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金川集团:国内首台镍侧吹熔铸炉实现达产达标

2024-06-03 16:15:59 来源:中国有色金属报
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简介:近日,金川集团股份有限公司(以下简称金川集团)在国内率先建成并投产了第一台大型镍金属侧吹熔铸炉工艺系统,标志着我国镍金属冶炼技术迈上了一个新台阶。自该系统建成投产以来,已经稳定运行4个月,成功实现了达产达标的目标。
近日,金川集团股份有限公司(以下简称金川集团)在国内率先建成并投产了第一台大型镍金属侧吹熔铸炉工艺系统,标志着我国镍金属冶炼技术迈上了一个新台阶。自该系统建成投产以来,已经稳定运行4个月,成功实现了达产达标的目标。

金川集团在冶金领域的创新步伐再次证明了其行业领导地位。该集团成功建成的系统不仅是打破传统镍火法工艺的一个缩影,更是金川展示其在冶金炉窑研发方面实力的又一明证。传统上,侧吹技术主要应用于铜、铅、锌等金属的冶炼过程中,但金川集团凭借其卓越的技术研发能力,成功地将这一技术移植到了镍生产领域。

金川镍侧吹熔铸工艺的引入,标志着镍冶炼技术的一次重大革新。该工艺通过优化冶炼过程,提高了生产效率和产品质量,同时减少了能源消耗和环境污染。随着技术的不断完善和推广,金川镍侧吹熔铸工艺将逐步取代原有的反射熔铸工艺,成为镍冶炼行业的新主流。

前后历时5年、斥资近4亿元、举金川集团之力,打造出国内第一台大型镍侧吹熔铸炉。这究竟是怎样的工程?来自金川不同专业领域的人员攻克了哪些技术难关?经历了哪些坎坷?

笔者走进项目改造现场,倾听攻关人员的心声,试图以“剥洋葱”方式揭开金川火法工艺更新换代的层层面纱。

26万吨侧吹熔铸炉举行点火仪式
26万吨侧吹熔铸炉举行点火仪式。

在金川集团镍产业链条上,有一道非常重要的中间环节,上承高锍磨浮、下启镍电解系统,被喻为“十字路口”,它就是镍熔铸工序。金川集团建厂60多年,镍熔铸过程一直采用反射炉熔铸工艺。

“反射炉是当时镍冶炼系统最大的冶金炉,也是最重要的设备,它的运行状态,直接决定了整个金川镍系统的产能发挥。”金川集团镍冶炼厂总工程师顾明杰回忆,“1966年,金川集团建成了8平方米镍熔化反射炉,历经多次改造,2012年,建成80平方米反射炉,镍阳极板产能达到13.5万吨,产能大幅提升。”

2000年,金川集团实施“5511”工程,把镍的“文章”做好,反射炉扩能改造被提上日程。2001年,燃烧器由原来3个增加至4个。2005年,完成“以煤代油”改造。两次改造,实现镍阳极板年产量从10万吨到20万吨的重大突破。

26万吨侧吹熔铸炉生产线上,一台自动插线机器人正在作业。
26万吨侧吹熔铸炉生产线上,一台自动插线机器人正在作业。

“很长一段时间以来,我们的心始终为进料量、物料水分和物料排放等环节而纠结。”在谈及反射炉运行中最让人头疼的事时,顾明杰说道:“‘烧’不好,‘吞吐’不平衡,常常‘死炉’,就得实施人工烧口作业,有时烧口一次需要两天,工人劳动强度相当高。”

顾明杰清楚地记得,为解决生产难题,每有闲暇,大家就围在反射炉旁查问题、解疑难,切磋技艺。“也就是那个时候,在反射炉前产生了一线工作法——‘炉旁攻关会’。”

大家根据自己的操作经验,你一言、我一语,合计着进料方案和耐火材料的选用,经过反复实践、总结、再实践,最终形成勤加、少加料,控制物料水分在10%以下、做好镍锍面控制等一系列操作要领。

2004年的反射炉中修,一直让顾明杰记忆犹新。“车间面临生产和中修双重压力,时间上根本不允许我们花费30天。”为提高效率,停炉刚3天就开展拆炉底作业;全体职工进入炉内轮番苦战;整个炉底更换仅用一周完成,为当年镍产量任务完成创造了良好条件。

与顾明杰一同站在熔铸车间45平方米反射炉前的职工们,现场作业繁忙,吊车在厂房上空来回穿梭,一丝不苟关注着每块镍阳极板浇铸情况。历经50多年的炉窑,在经过无数个日日夜夜的高温洗礼后,仍然为金川镍冶炼工艺做着自己最后的贡献。

目前镍冶炼厂仅留存了45平方米反射炉作为备用炉窑使用,80平方米和50平方米反射炉已全部改造成为25平方米侧吹熔铸炉。

绿色、低碳、循环是企业高质量发展的必然要求,只有坚定不移推进关键核心技术攻关,攻克“卡脖子”技术难题,才能实现高质量发展目标。进入新时期,金川传统镍产业链要加快转型升级和提质增效,处在关键环节的熔铸技术突破,首当其冲。“反射炉改造迫在眉睫!”顾明杰说。

2019年末,金川集团做出开展新型高效、节能镍熔铸技术开发研究的决策,定位于高效节能,秉持金川研究、金川设计、金川建设、金川运营的运行方针,确定镍钴研究设计院与镍冶炼厂共同承担镍熔铸工程化技术攻关任务。2024年4月25日,侧吹熔铸炉工艺系统投产4个月后,实现达产达标。曾经在金川镍冶炼史上创造辉煌的“功臣”镍熔铸反射炉也将逐步隐退。

技术人员对26万吨侧吹熔铸炉进行膨胀测量。
技术人员对26万吨侧吹熔铸炉进行膨胀测量。

在金川集团股份有限公司(以下简称金川集团)镍冶炼厂45平方米反射炉作业区,警报声响彻厂房,头顶的天车垂下长长的铁链,将一槽镍阳极板平稳吊装至保温箱内。笔者眼前这台服役15年的反射炉正紧闭炉膛,“消化”着今天第二次投进的50吨镍精矿。与此同时,炉前的职工趁机清理现场。

反观新建成的25平方米侧吹熔铸炉,似精力充沛的青壮年,以每小时42吨的进料量稳稳占据熔铸车间“C位”,火红的镍锍源源不断地从排料口流出,灌进自动化浇铸机的一块块铸模。现场自动化喷涂机、插线机、起板机,如同流水线上的工人,配合着炉子的“吞吐”,紧张有序地产出一块块阳极板。

“这台炉子达产达标后运行很稳定,已经完全取代了原先50平方米反射炉和80平方米反射炉的产量总和。”镍冶炼厂熔铸车间副主任孙武对自动化作业现场深感自豪。25平方米侧吹熔铸炉的成功也让他所在的车间提档升级,成为国内第一台镍侧吹熔铸炉的诞生地。

大胆假设,小心求证

金川集团镍熔铸系统是镍火法冶炼的最后一道工序,上承高锍磨浮工序,下接镍电解湿法工艺。在过去的50多年里,用反射炉处理二次镍精矿,生产湿法电解所需的阳极板,一直是熔铸工艺的主流。进入21世纪,反射炉工艺已经跟不上火法冶炼的发展要求,但因为迟迟找不到可替代的炉型工艺,一度陷入不得不用的困境。金川集团镍钴研究院首席设计师王海玉回忆,20世纪90年代以来,金川集团相继上马闪速炉和顶吹炉工艺,实施镍产业扩能改造,镍熔铸系统为配套产能,继续“复制”“粘贴”传统的反射炉工艺,或在原有炉型基础上微调,熔铸工艺技术进步几乎停滞。

与走向没落的反射炉工艺不同,在近几年的工业化探索应用中,侧吹熔池熔炼工艺技术逐步从配角跃升为主流,尤其是在铅、锌、锑、铜等有色金属冶炼中表现出投资低、寿命长、能耗低等鲜明优势,行业企业纷纷试水。

这引起金川集团镍火法冶炼专家们的注意。

“用侧吹技术处理二次镍精矿,究竟行不行?”镍冶炼厂总工程师顾明杰看好侧吹工艺,但他心里没底,“镍冶炼跟铜、铅、锌等金属不一样,镍的熔点高,对熔炼要求更苛刻。”

王海玉明白顾明杰的顾虑,作为此次镍熔铸系统改造的主要设计师,他的面前是诸多空白,“除金川集团,国内镍行业基本没有使用熔铸工艺的。用侧吹工艺处理二次镍精矿生产阳极板,在国际上也没有先例。”

“那就先试试,不行再想其他办法!”在镍冶炼厂的支持下,顾明杰带领由镍冶炼厂、镍钴研究设计院组成的考察团队,前往河南、山东等地调研,了解侧吹熔池熔炼工艺应用情况。

参与此次考察的孙武很快发现反射炉和侧吹炉最大的不同,“前者间断进料,等炉内矿料熔化完才进料;后者连续进料,边进料边熔化。这是制约前者产能的关键因素之一。”

经考察论证,2021年,金川集团成立侧吹熔池熔炼处理二次镍精矿生产工艺技术研究项目组,并在河南省一个试验基地进行侧吹小试试验。实验结果初步验证了项目组的预测,用侧吹工艺处理二次镍精矿生产阳极板是可行的。

2021年8月份,金川集团第一条侧吹熔池熔炼处理镍原料中试线在镍冶炼厂建成。

然而,这仅仅是侧吹熔池熔炼工艺走向镍熔铸工业化应用的第一步。

啃下7平方米侧吹炉这根“硬骨头”

万事开头难。侧吹中试线刚进行投料试生产,项目组人员的心又悬了起来。

“参数没摸准,炉子刚开起来没多久就开始冒渣、跑炉。”回想试生产阶段的突发状况,项目负责人李智心有余悸,“如果处理不当,铜水套被腐蚀,水进了炉子,不仅炉子要报废,更会发生难以想象的安全事故。”

生产、技术、科研组紧急开会,分析种种问题,讨论结果最终指向能够控制燃烧反应的喷枪,其可以输送燃烧所需的燃料、氧气,并起到搅动熔池的作用。

侧吹中试线试生产,技术人员正在进行喷枪试验。
侧吹中试线试生产,技术人员正在进行喷枪试验。

至此,一场围绕开发设计熔铸工艺用侧吹喷枪的科研攻关在炉前展开。

第一代侧吹喷枪采用铜熔炼工艺用空间式燃烧喷枪结构,结果根本搅不动熔池。李智意识到,应当使用符合熔池熔炼工艺特点的浸没式燃烧喷枪。

但他们很快发现,市面上没有符合熔铸工艺用的侧吹喷枪。“没办法,只能自己上。”李智和项目组成员对照现有浸没式燃烧喷枪的工作原理和内部结构,结合镍熔铸工艺原理,重新设计喷枪,根据图纸自行加工组装。

喷枪进化至第三代,项目组终于掌握了其原理结构和应用特点,逐步摸索出适合熔铸工艺的燃气比、流速、容量等参数,基本控制了侧吹炉熔炼过程。随后优化调整的第四代、第五代侧吹喷枪,寿命已延长至半年,并配套制定了相关操作规范。“围绕这一支喷枪,我们已产生了5项发明专利。” 李智感慨道。

最棘手的喷枪问题解决后,中试线运行情况得到彻底改善,项目组很快打通侧吹熔池熔炼技术处理二次镍精矿的全套工艺流程,产出了第一批合格镍阳极板。

新建成的中试侧吹炉被命名为“侧吹熔铸炉”。这台仅有7平方米的炉窑,已经让项目组领略到新熔铸工艺的压倒性优势。

热利用率提高约20%,镍阳极板金属化率提高约4%,二次镍精矿处理能力是原来的8倍……王海玉形容前后差别:“如果反射炉生产阳极板的效率是2G,那么侧吹熔铸炉的效率就是5G!”

国内第一台大型侧吹熔铸炉在金川集团诞生

中试线打通后,镍冶炼厂熔铸系统大规模扩能改造工作紧锣密鼓地展开。金川集团和镍冶炼厂决定,拆掉80平方米反射炉,建一台年产26万吨镍阳极板的25平方米侧吹熔铸炉。

在镍钴研究设计院会议室,王海玉向笔者展示了26万吨侧吹熔铸炉的三维设计图。随着电脑鼠标的拖动,这台大型炉窑的精密与庞大逐步展现在笔者眼前。

“为攻克侧吹熔铸炉工艺,我们把镍钴研究设计院的软硬件家底都搬出来了。”王海玉介绍,团队采用冶金过程模拟软件,建立侧吹熔铸系统全流程热力学机理模型,用计算机提前模拟不同条件下炉窑热量的分布与走向情况,并在中试炉窑基础上,综合比对现存各类侧吹炉型,完成炉窑的三维模型设计,确保核心设备设计的精确性,同时,联合生产一线技术人员共同调整优化,最终选取最优设计方案。

2023年10月份,随着80平方米反射炉被拆除,镍熔铸系统综合技术改造项目正式开工。

前有高锍磨浮工序产生的二次镍精矿需要炼化,后有湿法电解工序生产电镍需要阳极板,夹在两道工序间的熔铸工序,必须赶在储备阳极板用完之前完成改造并顺利投产。

侧吹中试线点火仪式现场。
侧吹中试线点火仪式现场。

“78天建成点火,半个月达产,3个月达标!”孙武感言,“那真是“脚打后脑勺”地干。”

2024年4月份,年产26万吨镍阳极板的侧吹熔铸生产线实现系统达产达标,到当月底已产出7万吨镍阳极板。至此,国内第一台大型侧吹熔铸炉一举实现镍熔铸工艺的“脱胎换骨”,成为金川集团火法工艺的“网红”选手。

项目初期一度担忧“断供”的金川集团镍湿法工序工人此刻喜笑颜开。镍电解一车间工艺技术组组长巫旭算了一笔账:新侧吹熔铸工艺产出的镍阳极板在湿法电解时,槽电压能降低2%~3%,每天可节省电费1万多元;新阳极板含硫量的降低,也让阳极液净化除杂过程中使用的纯碱量大幅减少,一天能节省约1万元。“仅这2项综合起来,一年能节省750多万元。”巫旭说。

目前,新侧吹熔铸炉工艺产出的镍阳极板可完全满足镍电解一车间、二车间生产所需,全年预计可节省成本约1400万元。巫旭表示,对于降本增效潜力见底的湿法车间,更乐于看到工序上下游共同发力,通过技术创新突破现有瓶颈问题,提升镍产品的综合竞争力。

编后语

推动全产业链协同发展,是金川集团当下的工作重点。金川集团党委书记、董事长阮英多次强调,各分子公司、生产运营单元要牢固树立“一盘棋”思想,完整、准确、全面贯彻“上下游工序互保、产业链协同发展”的理念,凝心聚力提升全产业链运营水平,努力形成优势互补、多点支撑的良好产业格局,推动资源配置实现效益最大化和效率最优化。

此次镍熔铸反射炉成功改造为侧吹炉,是金川集团旗下两大板块成功贯彻该理念的典型案例。作为研发单位的镍钴研究设计院牵头设计镍熔铸反射炉改侧吹炉项目,作为生产单位的镍冶炼厂全程提供现场试验数据,二者携手并肩、取长补短、联袂运行,探索出上承“创新”、下联“产业”的协同攻关之路。

镍熔铸系统的升级改造,不仅改变了金川集团大型火法炉窑设计零经验且无可借鉴的现状,同时,打通了科技-创新-产业之间的壁垒,为实现企业内部产学研良性循环作出示范。

金川集团的镍熔铸系统升级改造,不仅是一次技术的飞跃,更是一次产学研合作的典范。它展示了企业如何通过科技创新,实现产业升级,推动产学研的深度融合,为整个行业的发展提供了可借鉴的经验。未来,金川集团将继续秉承创新驱动的发展理念,不断探索产学研合作的新模式,为实现高质量发展贡献力量。
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