年处理5万吨粗铜火法精炼反射炉设计摘要：反射炉一种室式火焰炉，燃料在燃烧室燃烧，生成的火焰靠炉顶反射到加热室加热坯料的炉子。

炉内传热方式不仅是靠火焰的反射，而且更主要的是借助炉顶、炉壁和炽热气体的辐射传热。

反射炉炼铜适于处理细粒浮选精矿，对原料和不同类型的燃料适应性强，流程简短，生产稳定，渣含铜低至可直接废弃的程度，炉床面积大，适于大规模生产，从而成为当代最重要的炼铜方法。

在世界铜的生产中，反射炉炼铜产出的铜量长期居于首位。

关键词：火法精炼反射炉粗铜一：前言铜精炼反射炉的入炉原料为矿石粗铜、再生杂铜、不同渠道获得的各类铜锭等。

原料中除含硫、氧外，还含有一些其他杂质，如砷、锑、铅、锌、锡、铁、钴、镍等，此外还含有硒、碲、铋、金、银等稀有金属。

通常情况下，将铜料在铜精炼炉中进行火法精炼，产出Cu ≥99.8%的阳极板，再进行电解精炼，产出Cu≥99.95%的电解铜。

最后从阳极泥中将稀贵金属提取出来[1]。

铜火法精炼为间歇（周期）作业，分为加料熔化、氧化、还原、铸型五个阶段，每炉作业周期一般小于24小时，最快12小时。

由于各工厂所处理的原料成分差异很大，所以氧化期的操作方法有不尽相同之处，但基本原理相同。

用一段法处理杂铜熔炼时，一般都在固定反射炉中进行，所以实际上，在反射炉进行的既是熔炼也是精炼。

并且与矿铜的火法精炼原理相同，不过，由于粗铜杂质含量高，所以在操作上有其独特特点，杂铜在反射炉中处理时，整个精炼过程包括熔化、氧化、还原、除渣、浇铸等作业。

二：反射炉结构1.1炉基炉基是整个炉子的基础，承受炉子巨大的负荷，因此要求基础坚实。

炉基可做成混凝土的、炉渣的或石块的，其外围为混凝土或钢筋混凝土侧墙。

炉基底部留有孔道，以便安放加固炉子用的底部拉杆。

炉基上面设有为发生事故跑铜时排出和积存高温铜液的深沟，设计时沟的倾斜方向应注意机电设备和立柱的安置位置，沟的坡度以4%~5%为宜。

炉基是一次性建筑设施，设计时应考虑到扩大炉体的因素，保持炉体基础整体性。

1.2炉底炉底是反射炉的重要组成部分，对炉底的要求是坚实、耐腐蚀并在加热时能自由膨胀。

铜精炼反射炉是周期作业，一般采用架空炉底，以防止金属向炉底及炉基渗漏。

而且，架空炉底通风道对炉底的冷却程度有很大的影响[2]。

反射炉炉底铺垫30mm铸铁板或10～20mm钢板，用砖墩或型钢支撑，架空高度通常小于0.49m，炉基绝大多数都采用耐温850℃以上的耐热混凝土。

炉底砌体与炉墙、炉顶、上升烟道等部位不同，它要承受相当大的机械负荷(高温液体静压、残极的冲击)及高温铜液的物理化学作用[3]。

铜精炼反射炉大修寿命主要由炉底寿命决定，因此炉底结构是否合理直接影响着反射炉大修寿命。

生产实践表明：合理的炉底结构可使大修寿命长达十余年，否则只有几个月。

1.3炉墙反射炉的内墙多采用镁砖、镁铝砖砌筑[4]。

有些重要部位如铜精炼反射炉的粉煤燃烧器附近及转炉渣口等，为了延长使用寿命均采用铬镁砖砌筑。

熔点较低的金属的溶化炉可用黏土砖砌筑。

外墙一般采用粘土砖。

铜熔炼反射炉炉墙砌筑方法：熔池上部的厚度一般为460~690mm。

为了延长炉墙使用寿命，熔池下部逐渐采取错台加厚的方式，最厚处可达900~1290mm,端墙下部厚1000~1400mm[5]。

对于周期性作业的炉子，因炉温波动比较大，为增加炉墙结构的稳定性，往往砌成弧形，避免炉墙向炉膛内倒塌。

1.4炉顶反射炉炉顶结构形式很为砖砌拱形和吊挂炉顶。

吊挂炉顶又可分为：简易型吊顶、压梁式止推吊顶和立杆式止推吊顶。

1.5加料口及转炉渣注入口粗铜精炼反射炉加料口。

粗铜精炼反射炉一般从操作门加料，也有少数在炉顶加料的。

加料口的尺寸按加入铜块的外形大小及加料方式来确定。

采用机械加料时，加料口一般为1500×900毫米，人工加料口一般为1200×600毫米[6]。

1.6 放出口周期作业反射炉，如炉内同时存在熔渣、冰铜和粗金属等多层熔体，多采用扒口式产品放出口。

1.7工作门周期作业反射炉的工作门用于加入块料、插入氧化吹风管、还原油管、进行氧化还原操作以及向炉内加入溶剂等。

连续作业铜熔炼反射炉工作门为施工过程中筑炉材料的运送和工作人员进出之用，在炉子点火前即用与砖墙相同的耐火砖砌满。

工作门一般设在熔池渣线以上的炉子侧墙上。

大型铜熔炼反射炉也有利用转炉渣口进出而不另设工作门的。

1.8 烟道周期作业反射炉通常采用竖式烟道。

当炉子宽度不大、竖烟道垂直部分不高时，可直接压在炉子的拱定上，此处拱顶可采用“加强拱环”，已曾受烟道的荷重。

三：反射炉使用的燃料与内热传递3.1 燃料精炼反射炉可用原煤、粉煤、重油、原油、煤气、天然气作燃料。

重油发热值高，升温速度快，燃烧过程易于控制和调节，是大多数工厂火法精炼炉的理想燃料。

早在1987年，就把“重油掺水加节能素乳化燃烧”技术应用到铜精炼反射炉中, 并取得了明显的效果[7]。

但用重油反射炉热效率较低,一般为13%左右。

反射炉重油单耗升高有如下原因：(1)保温待料时间增加(2)原料结构中杂铜比例增大,冶炼时间延长;(3)重油雾化质量较差;(4)反射炉热效率低,只有13%左右,70%以上的热量被烟气带走排出[8]。

现在有些厂子打算用高温空气作燃料应用在铜精炼反射炉上，到目前为止，炼铜反射炉上还没有应用这一技术的先例, 高温空气燃烧技术主要应用在加热炉、均热炉和燃气炉上，国内燃油炉应用该技术也只有十余台。

由于燃油熔炼炉烟气中含尘较多，易堵塞蓄热室和影响换向阀寿命，我们认为，妥善解决以下几个问题后，高温空气燃烧技术是可以应用到反射炉上的：调整引风机压力控制炉内压力，保证氧化期炉内微负压和还原期炉内微正压；气体在蓄热体中流向为双向，故结尘很少，蓄热球体在熔铝炉上约三个月清理一次，在炼铜炉上估计一个月清理一次，一年更换一次；选用进口换向阀，寿命为100万次以上，按2min换向一次，寿命可达 4 年；可在烧嘴侧部预留一个清渣口，烧嘴砖有足够强度，可保证清结铜液时烧嘴砖不被损坏；油枪水冷保护。

3.2 内热在反射炉内燃料产生的炽热气体温度高达1500o C以上。

炉气以辐射和对流的方式将所含的热量传递给被加热或熔化的物料、炉顶和炉墙。

炉顶和炉墙又以辐射方式传递给被加热的物料，使物料熔化。

四：炉型的确定反射炉不同纵断面形状、特点和应用如表1-1，由于年处理粗铜5万吨，产量比较小，从节能方面考虑，选用周期型反射炉精炼铜。

所选用的反射炉示意图如图1-1。

图1-1 反射炉示意图表1-1 反射炉不同纵断面形状、特点和应用纵断面形状特点应用炉顶平直，炉气对炉顶冲刷作用小。

多用于铜精矿或熔砂的冰铜熔炼。

炉尾炉顶倾斜下压，有利于传热及炉压的分布。

多用于炉气含尘量少及要求炉温分布均匀固体燃料供热，炉顶前端为驼峰。

用于炼锑及处理铅浮渣。

五：铜精炼反射炉的改进5.1 增大炉子各拱顶中心角原设计炉顶中心角为49o，厚300mm，每环楔形砖40块，直形砖25块，由于炉顶跨度较大(达4500ram)，直形砖数量多，炉顶寿命较短，当进入生产后期时，炉顶会出现局部塌陷，使得炉顶寿命比炉墙寿命短，从而影响炉子的整体使用寿命。

现将炉顶中心角改为6O o，每环楔形砖45块，直形砖20块(其中吊挂砖7块)，拱顶矢高提高1O0mm。

增大了炉顶强度，这样即使进入生产后期，与炉墙使用寿命同步[9]。

5.2 增加炉子工作净空由于各拱顶中心角的增大，现将炉子的工作净空提高200mm，炉膛容积的增大，延长了燃料在炉膛的停留时间，提高了热能利用率[10]。

5.3 改进弗胀缝的留设除了炉墙仍按每900mm留设8mm胀缝外，增加了直升烟道和炉顶膨胀数量[11]。

这样可使直升烟道基本上不再颤斜以及杜绝了其顶部跑火现象。

5.4 改进渣线部位的炉墙砌筑由于渣线部位炉墙受到浸蚀较严重，导致此部位镁铝砖损坏严重，影响了炉墙的寿命。

现加厚此部位炉墙。

提高了强度，保证了炉子整体质量。

改进后的炉体结构及砖型结构能较好地抵抗热应力作用和机械损坏，有效地提高反射炉炉衬的使用强度，并降低修炉成本和工作强度[12]。

耐火材料的优化配置能提高炉衬的抗化学侵蚀及抗铜锍的渗透性，并能提高其抗冲刷性能和抗热剥落性能。

在生产实践中炉衬的不断技术改进，大幅度提高了铜精炼反射炉炉寿。

中修炉寿从原平均124炉提高至现在的255炉以上，并简化了筑炉工艺。

按吨铜砖耗计算每年可省材料费用220万元以上[13]。

六：炉子主要附属设备的设计6.1 燃油烧嘴采用HB型高压油烧嘴，根据表2-16[14]，其技术性能如下燃烧能力：3~180L·h-1调节比：1∶（5~8）油粘度：<7o E烧嘴前油压：0.03MPa雾化剂种类：蒸汽雾化剂压力：0.3MPa雾化剂消耗量：0.22kg/kg雾化剂喷出速度：（300~400）m/s助燃空气供给方式：全部另行供给空气系数：一般1.5火焰长度：1.1~3.5m雾化角：25~30o C6.2换热器用于烟气余热回收。

有色冶金炉烟气余热回收多用金属表面式换热器，其种类很多，如列管式（平滑钢管式、套管式、针/翅片管式、组管辐射式）、整体式、环缝辐射式、管状喷流式、箱式喷流式、旋流式等。

七：总结反射炉炼铜法存在的主要问题是硫化铜精矿潜在的热能利用差，熔炼所需热量主要靠外供燃料的燃烧供给，而燃料燃烧的热利用率又只有25％～30％，因此燃料消耗多，产出的烟气量大，而其中的SO2浓度低，回收利用困难，环境污染严重。

在能源价格不断上涨和环境保护法规日益严格的形势下，反射炉炼铜法应用的局限性已变得越发明显。

因此，国际上不少反射炉炼铜厂寻求过改造反射炉的途径。

自20世纪60年代中期以来，苏联、日本、加拿大、智利等国先后进行了反射炉应用富氧熔炼的试验，其中以智利的卡勒托内斯(Caletones)[15]冶炼厂的氧燃熔炼研究最为成功。

由于闪速熔炼和熔池熔炼的技术进步和工艺日趋完善，自70年代以来这些方法已在一些工厂取代了反射炉法，其趋势日渐增强。

然而在一些特定的地区，反射炉炼铜法仍在继续发挥作用，在世界铜的产量中仍占有重要的地位。

参考文献：[1] 刘树景.铜精炼反射炉的生产和实践.资源再生,2010,12:60[2] 范军.铜精炼反射炉炉底结构探讨.有色冶炼,1996,1:43[3] 李嘉桂. 铜精炼反射炉炉底设计.有色金属（冶炼部分）,1997,08[4] 朱洪滨,杨勇.铜精炼反射炉筑炉实践.工业炉,1997,04[5] 周孑民.有色冶金炉.北京:冶金工业出版社,2008[6] 孟柏庭.有色冶金炉.长沙:中南工业大学出版社,1995[7] 梅炽,姜昌伟,梅显芝. 铜精炼反射炉节能技术的探讨.工业炉,2001,4(23):26[8] 朱洪滨,谢建文,黄天增,王庆余.高温空气燃烧技术在铜精炼反射炉上的应用.工业炉,2001,5:21[9] 有色咱金炉设计与计算上、下册.中南矿冶学院,1977[10] 朱洪滨. 铜精炼反射炉的改进.工业炉,1999,3(21):56[11] 强健等.重有色金属冶炼设计手册.北京:冶金工业出版杜,1998[12] 周灼刚.铜精炼炉延长炉龄的对策措施.世界有色金属,2007,8[13] 朱维忠,王勇.延长铜精炼反射炉寿命的技术改造及实践.有色冶炼,2003,10(5):54[14] 《有色冶金炉设计手册》编委会.有色冶金炉设计手册.北京:冶金工业出版社,2000[15] ZimCansky Marcel.Refining of the Copper and Investment Casting.Journal of Materials Processing Technology,1995,53。