浅谈“奥炉改造工程”阳极炉工序设计优化

2019-06-03曾庆康金泽志

世界有色金属 2019年6期

曾庆康，金泽志

（铜陵有色金属集团股份有限公司，安徽铜陵 244000）

1 项目简介

铜陵有色金昌冶炼厂（原铜陵有色第二冶炼厂）为铜陵有色的全资分公司，1978年建成投产，采用鼓风炉熔炼工艺。2006年改造后采用“奥炉熔炼—PS转炉吹炼—固定反射式阳极炉精炼—小极板常规电解”生产工艺，规模为矿铜产量15万吨/年，硫酸产量56.55万吨/年。

为提升铜冶炼工艺技术水平，促进节能减排，更好地适应环境保护法更加严格的环保标准要求，满足社会对“绿水青山就是金山银山”的期许，铜陵有色金昌冶炼厂技术升级改造项目“奥炉改造工程”（以下简称“本项目”）于2013年11月29日经铜陵有色集团公司董事会批准通过，2014年6月19日获铜陵市发展和改革委员会关于本项目的备案文件（铜发改工业[2014]206号），2016年3月18日破土动工，历经2年建设期，于2018年3月18日点火生产。

本项目设计规模为阴极铜200kt/年，以铜精矿为原料，采用“仓式配料—顶吹炉熔炼—电炉沉降贫化—智能数控吹炼炉吹炼—回转式阳极炉精炼”冶炼工艺。

2 阳极炉工序简介

阳极炉工序配有两台550吨回转式阳极炉和一套能力为100t/h的双圆盘浇铸机，每台阳极炉每批次可处理2炉吹炼炉粗铜。阳极炉一端配有稀氧燃烧装置，采用天然气为燃料，为炉体提供热量；每台炉体设有4个氧化还原风口，氧化期鼓入压缩空气，还原期鼓入天然气+氮气；炉口逸出少量烟气由环集烟罩收集后进入环集脱硫处理；浇铸时，铜水经溜槽进入浇铸系统，溜槽上方设有保温烧嘴；双圆盘产出的合格铜阳极板用叉车送电解车间。[1]

阳极炉工序工艺流程如下图所示：

图1 阳极炉工序工艺流程图

3 设计优化

3.1 阳极炉集烟装置

回转式阳极炉为卧式圆形炉体，根据工艺需求，开设有炉口、出铜口、出烟口、氧化还原口、烧嘴安装口等工艺管口。在火法精炼过程中，因炉内气压波动或调整，会产生大量烟气从炉口逸出，逸出烟气经环集烟罩收集后进入环集脱硫系统，烟气处理达标后排放。

图2 阳极炉新型环集烟罩

图3 阳极炉炉口水套示意图

目前国内各大冶炼厂主要采用设置在炉口上方的固定式环集烟罩来进行烟气的收集，这种烟罩由于需要避让大型铜包的加料动作，外形及开口尺寸较大，导致漏风率特别大且易变形，从而严重影响烟气的收集效率，所收集的烟气约90%以上是环境空气，这样带来后续的烟气处理成本较高；这种烟罩启闭过程绕一侧轴呈扇形旋转，动作空间需求较大；由于炉口或炉口上配置的炉口盖结渣、变形等原因，炉盖与炉口无法完全密封，特别是在铜精炼的还原期时有瞬时大量烟气从炉盖四周逸出，传统烟罩无法满足逸出烟气的有效收集。

为降低无效空气收集量、提高烟气收集效率、降低后续烟气处理成本，打造“绿色环保”型企业，在满足回转式阳极炉整个寿命周期内各阶段作业需求条件下，本项目集思广益，大胆创新，最终发明了新式“回转式阳极炉集烟装置”，见图2。该集烟装置由回转臂、烟罩、炉口盖、其他集烟管件组成，其最大特点是能跟随炉体转动，能满足炉体各种角度及各种作业状态下的集烟需求，漏风率低，极大减少无效空气的吸入，不仅能有效收集炉口逸出烟气、改善现场作业环境，同时极大降低阳极炉工序环集气量，降低后续烟气处理成本。

3.2 炉口水套优化

回转式阳极炉炉口作为高温熔融态粗铜、高温液态炉渣及高温烟气通道，反复受到液体、气体冲刷、洗蚀，同时会受到行车、炉口机等大型设备作业造成的外界机械冲击力，作业环境极为恶劣，为延长阳极炉炉口使用寿命、提高作业效率，炉口四周一般配置钢制水套。

本项目阳极炉炉口水套初始设计除下炉口水套板厚100mm外其他三面水套板厚均为60mm。考虑到粗铜常常夹带少量吹炼渣，而本项目吹炼渣为FeO-SiO2渣型[2]，含有大量Fe3O4，具有强氧化性，容易侵蚀水套钢壳；如前所述，阳极炉进料、清理炉口时，炉口可能会到粗铜包的撞击以及炉口机的直接冲击，容易造成水套弯曲变形，进而可能造成炉口发红、烧穿以及漏水放炮事故；本项目回转式阳极炉一侧端墙上配有稀氧燃烧装置，采用天然气作为燃料，99.6%的纯氧作为助燃气体，火焰中心温度较高，水套受到热对流、热辐射影响不均，火焰冲击面影响最为严重。

为提高水套抗高温、抗侵蚀、抗外力、抗变形的能力，以提高水套使用寿命，将水套钢壳厚度全部增加大100mm，并将水套内部水道直径由28mm增加至30mm，提高水套被冷却效果。

图4 优化前炉前平台布局

图5 优化后炉前平台布局

3.3 炉前平台布局优化

本项目设计产能20万吨/年，阳极炉配置2台套，镜像对称布置，为合理利用空间，两台炉体驱动系统均布置在两台炉体之间，驱动上方为操作平台和DCS控制室。

设计之初将稀氧燃烧阀组、氧化还原阀组均布于DCS控制室前方操作平台上，以将设备均布于平台各区域，条理清晰，管路布局简单；操作平台南侧设楼梯通往出铜溜槽区域，方便操作人员巡点检炉体驱动系统及出铜溜槽区域各设备设施；炉前设气动翻转平台，进出料时平台抬起，炉前作业时平台落下，方便人员炉前操作。

临近投产前，设备、设施、工器具等各种材料逐步配置到位，原来平台布局方案不适宜之处开始暴露：1、阀组布置位置占地过大，操作人员炉前取样、拆装烧嘴、烧氧均需要较大安全作业空间；2、炉前气动翻转平台故障率高，影响正常作业；3、南侧楼梯占用出铜溜槽检修空间，且处于出铜溜槽上方，属高温区域，上下楼梯存在安全隐患；

针对以上问题，结合现场实际及工艺操作需求，对炉前平台进行了局部优化：

（1）4套阀组重新选址布置，2套稀氧燃烧阀组布置于新增9米悬挑平台上，2套氧化还原阀组布置于米平台下方，让出炉前作业空间；

图6 出铜溜槽初步设计方案

图7 出铜溜槽优化后方案

图8 溜槽活动段及延伸方向示意图

图9 溜槽固定段及扩大方向示意图

图10 优化后溜槽活动段及底部移动小车

（2）取消气动翻转平台，改为活动小车，彻底消除平台翻转故障对生产造成的影响；

（3）取消原南侧出铜溜槽区域楼梯，改至平台东南侧，于平台南侧电气室平台联通，在不影响正常点检需求情况下，还可作为安全通道使用；

3.4 出铜溜槽及附属设施优化

出铜溜槽作为连接阳极炉和圆盘浇铸机的桥梁，负责将炉体出铜口处排出的高温铜水引导至圆盘浇铸系统，期间需维持铜水温度稳定，确保铜水在流动过程不会与周边空气、溜槽内耐火材料反应或夹带其他杂质，以保证阳极板化学成分及物理外观符合电解精炼需求。

图11 溜槽上方单轨葫芦吊

回转式阳极炉采用间断式作业方式，每炉次浇铸结束后，需对出铜溜槽活动段和固定段进行清理挖补。活动段因残留较多冷铜必须更换后进行清理挖补；固定段因设有保温烧嘴保温，仅溜槽表面粘结少量渣和铜，人工现场清理后即可继续使用。

设计之初，浇铸结束后，出铜溜槽活动段首先由其上方电动葫芦拉动，使其与固定段分开，后由炉体前方的车辆或起重设备通过钢丝绳等措施将活动溜槽拉出，检修后的活动段溜槽由叉车倒运至安装位置后，再次通过活动段上方电动葫芦调整位置。该办法检修过程繁琐，且在炉体周边作业时间较长，存在安全隐患。

为提高现场作业安全性及工作效率，将出铜溜槽活动段与固定溜槽连接位置由南北方向（图6）改为东西方向（图7）；同时为溜槽活动段底部配置移动小车（图10），当浇铸结束后，直接通过遥控器远程操作将溜槽活动段移动到安全区域；调整后，考虑到炉体出铜初始位置较高，铜水流出距离较远，为防止铜水流出，将溜出活动段南侧增加0.5米（图8），以扩大活动段有效作业范围；为提高出铜溜槽保温效果及使用寿命，溜槽固定段宽度由230/430 （底部/顶部）mm扩大至360/560mm，高度由450mm增加至500mm（图9），底部及边缘砌筑镁铬砖，工作层砌筑碳化硅预制件，一方面提高溜槽保温性能，同时能提高溜槽漏铜的抗风险能力；溜槽上部增设单轨葫芦吊（图11），轨道沿溜槽走向布置，溜槽检修时，采用葫芦吊将盖板或溜槽预制件吊运至行车作业区域，由行车吊运至指定区域，该方案解决了溜槽预制件完全依赖人工更换而带来的工作量大、检修时间长的弊端。

3.5 圆盘浇铸机部分设施优化

圆盘浇铸机作为铜冶炼核心设备，负责将火法冶炼工艺生产出的熔融态阳极铜转变为下游工序所需的阳极板，其运行稳定性直接关系到阳极板合格率和生产作业周期，进而影响到阳极板产量和吨铜成本，在整个铜冶炼工艺中占有重要地位。

按照阳极板浇铸流程，圆盘浇铸机分为浇铸系统、圆盘本体、喷淋水冷却系统、废板机系统、取板机系统、喷涂系统、液压系统及控制系统等。

自圆盘浇铸机投入使用以来，结合实际生产需求，做出如下优化改造：

（1）喷淋水系统分为下喷淋与上喷淋两部分，下喷淋用于铜模的冷却，上喷淋用于阳极板成型及冷却。圆盘使用初期，因下喷淋管道布局不够理想，造成铜模中心区域温度偏高，铜模内部温度分布不均造成局部变形，进而造成阳极板尺寸出现偏差，影响合格率及使用效果。后根据铜模温度分布情况，结合圆盘本体框架布局，充分利用现场空间，重新设计制作喷淋管，提高冷却效果和温度分布均匀程度。

（2）原设计时喷涂系统共4个喷嘴，其中1个固定喷嘴喷涂铜模顶针区域、2个喷嘴喷涂两侧耳部区域、1个摆动喷嘴喷涂铜模模膛，因模膛区域面积大需要喷涂量大、耳部及顶针区域小需要喷涂量少，该喷嘴设计方式导致脱模剂喷涂量与实际需求量截然相反，导致脱模效果不佳。后将顶针处喷嘴取消，增加1个摆动喷嘴，延长摆动喷嘴喷涂时间，减少耳部喷涂用量，提高脱模剂有效使用率及脱模效果。

（3）本项目设计之初仅考虑到自用阳极板浇铸，取板机尺寸、水槽尺寸均按照该尺寸进行设计，由于生产经营需要，除自用阳极板外，还承担其他单位不同规格阳极板加工，在分析本厂及外部单位阳极板尺寸存在的差异及共同点的基础上，对取板机尺寸及水槽尺寸进行了调整和改动，使之满足不同规格阳极板生产需要。

（4）液压站冷却水管路改造。原设计圆盘浇铸机液压站冷却水管路与阳极炉排烟风机共用同一根主管，设备调试期间，发现液压站冷却回水受风机冷却回水影响，无法正常循环流动，导致圆盘浇铸机频频因液压油温超过65度而跳车，后重新为液压站重新辐射独立给排水管路，该问题未再出现。

（5）圆盘浇铸机地沟增加格挡措施，本项目圆盘浇铸机自5月份投入生产，至11月份，突然出现圆盘液压系统跳车无法动作问题，经查发现是由于地沟内蒸汽沿地沟进入液压控制柜造成设备跳车，为防止该问题对生产造成持续甚至更为严重影响，通过在地沟中间部位增加格挡措施，隔绝蒸汽影响，确保设备运行安全。

（6）增加现场急停按钮，因圆盘浇铸机自动化程度高、作业时间长，现场作业人员长时间处于高温、高强度作业环境下，为防止作业人员在转动的圆盘浇铸机区域及高温区域出现意外，结合现场布局及人员作业区域范围，在圆盘浇铸机两个喷涂罩立柱表面分别增加1个急停按钮，当突发情况出现时，可预防或防止事故的发生、扩大。