼓風爐還原熔煉高鋅雜銅和精煉爐渣產出的黑銅；②轉爐吹煉高鉛、錫雜銅產生的次粗銅；③含銅92%～98.5%的漆包線、電線電纜、電器含銅原件等廢雜銅；④電解車間的返回品殘極、海綿銅等。用于再生銅火法精煉的主要設備有：固定式反射爐、回轉式陽極爐、傾動爐、卡爾多爐等，幾種精煉爐各有優缺點。

1.1 固定式反射爐

優點：①建設周期短，投資省，見效快。②原料適應性強，可處理含銅品位80%～98.5%的各類黑銅、次粗銅、廢雜銅。③操作簡單，各階段操作容易實現按要求控制。④精煉渣含銅低，約在15%左右。⑤兩加料口，加料方便，布料均勻。

缺點：①熱效率較低。②機械化程度不高，勞動強度較大。③作業環境相對較差。

1.2 回轉式陽極爐

優點：①爐子密閉性好，熱效率高。②機械化程度高，工人勞動強度小。③作業環境相對較好。

缺點：①單爐口加料，加料困難，冷料適應性差。②對原料要求較高，處理低雜粗原料難度大，一般僅處理含銅98.5以上的礦粗銅。③渣含銅偏高，約30%～40%。④投資較大。

1.3 傾動爐

優點：①機械化程度高，工人勞動強度小。②爐體密閉性好，作業環境相對較好。③兩個加料口加料，加料方便，布料均勻。④爐內傳熱好，熱效率高。

缺點：①渣含銅偏高，約30%～40%。②還原劑消耗較大。③爐體結構復雜，設備投資大，引進費用高。

近年來，固定式反射爐在機械化程度、環保除塵以及節能等方面得到了較大的發展，固定式反射爐以較寬泛的低雜粗原料適應性、容易操作、低渣含銅、低投入等優勢得到了大多數冶煉企業的認可，目前，國內大部分再生銅精煉企業所選工藝仍以固定式反射爐精煉為主流，固定式反射爐在作業環境、機械化程度、節能等方面仍有較大的空間可以挖掘，因此，對于固定式反射爐節能等關鍵技術的研究對于推動再生銅精煉及銅工業發展具有重大的意義[3]。

2 傳統大型固定式反射爐現狀及經濟技術指標

固定式反射爐主要是對粗銅和再生銅進行精煉操作，進一步除掉銅中的有害雜質，以滿足電解精煉對陽極板化學成分的要求，火法精煉在固定式反射爐中進行。火法精煉過程分加料熔化期、氧化期和還原期和保溫澆鑄期，氧化期往銅熔體中鼓入壓縮空氣，使其中的鉛、砷、銻、鉍等雜質氧化與二氧化硅、氧化鈣等造渣進入精煉渣中。氧化期結束后除掉浮在銅液上部氧化產生的精煉渣，接著進入還原期，還原期是將氧化期銅液中產生的氧化亞銅還原成銅，還原期往銅液中加入碳基還原劑。反射爐產物有陽極銅、精煉渣和煙氣。反射爐煙氣經余熱鍋爐、換熱器和布袋收塵器除塵后，與環保通風煙氣混合后經環保煙囪排空。為了滿足電解精煉對陽極板的物理性能要求，火法精煉產出的銅液在圓盤澆鑄機鑄模中澆鑄成陽極板。

圖1 冷態雜銅反射爐精煉工藝流程圖

國內以再生銅為原料的固定式反射爐占再生銅精煉產能的90%以上，中小企業居多[4-6]。這些中小企業所選用的固定式反射爐產能基本是單爐精煉銅60t、80t、100t三種規格，由于企業自身經濟、技術力量限制，這些企業的固定式反射爐呈現出：

①單爐產能低，動力、人工、管理成本較高；②機械化程度低，工人勞動強度大；③環保設施投入不足，作業環境惡劣等缺陷，這一些列的問題對再生銅回收、安全、環保、規范化生產帶來了諸多不利因素。

近年來，為規范再生銅的回收、提高再生銅利用效率、降低再生銅精煉成本、降低再生銅冶煉帶來的環保影響，江西銅業、云南銅業、廣西有色等大型國有企業紛紛在各地投資建設再生銅冶煉基地，固定式反射爐均朝著大型化、機械化、節能環保三大方面發展。

但由于對大型反射爐結構、熱力學條件、動力學條件等方面經驗數據不足，各家所建成的大型反射爐在能耗方面遠低于期望。筆者現以江西銅業集團清遠市分公司（清遠江銅長盈銅業有限公司），云南銅業集團清遠分公司（廣東清遠云銅有色金屬有限公司）兩家企業240噸固定式反射爐和幾家60t產能的固定式反射爐各項經濟技術指標對比來闡述現有大型固定式反射爐存在的問題。

表1 傳統大型反射爐與小型反射爐各項經濟技術指標對比

上表數據江銅長盈和清遠云銅240噸/單爐大型固定式反射爐各主要經濟技術指標對比80噸/單爐的小型固定式反射爐均存在較大的差距。

3 傳統大型固定式反射爐存在的問題

對比分析，小型雜銅反射爐在技術指標較大型雜銅反射爐均有著較為明顯的優勢。反射爐熔煉技術指標影響因素是多方面的，本文針對爐型結構與關鍵技術指標的關系進行研究，通過筆者四年多的生產實踐和調研分析，大型雜銅反射爐結構方面存在待優化關鍵技術點。

表2 傳統大型固定式反射爐與小型固定式反射爐結構參數對比分析

結合傳統大型固定式反射爐與小型反射爐結構差異及經濟技術指標差異對比，通過長期的生產實踐經驗及理論分析，筆者對傳統大型反射爐在結構方面存在的問題總結如下：

（1）長寬比取值過大，爐長過長，重油燃燒器火焰覆蓋面積為靠近燃燒器位置4.5米范圍，這個區間爐膛溫度高，物料熔化速度快，隨著溫度場延4.5米至爐尾位置分布，溫度逐漸下降，物料熔化速度減慢，這種延爐長方向物料熔化速度的差異導致熔化周期拉長，油耗大幅增加。

（2）反射爐下壓爐頂有利于高溫煙氣在爐內卷吸，增加煙氣停留時間，下壓爐頂高度取值過大，導致大量高溫煙氣快速從煙道流失，這也是造成大型反射爐能耗過高的原因。

（3）熔池深度取值過大，反射爐加熱爐料主要依靠輻射間接傳熱至熔體表面，熱量再由熔體表面向內進行傳遞，氧化過程亦如此，深度過深對于熔體熔化和氧化都帶來較大的難度，為實現熔體熔化必須延長熔化周期以及氧化時間，從而導致了重油單耗及還原劑單耗、渣含銅升高等聯鎖反應。

（4）由于爐頭、爐尾熔化速度的不均勻性，為強化熔池內熱傳遞，常使用吹氧作業進行強制循環，強化熱傳遞的過程同時也導致Cu氧化深度過大,這既是造成還原劑單耗增加的因素也是造成爐渣含銅過高的主要因素。

（5）溜槽長度過長，在進行銅水澆鑄過程中溜槽散熱損失較大，為確保銅水溫度滿足澆鑄要求，澆鑄過程必須燃燒重油彌補散熱損失。

表3 傳統大型固定式反射爐與小型固定式反射爐各生產周期耗時對比對比分析

從生產周期來看，傳統大型反射爐單爐作業時間比小型固定式反射爐長很多，具體差異主要集中于加料與熔化階段，尤其是熔化速度差異更加明顯。

華清天恒和廣州翔俊兩家80噸/單爐小型固定式反射爐對比大型固定式反射爐主要優點如下：

（1）爐長6.6m，重油燃燒火焰基本可以完全覆蓋整個爐膛，爐頭、爐尾物料熔化速度均衡，熔化時間短，油耗低。

（2）物料熔化速度快，也間接縮短了吹氧強制熱交換的時間，銅水氧化深度滿足除雜要求即可，后期還原劑單耗，精煉渣含銅品位自然也得到較大的優化。

（3）熔池深度淺，熔體間熱交換快，熔化爐時和強制吹氧熔化時間短，還原劑單耗低，渣含銅低。

（4）中部排渣排銅，溜槽短，澆鑄過程延溜槽熱損失少。

4 新型大型固定式反射爐創新點

（1）在爐尾增設重油燃燒裝置，由爐頭供熱改為爐頭爐尾同時供熱，確保高溫火焰能基本覆蓋整個爐膛，消除爐頭、爐尾物料熔化速度不均衡帶來的不利影響。

（2）由爐尾排煙改為中部排煙。

（3）延爐長方向，以爐子中心為基準，左右對稱布置下壓爐頂，確保高溫煙氣在爐膛內停留時間。

（4）支撐中央煙道及兩下壓爐頂立柱均采用水冷循環立柱，并在水冷立柱內側砌筑耐火材料。

（5）延爐長方向，以爐子中心為基線，在渣線位置敷設排渣孔。

（6）以爐子中心線為基線，兩出銅口近可能向中部靠攏。

（7）將兩出銅口爐墻厚度由860mm加厚至1160mm。

（8）將熔池深度由0.85m改為0.64m,力求縮短銅水熱交換時間，降低氧化深度，以達到降低熔化時間和降低渣含銅的目的。

（9）將原普通空氣助燃風采用換熱器與煙氣進行換熱，力求燃燒用空氣溫度≥200℃，以提高熱利用率。

（10）在出渣溜槽位置設置重金屬沉降鍋，以達到減少渣中機械損失的目的。

5 新型大型固定式反射爐綜合經濟技術指標

對傳統大型固定式反射爐結構的改動，經過長達二個月的生產實踐證明，改動后的新型固定式反射爐各經濟技術指標均得到較大的提升，體現在生產成本上優勢明顯。以下是傳統大型爐與新型爐各經濟技術指標對比。

表4 傳統大型固定式反射爐與新型大型固定反射爐綜合經濟技術指標對比

6 新型大型固定式反射爐亟待經濟的技術問題

雖然改動后的新型固定式反射爐各經濟技術指標均得到較大的提升，但仍存在一些關鍵技術問題亟待進一步研究解決，具體體現在以下幾點：

①由于煙道由尾部改動至中部，中部左右兩側對稱下壓爐頂容易出現變形垮塌，在開爐后兩個月下壓爐頂垮塌導致生產無法繼續運行。②煙道支撐及水平煙道高溫受高溫氣體的侵蝕導致變形嚴重。

7 經濟效益分析

（1）節能效益：（按年產陽極銅100000噸，重油單價4800元/噸計）。

年節能效益：Q=100000×（84-59）÷1000×4800=12000000元。

（3）金屬回收效益（按一噸精煉渣加工至陽極銅的成本2000元計，入爐原料品位按90%計）

金屬回收效益：Q1=100000÷90%×（6%-3%）×2000=6666666.67元。

年產10萬噸陽極銅生產企業，通過對傳統固定式反射爐的技改，可實現生產成本的大幅降低，年成本結余=Q+Q1約為1867萬元，這對于打造企業核心競爭力，實現企業效益最大化起到積極的意義。

8 生態效益及社會效益分析

隨著該項技術的應用不斷進步和成熟，企業廢雜銅冶煉能耗逐年降低，節約了大量的能源，同時，原料回收率提高，大大二次生產成本，能耗的降低同時也可大大緩解地方及企業環保壓力，筆者已就新型大型反射爐結構上亟待解決的問題進行了闡述。

相信經過廣大銅冶煉從業者的不斷深化研究，一定能在新型反射爐的壽命方面取得突破性進展，這項新技術的研究和產業化應用將對未來廢雜銅冶煉提供一種更加節能、更加環保的方式，意義重大。