摘要：国内多数铜火法冶炼企业采用回转式阳极炉进行精炼生产，以天然气作为主要外供热源与还原剂，有效降低天然气单耗已成为冶炼企业精炼工序成本控制的关键。基于金隆公司阳极炉生产数据，对天然气消耗偏高的核心成因展开系统剖析，从工艺优化、操作管控及设备配置等方面提出多项创新性技术与管理措施。通过实施粗铜来料质量控制、还原操作精细化、烘烤天然气定量化管理及备用炉运行策略优化等关键措施，天然气单耗实现显著下降，由28.37Nm3/t降至26.21Nm3/t，为同类企业节能降耗提供了可借鉴的实践经验。

　　关键词：回转式阳极炉；火法精炼；天然气单耗；节能降耗

　　1研究背景

　　回转式阳极炉主要用于以液态粗铜为原料的火法精炼，作业周期一般分为加料、氧化、还原、浇铸四个阶段，生产出的阳极板供电解车间使用。

　　铜火法精炼包括氧化期和还原期两个核心工序。氧化期利用杂质元素对氧的亲和力显著高于铜的热力学特性，且杂质氧化物不溶于液态金铜熔体、易形成炉渣的物化性质，通过向铜熔体鼓入空气提供氧源，同时辅以熔体搅拌强化传质过程，使杂质与氧结合生成不溶性氧化物，从而实现杂质的有效脱除；还原期则向铜熔体通入氮气与天然气混合气体，其中氮气作为搅拌介质增强铜液湍动程度以提升传质效率，天然气裂解产生的氢气（H2）与一氧化碳（CO）作为还原剂，通过化学反应将铜熔体中的氧化亚铜（Cu2O）还原为金属铜，最终完成铜的精炼提纯[1]。

　　天然气为多组分的混合气体，主要成分是甲烷（属于烷烃类），并含少量乙烷、丙烷和丁烷等其他烷烃，此外，还常含有硫化氢、二氧化碳、氮气、水汽，以及氦、氩等微量惰性气体。当天然气喷入高温铜液（约1200±20℃)中时，CH4分解并释放出氢气，其还原反应如式（1）~式（3）：

　　Cu2O+H2=2Cu+H2O（1）

　　Cu2O+C=2Cu+CO（2）

　　Cu2O+CO=2Cu+CO2（3）

　　天然气作为铜精炼过程中的还原剂，展现出经济、清洁环保、操作方便等显著优势[2]。在阳极炉火法精炼中，天然气作还原剂，在高温工况下，天然气经裂解产生氢气和一氧化碳，二者通过还原反应将熔融铜液中的氧化亚铜还原为金属铜，实现深度脱氧，成为该工序最主要的能源消耗项[3]。

　　2阳极炉生产现状

　　文章以金隆公司回转式阳极炉为例，该阳极炉天然气单耗标准为≤27.8Nm3/t，然而2024年实际平均单耗为28.37Nm3/t，未达到目标要求（6月份因大修致数据异常偏高），具体月度消耗如表1所示。

　　通过对原料属性、工艺路线与该公司相近的同行企业开展调研及对标分析，结果表明，本公司在天然气单耗管控方面与行业头部企业存在显著差距，如表2所示。

　　阳极炉天然气单耗是指粗铜在阳极炉工序中历经氧化、还原反应，并浇铸成型为阳极板的过程中，单位质量阳极板所消耗的天然气量。阳极炉天然气单耗的计算方法，如式（4）：

　　由式（4）可知，阳极炉天然气单耗的直接影响因素为阳极板的天然气总消耗量与合格阳极板产量。在现有工艺条件、技术水平及生产规模下，阳极板产量难以显著提升，因此阳极炉的天然气消耗过高成为该公司当前生产面临的主要问题[4]。

　　3阳极炉天然气单耗问题分析

　　天然气消耗过高是阳极炉天然气单耗高的根本原因，浇铸单炉的铜水所生产的阳极板在各工序中天然气的消耗主要包括稀氧燃烧天然气（稀氧天然气），还原操作消耗天然气（还原天然气），流槽、中间包、浇铸包烘烤消耗天然气（烘烤天然气）。

　　3.1还原天然气单耗

　　3.1.1炉内精炼渣较多

　　阳极炉主要处理转炉生产的粗铜，但由于转炉通常吹炼高品位冰铜，且转炉放铜时挡渣剂颗粒较大，致使部分渣随粗铜进入阳极炉。若粗铜入炉温度偏低，会导致较低温度的浮渣流动性不佳，难以通过炉内排渣彻底清除，进而在铜熔体表面形成残留的固态或黏稠状渣层，对还原过程产生显著的负面影响。

　　渣壳会严重阻碍溢出熔体的天然气与铜液接触，使其无法在表面发生有效的还原反应，天然气的利用率大幅下降。优化转炉挡渣操作、确保粗铜入炉温度，以及必要时在阳极炉内进行有效的扒渣操作，是保证还原反应效率、降低天然气单耗的重要前置条件。

　　3.1.2氧化还原枪的深度

　　氧化还原枪作为天然气进入熔体的核心通道，其喷吹效果直接决定了还原效率。还原天然气（主要依靠其裂解出的氢气）的利用率与天然气-熔体的接触面积和接触时间呈正相关。

　　如图1所示，a为出铜口：反应完成后由此口向浇铸机浇铸精炼后的铜液；b为氧化还原枪：鼓入氧气氮气及天然气作为精炼介质；c为加料炉口：用于添加待精炼粗铜液或物料；d为烟气出口：排出氧化还原过程产生的气体（如SO2、CO2等）。

　　在回转式阳极炉精炼正常的氧化还原操作中，图1中铜水液面（红线）需始终完全浸没氧化还原枪的风口。这确保了鼓入的气体（氧化气或还原剂）有效分散到熔体内部。若氧化还原枪过于接近液面，会导致部分气体未参与反应即逸出，降低效率并可能引发喷溅或安全风险。反之，若氧化还原枪过于远离液面，一方面，鼓入气体压力骤然上升，气体穿透熔体时形成剧烈翻腾与湍流，伴随炉膛上部空间压缩，烟气携带的高温铜渣和易挥发金属（如锌、铅）氧化物更易在烟气出口（d）通道冷却凝结，积累形成致密炉结，干扰炉内负压，严重时堵塞通道需停炉清理；另一方面，熔体对枪体及风口区域耐火材料的侵蚀速率随氧化还原枪插入深度降低而呈指数级增加，这将威胁炉体安全。因此，将枪的插入深度精准控制在合理范围内至关重要，并能带来双重收益。

　　3.2烘烤天然气单耗

　　3.2.1烘烤天然气开停缺乏标准

　　圆盘浇铸过程中，铜水依次经过活动溜槽、直溜槽、中间包、浇铸包，并最终在铜模上形成阳极板。对各部进行烘烤，尽量减少铜水流动过程中的热量损失，保持铜水的流动性，从而保证圆盘生产的正常进行。调查显示，岗位操作人员对烘烤天然气的使用缺乏标准化措施，基本依靠经验调节天然气流量，用量不一致。

　　3.2.2铜水流动性受多重因素影响

　　溜槽烘烤的目的是保障阳极板浇铸过程中铜水的流动性，而铜熔体的流动性主要受熔体温度与化学成分双重因素调控。如若转炉处理杂质较多，致粗铜中的砷（As）、铅（Pb）等杂质元素含量超标。或因现阶段阳极炉铜终点判断仍依赖操作人员的经验判断，氧含量和铁（Fe）含量存在波动。上述两种情况的成分波动均会对流动性产生影响。当操作人员观察铜熔体流动性不足时，通常通过延长溜槽烘烤时间的方式试图改善，但该现象的成因是否源于熔体温度偏低，缺乏明确的判定依据。

　　3.3稀氧天然气单耗

　　3.3.1转炉来铜成分和温度不达标

　　粗铜火法精炼的核心任务是脱除粗铜中的有害杂质。基本原理为铜熔体中多数杂质对氧的亲和力大于铜，且杂质氧化物在铜熔体中的溶解度极低，可通过造渣、排渣去除。阳极炉氧化除杂时长与粗铜中硫、铅等杂质含量密切相关。若来料粗铜硫、铅等杂质含量超标，将延长氧化时间，增加氧化期天然气总消耗；另一方面，若粗铜入炉温度偏低，因阳极炉提温速度相对转炉较慢（约每小时升温10℃),依赖自身提温，氧化时间也将延长。

　　3.3.2备用炉天然气消耗

　　精炼车间配有三台阳极炉，其中两台常用，一台备用。相比同行业，该公司多配备一台备用阳极炉，且未使用期间仍需消耗稀氧天然气进行烘炉。备用阳极炉的设计初衷为当双圆盘出现故障时，可灵活启用单圆盘，调整生产周期，确保不影响上游工序。但实际使用1#阳极炉的情况较少。若2#、3#阳极炉工况有所保障且圆盘浇铸机运行正常，可直接关闭1#阳极炉稀氧天然气，仅在炉修期间投用，以降低阳极炉稀氧燃烧天然气总用量。

　　4对策实施与影响分析

　　4.1保证粗铜来料成分、温度达标

　　通过生产报表记录与生产群反馈，要求班组人员加强与转炉工序的生产协调，转炉工序对来铜不达标的转炉炉长进行考核。同时，组织转炉炉长相互交流操作经验，优化操作模式，加强记录与反馈，强化对转炉杂料种类及加入频次的管理，确保转炉粗铜来料成分和温度达标[5]。

　　4.2进入还原作业前放净炉渣

　　要求班组加强与转炉的联络，严禁转炉工序带稀渣进入阳极炉，阳极炉炉内渣尽量放干净，在生产群内将炉内渣及时拍照记录，操作人员严格控制，记录并考核。

　　4.3精细化还原操作

　　还原天然气单耗受多种操作因素影响，已有研究表明，优化还原枪插入深度与气体配比可显著提升天然气利用率。严格按要求保证阳极炉东西氧化还原风口炉内深度，勤于确认与清理还原枪，确保天然气与炉内熔体充分接触。炉长在还原期增加铜样取样频次，提高铜样辨别能力，避免不必要的还原天然气消耗，使用量需详细记录，并通过技术比武与经验分享的方式交流与留存经验。

　　4.4烘烤天然气定量控制

　　通过多次试验论证，在不影响圆盘正常浇铸的前提下，铜水浇铸稳定后关闭中间包和溜槽烘烤，仅在圆盘浇铸初期、末期或浇铸机故障时重新开启，以减少天然气使用。班组应营造节能降耗氛围，形成成员自觉节约意识。

　　对烘烤天然气的主管道加装天然气流量计，以监控各班组对流槽及包子烘烤天然气的流量控制差异。各班组烘烤天然气使用量纳入考核，同时在流槽底部加装温度监测系统，根据实际温度按需开停烘烤，以控制天然气使用量。采取定量控制后，对比2024年下半年烘烤天然气单耗情况，如图2、图3所示。

       根据折线图反映的结果，标准化管理前，平均单耗为13.99Nm3/t，标准化管理后，平均单耗为12.33Nm3/t，烘烤天然气单耗明显下降。

　　4.5停用1#阳极炉

　　在完成一系列预防性保全措施后，于2025年6月13日关闭1#阳极炉稀氧燃烧天然气。

　　关闭1#阳极炉后，10天内日生产稀氧天然气用量统计显示，与去年下半年月度用量相比，稀氧天然气单耗平均值由9.77Nm3/t降至7.23Nm3/t，且圆盘及两台阳极炉系统运行良好。

　　5结语

　　综上所述，影响阳极炉天然气单耗高低的因素较多，结合某企业阳极炉实际生产情况，分析其主要为粗铜来料成分温度不达标、烘烤天然气流量控制缺乏管控、阳极炉放渣不干净，以及1#备用炉天然气消耗。通过结合具体对策、精细管理、优化现有操作模式、结合各领域新技术的开发，2025年该公司阳极炉生产工序阳极铜加工成本显著降低，天然气单耗由28.37Nm3/t降低至26.21Nm3/t，有效实现了节能降耗目标，对同类冶炼企业具有参考价值。

　参考文献

　　［1］彭容秋.铜冶金［M］.长沙：中南大学出版社，2004.

　　［2］朱祖泽.现代铜冶金学［M］.北京：科学出版社，2003.

　　［3］昌子达，李立，程刚.次高压天然气在铜精炼炉还原的应用［J］.中国金属通报，2015（12）：13-14.

　　［4］黄永峰.无氧化阳极铜生产工艺研究与应用［J］.有色金属（冶炼部分），2007（2）：51-54.

　　［5］余小华，王万军，王显超.带硫还原在阳极炉生产中的应用［J］.世界有色金属，2016（2）：40-41.