竖炉竖炉——反射炉联合铜精炼工艺实践反射炉联合铜精炼工艺实践[1][1]f 帅岫 y 竖炉一反射炉联合铜精炼工艺实践 Practice of Copper Refining with Shaft Fumace-Reverberatory Furnace 口文／袁辅平秦庆伟 摘要： 大冶有色金生公司将熔化高纯阴极铜的燃气竖炉改造后，成功应用于熔化电解残极原料，并通过与反 射精炼炉配合生产， 发展成连续进料、连续精炼、连续浇铸阳极铜的“竖炉～ 反射炉联合铜精炼” 工 艺， 在产能、能耗、作业效率方面取得显著进步，并获得了单独处理粗铜、紫杂铜原料的实践经验 关键词： 粗铜； 火法精炼； 竖炉； 反射炉 传统的铜火法精炼工艺一般采用 精炼反射炉处理，进料速度慢，整个 过程需开启燃烧器补充热量，而且反 射炉热效率低下，只有 1 5％ ～30％ ， 导致阳极板的燃料成本居高不下 金生公司建设竖炉， 与现有反射 炉配合生产，目的是将反射炉的“进料 熔化”工作剥离出来，改由竖炉单独完 成：竖炉将铜料熔化成铜水经过保温溜 槽流入反射炉，反射炉只需将铜水进一 步氧化、还原即可浇铸成阳极板竖炉 热效率高，熔化同等铜料时较反射炉节 省燃料，不需要余热回收设施，采用机 械化进料方式，进料时间短。
该工艺虽 然增加了竖炉设备，生产流程变长，但 总成本上有优势 一， 竖炉设计及生产实践 竖炉又名燃气竖炉，基本组成 包括：加料机、炉体、烧嘴和排烟烟 囱加料机由倾斜导轨、可翻转料斗 和电动卷扬组成炉体为垂直圆筒 形，上方设加料口，底部收缩并设出 铜口炉衬从外到内依次为钢板、黏 土砖和碳化硅组成烧嘴安装在炉体 中下部，围绕炉体圆周分上、下两排 布置炉体上方设烟囱，烟气直接排 空迄今为止，铜工业上投入使用的 竖炉均用于连铸连轧生产线，对原料 品质要求极为苛刻：只能是高纯阴极 46 I 资源再生 j2009／05 铜或特级紫杂铜： 国内最早引进竖炉 的湘潭电缆总厂，曾经尝试使用优质 紫杂铜作为原料，但未能取得成功 金生公司原料为电解残极，其杂 质含量较阴极铜增加了 300～1 000 倍； 阴极铜外观规格有统一标准，但残极形 状不规则，不利于炉内形成料柱由于 没有可借鉴的经验， 设备厂家为金生 公司设计、制造竖炉时，直接套用现有 (熔化高纯阴极铜)竖炉的设计，除了 选用抗氧化性较强的氮化硅结合碳化 硅耐火砖外，没有针对该公司生产实 际做出实质性的改进金生公司竖炉 设计熔化速度为 1 6 t，h 残极。
炉膛内径 1．8 m，料柱高度 7—8 m使用天然气 作为燃料，采用预混燃烧方式，烧嘴 分上下两排共 16 个，设计最大燃烧气 量 1 000 Nm (见图 1) 生产原料的巨大变化，必然对工 艺控制、炉前操作等带来难以预料的影 响因而，当原料为残极时， “竖炉熔 铜”已是一种全新的工艺，在实际生产 中出现了许多意想不到的问题 竖炉正式点火开炉后， 由于缺 乏操作经验，化料速度只有 3—4 t／h 连续生产 2 2 h 后，竖炉出铜口右 侧烧穿漏铜， 出于慎重， 立即停 炉检查发现， 竖炉底部的碳化 硅砖层腐蚀剧烈， 致使竖炉无法 开炉生产(见图 2) 分析认为：碳化硅砖虽然是铜冶 金中一种高档耐火材料，但它的抗氧 化能力极差，铜水中的氧破坏了砖体 结构因此，对接触铜水的区域炉衬 进行了改进，即炉底采用抗氧化的、 价格相对低廉的 Mg·Cr 质耐火材料砌 筑，并使用了刚玉浇铸料砌筑成型 烧嘴试用 M1600 铬刚玉浇铸料制作烧 嘴定型砖，但发现强度不足，改回碳 化硅材质经过改进后，炉衬使用基 本正常，生产两年来，没有发生炉衬 烧穿的恶性事故，有利地保障了竖炉 图 1 竖炉结构示意图 技术 图 2 竖炉炉底腐蚀照片 的正常生产。
竖炉燃料为天然气，采用预混燃 烧方式， 将天然气、助燃空气按 1：1O 的比例混合成同等压力的混和气，环 境温度达到 645oC 以上才会燃烧竖 炉开炉时，利用中压烧嘴对放铜口处 提温，该处温度超过 645oC 后，安装 在放铜口上方的 1#烧嘴首先点火，成 功后逐步加大燃烧风量、天然气量， 对 1}}烧嘴临近的区域进行提温，待 其温度上升到 645oC 以上后，相邻的 烧嘴点火，直到 1 6 个烧嘴全部点火成 功，开炉点火工作全部完成然而实 际操作中，1}}烧嘴点火后，提温效果 不理想，速度相当慢，相邻烧嘴迟迟 不能点火(强行点火如果失败会有爆 炸的危险)其间，少量被 1#烧嘴熔 化的铜水开始向外流动，其温度只有 1 1 20℃ ～1 1 5O℃ ，稍有不慎，就会 因铜水温度下降而凝固，在放铜口处 堆积，严重时堵死放铜口， 造成“死 炉” 针对这一点，大胆取消了 1}}烧 嘴，并改进放铜口砌筑方式，直接采用 外置高压烧嘴对炉内提温，将开炉阶段 从原来的 2～3 h 缩短到 O．5 h， 节省了 天然气，解决了铜水易冻结、容易“死 炉”等弊端，改善了生产操作 竖炉开炉初期，放铜溜槽采用 6 个低压烧嘴 gu3 个高压烧嘴保温，耗气 量高达 300～400 m3／h，与竖炉本体烧 嘴用气量(240—400 m3／h)相当甚至 超出，但实际保温效果很不理想，铜 水经常冻结，导致竖炉停炉。
金生公 司取消了原有的扒渣池、还原池，缩 短了溜槽长度，减小溜槽截面积，加 强溜槽密封性，并使用浇铸料制作定 型砖，取代镁铬砖充当流槽盖板，烧 嘴全部改为自制的低压烧嘴(共 9 个) 对流槽补热、提温， 彻底解决了放铜 溜槽铜水冻结的问题，溜槽天然气消 耗下降到 9O 一 130 m3／h与此同时， 竖炉的化料速度也提升到 14～18 t，h， 最大速度达 20 t／h，远远超过了设计的 16t，h 的指标 二． “竖炉一反射炉” 联合精炼实践 传统的反射炉精炼每一炉次的 生产过程依次为：进料、(铜料)熔 化、(铜水)氧化、(铜水)还原、 浇铸(阳极板)每个环节相对独 立，上一阶段完成后才能进入下一阶 段，两个以上的阶段不能同时进行 反射炉炉膛容量决定了单炉次的产 量以金生公司为例，反射炉容量上 限 120 吨，经过造渣脱杂，浇铸出 1 10 吨左右的阳极板 通常，竖炉生产 8 h 后，提供给反 射炉的铜水量就达到了反射炉的容量 上限此时，竖炉只有停炉，等待反 射炉完成“氧化、还原、浇铸”作业 后(用 I],-J6—8hj，竖炉重新开炉，向 反射炉提供铜水但每次开炉前都需 要消耗天然气烘烤放铜溜槽、提升炉 温，增加了燃料费用。
根据残极主品位较高的特点， 强化竖炉的撇渣作业，尽可能减少进 入反射炉的杂质，进入反射炉的铜水 省去“氧化”作业，直接进行还原操 作通过调节烧嘴混气比，控制竖炉 还原气氛，限制残极熔化时铜水吸收 的氧量，以缩短还原的时间同时引 入直读光谱装置，浇铸前、浇铸中取 铜水样，快速分析出阳极铜主品位、 主要杂质含量， 再与传统的人工取 样、经验判断铜水质量的模式相结 合，确保阳极铜质量 经过不断摸索，金生公司最终 形成了“竖炉一反射炉” 联合精炼模 式，即竖炉连续进料，熔化成铜水， 连续提供给反射炉，同时，反射炉内 铜水进行还原，在炉内铜水液位达到 上限前还原到点，开始浇铸阳极板， 在阳极板浇铸时，竖炉继续进料熔 化，反射炉继续进铜水并还原把竖 炉、反射炉看作一个整体，就成了 “边进料(残极)、边熔化、边还 原、边浇铸” ， 将间断作业变成了连 续作业，工艺发生了根本性变化 1、工艺的改进 要发挥“竖炉一反射炉联合精 炼”工艺产能大、能耗低的优势，关 键要解决好原料的问题金生公司的 原料主要有紫杂铜、粗铜、无氧铜杆 (废品)、漆包线等其中部分紫杂 铜、无氧铜杆纯度较高，该公司首先 在入炉残极中少量搭配， 实际效果较 为理想。
但这部分原料毕竟数量有 限，粗铜(矿粗铜、次粗铜)、紫杂 铜数量多，试验如下： 处理小块粗铜试验 小块粗铜多为次粗铜， 单块重 量与残极接近，杂质含量高，渣量 大，竖炉本体烧嘴总气量维持在 500 m／h，保持较高的炉底温度， 以维 持较快的化料速度，便于化铜和处 理烧嘴前的冷铜， 同时利用大流量 铜水尽可能带走炉渣溜槽、出铜 口加强人工撇渣，溜槽烧嘴气量提 高为 200m／h，以改善保温效果，防 止炉渣降温，避免结渣、结铜，便 于铜水流动加大竖炉烧嘴的巡查 频次，发现烧嘴有堵塞迹象立即用 氧管烧开，避免烧嘴堵死 试验中化料速度基本正常，小块 粗铜加入竖炉后比较均匀地铺在上 47 咖岫 y 面上，影响了料柱的透气性， 炉气的上行，加料口温度从 ：降到 80oC，炉内从负压气氛转 正压气氛，炉前工作环境变得 恶劣虽然竭力撇渣， 但炉底 积存了炉渣，导致铜水不能顺 及时地排出，铜水越积越多， 烧嘴，被迫停炉 处理大块粗铜试验 大块粗铜多为矿粗铜，杂质舍 ， 为避免入炉时砸伤炉衬， 重 喂制在 400kg 以下试验时，加 式为勤加少加，将料柱顶部控制 户加料口下方的防撞块中间，每 斗装粗铜量不超过 1．5 吨， 将粗 卓钢筋吊耳，清理干净杂物后入 重点加强对下排 9 个烧嘴的维护， 港从炉内扒出炉渣和钢筋，以避 勾出现明显的积渣；炉温控制在 )℃ 以上，竖炉天然气量控制在 500 m3／h。
式验中竖炉化料速度正常，炉内 负压，加料口温度正常但炉 暑积存了大量炉渣，铜水不能顺 趸时地排出，倒灌入烧嘴，试验 ；h 后被迫停止加料，将炉内铜 后停炉进入炉内检查发现， 户衬烧蚀严重，下排烧嘴砖全部 炉内残存的 1．5 吨炉渣中夹杂 冈筋(见图 3) 戈块粗铜在铸锭时需要加入钢筋 在目前铜价高企的情况下，供 E 炉底部炉衬照片 舞源再生 2009／05 砖体表露鼓包 砖体冲刷槽 应方有意识增加埋入铜锭内的吊耳的 钢筋长度，甚至在铜块内埋入钢筋和 其它杂物这些有害成分在入炉后发 生强烈的氧化反应，并与碳化硅砖剧 烈反应， 以至于炉衬的碳化硅表面呈 现鼓包结构和明显的冲刷痕迹 针对这次试验出现的问题，金生 公司进行了改进，下排烧嘴全部更换 成 M1600 铬刚玉浇铸料制作的烧嘴定 型砖，炉内损伤区域检修后，再次进 行试验试验结果变化不大， 烧嘴砖 的侵蚀虽然明显改善， 但出现裂痕 初步结论是，竖炉现有的炉膛结构、 SiC 炉衬不适应低品位的铜料处理，对 进炉原料必须进行严格的分拣，严禁 混入铁器、炉渣、氧化性物料，以免 影响炉内铜水正常流出，以及对炉衬 造成伤害 处理紫杂铜试验 紫杂铜通常比较零散、尺寸较 大，难以加料，运输、装卸、转运后 包体容易散开，金生公司按粗铜的进 料方式行车吊运、叉车进紫杂铜料， 经过 1 1 炉次的试生产，发现进料效率 低下，炉时大幅延长，经济技术指标 也同步恶化(见表 1)。
显然，反射炉现有加料方式不 适应紫杂铜处理， 金生公司尝试用竖 炉进紫杂铜， 加入竖炉的紫杂铜先预 热 1—2 h，将所含水分蒸发掉试验 前，预先将竖炉内铜料化空，对炉衬 图 4 竖炉底部示意图 进行检查、砌筑，挑选打包质量好、 成色好的紫杂铜码成料柱 试验中发现， 由于紫杂铜表面 积大，升温速度快，化料速度显著 提高， 竖炉烧嘴天然气量虽然按 450 Nm／h 控制，期望化铜速率为 16—18 t，h，实际化铜速率却高达 20～25 t，h 和处理小块粗铜的情况类似，料柱透 气性极差，上层料面堵死 放铜口处 强烈正压，加料口处烟气浓度大，加 料工无法观察料面，对加料作业影响 很大紫杂铜的料柱强度不够，无法 维持稳定性：铜水中渣量很大，生产 0．5 h 后，炉底大量积渣，致使烧嘴处 开始出现积铜现象：料柱下部随之坍 塌，在下排烧嘴附近堆积， 加剧了积 铜现象虽然立即降低化料速度、从 放铜口处扒出炉内积渣，对灌铜严重 的烧嘴用氧烧开努力维持生产 3 小时 后，发现由于炉内积渣过多，下排烧 嘴已全部出现灌铜，为避免造成“死 炉”事故，紧急停止加料，此时下排 共 9 个烧嘴只剩下一个没有堵死。