近日，金川集團股份有限公司（以下簡稱金川集團）在國內(nèi)率先建成并投產(chǎn)了第一臺大型鎳金屬側吹熔鑄爐工藝系統(tǒng)，標志著我國鎳金屬冶煉技術邁上了一個新臺階。自該系統(tǒng)建成投產(chǎn)以來，已經(jīng)穩(wěn)定運行4個月，成功實現(xiàn)了達產(chǎn)達標的目標。
金川集團在冶金領域的創(chuàng)新步伐再次證明了其行業(yè)領導地位。該集團成功建成的系統(tǒng)不僅是打破傳統(tǒng)鎳火法工藝的一個縮影，更是金川展示其在冶金爐窯研發(fā)方面實力的又一明證。傳統(tǒng)上，側吹技術主要應用于銅、鉛、鋅等金屬的冶煉過程中，但金川集團憑借其卓越的技術研發(fā)能力，成功地將這一技術移植到了鎳生產(chǎn)領域。
金川鎳側吹熔鑄工藝的引入，標志著鎳冶煉技術的一次重大革新。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，同時減少了能源消耗和環(huán)境污染。隨著技術的不斷完善和推廣，金川鎳側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5年、斥資近4億元、舉金川集團之力，打造出國內(nèi)第一臺大型鎳側吹熔鑄爐。這究竟是怎樣的工程?來自金川不同專業(yè)領域的人員攻克了哪些技術難關?經(jīng)歷了哪些坎坷?
筆者走進項目改造現(xiàn)場，傾聽攻關人員的心聲，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。
26萬噸側吹熔鑄爐舉行點火儀式。
在金川集團鎳產(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。
“反射爐是當時鎳冶煉系統(tǒng)最大的冶金爐，也是最重要的設備，它的運行狀態(tài)，直接決定了整個金川鎳系統(tǒng)的產(chǎn)能發(fā)揮?！苯鸫瘓F鎳冶煉廠總工程師顧明杰回憶，“1966年，金川集團建成了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)能達到13.5萬噸，產(chǎn)能大幅提升。”
2000年，金川集團實施“5511”工程，把鎳的“文章”做好，反射爐擴能改造被提上日程。2001年，燃燒器由原來3個增加至4個。2005年，完成“以煤代油”改造。兩次改造，實現(xiàn)鎳陽極板年產(chǎn)量從10萬噸到20萬噸的重大突破。
26萬噸側吹熔鑄爐生產(chǎn)線上，一臺自動插線機器人正在作業(yè)。
“很長一段時間以來，我們的心始終為進料量、物料水分和物料排放等環(huán)節(jié)而糾結?！痹谡劶胺瓷錉t運行中最讓人頭疼的事時，顧明杰說道：“‘燒’不好，‘吞吐’不平衡，常?！罓t’，就得實施人工燒口作業(yè)，有時燒口一次需要兩天，工人勞動強度相當高。”
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。“也就是那個時候，在反射爐前產(chǎn)生了一線工作法——‘爐旁攻關會’?！?/span>
大家根據(jù)自己的操作經(jīng)驗，你一言、我一語，合計著進料方案和耐火材料的選用，經(jīng)過反復實踐、總結、再實踐，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。
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，時間上根本不允許我們花費30天?！睘樘岣咝剩t剛3天就開展拆爐底作業(yè);全體職工進入爐內(nèi)輪番苦戰(zhàn);整個爐底更換僅用一周完成，為當年鎳產(chǎn)量任務完成創(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。
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，只有堅定不移推進關鍵核心技術攻關，攻克“卡脖子”技術難題，才能實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展目標。進入新時期，金川傳統(tǒng)鎳產(chǎn)業(yè)鏈要加快轉型升級和提質(zhì)增效，處在關鍵環(huán)節(jié)的熔鑄技術突破，首當其沖?！胺瓷錉t改造迫在眉睫!”顧明杰說。
2019年末，金川集團做出開展新型高效、節(jié)能鎳熔鑄技術開發(fā)研究的決策，定位于高效節(jié)能，秉持金川研究、金川設計、金川建設、金川運營的運行方針，確定鎳鈷研究設計院與鎳冶煉廠共同承擔鎳熔鑄工程化技術攻關任務。2024年4月25日，側吹熔鑄爐工藝系統(tǒng)投產(chǎn)4個月后，實現(xiàn)達產(chǎn)達標。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。
技術人員對26萬噸側吹熔鑄爐進行膨脹測量。
在金川集團股份有限公司(以下簡稱金川集團)鎳冶煉廠45平方米反射爐作業(yè)區(qū)，警報聲響徹廠房，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”著今天第二次投進的50噸鎳精礦。與此同時，爐前的職工趁機清理現(xiàn)場。
反觀新建成的25平方米側吹熔鑄爐，似精力充沛的青壯年，以每小時42噸的進料量穩(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，灌進自動化澆鑄機的一塊塊鑄?！，F(xiàn)場自動化噴涂機、插線機、起板機，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。
“這臺爐子達產(chǎn)達標后運行很穩(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)第一臺鎳側吹熔鑄爐的誕生地。
大膽假設，小心求證
金川集團鎳熔鑄系統(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。進入21世紀，反射爐工藝已經(jīng)跟不上火法冶煉的發(fā)展要求，但因為遲遲找不到可替代的爐型工藝，一度陷入不得不用的困境。金川集團鎳鈷研究院首席設計師王海玉回憶，20世紀90年代以來，金川集團相繼上馬閃速爐和頂吹爐工藝，實施鎳產(chǎn)業(yè)擴能改造，鎳熔鑄系統(tǒng)為配套產(chǎn)能，繼續(xù)“復制”“粘貼”傳統(tǒng)的反射爐工藝，或在原有爐型基礎上微調(diào)，熔鑄工藝技術進步幾乎停滯。
與走向沒落的反射爐工藝不同，在近幾年的工業(yè)化探索應用中，側吹熔池熔煉工藝技術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。
這引起金川集團鎳火法冶煉專家們的注意。
“用側吹技術處理二次鎳精礦，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)改造的主要設計師，他的面前是諸多空白，“除金川集團，國內(nèi)鎳行業(yè)基本沒有使用熔鑄工藝的。用側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。”
“那就先試試，不行再想其他辦法!”在鎳冶煉廠的支持下，顧明杰帶領由鎳冶煉廠、鎳鈷研究設計院組成的考察團隊，前往河南、山東等地調(diào)研，了解側吹熔池熔煉工藝應用情況。
參與此次考察的孫武很快發(fā)現(xiàn)反射爐和側吹爐最大的不同，“前者間斷進料，等爐內(nèi)礦料熔化完才進料;后者連續(xù)進料，邊進料邊熔化。這是制約前者產(chǎn)能的關鍵因素之一?！?/span>
經(jīng)考察論證，2021年，金川集團成立側吹熔池熔煉處理二次鎳精礦生產(chǎn)工藝技術研究項目組，并在河南省一個試驗基地進行側吹小試試驗。實驗結果初步驗證了項目組的預測，用側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，金川集團第一條側吹熔池熔煉處理鎳原料中試線在鎳冶煉廠建成。
然而，這僅僅是側吹熔池熔煉工藝走向鎳熔鑄工業(yè)化應用的第一步。
啃下7平方米側吹爐這根“硬骨頭”
萬事開頭難。側吹中試線剛進行投料試生產(chǎn)，項目組人員的心又懸了起來。
“參數(shù)沒摸準，爐子剛開起來沒多久就開始冒渣、跑爐。”回想試生產(chǎn)階段的突發(fā)狀況，項目負責人李智心有余悸，“如果處理不當，銅水套被腐蝕，水進了爐子，不僅爐子要報廢，更會發(fā)生難以想象的安全事故。”
生產(chǎn)、技術、科研組緊急開會，分析種種問題，討論結果最終指向能夠控制燃燒反應的噴槍，其可以輸送燃燒所需的燃料、氧氣，并起到攪動熔池的作用。
側吹中試線試生產(chǎn)，技術人員正在進行噴槍試驗。
至此，一場圍繞開發(fā)設計熔鑄工藝用側吹噴槍的科研攻關在爐前展開。
第一代側吹噴槍采用銅熔煉工藝用空間式燃燒噴槍結構，結果根本攪不動熔池。李智意識到，應當使用符合熔池熔煉工藝特點的浸沒式燃燒噴槍。
但他們很快發(fā)現(xiàn)，市面上沒有符合熔鑄工藝用的側吹噴槍。“沒辦法，只能自己上?！崩钪呛晚椖拷M成員對照現(xiàn)有浸沒式燃燒噴槍的工作原理和內(nèi)部結構，結合鎳熔鑄工藝原理，重新設計噴槍，根據(jù)圖紙自行加工組裝。
噴槍進化至第三代，項目組終于掌握了其原理結構和應用特點，逐步摸索出適合熔鑄工藝的燃氣比、流速、容量等參數(shù)，基本控制了側吹爐熔煉過程。隨后優(yōu)化調(diào)整的第四代、第五代側吹噴槍，壽命已延長至半年，并配套制定了相關操作規(guī)范?！皣@這一支噴槍，我們已產(chǎn)生了5項發(fā)明專利?！?李智感慨道。
最棘手的噴槍問題解決后，中試線運行情況得到徹底改善，項目組很快打通側吹熔池熔煉技術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。
新建成的中試側吹爐被命名為“側吹熔鑄爐”。這臺僅有7平方米的爐窯，已經(jīng)讓項目組領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，那么側吹熔鑄爐的效率就是5G!”
國內(nèi)第一臺大型側吹熔鑄爐在金川集團誕生
中試線打通后，鎳冶煉廠熔鑄系統(tǒng)大規(guī)模擴能改造工作緊鑼密鼓地展開。金川集團和鎳冶煉廠決定，拆掉80平方米反射爐，建一臺年產(chǎn)26萬噸鎳陽極板的25平方米側吹熔鑄爐。
在鎳鈷研究設計院會議室，王海玉向筆者展示了26萬噸側吹熔鑄爐的三維設計圖。隨著電腦鼠標的拖動，這臺大型爐窯的精密與龐大逐步展現(xiàn)在筆者眼前。
“為攻克側吹熔鑄爐工藝，我們把鎳鈷研究設計院的軟硬件家底都搬出來了?！蓖鹾Ｓ窠榻B，團隊采用冶金過程模擬軟件，建立側吹熔鑄系統(tǒng)全流程熱力學機理模型，用計算機提前模擬不同條件下爐窯熱量的分布與走向情況，并在中試爐窯基礎上，綜合比對現(xiàn)存各類側吹爐型，完成爐窯的三維模型設計，確保核心設備設計的精確性，同時，聯(lián)合生產(chǎn)一線技術人員共同調(diào)整優(yōu)化，最終選取最優(yōu)設計方案。
2023年10月份，隨著80平方米反射爐被拆除，鎳熔鑄系統(tǒng)綜合技術改造項目正式開工。
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)。
側吹中試線點火儀式現(xiàn)場。
“78天建成點火，半個月達產(chǎn)，3個月達標!”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吹熔鑄生產(chǎn)線實現(xiàn)系統(tǒng)達產(chǎn)達標，到當月底已產(chǎn)出7萬噸鎳陽極板。至此，國內(nèi)第一臺大型側吹熔鑄爐一舉實現(xiàn)鎳熔鑄工藝的“脫胎換骨”，成為金川集團火法工藝的“網(wǎng)紅”選手。
項目初期一度擔憂“斷供”的金川集團鎳濕法工序工人此刻喜笑顏開。鎳電解一車間工藝技術組組長巫旭算了一筆賬：新側吹熔鑄工藝產(chǎn)出的鎳陽極板在濕法電解時，槽電壓能降低2%~3%，每天可節(jié)省電費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項綜合起來，一年能節(jié)省750多萬元?！蔽仔裾f。
目前，新側吹熔鑄爐工藝產(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，全年預計可節(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，是金川集團當下的工作重點。金川集團黨委書記、董事長阮英多次強調(diào)，各分子公司、生產(chǎn)運營單元要牢固樹立“一盤棋”思想，完整、準確、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)鏈運營水平，努力形成優(yōu)勢互補、多點支撐的良好產(chǎn)業(yè)格局，推動資源配置實現(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吹爐，是金川集團旗下兩大板塊成功貫徹該理念的典型案例。作為研發(fā)單位的鎳鈷研究設計院牽頭設計鎳熔鑄反射爐改側吹爐項目，作為生產(chǎn)單位的鎳冶煉廠全程提供現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，二者攜手并肩、取長補短、聯(lián)袂運行，探索出上承“創(chuàng)新”、下聯(lián)“產(chǎn)業(yè)”的協(xié)同攻關之路。
鎳熔鑄系統(tǒng)的升級改造，不僅改變了金川集團大型火法爐窯設計零經(jīng)驗且無可借鑒的現(xiàn)狀，同時，打通了科技-創(chuàng)新-產(chǎn)業(yè)之間的壁壘，為實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部產(chǎn)學研良性循環(huán)作出示范。
金川集團的鎳熔鑄系統(tǒng)升級改造，不僅是一次技術的飛躍，更是一次產(chǎn)學研合作的典范。它展示了企業(yè)如何通過科技創(chuàng)新，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，推動產(chǎn)學研的深度融合，為整個行業(yè)的發(fā)展提供了可借鑒的經(jīng)驗。未來，金川集團將繼續(xù)秉承創(chuàng)新驅(qū)動的發(fā)展理念，不斷探索產(chǎn)學研合作的新模式，為實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展貢獻力量。
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