陽極爐精煉現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

孫麗娜，王 輝

（1.江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424；2.金川鎳鈷研究設(shè)計院，甘肅 金昌 737100）

1 陽極爐精煉現(xiàn)狀

1.1 精煉爐各爐型的特點

用于銅火法精煉的爐型有固定式精煉反射爐、回轉(zhuǎn)式精煉爐、傾動式精煉爐三種。

反射爐是傳統(tǒng)的火法精煉設(shè)備，是一種表面加熱的膛式爐，結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，可以處理冷料，也可處理熱料；可以處理固體燃料、液體燃料或氣體燃料。反射爐容積、爐體尺寸可大可小，處理量波動范圍較大，適應(yīng)性很強。處理冷料較多的工廠和規(guī)模較小的工廠，多采用反射爐生產(chǎn)陽極銅。

1.1.1 反射爐存在著以下幾方面的缺點

（1）氧化、還原插風(fēng)管，扒渣、放銅等作業(yè)全部是手工操作條件差，難以實現(xiàn)機械化和自動化。

（2）爐體氣密性差，散熱損失大，煙氣泄漏多，車間環(huán)境差。

（3）耐火材料用量多，風(fēng)管及輔助材料消耗大。（4）爐子內(nèi)銅液攪動循環(huán)差，操作效率低。

1.1.2 陽極爐的優(yōu)點

陽極爐［1］是20世紀50年代后期開發(fā)的火法精煉設(shè)備。它是個圓筒形的爐體，在爐體上配置有2個風(fēng)管、1個爐口和1個出銅口，可作360°回轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動爐體將風(fēng)口埋入液面下，進行氧化、還原作業(yè)。陽極爐體可進行加料、放渣、出銅，操作簡便、靈活。與反射爐比較，具有以下優(yōu)點：

（1）爐體結(jié)構(gòu)簡單，機械化、自動化程度高，取消了插風(fēng)管、扒渣、出銅等人工操作在處理雜質(zhì)含量低的粗銅時可以實現(xiàn)程序控制。

（2）爐子處理能力大，技術(shù)經(jīng)濟指標好，勞動生產(chǎn)率高。

（3）取消了插風(fēng)管扒渣等作業(yè)，輔助材料消耗減少。

（4）陽極爐密閉性好，爐體散熱損失小，燃料消耗低。

（5）爐體密閉性好，用負壓作業(yè)，漏煙少，減少了環(huán)境污染。

陽極爐與反射爐相比，由于熔池深，導(dǎo)致受熱面積小，化料慢，故不適宜處理冷料，適合于處理熱料。回轉(zhuǎn)式精煉爐現(xiàn)已成為煉銅廠標準的火法精煉設(shè)備。

1.1.3 傾動爐的優(yōu)缺點

傾動式精煉爐是20世紀60年代中期，由瑞士Maerz研究發(fā)明的。它在反射爐和陽極爐基礎(chǔ)上，吸取了兩種爐型的長處而設(shè)計的。爐膛形狀像反射爐，保持其較大的熱交換面積，采取了陽極爐可轉(zhuǎn)動的方式，增設(shè)了固定風(fēng)口，取消了插風(fēng)管和扒造作業(yè)，減輕了勞動強度，既能處理熱料，又能處理冷料，是較理想的爐型。

傾動爐與反射爐和陽極爐比較，具有以下的優(yōu)點：

（1）爐膛具有反射爐爐膛的形狀，斷面合理，受熱面積大，熱交換條件較好，爐料熔化速度快。

（2）配備有兩個加料門，銅料能快速均勻地加到爐膛各部位，冷、熱料都適合處理。

（3）側(cè)墻裝有固定風(fēng)管，傾轉(zhuǎn)爐體，可使風(fēng)口埋入液面下進行氧化還原作業(yè)，不需要插風(fēng)管操作。渣口開在側(cè)墻上，傾轉(zhuǎn)爐體可以撇出爐渣，不需要扒渣。側(cè)墻上開有放銅口，傾轉(zhuǎn)爐體可放出銅水，流量調(diào)節(jié)較為靈活。

（4）機械化程度高，取消了繁重的人工操作，勞動生產(chǎn)率高。

傾動爐與反射爐和陽極爐比較，也存在著不足之處：

（1）爐體形狀特殊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難，投資高。

（2）操作時，傾轉(zhuǎn)爐體，重心偏移，處于不平衡狀態(tài)工作，傾轉(zhuǎn)機構(gòu)一直處于受力狀態(tài)。

（3）爐體傾轉(zhuǎn)，影響爐頂、爐墻的穩(wěn)定性，在爐墻、爐頂燒損后，影響更大。

（4）在爐體傾轉(zhuǎn)時，排煙口不與爐體同心轉(zhuǎn)動，密封較困難。

這些不足之處影響了傾動爐的推廣和發(fā)展，目前只有少數(shù)雜銅冶煉廠采用這種爐型。

1.2 陽極爐精煉工藝

粗銅火法精煉的目的是為電解精煉提供合乎要求的陽極銅，并澆鑄成表面平整、厚度均勻、致密的陽極板，以保證電解銅的質(zhì)量和降低電解精煉的成本。

貴溪冶煉廠采用的是回轉(zhuǎn)式陽極爐，陽極爐分別由以下幾部分組成：爐體、驅(qū)動系統(tǒng)、燃燒室、爐子控制系統(tǒng)、儀表控制系統(tǒng)、爐子支撐結(jié)構(gòu)、爐口啟閉裝置、爐子燃燒系統(tǒng)及內(nèi)襯耐火材料等。陽極爐精煉工藝流程詳見圖1。

圖1 陽極爐精煉工藝流程圖

1.3 陽極爐精煉目前使用的新技術(shù)

1.3.1 透氣磚技術(shù)［2］

陽極爐透氣磚底吹技術(shù)是通過透氣磚向爐內(nèi)熔體鼓入氮氣進行攪拌，以達到有效提高陽極爐傳熱速率和改善冶金化學(xué)反應(yīng)條件的目的。因此通過應(yīng)用透氣磚吹入惰性氣體或混合氣體，會達到很好的攪拌效果。另通過在銅冶煉行業(yè)用惰性氣體，SO2的分壓會降低。最終增快銅液與氧氣或者還原劑反應(yīng)，提高了氧化和還原效率。

透氣系統(tǒng)由氣控裝置、座磚、套磚、透氣磚芯、卡子、間隔環(huán)、耐火泥、熱電偶及連接管道組成，見圖2。

圖2 透氣磚結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 稀氧燃燒［3］技術(shù)

稀氧燃燒技術(shù)是用純氧替代空氣作為助燃劑，利用高速的氧氣氣流卷吸攪動爐內(nèi)體，使得爐內(nèi)煙氣循環(huán)而降低火焰峰值溫度并進而降低氮氧化物的排放。貴溪冶煉廠采用稀氧燃燒技術(shù)是含氧量99%以上的純氧替代傳統(tǒng)的燃燒風(fēng)與重油混合燃燒。氧氣分一次氧和二次氧進行逐級供氧、逐級摻混，形成彌散型燃燒，擴大燃燒空間，避免火焰過于集中在油槍前部。稀氧燃燒裝置由供氧單元、供油單元、燃燒單元、控制單元組成。

圖3 稀氧燃燒技術(shù)火焰溫度控制曲線

1.4 陽極爐精煉目前行業(yè)主要技術(shù)指標

目前國內(nèi)陽極爐精煉技術(shù)較為成熟，但各個廠的技術(shù)指標略有不同。考察國內(nèi)幾家冶煉廠的陽極爐，其技術(shù)指標詳見表1。

表1 幾家陽極爐精煉技術(shù)指標

2 陽極爐精煉發(fā)展趨勢

2.1 終點自動判斷［4］技術(shù)應(yīng)用

陽極爐氧化、還原終點判斷技術(shù)是在銅冶煉閃速爐煙氣成分分析、銅轉(zhuǎn)爐煙氣成分分析及終點判斷的基礎(chǔ)上研發(fā)的。該系統(tǒng)運用大數(shù)據(jù)模擬計算，采用AI人工智能，系統(tǒng)可以在氧化還原過程中，通過煙氣檢測氣體濃度預(yù)判出合適的最佳參數(shù)，使得能源利用率最大化。

二氧化硫分析儀采用特種金屬材料制作的取樣器收集樣品，經(jīng)過PLC遠程控制現(xiàn)場機柜，收集煙氣里的有效成分，實時監(jiān)控煙氣內(nèi)的有效成分的含量，根據(jù)含量判斷陽極爐氧化、還原終點。該系統(tǒng)在陽極爐氧化還原啟動時就進行事前判斷，目前智能預(yù)判準確率為90%左右，實現(xiàn)了陽極爐氧化脫硫還原判斷的終點數(shù)字化、精準化、能源利用率最大化。見圖4。

該技術(shù)在金冠銅業(yè)已進行了多期工程化驗證試驗，建立了數(shù)學(xué)模型并得到了生產(chǎn)實踐驗證。具有以下幾點優(yōu)勢：

（1）提升陽極銅的物理特性和化學(xué)成份；

（2）減輕勞動強度；

（3）節(jié)約能源；

（4）減少了低空污染；

（5）為陽極爐智能化（一鍵化）作業(yè)提供了堅實的基礎(chǔ)。

圖4 終點自動判斷系統(tǒng)設(shè)計及數(shù)據(jù)曲線

2 .2 新型爐型精煉技術(shù)應(yīng)用

方圓銅業(yè)公司與中國有色工程設(shè)計研究總院聯(lián)合開發(fā)了“吹氧造锍多金屬捕集技術(shù)［5］”， 該技術(shù)是一種多金屬礦有價元素綜合捕集的新工藝，其主要技術(shù)要點在于將含銅量低的金或銀精礦與含銅量較高的多金屬精礦混合，并保證銅和鐵加硫的含量在適度范圍內(nèi)（Cu6%～30%、Fe+S＞45%），經(jīng)過底吹爐熔煉生成含金、銀等有價金屬的銅锍。由于銅锍對貴金屬等多種元素的熔解能力很強，再通過底吹爐底部高速氧槍射入高速氣流的強烈攪動，使原礦中的絕大部分金屬元素熔解到銅锍中，從而完成多金屬捕集的造锍過程。

方圓銅業(yè)公司基于吹氧造锍多金屬捕集技術(shù)提出兩步煉銅法［6］，并于2015年10月正式建成投產(chǎn)。兩步煉銅法包括氧氣底吹造锍無碳自熱熔煉和高品位銅锍底吹連續(xù)吹煉，取消了第三步的粗銅火法精煉階段。創(chuàng)新實現(xiàn)了兩步煉銅新工藝，做到超低排放二氧化碳，每年減排40多萬噸二氧化碳。

該工藝采用“1臺多元爐+2臺火精爐”模式，產(chǎn)出的銅品位為99.0%以上的陽極板送電解車間精煉。工藝流程詳見圖5。

兩步煉銅法具有工藝先進、技術(shù)領(lǐng)先、設(shè)備安全可靠、節(jié)能環(huán)保、資源綜合回收率高、原料適應(yīng)性強、作業(yè)環(huán)境優(yōu)良、投資省等優(yōu)點。

圖5 方圓公司兩步煉銅法工藝流程

3 結(jié)論

銅陽極爐精煉系統(tǒng)經(jīng)歷了多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。近些年，隨著透氣磚、稀氧燃燒等技術(shù)的應(yīng)用，陽極爐精煉邁向了高效、低成本發(fā)展階段。隨著終點自動判斷技術(shù)的普及應(yīng)用，陽極爐精煉將邁向控制精細化、智能化發(fā)展階段。兩步煉銅法目前處于起步階段，存在控制難度大，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，但該技術(shù)是銅冶煉未來發(fā)展的方向。