安全隐患的“杀手锏”氧气底吹熔炼多金属捕集技术解决了有色行业安全生产的关键性问题

安全隐患的“杀手锏”氧气底吹熔炼多金属捕集技术解决了有色行业安全生产的关键性问题

安全生产是各生产性行业的共同追求，冶金行业尤甚。与化学、材料类等行业相比，冶金行业最突出的特点是面对的生产对象是高温金属熔体，如钢熔融体的温度约为1 600℃，铜熔融体的温度为1 200℃左右。就现阶段来看，冶金工艺尚难以实现对高温熔体处理的可视化操作，所以因配料、操作不当等引发安全事故前难以觉察危险信号，容易造成安全生产事故。冶金行业的安全事故，一般具有突发性、严重性等特点，难以预防，后果严重，往往造成人员伤亡、厂房设备烧毁，甚至直接导致工厂停产乃至倒闭。

冶金行业在工艺技术及生产设备的选择上，都对安全性能提出了较高要求。但目前通用的工艺技术及设备，或多或少存在一定安全生产的薄弱区域或漏洞，不时发生安全事故。下面是近年来几起比较引人关注的冶金安全事故：

1997年10月14日晚班时间，某公司冶炼厂发生一起诺兰达炉“喷炉”事故，喷溅出的高温熔体烧毁了大量周边设备，造成了巨大的经济损失；

2005年2月9日，山西省某公司发生一起炉底烧穿事故，10人当场死亡，6人受伤；

2007年9月9日，甘肃某公司矿冶分公司铅冶炼厂，因操作人员经验不足及工艺本身存在的设计缺陷，发生一起“喷炉”事故，造成8死10伤；

2008年12月26日，重庆某公司电炉发生喷炉，造成4名工人当场死亡，14人受伤。

安全事故猛于虎，如何确保安全生产，已成为全行业全力投入研究的重大课题。纵观铜冶炼行业，造成安全事故的主要原因有三：其一，熔渣状态难掌握，容易生成“泡沫渣”，造成喷炉、鼓炉。这往往是冶炼工艺或设备与生俱来的特性所致，预防难度大、突发性强、破坏性大。其二，工艺设备复杂，操作繁琐，易导致误操作，引发安全事故。其三，设备安全防范性能不足，防范机制不灵活，关键时刻无法快速执行安全预防措施，从而导致死炉、熔体倒灌等事故。

对症下药，如何避免上述因素带来的安全隐患？只有靠科学技术创新，从冶金工艺技术及设备的革命性变革中，才能找到彻底解决问题的答案。山东方圆有色金属集团与中国有色工程设计研究总院共同研发的氧气底吹熔炼多金属捕集技术，在充分总结、分析了上述问题后，借助科技创新，从工艺原理和运作机制上，彻底杜绝了安全事故的发生，打造出了可称之为“当代最为安全可靠的”冶炼生产工艺及设备。

一、富氧空气从熔池底部吹入，氧气路径长，不易产生过氧化渣

侧吹、顶吹采用氧气直接吹入渣层相比，方圆底吹工艺采用氧气从熔池底部吹入。氧气吹渣层很容易与氧化物渣层发生过氧化反应，产生高熔点渣，使熔渣黏度增大，增大泡沫渣、喷炉、鼓炉风险。而氧气底吹工艺由于氧气吹入冰铜层，氧气与冰铜里的硫化物反应，再将氧气传递给新入炉矿料。在冰铜层大量氧气消耗。并且氧气从熔池底部到渣层，行为路程变长。

根据：修正的弗劳德准数：

由于底吹熔炼吹的是冰铜层，冰铜的粘度远低于熔渣，所以它的雷诺准数、修正的弗劳德准数都比较高，说明炉内熔体的流体力学状态要比顶吹、侧吹优越的多，见表1。

正因为较高的弗劳德准数，使底吹熔炼有着较高的传质效率。氧气在冰铜层中反应量大，进入渣层后氧气分压变小，可防止渣层过氧化产生大量Fe3O4使熔渣变粘。另外枪口位于熔池底部，以及较高的弗劳德准数，氧气在向熔池顶部运动的过程中，产生的膨胀作用增强，范围变大，使表面张力较大，密度较小的熔渣向远离反应中心的边缘运动，加上剧烈的搅拌、喷溅作用，难以形成连续渣层。

二、特殊的氧枪结构，反应迅速，鼓入气泡很小

当反应气体鼓入熔池后，气泡在向渣面运动的过程中。由于反应的不断进行，压力的不断变化，会不断爆裂成更小的气泡。侧吹、顶吹等熔池熔炼由于采用套管式喷枪，出气口直径较大，压力较小，所以初始气泡很大，并且由于其吹渣层，气体运动路径短，在渣层乃至渣层表面均存在过剩氧气，容易使渣过氧化，产生黏性渣。而方圆底吹采用了直径60mm的氧枪，枪口有格栅将出气口分隔成多个小孔，并且方圆底吹采用高压作业。氧枪示意图如图1。

所以底吹熔炼的特殊氧枪系统产生的初始气泡很小，在上升过程中在进一步爆裂。使气体的总表面积极度变大，反应动力学条件好。气体在冰铜层大量反应，进入渣层或溢出渣层量很少，不易导致渣的过氧化反应。从而进一步避免了过氧化渣的产生，避免了黏性渣造成喷炉，气泡有关数据如表2：

表2 各熔炼工艺气泡比较

三、熔炼渣型及熔渣状态更易控制，不易喷炉、鼓炉

该底吹工艺通过单位时间加料量、入炉矿料熔剂等控制，可轻松调整渣温、渣型。并且技术人员通过长期的生产摸索，也已掌握了控制指标。通过控制1.7~2.0的铁硅比，避免了低铁硅比产生的大量大链硅酸盐分子，使熔渣变粘。

结合CaO、A l2O3的添加调整，将硅酸盐大离子链打破，将炉渣熔度降低，保持渣良好的流动性。

图2 硅酸盐离子链及碱性氧化物对其影响

在生产实践过程中，方圆技术人员还逐渐掌握了降低熔渣熔点的相关技术，通过控制酸性氧化物和碱性氧化物的配比，将硅酸度控制在1.3以上，结合底吹炉熔体运动特点，将熔渣熔点和过热度进一步降低，即逐渐实现低温熔炼，即保持了熔渣的良好流动性，又节约了大量能源。

四、设备构造简单，易操作，减少了设备复杂误操作造成的安全事故

底吹炉（结构如图2所示）放铜口位于炉体侧下方，铜口捅开后冰铜自行流出，并设有配套泥泡机在放铜结束后堵塞铜口。溢流型渣口，日常放渣、堵渣，清焦简单易行。加料口位于炉顶，通过下料皮带将炉料直接投入，投料系统简单。 除了铜口、渣口、出烟口、下料口等部位有铜水套外，全炉体无水冷却系统，故管线少，简单明了。氧气底吹熔炼工艺操作简单易行，关键工艺在于控制氧料比、熔体温度、冰铜品位、炉渣铁硅比等参数，整套系统采用了DCS控制，自动化程度较高，生产控制直观、简便。所以整个熔炼车间设备数量少，操作点少，操作简单，大大减少了由于设备复杂引起的疏忽大意事故以及操作失误。

五、炉体可83°旋转，安全预防应急系统简单有效

把正常生产时的炉位设为0°位，根据生产需要，炉体可旋转83°，而且83°旋转足以使氧枪全部位于熔体液面以上，当检修或出现其他状况需要停产时，可将炉体转出，氧枪脱离反应液面，熔炼反应即可终止，而且避免发生氧枪倒灌事件，堵塞氧枪或烧穿氧枪软管，造成事故。同时炉体转动设有限位机构，在自动或手动操作时，不会因为设备原因或人工误操作造成旋转过度，以免从炉口倒出高温熔体造成事故。另外，此炉型结构也较易实现自动应急系统，即使车间空无一人，在突发停电时，系统数秒后会自动启动，将炉体转出，断气停产。所以与采用固定式圆筒或槽式反应炉相比，氧气底吹炉炉型的安全应急更容易实现，更简单，更易操作。

正因为具备了较高的安全性能，也为技术人员的技术创新提供了更好地平台：由于没有泡沫渣、喷炉这样的安全顾虑，低温冶炼、高铁低硫矿料的使用等行业内多年摸索却不敢实践的技术试验，技术革新都能在方圆底吹炉轻松实施、实现。

方圆氧气底吹熔炼多金属捕集技术及装备在山东方圆有色金属科技公司的大力推广下，已逐渐被行业所接受，其安全生产及各项技术指标方面的优越性也被行业和社会所认可。彻底解决冶金行业的安全生产问题，必将为全国乃至全世界的冶金行业解放更大的技术进步和生产效益空间，有效推动世界冶金行业的健康快速发展。目前，该工艺及装备已在国内外得到初步推广，有十二家企业已采用或正在采用该工艺技术及装备进行技术改造，成为当今有色冶金行业使用最为广泛的工艺及装备之一。

Oxygen Bottom Blow ing Technology to Solve Key Issue of Non-ferrous Industry Safety

□文/陈俊华