近日，金川集團(tuán)股份有限公司（以下簡稱金川集團(tuán)）在國內(nèi)率先建成并投產(chǎn)了第一臺大型鎳金屬側(cè)吹熔鑄爐工藝系統(tǒng)，標(biāo)志著我國鎳金屬冶煉技術(shù)邁上了一個(gè)新臺階。自該系統(tǒng)建成投產(chǎn)以來，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行4個(gè)月，成功實(shí)現(xiàn)了達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)的目標(biāo)。
金川集團(tuán)在冶金領(lǐng)域的創(chuàng)新步伐再次證明了其行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)地位。該集團(tuán)成功建成的系統(tǒng)不僅是打破傳統(tǒng)鎳火法工藝的一個(gè)縮影，更是金川展示其在冶金爐窯研發(fā)方面實(shí)力的又一明證。傳統(tǒng)上，側(cè)吹技術(shù)主要應(yīng)用于銅、鉛、鋅等金屬的冶煉過程中，但金川集團(tuán)憑借其卓越的技術(shù)研發(fā)能力，成功地將這一技術(shù)移植到了鎳生產(chǎn)領(lǐng)域。
金川鎳側(cè)吹熔鑄工藝的引入，標(biāo)志著鎳冶煉技術(shù)的一次重大革新。該工藝通過優(yōu)化冶煉過程，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)減少了能源消耗和環(huán)境污染。隨著技術(shù)的不斷完善和推廣，金川鎳側(cè)吹熔鑄工藝將逐步取代原有的反射熔鑄工藝，成為鎳冶煉行業(yè)的新主流。
前后歷時(shí)5年、斥資近4億元、舉金川集團(tuán)之力，打造出國內(nèi)第一臺大型鎳側(cè)吹熔鑄爐。這究竟是怎樣的工程?來自金川不同專業(yè)領(lǐng)域的人員攻克了哪些技術(shù)難關(guān)?經(jīng)歷了哪些坎坷?
筆者走進(jìn)項(xiàng)目改造現(xiàn)場，傾聽攻關(guān)人員的心聲，試圖以“剝洋蔥”方式揭開金川火法工藝更新?lián)Q代的層層面紗。
26萬噸側(cè)吹熔鑄爐舉行點(diǎn)火儀式。
在金川集團(tuán)鎳產(chǎn)業(yè)鏈條上，有一道非常重要的中間環(huán)節(jié)，上承高锍磨浮、下啟鎳電解系統(tǒng)，被喻為“十字路口”，它就是鎳熔鑄工序。金川集團(tuán)建廠60多年，鎳熔鑄過程一直采用反射爐熔鑄工藝。
“反射爐是當(dāng)時(shí)鎳冶煉系統(tǒng)最大的冶金爐，也是最重要的設(shè)備，它的運(yùn)行狀態(tài)，直接決定了整個(gè)金川鎳系統(tǒng)的產(chǎn)能發(fā)揮?！苯鸫瘓F(tuán)鎳冶煉廠總工程師顧明杰回憶，“1966年，金川集團(tuán)建成了8平方米鎳熔化反射爐，歷經(jīng)多次改造，2012年，建成80平方米反射爐，鎳陽極板產(chǎn)能達(dá)到13.5萬噸，產(chǎn)能大幅提升。”
2000年，金川集團(tuán)實(shí)施“5511”工程，把鎳的“文章”做好，反射爐擴(kuò)能改造被提上日程。2001年，燃燒器由原來3個(gè)增加至4個(gè)。2005年，完成“以煤代油”改造。兩次改造，實(shí)現(xiàn)鎳陽極板年產(chǎn)量從10萬噸到20萬噸的重大突破。
26萬噸側(cè)吹熔鑄爐生產(chǎn)線上，一臺自動插線機(jī)器人正在作業(yè)。
“很長一段時(shí)間以來，我們的心始終為進(jìn)料量、物料水分和物料排放等環(huán)節(jié)而糾結(jié)?！痹谡劶胺瓷錉t運(yùn)行中最讓人頭疼的事時(shí)，顧明杰說道：“‘燒’不好，‘吞吐’不平衡，常?！罓t’，就得實(shí)施人工燒口作業(yè)，有時(shí)燒口一次需要兩天，工人勞動強(qiáng)度相當(dāng)高?！?/span>
顧明杰清楚地記得，為解決生產(chǎn)難題，每有閑暇，大家就圍在反射爐旁查問題、解疑難，切磋技藝?！耙簿褪悄莻€(gè)時(shí)候，在反射爐前產(chǎn)生了一線工作法——‘爐旁攻關(guān)會’。”
大家根據(jù)自己的操作經(jīng)驗(yàn)，你一言、我一語，合計(jì)著進(jìn)料方案和耐火材料的選用，經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐、總結(jié)、再實(shí)踐，最終形成勤加、少加料，控制物料水分在10%以下、做好鎳锍面控制等一系列操作要領(lǐng)。
2004年的反射爐中修，一直讓顧明杰記憶猶新?！败囬g面臨生產(chǎn)和中修雙重壓力，時(shí)間上根本不允許我們花費(fèi)30天。”為提高效率，停爐剛3天就開展拆爐底作業(yè);全體職工進(jìn)入爐內(nèi)輪番苦戰(zhàn);整個(gè)爐底更換僅用一周完成，為當(dāng)年鎳產(chǎn)量任務(wù)完成創(chuàng)造了良好條件。
與顧明杰一同站在熔鑄車間45平方米反射爐前的職工們，現(xiàn)場作業(yè)繁忙，吊車在廠房上空來回穿梭，一絲不茍關(guān)注著每塊鎳陽極板澆鑄情況。歷經(jīng)50多年的爐窯，在經(jīng)過無數(shù)個(gè)日日夜夜的高溫洗禮后，仍然為金川鎳冶煉工藝做著自己最后的貢獻(xiàn)。
目前鎳冶煉廠僅留存了45平方米反射爐作為備用爐窯使用，80平方米和50平方米反射爐已全部改造成為25平方米側(cè)吹熔鑄爐。
綠色、低碳、循環(huán)是企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求，只有堅(jiān)定不移推進(jìn)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，攻克“卡脖子”技術(shù)難題，才能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)。進(jìn)入新時(shí)期，金川傳統(tǒng)鎳產(chǎn)業(yè)鏈要加快轉(zhuǎn)型升級和提質(zhì)增效，處在關(guān)鍵環(huán)節(jié)的熔鑄技術(shù)突破，首當(dāng)其沖?！胺瓷錉t改造迫在眉睫!”顧明杰說。
2019年末，金川集團(tuán)做出開展新型高效、節(jié)能鎳熔鑄技術(shù)開發(fā)研究的決策，定位于高效節(jié)能，秉持金川研究、金川設(shè)計(jì)、金川建設(shè)、金川運(yùn)營的運(yùn)行方針，確定鎳鈷研究設(shè)計(jì)院與鎳冶煉廠共同承擔(dān)鎳熔鑄工程化技術(shù)攻關(guān)任務(wù)。2024年4月25日，側(cè)吹熔鑄爐工藝系統(tǒng)投產(chǎn)4個(gè)月后，實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。曾經(jīng)在金川鎳冶煉史上創(chuàng)造輝煌的“功臣”鎳熔鑄反射爐也將逐步隱退。
技術(shù)人員對26萬噸側(cè)吹熔鑄爐進(jìn)行膨脹測量。
在金川集團(tuán)股份有限公司(以下簡稱金川集團(tuán))鎳冶煉廠45平方米反射爐作業(yè)區(qū)，警報(bào)聲響徹廠房，頭頂?shù)奶燔嚧瓜麻L長的鐵鏈，將一槽鎳陽極板平穩(wěn)吊裝至保溫箱內(nèi)。筆者眼前這臺服役15年的反射爐正緊閉爐膛，“消化”著今天第二次投進(jìn)的50噸鎳精礦。與此同時(shí)，爐前的職工趁機(jī)清理現(xiàn)場。
反觀新建成的25平方米側(cè)吹熔鑄爐，似精力充沛的青壯年，以每小時(shí)42噸的進(jìn)料量穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)熔鑄車間“C位”，火紅的鎳锍源源不斷地從排料口流出，灌進(jìn)自動化澆鑄機(jī)的一塊塊鑄?！，F(xiàn)場自動化噴涂機(jī)、插線機(jī)、起板機(jī)，如同流水線上的工人，配合著爐子的“吞吐”，緊張有序地產(chǎn)出一塊塊陽極板。
“這臺爐子達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)后運(yùn)行很穩(wěn)定，已經(jīng)完全取代了原先50平方米反射爐和80平方米反射爐的產(chǎn)量總和?！辨囈睙拸S熔鑄車間副主任孫武對自動化作業(yè)現(xiàn)場深感自豪。25平方米側(cè)吹熔鑄爐的成功也讓他所在的車間提檔升級，成為國內(nèi)第一臺鎳側(cè)吹熔鑄爐的誕生地。
大膽假設(shè)，小心求證
金川集團(tuán)鎳熔鑄系統(tǒng)是鎳火法冶煉的最后一道工序，上承高锍磨浮工序，下接鎳電解濕法工藝。在過去的50多年里，用反射爐處理二次鎳精礦，生產(chǎn)濕法電解所需的陽極板，一直是熔鑄工藝的主流。進(jìn)入21世紀(jì)，反射爐工藝已經(jīng)跟不上火法冶煉的發(fā)展要求，但因?yàn)檫t遲找不到可替代的爐型工藝，一度陷入不得不用的困境。金川集團(tuán)鎳鈷研究院首席設(shè)計(jì)師王海玉回憶，20世紀(jì)90年代以來，金川集團(tuán)相繼上馬閃速爐和頂吹爐工藝，實(shí)施鎳產(chǎn)業(yè)擴(kuò)能改造，鎳熔鑄系統(tǒng)為配套產(chǎn)能，繼續(xù)“復(fù)制”“粘貼”傳統(tǒng)的反射爐工藝，或在原有爐型基礎(chǔ)上微調(diào)，熔鑄工藝技術(shù)進(jìn)步幾乎停滯。
與走向沒落的反射爐工藝不同，在近幾年的工業(yè)化探索應(yīng)用中，側(cè)吹熔池熔煉工藝技術(shù)逐步從配角躍升為主流，尤其是在鉛、鋅、銻、銅等有色金屬冶煉中表現(xiàn)出投資低、壽命長、能耗低等鮮明優(yōu)勢，行業(yè)企業(yè)紛紛試水。
這引起金川集團(tuán)鎳火法冶煉專家們的注意。
“用側(cè)吹技術(shù)處理二次鎳精礦，究竟行不行?”鎳冶煉廠總工程師顧明杰看好側(cè)吹工藝，但他心里沒底，“鎳冶煉跟銅、鉛、鋅等金屬不一樣，鎳的熔點(diǎn)高，對熔煉要求更苛刻?！?/span>
王海玉明白顧明杰的顧慮，作為此次鎳熔鑄系統(tǒng)改造的主要設(shè)計(jì)師，他的面前是諸多空白，“除金川集團(tuán)，國內(nèi)鎳行業(yè)基本沒有使用熔鑄工藝的。用側(cè)吹工藝處理二次鎳精礦生產(chǎn)陽極板，在國際上也沒有先例?！?/span>
“那就先試試，不行再想其他辦法!”在鎳冶煉廠的支持下，顧明杰帶領(lǐng)由鎳冶煉廠、鎳鈷研究設(shè)計(jì)院組成的考察團(tuán)隊(duì)，前往河南、山東等地調(diào)研，了解側(cè)吹熔池熔煉工藝應(yīng)用情況。
參與此次考察的孫武很快發(fā)現(xiàn)反射爐和側(cè)吹爐最大的不同，“前者間斷進(jìn)料，等爐內(nèi)礦料熔化完才進(jìn)料;后者連續(xù)進(jìn)料，邊進(jìn)料邊熔化。這是制約前者產(chǎn)能的關(guān)鍵因素之一?！?/span>
經(jīng)考察論證，2021年，金川集團(tuán)成立側(cè)吹熔池熔煉處理二次鎳精礦生產(chǎn)工藝技術(shù)研究項(xiàng)目組，并在河南省一個(gè)試驗(yàn)基地進(jìn)行側(cè)吹小試試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了項(xiàng)目組的預(yù)測，用側(cè)吹工藝處理二次鎳精礦生產(chǎn)陽極板是可行的。
2021年8月份，金川集團(tuán)第一條側(cè)吹熔池熔煉處理鎳原料中試線在鎳冶煉廠建成。
然而，這僅僅是側(cè)吹熔池熔煉工藝走向鎳熔鑄工業(yè)化應(yīng)用的第一步。
啃下7平方米側(cè)吹爐這根“硬骨頭”
萬事開頭難。側(cè)吹中試線剛進(jìn)行投料試生產(chǎn)，項(xiàng)目組人員的心又懸了起來。
“參數(shù)沒摸準(zhǔn)，爐子剛開起來沒多久就開始冒渣、跑爐?！被叵朐嚿a(chǎn)階段的突發(fā)狀況，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人李智心有余悸，“如果處理不當(dāng)，銅水套被腐蝕，水進(jìn)了爐子，不僅爐子要報(bào)廢，更會發(fā)生難以想象的安全事故?！?/span>
生產(chǎn)、技術(shù)、科研組緊急開會，分析種種問題，討論結(jié)果最終指向能夠控制燃燒反應(yīng)的噴槍，其可以輸送燃燒所需的燃料、氧氣，并起到攪動熔池的作用。
側(cè)吹中試線試生產(chǎn)，技術(shù)人員正在進(jìn)行噴槍試驗(yàn)。
至此，一場圍繞開發(fā)設(shè)計(jì)熔鑄工藝用側(cè)吹噴槍的科研攻關(guān)在爐前展開。
第一代側(cè)吹噴槍采用銅熔煉工藝用空間式燃燒噴槍結(jié)構(gòu)，結(jié)果根本攪不動熔池。李智意識到，應(yīng)當(dāng)使用符合熔池熔煉工藝特點(diǎn)的浸沒式燃燒噴槍。
但他們很快發(fā)現(xiàn)，市面上沒有符合熔鑄工藝用的側(cè)吹噴槍?！皼]辦法，只能自己上?！崩钪呛晚?xiàng)目組成員對照現(xiàn)有浸沒式燃燒噴槍的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，結(jié)合鎳熔鑄工藝原理，重新設(shè)計(jì)噴槍，根據(jù)圖紙自行加工組裝。
噴槍進(jìn)化至第三代，項(xiàng)目組終于掌握了其原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)，逐步摸索出適合熔鑄工藝的燃?xì)獗取⒘魉?、容量等參?shù)，基本控制了側(cè)吹爐熔煉過程。隨后優(yōu)化調(diào)整的第四代、第五代側(cè)吹噴槍，壽命已延長至半年，并配套制定了相關(guān)操作規(guī)范?！皣@這一支噴槍，我們已產(chǎn)生了5項(xiàng)發(fā)明專利?！?李智感慨道。
最棘手的噴槍問題解決后，中試線運(yùn)行情況得到徹底改善，項(xiàng)目組很快打通側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)處理二次鎳精礦的全套工藝流程，產(chǎn)出了第一批合格鎳陽極板。
新建成的中試側(cè)吹爐被命名為“側(cè)吹熔鑄爐”。這臺僅有7平方米的爐窯，已經(jīng)讓項(xiàng)目組領(lǐng)略到新熔鑄工藝的壓倒性優(yōu)勢。
熱利用率提高約20%，鎳陽極板金屬化率提高約4%，二次鎳精礦處理能力是原來的8倍……王海玉形容前后差別：“如果反射爐生產(chǎn)陽極板的效率是2G，那么側(cè)吹熔鑄爐的效率就是5G!”
國內(nèi)第一臺大型側(cè)吹熔鑄爐在金川集團(tuán)誕生
中試線打通后，鎳冶煉廠熔鑄系統(tǒng)大規(guī)模擴(kuò)能改造工作緊鑼密鼓地展開。金川集團(tuán)和鎳冶煉廠決定，拆掉80平方米反射爐，建一臺年產(chǎn)26萬噸鎳陽極板的25平方米側(cè)吹熔鑄爐。
在鎳鈷研究設(shè)計(jì)院會議室，王海玉向筆者展示了26萬噸側(cè)吹熔鑄爐的三維設(shè)計(jì)圖。隨著電腦鼠標(biāo)的拖動，這臺大型爐窯的精密與龐大逐步展現(xiàn)在筆者眼前。
“為攻克側(cè)吹熔鑄爐工藝，我們把鎳鈷研究設(shè)計(jì)院的軟硬件家底都搬出來了?！蓖鹾Ｓ窠榻B，團(tuán)隊(duì)采用冶金過程模擬軟件，建立側(cè)吹熔鑄系統(tǒng)全流程熱力學(xué)機(jī)理模型，用計(jì)算機(jī)提前模擬不同條件下爐窯熱量的分布與走向情況，并在中試爐窯基礎(chǔ)上，綜合比對現(xiàn)存各類側(cè)吹爐型，完成爐窯的三維模型設(shè)計(jì)，確保核心設(shè)備設(shè)計(jì)的精確性，同時(shí)，聯(lián)合生產(chǎn)一線技術(shù)人員共同調(diào)整優(yōu)化，最終選取最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
2023年10月份，隨著80平方米反射爐被拆除，鎳熔鑄系統(tǒng)綜合技術(shù)改造項(xiàng)目正式開工。
前有高锍磨浮工序產(chǎn)生的二次鎳精礦需要煉化，后有濕法電解工序生產(chǎn)電鎳需要陽極板，夾在兩道工序間的熔鑄工序，必須趕在儲備陽極板用完之前完成改造并順利投產(chǎn)。
側(cè)吹中試線點(diǎn)火儀式現(xiàn)場。
“78天建成點(diǎn)火，半個(gè)月達(dá)產(chǎn)，3個(gè)月達(dá)標(biāo)!”孫武感言，“那真是“腳打后腦勺”地干?！?/span>
2024年4月份，年產(chǎn)26萬噸鎳陽極板的側(cè)吹熔鑄生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，到當(dāng)月底已產(chǎn)出7萬噸鎳陽極板。至此，國內(nèi)第一臺大型側(cè)吹熔鑄爐一舉實(shí)現(xiàn)鎳熔鑄工藝的“脫胎換骨”，成為金川集團(tuán)火法工藝的“網(wǎng)紅”選手。
項(xiàng)目初期一度擔(dān)憂“斷供”的金川集團(tuán)鎳濕法工序工人此刻喜笑顏開。鎳電解一車間工藝技術(shù)組組長巫旭算了一筆賬：新側(cè)吹熔鑄工藝產(chǎn)出的鎳陽極板在濕法電解時(shí)，槽電壓能降低2%~3%，每天可節(jié)省電費(fèi)1萬多元;新陽極板含硫量的降低，也讓陽極液凈化除雜過程中使用的純堿量大幅減少，一天能節(jié)省約1萬元?！皟H這2項(xiàng)綜合起來，一年能節(jié)省750多萬元?！蔽仔裾f。
目前，新側(cè)吹熔鑄爐工藝產(chǎn)出的鎳陽極板可完全滿足鎳電解一車間、二車間生產(chǎn)所需，全年預(yù)計(jì)可節(jié)省成本約1400萬元。巫旭表示，對于降本增效潛力見底的濕法車間，更樂于看到工序上下游共同發(fā)力，通過技術(shù)創(chuàng)新突破現(xiàn)有瓶頸問題，提升鎳產(chǎn)品的綜合競爭力。
編后語
推動全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展，是金川集團(tuán)當(dāng)下的工作重點(diǎn)。金川集團(tuán)黨委書記、董事長阮英多次強(qiáng)調(diào)，各分子公司、生產(chǎn)運(yùn)營單元要牢固樹立“一盤棋”思想，完整、準(zhǔn)確、全面貫徹“上下游工序互保、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展”的理念，凝心聚力提升全產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)營水平，努力形成優(yōu)勢互補(bǔ)、多點(diǎn)支撐的良好產(chǎn)業(yè)格局，推動資源配置實(shí)現(xiàn)效益最大化和效率最優(yōu)化。
此次鎳熔鑄反射爐成功改造為側(cè)吹爐，是金川集團(tuán)旗下兩大板塊成功貫徹該理念的典型案例。作為研發(fā)單位的鎳鈷研究設(shè)計(jì)院牽頭設(shè)計(jì)鎳熔鑄反射爐改側(cè)吹爐項(xiàng)目，作為生產(chǎn)單位的鎳冶煉廠全程提供現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，二者攜手并肩、取長補(bǔ)短、聯(lián)袂運(yùn)行，探索出上承“創(chuàng)新”、下聯(lián)“產(chǎn)業(yè)”的協(xié)同攻關(guān)之路。
鎳熔鑄系統(tǒng)的升級改造，不僅改變了金川集團(tuán)大型火法爐窯設(shè)計(jì)零經(jīng)驗(yàn)且無可借鑒的現(xiàn)狀，同時(shí)，打通了科技-創(chuàng)新-產(chǎn)業(yè)之間的壁壘，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部產(chǎn)學(xué)研良性循環(huán)作出示范。
金川集團(tuán)的鎳熔鑄系統(tǒng)升級改造，不僅是一次技術(shù)的飛躍，更是一次產(chǎn)學(xué)研合作的典范。它展示了企業(yè)如何通過科技創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，推動產(chǎn)學(xué)研的深度融合，為整個(gè)行業(yè)的發(fā)展提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。未來，金川集團(tuán)將繼續(xù)秉承創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展理念，不斷探索產(chǎn)學(xué)研合作的新模式，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
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