奧爐項目自主創新技術及智能化工廠建設綜述

〔摘 要〕從自主創新的冶煉工藝、冶煉工廠的智能化建設和生產管理的細部優化、生產環境清潔無塵三個方面介紹了金昌冶煉廠奧爐改造項目的自主創新建設與生產的亮點。為適應生產需要，該項目自主研發了頂吹爐直排冰銅工藝，優化了噴槍結構，集成創新了余熱鍋爐及配套設施；同時應用抓斗行車智能化系統、冶金數值模擬國產化系統和成分化驗在線化系統，提升了工廠的智能化建設程度。通過對備料工段精簡設計、對堰口U型水套和堰口銅溜槽的結構優化，以及無塵化運輸、樓面自動清掃等各項清潔生產措施的實施，使該廠奧爐改造項目實現了清潔、高效的生產模式。

〔關鍵詞〕頂吹爐；數模；檢測；國產化

中圖分類號：TF808 " 文獻標志碼：B 文章編號：1004-4345（2023）02-0037-05

Abstract" This article introduces the highlights of the independent innovation construction and production of the Jinchang Smelter Austrian Furnace Renovation Project from three aspects： independent innovation of smelting processes， intelligent construction of smelting factories and detailed optimization of production management， and clean and dust-free production environment. To meet production needs， the project independently developed the top blowing furnace direct discharge matte process， optimized the spray gun structure， integrated and innovated the waste heat boiler and supporting facilities; At the same time， the application of intelligent grab crane system， domestically produced metallurgical numerical simulation system， and online composition testing system has improved the level of intelligent construction of the factory. By simplifying the design of the material preparation section， optimizing the structure of the U-shaped water jacket and copper chute at the weir mouth， and implementing various clean production measures such as dust-free transportation and automatic floor cleaning， the Austrian furnace renovation project of the factory has achieved a clean and efficient production mode.

Keywords" top blowing furnace; numerical simulation; test; localization

銅陵有色作為新中國銅冶煉的搖籃，產生出了新中國的第一爐銅水和第一塊銅錠[1]。隨著銅冶煉技術的發展，該企業根據發展要求，先后淘汰了鼓風爐、小轉爐等工藝，前瞻性地從國外引進閃速熔煉爐、閃速吹煉爐、奧斯麥特爐、卡爾多爐等先進的冶煉爐型，自主開發了智能數控轉爐，還與國內設計科研院校共同推動并完善了側吹爐、底吹爐等爐型及相關工藝。經過70多年的生產實踐，該企業積累了豐富的銅冶煉生產經驗以及高水平的人力、技術資源[2]。

為響應國家號召并貫徹“綠水青山就是金山銀山”的發展理念，該企業自2014年起開始實施金昌冶煉廠奧爐改造項目，擬將冶煉廠搬遷至遠離城市居民區的銅陵市循環經濟工業園區[3]，同時進行冶煉技術的升級改造，自主開發了頂吹浸沒熔池熔煉工藝。該項目2016年3月18日開工建設，2018年3月18日建成點火烘爐，2019年6月18日停產大修，目前處于奧爐第二爐期生產階段。本文擬結合近兩個爐期的生產情況，對該項目自主創新、智能化生產情況進行介紹。

1" "自主創新的冶煉工藝

該項目設計階段曾多次與國外技術方進行交流，但外方提供的方案和技術已不能滿足銅陵有色的生產需求，因此該企業決定自主開發一套頂吹浸沒熔池熔煉工藝，且該工藝的關鍵成套技術裝備也為自主研發并在國內制造，包括頂吹爐爐體、噴槍、冷卻水、余熱鍋爐等。按照建設清潔環保型工廠的理念，該項目還開創性地提出了噴槍燃料使用天然氣。

1.1" 開創頂吹爐直排冰銅工藝

現有的頂吹爐冶煉工藝包括奧爐和艾薩爐均必須配套電爐。電爐面積一般依據熔煉爐的處理規模進行設計，電爐面積大勢必導致噸銅能耗和成本高[4]。本項目原設計電爐面積為120 m2，為降低電爐渣中銅的質量分數，該廠結合爐渣貧化機理（即電爐渣中銅的質量分數與其在電爐中澄清分離時間呈線性關系），擬在充分保證爐渣澄清分離時間的基礎上，進一步縮減電爐面積。結合各冶煉廠的電爐使用情況，該廠創造性地提出將頂吹爐部分冰銅直接排放至冰銅煲中，以減少進入電爐的冰銅量，穩定電爐冰銅面，確保爐渣貧化時間達到4 h。經過充分地貧化，電爐渣中銅的質量分數可以滿足生產指標要求，有利于降低電爐投資、能耗和生產成本。

頂吹爐直排冰銅工藝為自主研發的全新冶煉工藝。頂吹爐爐體為雙溢流堰結構，靜態液面高為2.5 m，動態液面高為4.5 m，爐底中心至爐頂擴張段水平部位凈空高為16.5 m，爐內徑為5 m。爐內襯鋁鉻尖晶石耐火磚，1～49層磚厚為610 mm，由兩塊磚拼接交錯砌筑而成；49層以上為單層磚砌筑而成，其中50～72層磚厚為530 mm，73～106層磚厚為460 mm。49～106層共設5層磚托，擴張段正對鍋爐上升煙道區域設計防砸區。

根據生產情況，由于頂吹爐靜態液面高度有2.5 m，熱容量大，能適應煙道掉焦、噴槍掉槍重導致的爐況波動，穩定了噴槍操作背壓和冶煉溫度。2019年10月，奧爐熔煉車間順利打通頂吹爐直排冰銅工藝，并穩定運行15 d，直排冰銅量占比60%。在此期間，電爐冰銅面穩定在800 mm左右，電爐渣中銅質量分數在0.7%左右，且有效降低了工人勞動強度，符合預期設計目標。

1.2" 優化噴槍結構

噴槍是頂吹爐工藝的核心設備。結合行業內噴槍使用情況，該廠重新設計了噴槍各層管道管壁厚度、管道長度、內外結構，并與國內知名廠家聯合研發了噴槍天然氣燃燒噴嘴和自動點火裝置，對噴槍套筒風管出風口進行了優化創新。在對噴槍進行現場工業化試驗的前半年，該噴槍的平均壽命僅為10 d左右，未達到預期目標。技術人員總結生產經驗，對噴槍內部天然氣燒嘴結構、端部混氣室尺寸、頭部聯接件等再次進行了優化。經此次優化改造后，噴槍的平均壽命為20 d，最長可達到31 d，遠超過同類冶煉廠的噴槍使用壽命。優化后的噴槍結構見圖1。

1.3" 集成創新余熱鍋爐及配套設施

余熱鍋爐為頂吹爐余熱回收設備。目前，奧爐和艾薩爐余熱鍋爐下降煙道煙灰普遍存在結塊嚴重的問題。為此，該廠根據頂吹爐煙氣特性及余熱鍋爐煙塵性質，針對余熱鍋爐高度、頂棚角度、斜坡角度、輻射部入口形式進行了集成創新。具體為：1）將鍋爐上升煙道高度改為2 m，確保煙氣通過鍋爐上升與下降的拐點溫度不超過750 ℃。在此溫度條件下，煙氣中鉛鋅等的氧化物均為非熔融態，煙塵經上升煙道后全部固化為顆粒狀進入下降煙道，因此不存在熔融態煙塵進入下降煙道的情況。2）頂棚角度設置為60 °，更有利于煙氣流向，降低了煙氣對頂棚碰撞強度，同時也減少了頂棚結焦物的堆積量。3）上升煙道內側無斜坡，有利于上升煙道熔融態煙塵沉降。4）鍋爐入口為可提升裙罩密封結構，方便維修。集成創新后的鍋爐頂部結構和入口段結構見圖2、圖3。

本項目頂吹爐試生產至今，余熱鍋爐下降煙道煙灰均為松散顆粒狀，有效地降低了清理工作量。本次試生產反向驗證了下降煙道內性狀良好的煙灰與上升煙道的設計拐點溫度密不可分。

2" "冶煉工廠的智能化建設

2.1" 抓斗行車智能化

針對業內老廠抓斗行車抓錯料、上錯料現象，該廠提出了抓斗行車智能化需求，與設計單位聯合開發了具有自主知識產權的自動稱重、自動定位、防錯報警、自動成像等智能化系統，包括相關的硬件和軟件。

將原料庫5級精礦儲存區各坐標信息輸入自動定位系統中，按照配料單需求，設定行車智能化操作程序。例如，行車將A級礦抓入A級礦配料倉時，智能化系統能自動記錄行車和抓斗的運行軌跡、每次上礦量及累計上礦量。一旦行車、抓斗運行軌跡和累計上礦量與設定值有出入，系統即會啟動防錯報警程序，警告行車工盡快修正操作，并自動攝錄操作過程。其它幾臺行車按照不同級別精礦設定不同上礦程序。抓斗行車智能化系統應用見圖4。

根據該系統試生產情況看，抓斗行車智能化設計及其應用能有效避免因操作失誤而導致的配錯料現象發生，確保生產的安全穩定，提高了該廠配料的智能化水平，使原料庫的管理實現全面化、動態化、立體化、可視化，為后期備料工段生產操作和現場管理智能化奠定基礎。

2.2" 冶金數模國產化

世界上的頂吹浸沒熔池熔煉工藝核心冶金數模均為國外專有技術，且冶金數模與DCS控制系統通常被捆綁設計和銷售，引進費用極高。為了打破這種技術壟斷，銅陵有色基于70多年銅冶煉經驗積累的人才自信、技術自信、管理自信，在自主研發頂吹浸沒熔池熔煉工藝核心技術的同時，對相關軟件也進行了國產化，其中頂吹煉銅在線數模優化控制系統的研發耗時最長。

該系統基于金昌冶煉廠多年的奧爐生產經驗和江西理工大學的MetCal平臺，由銅陵有色與江西理工大學聯合開發，適用于該廠研發的新型頂吹爐。該系統通過OPC與新型頂吹爐的DCS控制系統通信，根據爐內熱量平衡、物料平衡、物相平衡、元素平衡等設計了定氧調風、定風調氧、定產調礦及手動操作4種控制模式，并結合設定的冰銅品位、鐵硅比、冶煉溫度等參數，能自動計算出噴槍所需風、氧、氣用量。

該冶金數模系統與DCS控制系統相互獨立，具有在線和離線兩種狀態，能夠實現前饋—反饋控制運算，應答式界面方便操作人員使用。此外，該系統與國外技術最大的不同在于，其可對工藝工程師開放權限，方便工藝工程師根據生產實際情況對冶金數模進行修正和完善，且不影響DCS控制系統的正常運行。頂吹煉銅在線數模優化控制系統見圖5。

根據該系統試生產情況，自主開發的冶金數模能夠為操作人員提供準確的冶金計算。試生產期間，根據銅精礦不同的硫銅比，工藝工程師對該數模進行了多次優化和改進。目前，該系統應用效果良好，確保了冶煉溫度、渣型和品位的穩定；同時，該系統操作簡便，即使是非冶煉專業的操作人員也能在進行相應的冶煉工藝培訓后對冶金控制參數進行科學調控。

2.3" 分析化驗在線化

傳統冶煉廠所有生產控制樣品均采用X熒光儀離線式檢測。離線模式在生產應用中存在諸多弊端：1）檢測資源不足，取樣頻次偏少，均會造成生產控制樣品代表性不強；2）一個完整分析過程需要1～3 h，分析數據反饋時效性差，對生產指導作用不夠；3）部分高溫熔體爐前取樣存在一定安全隱患。

針對傳統取制樣化驗存在的問題，該廠與合肥金星聯合研發生產了一款適用于冰銅和爐渣快速檢測的LIBS設備，并制定了快速檢測的流程及標準，開發了相應的人機交互軟件。該設備2019年獲得安徽省首臺（套）重大技術裝備認定。目前，該廠的冰銅化驗已通過使用該設備成功實現了實時、在線檢測，絕對值誤差在1%以內，較為可靠。具體現場應用圖6所示。

3" "生產管理細部優化

3.1" 備料工段精簡化

備料工段承擔了銅精礦的儲存、配料及運輸功能。該廠備料工段原設計建設有原料庫、配料車間、球團制粒車間3座廠房。其中，原料庫的主要作用為儲存銅精礦及輔料，上料，并利用擋墻將庫內場地劃分為不同庫容的倉格用于貯存不同產地的銅精礦。倉格內建設有上料臺和上料倉。配料車間位于原料庫下游，與原料庫通過大傾角輸送膠帶機連接，內部設有配料倉，以及給料機及定/計量膠帶機等大型設備。為滿足頂吹爐配料需求，配料倉的數量必須超過原料庫內精礦種類數量，以保證原料庫內精礦均勻配比的需求。在實際生產過程，如果銅精礦種類大于配料倉個數時，超過部分只能暫時儲存在原料庫，這又會導致原料庫的有效庫容降低。因此，配料廠房普遍占地面積較大，且存在廠房高、設備多、流程長、定員多等情況。另外，原料庫如果出現精礦混放，還容易造成某些精礦久存不用或久存亂用的現象，不利于穩定配料，不利于爐況穩定。

針對上述備料工段的現狀，結合頂吹爐煉銅熔池特性、銅精礦成分特征以及成礦性質，該廠提出根據銅精礦硫銅比和雜質成分精簡備料工段的想法，具體為：按照銅精礦中硫銅比，水分含量，鉛、鋅、砷等雜質元素含量將銅精礦劃分為A、B、C、D、E 5種等級。A級為進口礦；B級為硫銅比在1.0～2.0，水的質量分數小于10%，鉛、鋅、砷雜質質量分數之和小于1.5%的銅精礦；C級為硫銅比大于2.0，水的質量分數小于10%，鉛、鋅、砷雜質質量分數之和小于3%的銅精礦；D級為硫銅比小于1.0，水的質量分數小于10%，鉛、鋅、砷雜質質量分數之和小于3%的銅精礦；E級為氧化礦，水的質量分數大于10%，鉛、鋅、砷雜質質量分數之和大于3%的銅精礦。根據銅精礦的這5個等級，將原料庫劃分為5個儲存區，重新配置各區庫容和配料倉個數，并將配料廠房與原料庫廠房功能、場地合并建設，精簡了備料工段。原料庫與配料廠房合并建設的布置情況詳見圖7所示。

該廠將配料廠房和原料庫廠房功能、場地集中合并建設后，備料工段的占地面積大幅減小，廠房高度降低，設備減少，流程縮短，定員減少，投資也隨之降低。從試生產情況看，改造后的備料工段所配銅精礦成分符合頂吹爐配料單要求，成分及料量均較為穩定，有利于頂吹爐爐況和后續操作。工段設備巡檢、維護方便，故障率低，工人勞動強度降低，現場5S工作量減少，安全性得到了有效提高，工段管理更加簡潔，運行成本大幅降低。同時，傳統備料工段精礦久存不用、久存亂用的問題也得到了解決。

3.2" 埋管銅制品穩妥化

結合金昌冶煉廠經驗，自主研發堰口U型水套和堰口銅溜槽，具體尺寸詳見圖8所示。

U型水套開口面積大，無需砌磚保護，冷卻效果好，水套與冰銅接觸面堆焊耐磨合金，既加強了冷卻效果又耐沖刷，使用效果較好。

堰口銅溜槽采用大口徑設計，避免了堰口溜槽漫銅的發生。內壁堆焊耐磨合金，改善了銅溜槽內壁的冷卻效果。試生產期間，混合熔體溜槽未發生放炮現象，且清理方便，證明該設備設計安全可靠。

3.3" 原料入庫清潔化

針對原料入庫過程中存在的地面臟、揚塵多、自卸車亂停放等現象，該廠提出將原料入庫車道設置為主輔車道模式，即在原料庫5個庫口前分別設置主路和輔路，主路寬12 m，輔路寬8 m。輔路從南往北貫通，在輔路兩側各安裝1臺洗輪機，靠近B級礦卸料口，并設架空地面沖洗系統。入庫過程中，銅精礦自卸車過磅后從輔路進入廠區，經過洗輪機從主路去往各卸礦口，卸礦完畢的車輛全部走輔路經洗輪機全面沖洗，再通過輔路過磅后出廠區，這樣可確保所有自卸車干干凈凈地進出廠區。輔助道路地面架空沖洗系統進行24 h循環沖洗，避免了廠區地面煙塵和空中揚塵的污染。

從該廠投產后原料入庫情況看，利用主輔車道模式，自卸車已形成了整齊劃一的出入廠秩序，所有經過車輛的車輪、車身均保持干凈整潔，現場做到了清潔環保，如圖9所示。

3.4" 煙塵輸送無塵化

為了實現清潔生產的目標，該廠還自主設計了煙塵輸送成套技術和裝置。1）在煙塵卸料點設負壓抽風裝置，在卸料口設液壓雙層密封裝置。卸料時，密封裝置打開，密封罩下降到一定高度后，與煙塵罐口密封咬合；更換煙塵罐時，密封裝置自動關閉，并提升。2）整個卸料點配置密封房，房門采用卷簾進行密封。3）原料庫設專用煙塵卸料口，并研發了全新的煙塵罐翻轉機。該罐機采用全密封設計，避免了揚塵污染，創新了煙塵輸送無塵化新途徑。煙塵罐翻轉機如圖10所示。

3.5" 樓面清掃自動化

奧爐熔煉車間定員少，區域面積大，為便于于現場5S管理，將樓面清掃裝置引入奧爐熔煉車間，分別在奧爐廠外皮帶廊、原料庫附跨、制粒廠房、奧爐廠房等位置各配置了3臺樓面清掃裝置。

根據試生產情況，利用該裝置對各生產區域樓面進行清掃，操作簡單，省時省力，且清掃后的廠房地面干凈、整潔。

4" "結論

綜上所述，該項目與國內設計、科研院校共同開創了頂吹浸沒熔池熔煉工藝及核心裝備的國產化先河。包括研發、設計、設備國內制造、建設和生產在內，該項目一舉打破了國外20多年的技術壟斷，僅爐體循環水和控制系統的設計費就節約了3 900萬元。作為目前行業內國產化程度最高的設備項目，該項目的順利建設及投入生產，不僅節省了高昂的引進費用，還縮減了建設工期。依靠自主創新，幫助該廠對工藝和設備有了更加深刻的認知，解除了核心技術對國外技術的依賴，為同類冶煉廠開展工藝和裝備自主創新提供了成功案例。

參考文獻

[1] 楊軍. 創造成就未來 [M].合肥：安徽人民出版社，2014.

[2] 楊軍，龔華東. 改革創新提質增效管理創新論文集 [M].合肥：安徽人民出版社，2019.

[3] 趙榮升，張志國. 銅陵有色奧爐搬遷改造項目探析[J].有色冶金設計與研究，2016，37（6）：21-22.

[4] 張磊，汪勇，李林山.奧爐“死爐”原因、處理方法及預防措施[J].銅業工程，2022（3）：63-65.

作者簡介：程利振（1985—），男，高級工程師，主要從事銅的火法冶煉及資源回收利用研究及管理工作。