1 前言
赤峰云铜有色金属有限公司始建于2006年6月，以加工赤峰金峰铜业有限公司所供给的
阳极铜为原料，年产高纯阴极铜10万吨。2010年1月为了更好地发展赤峰云铜，由云南铜业股份公司和赤峰金峰铜业有限公司进行资产整合，其中云南铜业股份公司占股权比例65%，金峰铜业占35%，赤峰云铜受让了金峰铜业公司
铜冶炼系统的全部资产以及热电厂和铁路专用线，还有几乎全部的经营管理人员和生产技术人员以及具有国际先进水平的金峰双侧吹熔池熔炼技术。现已发展成为拥有从矿铜—冰铜—粗铜—阳极铜—高纯阴极铜以及烟气制酸全套生产装置的限上规模企业，现有实际产能达到高纯阴极铜12万吨/年、冶炼烟气制酸及销售48万吨/年、综合利用铜冶金渣35万吨/年，工信部2015年第37号公告公布了符合《铜冶炼行业规范条件》企业名单，赤峰云铜有色金属有限公司名列其中。
赤峰云铜在整合至今的近5年半的时间里，凭借原有技术积累，依托云铜集团综合优势，持续进行了技术创新，不断完善了金峰熔池熔炼技术并取得突破性进展，同时成功开发了双炉粗铜连续吹炼工艺技术和高浓度SO2烟气制酸复合转化技术，促进了企业提质增效，提高了清洁生产水平。下面对金峰双侧吹熔池熔炼技术的最新进展和生产实践进行简要介绍。
2 金峰熔池熔炼工艺概述
熔池熔炼工艺根据气体喷吹方式可分为三种类型： 即顶吹式熔炼，以艾萨熔炼、澳斯麦特熔炼和三菱熔炼法为代表;侧吹式熔炼，以诺兰达熔炼、瓦纽柯夫熔炼法和白银法熔炼为代表;底吹式熔炼，以水口山炼铜法为代表。因送风位置的不同，脱硫脱铁的反应速率和效果均存在差异。金峰双侧吹熔池熔炼工艺的冶炼机理与通用的铜冶炼工艺一致，其核心技术在于熔炼炉的结构和过程控制。
2.1 工艺流程
金峰熔池熔炼工艺流程图见图1。
采用DCS集散控制系统实现工艺过程的监视和管理任务，炼铜原料(铜精矿、烟尘、黑铜粉等)、熔剂和燃料(焦粉或原煤)按设定数量均匀混合，经由主皮带转输至炉顶下料口连续进入熔炼炉落入熔池，同时，通过炉体两侧的风道向熔池中鼓入富氧压缩空气;在富氧空气的强烈搅拌和熔池的高温作用下，炼铜物料与液态熔体均匀混合并熔化，在熔池内熔体、炉料和鼓入气体三者之间迅速实现传质传热过程，完成造渣、造锍反应，反应形成的冰铜因密度较大而不断沉降聚集到熔池下部，经虹吸道连续排出、再通过溜槽进入连续吹炼炉(或根据PS转炉需要间断放出);熔渣则聚集到熔池上部，形成渣层，经电极渣室从排渣口连续溢流排出，经过溜槽进入缓冷渣包(或进入贫化炉，再经水淬进入渣池);含SO2的高温烟气连续稳定的进入余热锅炉回收废热，在经电收尘进入制酸系统。
2.2 金峰双侧吹熔池熔炼炉的结构
图2 金峰双侧吹熔池熔炼炉结构图
金峰双侧吹熔池熔炼炉为卧式、长方体，炉体由沉淀分离区、反应区和烟化区构成，分别设置在炉体下部、中部和上部;炉顶设有三个加料口和烟气出口;炉体下部偏上两侧炉壁上平行对称设置一次风道，炉体中上部两侧炉壁上设置二次风道;炉体下部的一端设有冰铜虹吸放出口，另一端设有电极渣室和熔渣放出口;烟气出口设在熔渣放出口端;熔炼炉烟气出口与余热锅炉进口由特制烟道连接。
2.3 金峰侧吹熔池熔炼工艺的特点
富氧侧吹熔池熔炼工艺具有如下特性：
(1)流程短，装备简单,投资省。以年产100kt/a粗铜的设计规模为例，金峰熔炼工艺的投资仅是澳斯麦特工艺的一半。
(2)双侧多风道鼓风。金峰炉在炉两侧设置风道，在炉体长度受限的情况下，可比单侧(如诺兰达炉)设置得更多(25m2的炉型共可设置32个风道)。多风道送风的优点是物料搅拌和氧化反应更均匀，反应更迅速，与单风道送风(如艾萨/奥斯迈特)相比可减少局部过氧化现象。
(3)吹混合层,气、液、固三相接触充分。熔池熔炼炉有的吹冰铜层(如底吹炉)，有的吹冰铜层与渣层的混合层(如诺兰达法)，有的吹渣层(如艾萨、奥斯迈特法);金峰炉吹混合层，其优点是大部分富氧空气直接与新进物料接触，使氧化传质过程缩短，渣型适应性强，不但氧化反应速度快，而且也能减少铜和铁的氧化和过氧化现象。
(4)熔渣与冰铜在炉内实现分离。炉内熔体温度高，熔池深度高达2300mm，不但渣铜分离效果好，而且在渣铜分离过程中，新形成的大量冰铜雨通过渣层，对渣层中的冰铜小颗粒有洗涤聚合作用，可有效降低渣中的冰铜含量，金属直收率高。
(5)原料的适应性强。炉料无需深度干燥、细磨、造粒等特殊处理,含水≤10%的铜精矿物和粒度≤20mm的块矿、粒度≤35mm的熔剂可直接入炉;燃料适应范围广，无烟煤、烟煤、焦粉、天然气均可作为燃料，而且固体燃料无需加工、直接配料入炉。
(6)熔炼强度大，操作弹性宽泛。由于送风部位的炉壁采用水冷铜水套和采用不锈钢、紫铜复合送风嘴，耐高温耐氧化，故可采用高浓度富氧空气(含氧60～95%)鼓风，熔炼强度大，自热性更强，更节省能源。芒特艾萨、奥斯迈特、诺兰达、白银炉等由于受风枪和炉体寿命的限制，富氧浓度只能到55%左右。床能力为55～95t/d•m2，单系统粗铜生产能力可达100～250kt/a。
(7)综合能耗低，节能效果好。燃料率3～5%，粗铜综合能耗113kgce/tCu。
(8)操作简单易控，自动化程度高。整个系统配备DCS集散控制系统，实现在线监测和远程调控;现场无需打风眼作业，熔体排放口及溜槽易于清理，劳动强度低;检修工作量小，单风嘴可工作两年以上，且更换容易，两人配合、半小时即可完成。
(9)熔体连续排放。熔炼产生的冰铜可连续排出，也可在炉内临时蓄存、根据PS转炉吹炼的需要间断放出，不需要单设保温炉;熔炼渣连续溢流排出。
(10)炉寿长、耐火材料消耗低。炉寿可达3年以上，炉体易烧损和受冲刷的高温部位，均采用铜水套冷却挂渣保护技术，无需消耗高档耐火材料;其他部位仍采用耐火砖砌筑，可减少炉体散热损失。
(11)设计合理，安全性能可靠。锅炉故障不影响冶金炉安全;无运动部件，因而工作安全可靠;烟气出口与余热锅炉连接烟道采用特殊耐火材料砌筑烟道，既有利于单体硫的进一步燃烧，又避免了锅炉漏水进炉可能引起爆炸的安全风险。
(12)无逸散烟气，环境友好。炉膛负压运行，炉体密封性好，漏风率小，加料口无烟气外溢;排渣放铜点的环集烟气全部收集汇入制酸系统，操作环境好，可实现熔炼清洁生产。
3 技术进展
3.1 自造熔池开炉技术
3.1.1 自造熔池开炉技术开发背景
金峰双侧吹熔池熔炼炉从2008年6月建成投产以来，采用注入熔体开炉法，即开炉过程利用原有闲置鼓风炉制造熔体注入金峰炉，作开炉造熔池热反应引子。此开炉方法不但程序繁琐，而且开炉设备维护及开炉费用偏高，同时存在熔渣过热不足及单位时间热熔渣供量有限的缺点，此开炉技术的不足，正是金峰熔池熔炼炉的不完善之处。由此，自金峰熔池熔炼技术开发之初，始终致力于金峰炉自造熔池开炉技术的探索和研究。
为了降低开炉成本、简化开炉程序、节省原始建设基建投资、完善金峰熔池熔炼技术，赤峰云铜依据金峰熔池熔炼工艺和装备特点，综合和借鉴国内外冶金炉开炉方法和工程实践经验，于2010年9月10日制定了金峰双侧吹熔池熔炼炉自造熔池开炉的技术方案，并确定于2010年9月25日，在年度大修复产的原始开炉过程中付诸实施。
3.1.2 自造熔池开炉方案及实施效果
自造熔池开炉技术方案实施的过程控制：熔炼炉按烘炉程序严格控制升温速率，烘炉末期，逐渐增加木柴投加量，由小火逐步过渡到大火，待木柴达到一定高度时，酌量均衡投加焦炭，焦炭均匀燃烧且达到一定厚度，开始分批次定量投加低品位冰铜、投加转炉渣，投料过程中密切跟踪炉内燃烧和渣料熔化状况，适时适量提高富氧浓度和鼓风压力。待熔体高度超过风眼时，开始投加铜精矿、熔剂和燃料，短时间即可转入正常生产程序。本技术采用特殊装置和措施，彻底解决传统固体炉料开炉法存在的定点加料布料不均匀、熔池炉缸深而焦炭燃烧不充分、易产生过量CO 引起爆炸等问题。整个开炉过程，程序简单、易于操作、时间短、能耗低，一切顺行，未发现异常情况，达到了技术方案设定的预期目标，做到一次开炉成功。
采用自造熔池开炉技术，克服和解决了注入熔体开炉法的费用高、耗时长及传统固体炉料开炉法存在的布料不匀、温升不均等缺点和问题，做到开炉耗时短费用低和安全可靠，可达到开车成功率百分之百;同时，实现烘炉过程与开炉过程的有效衔接，炉内蓄热和温升随开炉过程逐步提高，避免温度急剧变化对炉窑结构和寿命的影响。与2008年和2009年采用鼓风炉制造熔体开炉相比，避免了存在的热量损失，规避了熔体吊包转运倾倒过程的安全风险，缩短了时间，提高效率，减少了对环境的污染并降低了劳动强度，同时节约开炉成本近45万元/次。两种开炉技术的耗材耗时情况如表1所示。
表1 两种开炉技术的对比
3.1.3 推广应用情况
自造熔池开炉技术于2010年、2011年、2012年、2013年在赤峰云铜的年度大修复产开炉过程使用，并先后应用于四川康熙铜业、富春江和鼎铜业熔炼炉的原始开车。实践证明，本开炉技术安全可靠，完善了金峰熔池熔炼技术，为金峰双侧吹熔池熔炼工艺及装备的推广应用铺垫了坚实的基础。
3.2.1 熔渣电炉贫化
熔炼渣在出渣口经溜槽流入贫化电炉，在贫化炉内澄清沉淀3.5个小时，经水淬、烘干外销，其中在熔炼矿量小于65t/h时，贫化炉能满足正常生产要求，弃渣成分分析数据，如表2：
表2 贫化后的弃渣成分
随着金峰侧吹熔池熔炼技术的日趋成熟，熔炼矿量逐渐增加，与此同时，贫化炉的负荷也随之增加，熔渣在贫化炉内不能充分沉淀，造成贫化效果不理想，贫化成本增加，产能提升后熔矿量80t/h时，贫化后的弃渣成分分析数据，如表3所示。
表3 产能提升后的弃渣成分
3.2.2 高铁渣浮选贫化
自金峰侧吹熔炼技术的日日臻完善，熔炼矿量不断增加，为满足生产需求，经深入研究决定对熔炼渣型进行调整，通过全渣浮选代替贫化炉，进而实现提高金属回收率和铜渣综合利用的降本增效目标。
2008年至2013年末，金峰炉的熔炼机理独特加之采用铁硅钙三元系渣型和直流贫化电炉，熔渣含铜可控制在0.5%以下。但是因渣率较高(精矿含铜20%、含铁27%时，吨粗铜产生渣量达到3.2t)，所以导致渣含铜损失仍较高(约为1.35%)。
要进一步降低渣含铜损失，显然需要从进一步降低渣含铜和降低渣率两方面入手，为此，赤峰云铜提出如下解决方案：
将Fe-SiO2-CaO三元系渣型调整为Fe-SiO2两元系渣型，并将硅铁比由目前的0.9左右调整到0.5～0.55,从而将渣率由目前的3.2左右降低到2.3左右;使渣量减少约25%。
(2)实践证明，按上述工艺方案调整渣型后，渣含铜将升高到1%左右，且电炉贫化效果甚微;然而，铁硅比为1.5～2.0的硅铁渣型比较适合浮选法贫化;所以赤峰云铜提出取消电炉贫化方法，采用浮选法进行贫化。渣型调整前后的运行指标如表4所示，调整前后熔渣成分如表5所示。
表4 渣型调整前后的运行指标
表5 调整前后熔渣成分
以上运行数据表明：
a.铁硅比越高渣含铜随之增加，渣中磁性铁含量也随之增加，有利于渣选贫化。
b.随着渣中磁性铁含量的增加，熔炼渣熔点升高，需要较高的操作温度。
c.高铁渣磁性铁含量增加，在渣沉降区内，会有磁性铁横膈膜析出。
d.高铁渣有利于炉寿的延长，实践表明，高铁渣能起到挂渣护炉的作用。
经过上述分析，金峰炉选择铁硅比在1.5-1.7之间的渣型为宜，既不会导致磁性铁大量积聚，给操作带来难度，又不影响渣选贫化效果。
赤峰云铜高铁硅比熔炼渣浮选浮选尾矿含铜可控制在0.25%以下，依目前铜精矿综合供应情况，按矿产阴极铜110kt/a计算，调整渣型后可节约熔炼成本不低于1050万元/a、与采用电炉贫化时期相比可多回收近900t/a、浮选尾矿实现资源化利用，经综合技经测算，实施调整渣型浮选贫化后净利润不低于2650万元/a。
3.3 双炉粗铜连续吹炼工艺技术
3.3.1 开发过程
在金峰富氧双侧吹熔池熔炼工艺成功实现工业化应用之后，为解决PS转炉吹炼工艺存在的间断进料、分期作业、逸散烟气收集困难处理费用高、漏风率高、余热利用差、作业率低等工艺缺陷和环保问题，2009年立足高效、节能、环保的研发标准，确立了“双炉粗铜连续吹炼工艺技术”研究课题，即根据PS转炉吹炼工艺技术的原理，将PS转炉吹炼的造渣期和造铜期两个反应过程分置在造渣炉和造铜炉内连续进行。自2012年开始，赤峰云铜有色金属有限公司与金峰冶金技术发展有限公司合作，借鉴金峰富氧双侧吹熔池熔炼、顶吹熔池熔炼以及三菱法吹炼和闪速吹炼工艺的技术经验，开发了双侧吹造渣炉和顶吹造铜炉。在2013年5月至2014年8月期间，本着既不影响正常生产又确保试验装置安装、试车顺利进行的原则，在赤峰云铜火法冶炼生产系统中插入双炉粗铜连续吹炼工艺技术的工业化试验模块，利用6个月时间实施了工业化试验装置建设，经历8个月、7次工业化试验。对历次试验进行总结，改进和完善了工艺装备，在2014年9月6日的第八次试验中取得圆满成功，经系统调整和修缮，于2014年11月7日一次开车成功、顺利实现工业化应用。
3.3.2 技术简介
双炉粗铜连续吹炼工艺技术创造性地将PS转炉吹炼的造渣期和造铜期两个反应过程分置在双侧吹造渣炉和顶吹造铜炉内连续进行;熔炼炉、造渣炉和造铜炉均采用溜槽连接，实现了液态冰铜、白冰铜和粗铜的连续流动转输;所有溜槽和排接渣点的环集烟气100%收集、汇入烟气制酸系统;工艺烟气分别流经余热锅炉、产出的饱和中压蒸汽集中用于余热发电;造渣反应产出的吹炼渣连续排出经渣包缓冷去浮选贫化;精炼渣、造铜过程的吹炼渣返回造渣炉，电解残阳极返回造铜炉，冷料处理率100%。通过上述技术方案的综合集成，创新性地开发了由双侧吹造渣炉和顶吹造铜炉组成的粗铜连续吹炼系统，实现了粗铜吹炼过程的连续化。
3.3.3 工业化应用情况
赤峰云铜采用双炉粗铜连续吹炼工艺技术已建成年产粗铜12.5万吨生产线，生产运行稳定、易于操作控制，直收率高，吹炼成本低，各项技术经济指标优良。与PS转炉吹炼时期相比较：产能提高20%;吨粗铜耐火材料成本下降30元/tCu;吹炼烟气余热发电增效58元/tCu;节省环集烟气脱硫处理成本95元/tCu、硫的回收率提高1.3%;工艺烟气量小且连续稳定、制酸吨酸电耗降低14kwh/tH2SO4;吹炼作业率由92.5%提高至99%;粗铜综合能由143kgce/tCu降至113kgce/tCu; 粗铜含硫由0.3%降至0.03%;吹炼渣含铜由4.0%降至2.3%。与清洁生产(HJ558-2010)的一级指标和能源消耗限额(GB21248-2014)的先进指标对比：粗铜含硫<0.03%、达到≤0.1%要求;炉龄>360d、达到≥240d要求;废气的收集与处理做到了100%收集利用;二氧化硫转化率>99.94%、达到≥99.8%要求;硫的总捕集率>99.8%、达到≥98.5%要求;硫的回收率>98.3%、达到≥97%要求;粗铜单位产品综合能耗113kgce/tCu，满足清洁生产(HJ558-2010)一级指标≤340kgce/tCu的要求，同时达到能源消耗限额(GB21248-2014)中铜冶炼企业单位产品能耗先进值≤150kgce/tCu的指标要求。
3.3.4 潜在的推广价值
双炉粗铜连续吹炼工艺技术是熔池熔炼技术的开创性拓展，采用此技术用既可彻底根除传统PS转炉吹炼造成的烟气、烟尘、废热逸散，杜绝低空污染，又可有效利用余热、降低炼铜成本，有效改善吹炼工序作业环境，特别是在生态环保、节能减排等法律法规要求日益严格、标准逐步提高的大趋势条件下，本工艺技术均具有突出优势。
该研发成果，于2014年4月2日“双炉双侧吹造渣顶吹造铜连续吹炼炉”获得实用新型专利授权、并已同日申请发明专利;于 2015年4月23日“双炉粗铜连续吹炼工艺技术”通过由中国有色金属协会组织的科技成果鉴定，认为该工艺技术投资低、节能减排效果好、经济和社会效益显著，可实现铜冶炼清洁生产，同时技术经济指标先进，整体技术达到国际先进水平，建议加快推广应用。
4 结语
从赤峰云铜及浙江和鼎铜业采用金峰熔池熔炼技术的生产运行情况看，各项经济技术指标均非常理想。此技术投资省、建设周期短，流程简单、自动化程度较高，操作弹性宽泛、简单易控，备料简单、原料适应性强，综合能耗低、运行成本低，无逸散烟气、噪音低、环境友好，该熔池熔炼工艺的单系列可达到年处理铜精矿100万吨以上规模，辅以双炉粗铜连续吹炼技术的应用，粗铜综合能耗可降至115kgce/tCu以下，在环保、能耗、运行成本、建设投资均具有突出优势，同时随着金峰熔池熔炼技术和双炉粗铜连续吹炼工艺技术的日臻完善，可实现全流程连续炼铜，进而形成一套崭新的铜冶炼清洁生产技术。
声明：
“金峰双侧吹熔池熔炼技术进展” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：赤峰云铜有色金属有限公司
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