大冶澳斯麦特熔炼炉技术创新及效果评价

刘朝辉，吕重安

(大冶有色金属集团控股有限公司,湖北 黄石 435005)



重金属

大冶澳斯麦特熔炼炉技术创新及效果评价

刘朝辉，吕重安

(大冶有色金属集团控股有限公司,湖北 黄石 435005)

大冶公司于2010年实施了铜冶炼生产系统的第二次升级改造，在消化国内外澳斯麦特熔炼炉技术的基础上，进行了20多项工艺技术集成创新——澳斯麦特熔炼炉炉体由传统炉体Φ4.4 m×11 m扩大至Φ5 m×16.5 m，炉顶扁平化，结构简单化；冶炼高温烟气余热高效、安全回收等。通过这些技术创新，澳斯麦特浸没喷枪熔池熔炼技术上升到了一个新高度，大冶冶炼工艺也实现了跨越式发展。

澳斯麦特熔炼； 技术创新； 效果评价

大冶有色金属公司是我国重要的铜工业基地，也是国家和湖北省重点支持发展的优势骨干企业之一。近年来，随着铜冶炼节能减排的趋势及公司做大做强的要求，原生产工艺已不能适应公司发展规划的需要，为此，公司于2010年实施了铜冶炼生产系统的第二次升级改造。本次改造，大冶公司及恩菲公司在消化国内外澳斯麦特炉熔炼技术的基础上，集成创新20多项技术，由此，大冶铜冶炼工艺实现了跨越式发展，铜精矿单炉处理能力为目前世界同类工艺最大，技术经济指标也跻身国内外一流水平。

1 大冶澳斯麦特熔炼炉技术创新背景

1.1 澳斯麦特熔炼工艺简述

澳斯麦特富氧顶吹技术是由澳大利亚联邦科学工业研究组织(CSIRO)推出的一种先进的熔池熔炼技术。澳斯麦特系统核心为澳斯麦特炉，其工艺流程如图1。

该工艺的主要特点为：

(1)直立圆筒形的炉体，结构简单，占地小；

(2)对原料和燃料的适应性强，备料相对简单；

(3)熔炼集中在剧烈搅动的高温熔池中进行，过程的传质和传热条件好，熔炼强度大，生产效率高；

(4)采用富氧空气熔炼，烟气SO2浓度高，易于回收，环保状况好；

(5)生产控制系统以PCS控制系统(过程控制系统)为主，辅以CCS控制系统(客服控制系统)，实现了整个熔炼过程集中控制，工业自动化水平较高。

1.2 大冶澳斯麦特熔炼炉技术创新背景

图1 大冶澳斯麦特熔炼炉工艺流程图

国内铜冶炼采用富氧顶吹熔池熔炼工艺的厂家有铜陵金昌冶炼厂、中条山侯马冶炼厂、赤峰金剑公司，此外，还有采用与澳斯麦特熔炼工艺类似的艾萨熔炼工艺厂家云南铜业公司等。上述澳斯麦特熔炼炉内径只有4.4 m，炉膛高度为11 m左右，铜精矿的处理量50万t/a。近年来，尽管上述厂家不同程度地进行了改进完善，精矿处理能力有所加大，但仍然小于100万t/a，满足不了大冶公司改造要求。为此，中国恩菲工程技术公司和大冶公司工程技术人员经过反复研究论证，选择了内径5.0 m、炉膛高度16.5 m的大型顶吹炉。该炉炉膛空间增大至上述澳斯麦特熔炼炉的2倍，炉型结构进行了优化，并且在配套的沉降电炉、余热锅炉、制酸系统等诸多方面也进行了一系列创新与改进。大冶澳斯麦特炉设计技术参数见表1。

表1 大冶澳斯麦特炉设计技术参数

2 大冶澳斯麦特熔炼炉技术创新

为适应高强度熔炼工艺的需要，大冶澳斯麦特熔炼系统在炉料配制、澳斯麦特熔炼炉本体、沉降电炉、余热锅炉、烟气制酸及工艺控制等方面进行了一系列技术创新与改进。

2.1 炉体大型化，炉顶扁平化，结构简单化

基于国内澳斯麦特熔炼炉生产经验及有关冶金计算结果，经过反复研讨，决定对大冶澳斯麦特熔炼炉规格及炉型结构进行改进：一是炉体由传统炉体Φ4.4 m×11 m扩大至Φ5 m×16.5 m，确保炉料处理量提高至180 t/h以上；二是炉顶结构施行扁平化处理，解决施工中的困难。

传统澳斯麦特熔炼炉炉顶结构复杂，如中条山侯马冶炼厂、铜陵金昌冶炼厂等采用马蹄型炉顶，这种炉顶结构复杂，加工制作困难，而且降低了炉膛有效空间，加料孔粘接频繁，清理维护量大。大冶澳斯麦特熔炼炉炉顶设计为平顶结构，并采取用一系列密封、安全措施，减少了炉顶的漏风，并可避免水套露水导致的安全事故。

2.2 凸现节能理念，创新锅炉设计

余热锅炉是回收冶炼过程高温烟气余热的关键设备，大冶澳斯麦特熔炼炉余热锅炉的设计充分体现了高效、节能、安全、环保理念，并创造出多项国内同行业锅炉第一：锅炉容量最大，蒸发量110 t/h，是目前国内同行业最大的余热锅炉之一；上升烟道通道面积为15.3 m2(国内最大为10.1 m2)，下降烟道通道面积为20.7 m2(国内最大为11.6 m2)，水平烟道通道面积为28.0 m2(国内最大为13.6 m2)。并且，应用新的焊接方式和结构形式，很好地解决了由于较大的通道面积带来的锅炉结构稳定性和受热面刚性问题。

澳斯麦特炉炉盖采用锅炉受热面制成，是余热锅炉的一部分，正常运行时用锅炉循环水冷却，余热锅炉检修时切换到备用的冷却水系统进行冷却。炉盖是余热锅炉中最重要的部件，一旦炉盖发生泄漏，澳斯麦特炉有发生爆炸的危险。大冶澳斯麦特炉炉盖采用全新的膜式壁结构，向火侧(内侧)焊接了密集的销钉以固定浇注料，解决浇筑料易脱落问题，保护炉盖管子不被磨损和侵蚀，从而大大提高了炉盖的可靠性和使用寿命。

2.3 三级配料，稳定生产工艺

大冶公司自有矿比例较小，外部矿来源又较杂，成分变化大，这对于熔炼工艺控制十分不利。为此，大冶澳斯麦特炉创新配料方式，采用精矿仓、配料厂房、制粒厂房三级配料方式：首先将进厂矿源按成分性质分堆堆放；然后在精矿仓配料厂房进行二次配料，将铜精矿分成高硫矿、低硫矿；最后在制粒厂房按熔炼炉状况进行精确配料，如配入熔剂、还原煤、燃料煤等。这种配料方式，稳定了熔炼炉状况，极大地提高了原料适应性。

2.4 改进配氧方式，稳定残氧浓度

澳斯麦特炉喷枪由四层构成，从内到外的流体分别是粉煤、氧气、喷枪风、套通风。喷枪套筒风(压缩空气)的作用主要有两方面：一是冷却喷枪壁，保护喷枪；二是提供炉膛中二次燃烧反应所需氧气，控制尾气中单质硫的含量。但是套筒风过大，会导致烟气总量增大，并加剧耐火材料冲刷。大冶澳斯麦特炉初步设计时套筒风供风量为9 000 m3/h，实际生产过程中，铜精矿处理量是动态变化的，从而导致需氧量经常变化，而套筒风量很难适时调整，由此造成炉膛中上部氧化气氛不足，二次燃烧反应不充分，尾气单质S含量超标，导致制酸生产不能顺利进行。为解决上述问题，在喷枪供氧管道与套筒风管道之间加装支管，将前者氧气引入套筒风管道，并由澳斯麦特炉PCS控制系统自动控制氧量，以提高炉内上部氧化性气氛，确保二次燃烧反应完全进行。套筒风配氧改造见图2。

1-澳斯麦特炉；2-喷枪；3-喷煤管；4-喷氧气管；5-喷枪风管；6-喷套筒风管；7-供煤粉管；8-供氧管道；9-供喷枪风管道；10-供套筒风管道；11-支管；12-自动阀门；13-流量计；14-澳斯麦特炉PCS控制系统图2 套筒风配氧改造

2.5 “三步”挂渣保护，延长枪头寿命

澳斯麦特炉喷枪使用时需要浸没在高温熔体之中，尤其是喷枪头部位，极易烧损，长期使用后枪体还会发生变形、烧损。喷枪使用寿命短，影响开风时率，降低处理量。大冶公司在多年熔池熔炼经验的基础上，充分利用Fe3O4高熔点的特性，在喷枪壁上挂渣保护(大冶采用“三步”挂渣工艺)，将喷枪壁与高温熔体隔开，保护喷枪不受高温熔体冲刷，从而延长了喷枪使用寿命。

2.6 双管齐下，减缓烟道结焦

高温烟尘在烟道结焦，是火法冶炼过程的普遍现象，其危害不言而喻。大冶澳斯麦特炉由于铜精矿处理量大、强度高，因而烟道结焦情况更加突出，特别是上升烟道部位大块结焦垮落对熔炼炉危害更大。

大冶公司采取两方面措施解决烟道结焦：一是在源头加强制粒控制，提高成球率，降低烟尘率，减缓烟道结焦；另一方面，在高温烟气中加入化学药剂结焦抑制剂，抑制焦块长大，控制大块焦块对熔炼炉冲击。加入的结焦抑制剂均匀、充分地与结焦物和结焦依附体(烟道壁)接触，提高结焦物的熔点，弱化结焦物与金属表面之间的连接，从而降低烟气的传导能力，使烟道畅通。

2.7 优化工艺控制，实现节能降耗

从澳斯麦特炉熔池熔炼过程热热平衡表可知，熔炼过程中热收入部分大于25%的热量由块煤、煤粉的燃烧热补充；而热支出除了炉料分解吸热为不变因素和烟灰物理热忽略外，其它热量支出部分都是可控的，即控制澳斯麦特炉炉温(铜锍、炉渣物理热)、烟气量及温度(烟气物理热)、炉料水分(水蒸发热)以及热损失(冷却水等)等指标有利于减少热支出，即降低煤耗。大冶主要从下述三方面优化工艺控制：一、加强炉温控制，稳定低温操作，将澳斯麦特炉炉温控制并稳定在1 180±10 ℃；二、提高氧浓，减少烟气量，氧浓由初期的55%提高至60%左右；三、调整块煤/煤粉比，降低原煤消耗，块煤/煤粉比从生产初期的0.9左右逐步下降到0.6，煤单耗逐步降低。

2.8 其他方面技术创新

除了上述几方面创新外，大冶还在沉降电炉、烟气制酸、送配电设计、熔炼炉砌筑、喷枪修复等方面进行了创新。

沉降电炉主要创新点有：改良沉降电炉小水套，突破作业率低的瓶颈；采用新型垂直溜槽，提高系统开风时率，降低生产成本；应用新型保温盖板，解决溜槽烟气外溢问题；应用新型放铜溜槽，实现沉降电炉连续放铜作业。

烟气制酸方面的技术创新点有：采用组合过滤技术，回收稀硫酸中的有价金属；采用二级高效洗涤器，提高净化效率；采用硅酸钠溶液除氟技术，提高除氟效率；采用低位高效配置，降低动力消耗，节约能源；采用高效换热流程，充分利用热能，缩短升温时间；采用热管锅炉，回收转化中温余热；采用活性碳脱硫，将硫酸尾气中的二氧化硫转化成工业硫酸，提高了硫回收率；采用燃油开工预热系统代替传统的电炉升温，降低了投资，减少了能耗。

送配电方面创新点有：高压电深入厂区负荷中心，提高厂区配电电压，减少线损，选用节能型电机及用电设备等。

熔炼炉砌筑方面创新点有：运用铝铬尖晶石耐火材料，并对其性能进行优化，实现了耐火材料的国产化；改进炉体结构、炉子砌筑技术，延长了炉寿命，降低了耐火材料消耗，形成了独具特色的、适应该工艺要求的耐火材料应用技术

3 效果评价

大冶和恩菲两家公司利用各自的优势，共同完成了大冶澳斯麦特熔池熔炼技术改造项目，成功将澳斯麦特浸没喷枪熔池熔炼技术提升到新高度，大冶澳斯麦特熔炼系统是目前世界上最大的澳斯麦特浸没喷枪熔池熔炼系统。在工程设计及熔炼炉生产实践过程中，大冶公司和恩菲公司工程技术人员打破传统惯例，进行了多项技术创新，如炉体大型化、直立焊接外水冷套结构、世界最大的创新余热锅炉等。总体来看，大冶澳斯麦特熔炼系统技术创新属于重大技术创新，具有较大的工业应用价值，为铜熔炼系统改造提供了有益借鉴。

从实际运营情况看，两年多的生产数据表明，这些技术创新成效显著，原煤消耗由80 kg/t·矿下降为50 kg/t·矿，澳斯麦特炉喷枪使用寿命从平均38.4 h延长到52 h，澳斯麦特熔炼炉使用寿命达到一年以上，粗铜单位产品综合能耗指标优于铜冶炼企业单位产品能耗限额先进值340 kgce/t。

总之，大冶澳斯麦特熔炼工艺技术创新，较好地提升了大冶铜冶炼工艺技术水平，具有显著的经济效益，较好的工业应用价值。大冶澳斯麦特熔炼工艺技术创新是澳斯麦特熔炼技术上的一个新突破，它将澳斯麦特熔炼技术提升到了一个新的高度。

4 存在问题及建议

几年来的生产实践表明，大冶澳斯麦特浸没喷枪熔池熔炼技术改造是成功的。同时，生产中也暴露出一些问题，需进一步改进、完善。

(1)喷枪寿命短。虽然经过创新与攻关，大冶澳斯麦特炉熔炼喷枪寿命已延长到3 d，但同艾萨熔炼工艺相比，喷枪寿命仍然较短，这是导致澳斯麦特炉熔炼作业率(目前93%)低的重要原因。下一步要加强同国内科研机构合作，力争将喷枪寿命提高到7 d以上。

(2)渣含铜偏高。大冶沉降电炉渣含铜设计为0.76%，两年来的生产中，渣含铜大多在0.85%以上，这可能与沉降电炉负荷大有关。下一步应组织人力、物力加强技术攻关，加强生产管控，力争将渣含铜控制在0.8%以下。

5 结束语

大冶公司和恩菲公司通力合作，在消化国内外澳斯麦特炉熔炼技术的基础上，成功进行了20多项技术创新。这些技术创新极大地提升了大冶铜冶炼技术水平，改善了技术经济指标，降低了能源消耗，改善了作业环境，提升了冶炼竞争力。对于生产中暴露出的一些问题，也需要进一步改进、完善。

Innovation and effects evaluation of Daye Ausmelt smelting technology

LIU Zhao-hui,LÜ Zhong-an

The secondary upgrade of production system of copper smelting was implemented in Daye Company in 2010.On the basis of the retention of Ausmelt smelting technology both at home and abroad,the integrated innovation of more than 20 process was performed,such as the furnace body of Ausmelt smelting furnace was extended fromΦ4.4 m×11 m toΦ5 m×16.5 m,the furnace top was designed to be flatten,the structure was simplified,and the waste heat of high-temperature smelting gas was safely recovered with high efficiency.Through the above technological innovations,the Ausmelt submerged lancing bath smelting technology was upgraded to a new level,and the Daye smelting process achieved leapfrog development.

Ausmelt smelting; technological innovation; effects evaluation

刘朝辉(1966—)，男，湖北麻城人，研究生学历，冶炼高级工程师，从事重有色冶金及稀贵金属技术管理工作。

2014-08-27

TF811； TF803.11

B

1672-6103(2015)01-0005-04