两种转炉作业模式的理论及实践对比

乐安胜

(大冶有色金属集团控股有限公司， 湖北 黄石 435005)

0 引言

转炉工业应用已有百多年历史，是被普遍采用的成熟技术，目前国内铜锍的吹炼大多数采用卧式侧吹转炉。但转炉生产为间断性作业，烟气量波动、炉口漏风、烟气泄漏等问题难以解决。随着熔炼和精炼技术的发展与完善，转炉吹炼成为制约铜冶炼厂洁净生产的突出矛盾。每家铜锍冶炼厂都有几台转炉同时作业，不同数量的作业转炉组合构成了不同的作业模式，不同的转炉作业模式会产生不同的生产技术指标[1-4]。本文对大冶有色冶炼厂转炉生产系统进行了4H3B和4H2B两种作业模式的生产技术指标的理论和实践对比。

1 大冶有色转炉系统简介

大冶有色冶炼厂转炉系统为5台P- S转炉，熔炼部分提供铜锍品位为56%左右，由三台高压风机提供风源，并混入一定量的氧气进行吹炼，产生98%的粗铜进入精炼炉再进一步除杂。产生的转炉渣输送到渣场进行缓冷，物料的转运主要用6 m3的钢包，采用4H3B不完全期交换作业(见下文“转炉作业模式介绍”)。转炉工艺流程见图1，转炉车间主要生产工艺设备见表1。

图1 转炉工艺流程图

2 转炉作业

在铜冶炼过程中，造锍过程是进行铜与部分或绝大部分铁的分离的过程。吹炼就是除去铜锍中的铁和硫以及其他有害杂质。在吹炼过程中，有害杂质进入渣中或烟尘，金、银等贵金属几乎全部富集到粗铜中。

吹炼过程是间歇式的周期性作业，整个过程分为两个阶段。第一个阶段(周期)，即造渣期(一般分为S1和S2)，铜锍中的FeS与鼓入空气中的O2发生强烈的氧化反应，生成FeO和SO2气体。FeO与加入的石英熔剂进行造渣反应，使铜逐渐升高。当锍中铜升至大约75%，含Fe小于1%时造渣结束。造渣完成后，继续吹炼，即进入第二阶段(周期)，也就是造铜期(一般分为B1和B2)。在造铜期，鼓入空气中的O2与Cu2S发生强烈的氧化反应，生成Cu2O和SO2，Cu2O又与未氧化的Cu2S反应生成金属Cu和SO2，直接生成的粗铜含铜98.5%以上时吹炼的第二阶段结束。铜的吹炼第二阶段不加入铜锍、不造渣，以产出粗铜为特征。

表1 转炉车间主要生产工艺设备

3 转炉作业模式介绍

转炉的吹炼制度有三种：单炉吹炼、炉交换吹炼和期交换吹炼。

单炉吹炼一般只有两台转炉，其中一台操作，一台备用，一炉吹炼作业完成后，重新加入铜锍，进行另一炉次吹炼作业。

炉交换吹炼，一般3台转炉，1台备用，两炉交替作业。在2#炉结束全炉吹炼作业后，1#炉立刻进行另一炉次的吹炼作业。但1#炉可在2#炉结束吹炼之前预先加入铜锍。2#炉可以在1#炉投入吹炼作业之后排出粗铜，缩短了停吹时间。

期交换吹炼，一般有3台转炉，1台备用，两台交替作业，在1#炉的S1期与S2期间之间，穿插进行2#炉的B2期吹炼。将排渣、放粗铜、清理风眼等作业安排在另外一台转炉投入送风吹炼之后进行，将加铜锍作业安排在另一台转炉停吹之前进行，仅在两台转炉切换作业时短暂停吹，缩短了停吹。

2HIB是指转炉在做期交换作业，即3台转炉，2台在热态，其中有1台在送风吹炼，1台在冷态维修；2H2B是指转炉在做炉交换作业，即3台转炉，2台在热态，2台同时送风吹炼，1台在冷态维修；3H2B是指转炉在做炉交换作业，即4台转炉，3台在热态，其中任意有2台在同时送风吹炼，1台为冷态维修。当不能严格按照期交换作业时就叫不完全期交换作业[3-5]。

大冶有色冶炼厂目前采用4H3B不完全期交换作业,即5台转炉，4台在热态，其中任意有3台在送风吹炼，1台为热态，1台为冷态维修。采取此作业模式，送风时率低下，硫酸SO2浓度波动较大。经常出现三台炉子同时炉口转出(接铜硫、倒粗铜或者倒渣)，大量烟气外漏，转炉低空污染相对较为严重。

为解决环保问题，在确保产量前提下，优化转炉吹炼作业模式。测算采用4H2B不完全期交换作业替代目前转炉作业模式，即5台转炉，4台在热态，其中任意有2台在送风吹炼，2台为热态，1台为冷态维修。为能进行4H2B不完全期交换作业，准备将吹炼铜锍品位按照60%控制。

4 两种作业模式对比分析

原料铜锍有两种理论成分组成，详细情况见表2。本文将从吹炼时间、产量、烟气量、产生热量、能耗和技术经济指标等方面对两种作业模式进行理论对比分析。4H3B采用的铜锍品位为55%；4H2B采用的铜锍品位为60%。

表2 铜锍理论成分 %

4.1 两种作业模式吹炼时间对比

按照现有作业流程一炉铜5包铜锍起吹：加入一包冷料期间换停等待，进行放渣；再进2包铜锍进行吹炼，停风放渣；再进1包铜锍吹炼，停风放渣，并进入B1期；再期间换停等待，最后进入B2期。造渣时间参考式(1)，造铜时间参考式(2)。

(1)

(2)

上式中：α、β、γ为参数；a为冷料系数。式(1)中，α=7，β=57.55；γ=0.775；式(2)中，α=8.7，β=-0.001 25，γ=4.866。

55%铜锍比重取4.5 g/cm3，60%铜锍比重取4.7 g/cm3，氧浓度23%，造渣36 000 Nm3/h，造铜38 000 Nm3/h，按照式(1)、式(2)进行计算，结果见表3。

表3 不同品位单炉吹炼时间计算结果 min

根据表3计算结果进行推断，如果在持续均衡供应铜锍的情况下，5台转炉采用4H3B操作模式吹炼55%铜锍，一天可吹炼12炉次；4台转炉采用4H2B操作模式吹炼60%铜锍，一天也可吹炼12炉次。如果按照每小时供应3包铜锍的情况，则5台转炉采用4H3B操作模式吹炼55%铜锍，一天可吹炼9炉次，4台转炉采用4H2B操作模式吹炼60%铜锍，一天可吹炼9炉次。由此可以看出，4台转炉采用4H2B操作模式吹炼60%铜锍，一天可吹炼9炉次。由此可以看出，吹炼能力主要受铜锍供应能力限制，与采用4H3B或者4H2B操作模式没有关系。

4.2 两种作业模式产量对比

条件：按照吹炼94%直收率，每炉铜进8包铜锍，铜包体积均为6 m3。

1)熔炼系统能持续均衡供应铜锍的情况，粗铜产量计算结果见式(3)、式(4)。

4H3B作业模式产量：8×6×4.5×55%×94%×12=1 340 t

(3)

4H2B作业模式产量：8×6×4.7×60%×94%×12=1 526 t

(4)

2)每小时供应3包铜锍的情况，粗铜产量计算结果见式(5)、式(6)。

4H3B作业模式产量：8×6×4.5×55%×94%×9=1 005 t

(5)

4H2B作业模式产量：8×6×4.7×60%×94%×9=1 145 t

(6)

由计算结果可以看出：无论铜锍供应模式如何，4H2B作业模式均比4H3B作业模式增加约14.3%产量。铜硫品位提高，矿铜产量会有所提高。

4.3 两种作业模式烟气对比

铜锍吹炼主要是S的氧化，在造渣期是FeS中的S被氧化，造铜期是Cu2S中的S被氧化[6]。化学反应见式(7)、式(8)。

(7)

(8)

假设造渣期中的S有97%氧化成SO2，7%氧化成SO3；造铜期中的S有90%氧化成SO2，10%氧化成SO3。计算出氧的利用率为97%，氧浓为23%，造渣期风量36 000 m3/h，造铜期风量38 000 m3/h。风量及烟气量中SO2含量计算结果见表4。

表4 不同品位吹炼所需空气量及产生的烟气量中SO2含量

4.4 两种作业模式热量对比

转炉铜锍吹炼是一个自然过程。共分两个周期，即造渣期和造铜期[2]。造渣期主要是FeS的氧化及其造渣放热，造铜期主要是Cu2S的氧化放热，反应式见式(7)、式(8)。

据此可计算出，1 kg的FeS氧化造渣反应可以放出5.85 kJ的热量，1 kg的Cu2S氧化生成金属铜可以放出1.37 kJ的热量，第1周期的反应热要比第2周期的反应热大得多。转炉采用不同品位铜锍吹炼参与反应的FeS和Cu2S的总量也不相同，计算结果见表5。

表5 不同品位铜锍的FeS和Cu2S总量 kg

4H2B模式下，铜硫中参与反应的FeS减少，Cu2S增加，而FeS氧化造渣反应放出热量是Cu2S氧化造铜放出热量的4.3倍，初步计算热量减少了大约5%。

4.5 两种作业模式能耗对比

在4H2B作业模式下，减少一台高压风机的运行，也减少了一台转炉的运行，节约了大量电能。高压风机功率为2 500 kW，其他辅助设备功率也达到300 kW，每天节约电耗约91 200 kW·h。按照每天约1 100 t粗铜产量，生产每吨粗铜能耗减少约61 kW·h。

5 生产实践

在熔炼系统能持续稳定提供铜硫情况下，对两种转炉作业模式实际生产进行对比分析。

5.1 转炉生产情况

两种转炉作业模式下，转炉主要技术指标见表6。

表6 不同转炉作业模式转炉主要技术指标

从表6看出，两种转炉作业模式的生产技术指标与理论分析基本相同，4H3B造渣产生大量热量，为了控制炉内温度，加入冷料较多[5]。

5.2 烟气情况

转炉产生的烟气用于制硫酸，烟气主要技术指标见表7。

表7 不同转炉作业模式烟气主要技术指标

4H2B生产时减少了一台转炉吹炼，烟气量大幅减少。因为生产处于稳定状态，所以烟气中SO2浓度没有较大变化。因为主烟道抽力加强，所以散排烟气随之减少，污酸量和环集烟气量也减少。

6 结论

本文对4H3B和4H2B两种转炉作业模式进行了理论和实际生产的对比分析，得出以下结论。

1) 理论分析方面，4H2B作业模式下转炉吹炼生产的各项指标均优于4H3B。

2) 4H2B相对于4H3B作业模式单炉吹炼时间减少40 min，吹炼矿铜产能有一定提高，两种作业模式的产能主要受制于铜锍的供应。

3) 4H2B作业模式电耗下降约61 kW·h，主要是因为减少了一台环保风机运行和转炉转动频次。

4) 4H2B作业模式烟气量减少18.7%，烟气中SO2浓度变化不大。

5) 4H2B作业模式吹炼产生的热量下降5%，对冷料加入有一定的影响。

6) 因实际生产中受铜锍品位、吹炼风量和漏风等情况影响，4H2B作业模式的技术指标与理论分析结果有一定差距。