210979006_全热态底吹连续吹炼炉改进实践及展望

世界有色金属 2022年 12月下
24冶金冶炼
M etallurgical smelting
全热态底吹连续吹炼炉改进实践及展望
孙彦伟，陈百强
（黑龙江紫金铜业有限公司，黑龙江　齐齐哈尔　１６１０００）
摘 要：
黑龙江紫金铜业有限公司１５万吨铜冶炼项目熔炼段采用侧吹熔炼－底吹吹炼－阳极精炼生产工艺，一次性打通并实现全热态底吹连续炼铜工艺路线，目前，工艺运行稳定。

本文将简述自建厂至今底吹吹炼炉相关改进实践，包括：入炉物料加料方式、吹炼热平衡控制、还原手段优化、重点区域防护及数模开发运用等方面；以及渣型改进、烟道结焦控制等后续的改进计划，对底吹连续吹炼的推广应用具有可借鉴意义。

关键词：
铜；底吹炉；连续吹炼；全热态；改进及展望中图分类号：ＴＦ８１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：
１００２－５０６５（２０２２）２４－００２４－３Improvement practice and Prospect of Full-Heat State Continuous bottom blowing furnace
SUN Yan-wei, CHEN Bai-qiang
（Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｚｉｊｉｎ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ，Ｑｉｑｉｈａｒ　１６１０００，Ｃｈｉｎａ）
Abstract: Ｔｈｅ　Ｓｍｅｌｔｅｒ　ｏｆ　１５００００　ｔｏｎ　ｃｏｐｐｅｒ　ｓｍｅｌｔｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｚｉｊｉｎ　Ｃｏｐｐｅｒ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ．　ａｄｏｐｔｓ　ｔｈｅ　
ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｓｉｄｅ　ｂｌｏｗｉｎｇ　ｓｍｅｌｔｉｎｇ，　ｂｏｔｔｏｍ　ｂｌｏｗｉｎｇ　ｓｍｅｌｔｉｎｇ　ａｎｄ　ａｎｏｄｅ　ｒｅｆｉｎｉｎｇ　ｔｏ　ｏｐｅｎ　ｕｐ　ｔｈｅ　ｆｕｌｌ　ｈｏｔ　ｂｏｔｔｏｍ　ｂｌｏｗｉｎｇ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｃｏｐｐｅｒ　ｓｍｅｌｔｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｔ　ｏｎｅ　ｔｉｍｅ．　Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｓｔａｂｌｅ．　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｗｉｌｌ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｏｆ　ｂｌｏｗｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｓｉｎｃｅ　ｔｈｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌａｎｔ，　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ：　ｆｅｅｄｉｎｇ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｆｕｒｎａｃｅ，　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｂｌｏｗｉｎｇ　ｈｅａｔ　ｂａｌａｎｃｅ，　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｅａｎｓ，　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｋｅｙ　ａｒｅａｓ，　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，　ｅｔｃ；　Ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｐｌａｎｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｓｌａｇ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｆｌｕｅ　ｃｏｋｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｏｔｔｏｍ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｂｌｏｗｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．
Keywords:
Ｃｏｐｐｅｒ；　Ｂｏｔｔｏｍ　ｂｌｏｗｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ；　Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｂｌｏｗｉｎｇ；　Ｆｕｌｌｙ　ｈｏｔ　ｓｔａｔｅ；　Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ收稿日期：
２０２２－１０作者简介：
孙彦伟，男，生于１９９２年，汉族，内蒙古人，硕士研究生，中级工程师，研究方向：铜冶炼。

黑龙江紫金铜业选择“侧吹-底吹-阳极”三连炉生产工艺，通过溜槽自流方式进料，冰铜及粗铜通过溜槽流入下一工序，取消了传统PS 转炉吊运进料，避免了严重的低空污染问题和高温热熔体吊运的安全隐患等问题[1]；在降低生产成本、改善现场低空环境的同时，改变了工艺操作方式，通过采用溜槽自流进料方式连续进料吹炼，保持炉内的温度相对稳定，使得底吹炉炉体不会同PS 转炉一样因进料而频繁转入转出，避免炉内耐材因冷热剧烈波动而影响炉寿，保护了炉内耐材。

同时，通过优化炉体结构，将炉体由上部进料方式改为端头中部进料，整体上厂房建设高度降低。

完全全热态炼铜生产工艺技术已在黑龙江紫金铜业有限公司15万吨铜冶炼项目实施并取得成功，同时，国内其他连续炼铜工艺普遍存在的粗铜品位低、包底铜产量大缺点也得到显著改进。

现将底吹连续吹炼炉已做改进及后续展望进行总结阐述。

1 底吹炉改进实践
1.1 加料方式及开口位置
国内某冶炼厂采用双底吹炼铜工艺，其底吹炉炉体及操
作模式有明显不同，为炉体端墙上方进料，热冰铜进料点较黑紫铜高，整体的操作模式是周期性进料、周期性排铜，粗铜由包子转运。

原设计中底吹炉和阳极炉均为顶部进料，在连续炼铜的布局中，三台炉子的基础标高相差较大才能满足两台炉子进出料的需要。

将底吹炉和阳极炉均改为端头中部进料，既缩短溜槽长度，避免溜槽粘结，又可降低侧吹炉和底吹炉基础标高，相应的余热锅炉标高也大幅降低，熔体放出操作更顺畅，从总图布置、厂房和设备基础等方面节省了基建投资。

端墙进料的方式也引发了一些问题，即热冰铜对端墙进料位置及端墙下部的持续冲刷，针对此，黑紫铜进行局部优化，减缓冲刷，延长炉寿。

黑紫底吹炉的辅料进料口同炉口、烟道口，主要考虑是使熔剂与热冰铜同时在炉体一端开始参加反应，相对于其他底吹出烟口靠端墙、辅料口位于炉体中间的设计控制了整体炉子的漏风率。

1.2 残极入炉方式
铜冶炼项目中，在吹炼过程中为了平衡炉内热量，均需要向炉中投入冷料。

而在国内多数企业均使用残极加料机作为转炉的冷料加料机。

而目前国内使用的残极加料机也都未能实现全自动化加料，均需要在现场人工启停操作，人工记录加入时间，加入重量，加入次数等数据。

冷料加入设备在铜冶炼生产中一般应用于转炉系统中，为转炉加入冷料，设备自动化程度不高，尚未有全自动化加料的应用。

黑紫铜基于转炉上料设备优化选型底吹吹炼炉冷料加
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入设备[2]，实现了全自动化加料。

残极、废阳极板、切割后的排渣带铜块、外购粗铜锭等含铜冷料均可通过链板，加之头部的整形油缸、推入油缸等优化设计直接送入炉内，操作便捷，设备占用空间小。

冷料可及时投入炉内，有利于中间含铜物料的高效处理及工艺热平衡控制。

1.3 吹炼热平衡控制及送气系统选型优化
1.3.1 底吹吹炼热平衡控制
热平衡温度的控制一直是底吹吹炼炉控制的一个核心参数，黑紫铜控制低氧浓吹炼操作。

工艺配合需要侧吹熔炼炉较平稳的控制热冰铜品位在73%~75%左右（根据底吹吹炼送气量情况实时调整），此时侧吹-底吹协调性较佳。

底吹全热态连续吹炼过程中控制温度平衡的方法主要有以下几个方面：
（1）传统方式。

通过残极、废阳极板等含铜中间物料的加入，利用含铜物料融化吸热的特性，达到控制炉温的同时又处理了中间含铜物料，减少中间铜产品的堆存；
（2）管道设备改造。

通过创新式的压缩空气管道掺氮，将氮气串入压缩空气管道，其好处在于：第一、氮气串入压缩空气管路，能保证压缩空气备压；第二、使用氮气串入压缩空气，会使压缩空气内氧浓度低于21%，按照DCS上氧浓计算，压缩空气带入氧发生变化，需要纯氧来补充，假定实际氧浓维持不变，即需要提高送入炉内的纯氧量，变相提高了处理量；第三、氮气通过其他通道进去炉内，比原来单纯外道通氮气的气量要大很多，氮气带走的热量也就更多，就对更高处理量的全热生产起到更好的作用。

（3）低氧浓吹炼，依赖于第二点的管道设备改造。

几个手段的采用，可较为有效的平衡炉内温度。

1.3.2 送气系统的技术创新与应用
底吹炉送气阀组优化改进革新，主要针对目前底吹吹炼工艺中传统送气阀组设计，提出“单枪单控”控制模式。

通过对各单支送气管路加设调节阀门，达到根据实际生产情况调整不同位置氧枪送风氧浓的目的。

底吹吹炼工艺属连续性作业，炉内主要为三相并存，炉内送气既要保证炉内反应强度，又要保证铜渣分离，即粗铜排放时的品质要求，遂一般将炉内区域分为反应区和沉降分离区。

反应区要保证反应强度，按照入炉冰铜量及时送氧，静置区要相对平缓，否则三相熔体控制紊乱，排渣、排铜作业不能正常进行，工艺指标不合格。

“单枪单控”式送气阀组的优化设计，实现了全热态连续吹炼氧枪送氧量的灵活调整，做到了合理分配炉内反应区与静置分离区，保证了底吹炉粗铜品质可控制在98%以上，氧枪使用调控配合优化造渣、放渣操作，避免了排渣带铜的大量产生，渣含铜低于15%。

1.4 还原手段优化
目前底吹连续吹炼工艺已逐渐走向成熟，运行指标明显优于顶吹连续吹炼、诺兰达连续吹炼，和闪速吹炼相比，具有工艺流程短、操作灵活性强等优势，根据国内几家底吹炉吹炼企业的运行情况看，除热平衡外，底吹炉吹炼还存在还原性物质种类小的问题，目前采用较多的是冷态冰铜及还原性碳。

针对底吹炉炉内过氧化氛围，黑紫铜在侧吹产出能力无法满足底吹吹炼需求时加入制粒铜精矿代替冷冰铜等进行还原平衡，达到减少辅料加入，控制生产成本的目的。

同时制粒精矿也是提高底吹吹炼炉产铜量的一种手段，同时充分利用底吹炉粗铜对稀有金属的富集，将游离于冰铜内的金、银等稀有金属富集在粗铜内。

制粒铜精矿，通过辅料皮带加入吹炼炉内，达到了以下几点目的：
①代替使用传统冷冰铜还原炉内过氧化氛围，降低冷冰铜用量，减少冷态冰铜中间处理成本；②铜精矿加入过程也是提产的一种手段，达到提高产能的目的；③充分利用底吹吹炼炉粗铜对稀贵金属的富集作用，在吹炼过程中富集精矿、冰铜所含稀贵金属，减少稀贵金属的流失。

根据制粒精矿加入后的情况统计，当制粒精矿加入量较少时，无法起到较好的还原作用，逐步增加入炉量，可在无冷冰铜加入的情况下1小时左右对炉内过氧化氛围进行还原。

但是当侧吹品位过高时，需要较长的还原时间。

1.5 数模开发应用
底吹炉吹炼过程是在高温下进行，伴随着反应、相变，物质和热量的传递，是一个高温、多相的物理化学过程。

在这一过程中，各个因素之间相互联系，相互制约，构成了一个多变量耦合的系统，在手动操作条件下，要考虑若干因素之间的相互关联并做出迅速反应，力求工艺参数稳定、准确。

针对现有底吹炉内温度监测、终点判断等生产控制，建立底、侧吹熔炼在线优化控制数学模型，有效的计算出当前炉况或预期炉况下的各个参数，确认重要参数的最佳值，使吹炼过程趋于稳定，提高生产效率。

通过建立底吹炉吹炼过程的数据库，开发具有自主知识产权的底、侧吹熔炼在线优化控制系统，在线指导和控制底吹吹炼、侧吹炉熔炼生产过程，降低生产参数波动、提高产品质量、延长炉体寿命，达到优化生产目的。

1.6 进料口端墙防护
熔炼厂底吹炉第一炉期于2019年9月5日正式进料生产，在2020年2月停炉例检时，发现进料口下方因侧吹冰铜长期冲刷等原因损坏严重，遂进行了熔池液面及熔池温度方面的相关控制，要求加强现场日常炉壳温度点检。

但未长期有效的控制此处的损耗，于2020年6月28日因进料口端墙底部耐材损坏严重提前进入年修。

该区域处于熔炼炉热冰铜入炉长期冲刷区，易损耗，已成为严重影响底吹炉连续作业炉寿命的因素。

2020年年修前针对此薄弱点，设计方案于进料端墙处内置铜水套，利用内置铜管内流通循环水降
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温，及时带走热量，减缓此处热冰铜对耐材的冲刷。

实践证明，于2020年年修期顺利进行安装的进料口端墙铜水套对底吹炉炉寿命的延长起到了至关重要的作用，第二炉期端墙保护较第一炉期好，第二炉期运行370天，未出现第一炉期紧急停炉检修情况（停炉冷修至少花费9天时间），期间约每两月进行维护，达到了预期的效果，
挂渣良好。

图1 端墙保护效果图
2 展望
2.1 底吹渣型优化-铁-钙渣在底吹连续吹炼工艺中的探索应用
黑龙江紫金铜业有限公司15万吨铜冶炼项目依托多宝山矿筹建，顺利投料开炉，致力处理多宝山铜矿。

多宝山铜矿含硅量较高，熔炼工段无需额外补充二氧化硅熔剂。

连续炼铜工艺中吹炼工序前期采用铁橄榄石渣，吹炼渣返回熔炼炉，造成系统硅量富集，吹炼渣难以平衡。

拟优化底吹渣型为铁钙渣[3]，减少系统硅富集，改善熔吹体系工艺控制。

目前三菱法吹炼段以CaO为溶剂。

现有底吹吹炼工艺采用铁硅渣型较多，普遍存在渣含铜偏高、排渣带铜量大、对炉内衬损耗较大的情况，加之黑紫铜以处理多宝山高硅矿为主，系统含硅高，影响了侧吹熔炼炉工艺控制。

目前闪速吹炼可采用铁钙渣型，各工艺控制得到了优化。

铁钙渣流动性好，有利于铜渣分离，减少包底铜的产生。

但同时还有其劣势，铁钙渣中四氧化三铁溶解度升高，对氧枪蘑菇头可能会产生影响；粗铜含铅量会增高，精炼工序可能需要添加石英造渣。

最后，铁钙渣型对渣中二氧化硅含量要求大，不能过高，否则会析出高熔点物质，难以排渣。

2.2 吹炼烟气波动联动制酸
底吹连续吹炼炉与转炉不同，转炉需分期作业，等料-进料过程需转入转出、造渣期结束后需转炉倒渣、造铜期后
需转炉倒铜，其烟气量存在零与最大值间的频繁波动，制酸需根据烟气量进行实时参数调整，调整次数大。

底吹连续吹炼炉正常作业时造铜、造渣同时连续进行，烟气量稳定、含硫波动相对较小，这有利于制酸系统的稳定调控。

以此为基础，拟计划将底吹控制数模与制酸系统联[1] 李东波，梁帅表，蒋继穆等.现代氧气底吹炼铜技术[M].北京：冶金工
业出版社，2019.
[2] 刘占彬.新型加残极机组的设计与改进[J].有色设备.2020(02).
[3] 唐都作，袁海滨，陈钢等.顶吹吹炼炉的渣率分析与优化思路[J].中国
有色冶金，2016.4.63-67.
[4] 李洪桂等.冶金原理[M].科学出版社，2004.39-43.
动，制酸系统根据实时传输数据进行自动小幅度调整，进一步完善铜-酸系统联动。

2.3 底吹炉直升烟道结焦控制
由于底吹炉内熔体涌动、喷溅，飞溅熔体液滴粘附到炉口周围，导致炉口正上方直升烟道形成结焦，顺延至炉口，导致烟道截面积变小，严重影响负压效果和冷铜推入，降低生产效率，结瘤严重时需要停炉请专业爆破队伍进行爆破处理。

现有工艺生产中，为保证底吹炉直升烟道通畅，确保烟气正常收集，保证炉口的有效截面积和冷铜资源的高效加入，经生产实际观察，总结出了暂时控制直升烟道结焦的方法。

即①底吹炉转出维护周期，定期在北侧人孔门位置检查直升烟道内部结焦情况并对表面“薄壳”进行简单清理；②利用喷涂机将混合好的硫酸钡溶液按要求均匀喷涂到烟道水冷壁表面；③每次转出维护，用黄泥封闭并抹平北侧人孔门，消除人孔沿可粘附的突出部分，从初期开始遏制结瘤扩大生长；④控制炉口近端氧枪流量，防止大气量导致熔体液滴飞溅；控制压力保持-10~10Pa；⑤避免熔池超出控制温度，减少喷溅。

⑥控制入炉总气量不超过18000Nm3/h，控制炉内不长时间过氧化，控制炉口截面积不低于2/3。

经过以上几项关键点控制，结瘤生长得到明显控制，第二炉期因烟道结瘤难以处理进行了爆破操作，第三炉期自2021年8月28日开炉以来13个月内，结瘤生长得到控制，但整体西侧生长较快，仍存在局部清理难度大、危险性高的问题。

考虑以上因素，计划将现有的底吹炉直升烟道北侧水冷壁中线的人孔位置向西平移至西北两侧水冷壁连接处，以便于检查及处理目前结焦比较严重的“西北角”“西侧平面”位置；同时在残极加入门上方，增装振打装置，配套现有的喷涂机喷涂措施，以利于结焦及时脱落，避免形成大块结瘤。

3 结论
目前黑紫铜底吹吹炼炉的工艺、设备改进，较好的完善了底吹连续吹炼工艺控制，可平稳运行。

展望是基于目前已积累的操作经验提出的，有利于工艺控制的优化，但是存在双面性。

以上所述已做改进及后续展望，对底吹连续吹炼工艺的推广具有较大的借鉴意义。

世界有色金属 2022年 12月下26。