0 前言

云铜是一座集熔炼, 火法精炼, 电解精炼, 冶炼烟气处理, 有价金属回收, 铜加工于一身的综合性上市企业.主要产品有:高纯阴极铜、工业硫酸、金锭、银锭、电工用铜线坯, 其中高纯阴极铜生产能力居中国铜冶金工厂前三位.2006年它的高纯阴极铜产量占当年中国总产量的12.01%, 在中国铜冶金工业中有着极其重要的作用和地位.

上个世纪最后十年是中国铜冶金工业迅速发展的十年, 提高产能、降低能耗和改善工作环境成为推动中国铜冶金工业迅速发展的关键动力, 经过十余年的发展, 中国主要的铜冶金工厂已经完成了现代化改造, 以闪速熔炼和熔池熔炼为代表的高强度熔炼技术取代了以反射炉、鼓风炉、电炉熔炼为代表的传统熔炼技术的改造^[1], 它的装备水平, 冶炼回收率、二氧化硫利用率、能耗、环保等指标达到了国际先进水平^[2].在这一历史变革中澳大利亚超达公司所输出的艾萨铜熔炼工艺技术发挥了重大的支持作用^[3].

至2002年5月, 云铜完成了用艾萨铜熔炼工艺技术取代电炉熔炼工艺技术的改造, 项目取得了很好的效果, 达到了预期的目的^[4-7].

1 技术改造工艺技术方案的选择

在采用艾萨铜熔炼工艺技术前, 云铜已有四十余年的历史, 经过几十年的发展, 技术成熟、经营情况良好, 成为中国铜冶金企业中重要企业之一.若要采用新的炼铜工艺则需要对已有的冶炼烟气处理系统、供风系统、供水系统、供氧系统、供电系统、原料制备系统和熔炼电炉系统等七大系统进行局部改造, 对主体工艺进行大规模的改造, 必然要面对一系列的挑战和风险.

(1) 采用新的熔炼工艺技术的风险性与人们安于现状的惰性的尖锐冲突.

(2) 改造不能影响原有生产流程生产的特殊性, 与采用新工艺必需与原有工艺相嫁接可能影响原流程正常运行的现实性的矛盾.

(3) 采用新的工艺技术达产达标的长期性与投资者追求投资效益的短期性的矛盾.

(4) 已有场地的狭窄性与必需的施工工作面相冲突的矛盾.

(5) 资金的有限性矛盾.

通过调研、分析、对比和论证, 云铜制定了选择新工艺必须满足的条件是:能够最大限度利用已有设施和设备, 不新征土地, 对原有流程改动最小, 以减少对生产的影响和最大限度地节省投资; 对原料和燃料有较强的适应性, 满足云铜原料来源复杂, 无自有矿山的特点; 新工艺必须成熟可靠, 能在短期内发挥效益, 能从根本上解决电炉熔炼工艺本身的固有缺点.

在冶金领域内的工艺技术开发是一项耗时、耗资金和十分困难的的工作, 一项新的成熟的工艺技术开发, 尤其是革命性的工艺技术开发, 必需经历:提出技术思想……小型实验……中试规模实验……工厂规模实验……继续完善等渐进步骤和过程, 它是一个不断用实验来验证和调整技术思想、确定工艺参数, 并将前一个阶段工作的经验和发明, 作为下一个阶段工作的起点, 周而复始, 循序渐进的过程, 最后才能使新的工艺技术成为一项成熟技术, 它是冶金领域内技术发明的基本规律, 任何忽视和省略上述步骤所形成的技术, 都很难成为成熟技术.

根据上述条件和思路, 云铜通过对世界上所有的现代铜冶炼技术工艺进行了详细的对比、考察, 最后艾萨铜熔炼工艺技术因:产量高、尺寸紧凑、投资成本低、生产成本低、快速达到设计能力、环境友好、物料准备要求最低、熔炼率高、燃料灵活、简单的停机与启动步骤、无风眼等优点, 尤其是艾萨铜熔炼工艺技术的发明进程完全符合冶金学技术发明规律和有大规模生产实践的突出特点被选中^[8-10].

2 方案实施后的效果 2.1 项目固定资产投资情况

项目固定资产投资是指为完成同样的产量目标和技术目标而进行的工程设计、土地征用, 设备购置, 建筑材料耗用、工程施工而发生的费用, 它是所采用新技术先进性在投资方面的具体表现, 是投资效益的基础.

由于采取了艾萨铜冶炼工艺技术, 在与它相配套的七大系统中很大一部分利用了现有设施, 如:熔炼厂房及熔炼电炉; 电收尘器及辅助设施; 1#、2#铜精矿仑及配料装置和硫酸厂等设施.

同时, 由于艾萨炉独特的炉型, 为设计师在狭窄区域内布置艾萨炉和减少艾萨熔炼厂房提供了很大的发挥能力的空间.云铜艾萨熔炼厂房具有很多独特的特点, 它采用全钢结构, 呈L型布置, 长端42.35m, 短端22.35m, 最高部位66.6m, 占地面积534.4m², 用钢量1400t, 加上余热锅炉、供风设施和运输通道, 共占地面积1379.7m².艾萨炉尺寸紧凑的特点在YCC显示得非常突出.

2.2 效益情况

通过对铜精矿处理量、能耗和二氧化硫排放等指标的对比, 由表 1可以看出云铜采用艾萨铜熔炼工艺技术后所取得的成效.与电炉流程相比, 铜精矿年处理量增加了70%, .粗铜能耗下降了46%, 硫酸能耗下降了36%, 全厂总硫利用率增加了9%, SO₂排放量削减了42%.在艾萨炉运行的52个月里, 云铜仅从矿铜和硫酸能耗下降中获利40000万元.

3 创新

云铜采用艾萨铜熔炼工艺技术后, 不论在技术上, 还是在经济效益等方面, 都取得了一定的成效, 获得了各方面的好评, 至今, 国内有色金属冶金行业内仍有人在分析其成功的原因所在, 超达公司的菲利浦·阿瑟和高明炜先生也做过类似的探讨^[3], 笔者认为, 云铜项目的成功还应包括以下几个方面:

3.1 项目管理创新

诸如云铜艾萨铜熔炼项目的实现过程一般由工艺技术方案选择、专用设备设计与制造、安装与监理、人员培训与使用维护五个环节所构成.铜冶金工厂项目改造的目的是通过采用新的工艺技术, 获得新一代生产力, 项目的实现首先必须以投入一定的资金为前提, 经过决策、实施等一系列程序, 在一定条件下, 形成固定资产的一次性过程.每一个项目的实现, 就是一个—次性产品的出台.这种一次性具体表现在投入资金的—次性, 确定选址的一次性, 设计的单一性和项目实现的一次性.项目的实现还受到一定条件的约束, 而约束条件一是时间上的约束, 二是资源包括资金、技术水平、生产能力、效益目标的约束.因此, 对于一个项目而言, 只有两个结果:成功与失败; 项目成功的标准是:工艺技术参数选择合理科学; 生产流程通畅; 短期内达到设计确定的各种目标; 工程施工和设备制造质量优越; 投资控制在预算范围之内; 迅速形成新一代生产力.

不管项目依赖于新技术的程度如何, 一个成功的项目需要明智的公司来管理, 需要经验丰富的项目管理, 需要工艺技术开发、设备设计与制造、工程建设方面的专业人员充分合作与支持, 由此, 它要求协作性很强, 要求各方进行广泛、细致、严密的配合, 要求整个过程各阶段各步骤各环节一环紧扣一环, 循序前进, 作到步步衔接、环环相扣、有条不紊、秩序井然, 在整个过程中, 前一段的工作是后一段工作的依据、基础和先决条件, 前一段工作未完成, 后一段工作就无法进行; 后一段工作是前一段工作的必要继续和完成, 不进行后一段工作, 则前一段工作就会劳而无功, 失去意义.在整个过程中, 管理者必须按客观规律办事, 如果违背客观规律, 图快一时, 应解决的问题不解决, 出现问题后再回头再补救, 就要拖延时间, 浪费人力, 延缓形成新的生产力的进程, 在经济上造成损失, 项目就会失败.

根据项目建设的特点和规律, 云铜把项目实现过程的五个环节划分成了十个方面的内容来加以管理, 即:项目立项决策阶段的管理; 项目的资金筹措和管理; 项目监理业务的管理; 项目的设计管理; 项目的招标与合同管理; 项目的施工管理; 项目的竣工验收与试运行阶段的管理; 项目的文档管理; 项目的财务、税收管理; 项目的其他管理(如组织、信息、统计等).

笔者在此引入一个概念:“重要度”, 用定量的方法说明五个环节对项目实现结果的影响, 如表 2所示.

在上表中, 各环节有其具体的百分比, 但更重要的各环节之间的关系.笔者提出这个观点是想说明要使一个项目成功, 必须很好地管理好这五个环节, 五个环节的重要度虽有不同但十分重要, 如果管理得不好是致命的, 会使项目延缓形成新一代生产力的进程, 造成巨大的经济损失, 甚至使整个项目失败, 笔者认为必须强调的是:其中最基础和最根本的是工艺技术方案选择, 其它四个环节虽然也很重要, 但终究是第二位的.这四个环节都做好了, 可以保证所选择的工艺技术方案的优点迅速显现, 但绝不可能超越工艺技术本身所决定的水平.因此, 在项目的实现过程中业主是永远处于领导地位的, 业主必须清楚:新技术是什么、你想用新技术来做什么, 应透彻地理解和掌握成熟的新技术产生的规律, 审视与新技术形成过程有关的每一步骤, 从中来判断你要选择的新技术是否成熟, 并且为新技术的采用创造好一切人力、物力条件, 同时应该花很大的精力和时间详细地研究各个环节内在的规律, 对可能出现的风险制定防范预案, 把问题暴露和解决在各个阶段之中, 云铜非常成功地管理好了各个环节.

云铜艾萨铜熔炼项目的成功, 得到了中国铜冶金界的一致公认, “在中国铜冶炼工厂技术改造中, 比较重要的有云铜的艾萨铜熔炼工艺技术.云铜在引进澳大利亚先进的艾萨铜熔炼工艺技术的基础上, 结合自身的技术, 通过创新实现多项技术集成, 各类综合指标达到世界先进水平.艾萨铜熔炼工艺技术是世界上最先进的冶炼技术, 与原电炉熔炼工艺相比, 具有耗电量低、耗煤量低, 总硫利用率高, 熔炼速度快等特点, 云铜因此成为引进该项铜冶炼技术最成功的一个范例^[11] ”.云铜卓有成效的项目管理能力, 使其获得了2004年中国“项目管理创新奖”和“国家优质工程银质奖”奖.

3.2 生产组织优化

云铜火法部分由艾萨炉、转炉、阳极炉组成, 在这一组合中艾萨炉是高强度连续作业的冶金炉, 而转炉和阳极炉是典型的周期性作业的冶金炉, 由于采用了艾萨铜熔炼工艺, 必然会引发流程工序、装置之间关系的衔接、匹配、优化的问题.提高艾萨炉的作业率是衡量艾萨熔炼工艺技术稳定性的—个重要指标, 是进一步发挥艾萨炉优势的核心, 但这一指标不是靠艾萨炉本身就能完成, 而是靠与之相配套的转炉、阳极炉的有机配合和制酸、制氧等工序高度稳定性来共同来完成的, 它的高与低反映了以艾萨铜熔炼工艺技术为主体工艺的铜冶金工厂的管理水平的高与低.在艾萨炉投入后, 云铜致力于提高该项指标的研究和保持, 追求整个冶金工厂的全面优化.

所谓优化是指:在给定的原料、产品规格、设计决定的反应器尺寸及工艺条件等限制条件下, 考虑到经济效益、安全生产、环境保护及劳动舒适等因素对工艺条件进行综合分析, 运用最优化数学方法求出最优的操作条件, 通过监测-控制-管理一体化集成的手段, 实现各冶金炉窑热工与工艺过程进一步强化, 进一步提高产品质量, 减少有用元素损失, 提高冶金炉窑使用寿命, 降低耐火材料及其他筑炉材料的消耗, 降低单位产品能耗, 减少对大气的污染, 即高产率、高质量、高寿命和低能耗、低污染的目标, 很显然这是一类系统集成性、复杂性的命题.

在生产过程中, 有时会出现这样的现象:对于某个冶金炉而言的最优化, 不一定是适应于整个冶金生产流程的最优化条件.因此, 随着技术的进步, 生产的发展, 必然会导致人们对更高层次、更大尺度的研究, 即对铜冶金工厂过程的整体性工程学的研究.笔者认为, 21世纪的铜冶金工厂所面临的挑战, 已经不是单一产品质量、性能的问题, 而是成本、产品性能、过程综合控制、过程排放、环境生态以及资源的选择优化和循环利用多目标群的问题.要综合地解决多目标群, 走可持续发展之路的重大集成性命题, 已经不能仅依靠基础科学(如冶金反应热力学、动力学)和技术科学(如传输原理)来解决, 而需要进一步通过研究铜冶金流程的功能、结构、效率等流程工程学方面的学问, 从整体上来解决.与此同时, 对冶金学、金属材料学而言, 如果只停留在基础科学的领域内, 或局限于技术科学的层次上, 恐怕很难协同地解决铜冶金工厂生产、建设中存在的许多复杂的实际问题, 要解决上述集成性、复杂性命题, 应该研究、探索制造流程层面上的属于工程科学范围的学问.

现代铜冶金工厂流程演变过程表明, 工序、装置的性能和功能的演进对整个流程的演进往往带有基础性的, 即引起了制造流程系统内工序功能集合的优化, 某一功能集合的优化往往会影响到上、下游工序功能的变化, 也必然会引起相邻工序之间关系的变化, 甚至引进更大范围内的工序关系的集合的协调-优化.在工序功能解析-优化和工序之间关系协调-优化基础上, 又进而导致流程内工序的吐故纳新, 导致流程内工序集合的重构-优化, 即某些工序由于不适应工序功能的解析-优化而被淘汰, 而某些工序、装置则因技术突破被应运而生, 形成了流程系统内工序集合重新构造的过程.作为冶金工厂特别是已采用先进工艺技术和装备的冶金工厂, 必须研究宏观层次的工程科学, 即冶金流程工程学.

冶金流程工程学属于宏观层次上工程科学的范畴, 主要研究冶金制造(生产)流程的物理本质、结构和整体行为.旨在弄清楚冶金制造流程中相关物质流动的趋动力; 涉及从资源的获得开始直到产品的产出、使用、消费、回收再循环的过程, 研究制造流程中所涉及的有关功能……结构……效率, 即空间和平面布置, 时间和时序安排与控制和优化等一系列知识^[12].根据这一理论, 流程系统具有整体的结构、功能、行为和效率.流程整体可以用系统的概念表述为^[12]:

(1)

∑:流程整体

A:流程中所有的组元(工序、装置等)的集合;

R:流程中所有相互关系的集合.

从本质上讲:铜冶金是物质状态转变、物质性质控制, 以及物质流在时间、温度和空间上的融合、贯通、协调和控制, 其本质可以用下式慨括^[12]:

(2)

Sm:多因子(多维)过程物质流系统;

P_J   物质流(如精矿和各种中间物料、热冰铜、热粗铜等等).

A_J   生产过程中加入的能源、辅料;

B_J   生产过程中排放物、废弃物等;

Q   物质流的重量、流量、浓度等;

T   过程中物质流的温度;

T   过程经历的时间;

C_J   可能出现的某些间歇因素等;

J   制造流程中的某一单元工序或流程内的工序序号.

通过式(1)和式(2)可以看出:要求整个流程的优化, 必须研究不同功能的工序和装置是通过怎样的机制和怎样的合作才能在整个流程的尺度上产生空间结构和时间结构的, 从而为系统优化找出依据.

云铜从2003年开始首次在铜冶金工厂应用这一理论来管理自己工厂, 在国内属第一^[13], 同时, 根据这一理论对各工序进行了十余项技术改进^[14-19], 取得了很好的成果, 进一步发挥了艾萨铜熔炼工艺技术的优势, 表 3是采用这一理论后各项指标完成情况.

以上说明, 铜冶金工厂可利用冶金流程工程学的理论和方法研究、探索制造流程层面上的属于工程科学范围的问题, 这样可以使企业已采用的新工艺技术发挥更大的作用, 产生更好的效益.

3.3 技术创新

云铜在艾萨铜熔炼技术项目中, 一方面加强了引进技术的消化吸收, 另一方面还创新了多项专有或专利技术, 取得了一系列的技术成果, 例如:

(1) 对顶吹熔炼的核心技术喷枪进行了重大改进, 降低了供风压力, 降低了能耗, 实现了以煤代油, 降低了烟尘率.

(2) 成功研发了贫化电炉浸没式喷吹强化Fe₃O₄还原技术, 提高了铜的回收率, 属国内首创.

(3) 根据原料繁杂的特点, 成功开发了精确配料和均衡进料技术, 为精确控制熔体温度, 降低炉温, 提高炉体寿命创造了有利条件.

(4) 成功研发了高砷烟尘综合利用新技术, 拓展了该技术对原料的适应性.

(5) 建立了炼铜厂生产决策数学模型, 分析了炼铜生产过程中废气排放量和能源成本两大决策目标体系, 准确预测废气排放和生产成本变化, 辅助生产和经营决策, 偏差率小于3%.

(6) 首次用高效湍冲技术吸收制酸尾气, 尾气排放的SO₂浓度为450mg/m³, 酸雾2.82 mg/m³, 远低于排放标准960 mg/m³, 酸雾45 mg/m³.

云铜《艾萨炼铜技术的应用及创新》项目获得中国有色金属工业协会科技进步一等奖和云南省科技进步一等奖.2006年度, 该技术创新获国家科技进步二等奖.

4 结论

云铜项目成功的经验表明:

(1) 艾萨铜熔炼工艺技术是一项成熟的技术, 具有广阔的推广前景.

(2) 不论项目依赖于新技术的程度如何, 一个成功的项目需要明智的公司来管理, 需要经验丰富的项目管理, 需要工艺技术开发、设备设计与制造、工程建设方面的专业人员充分合作与支持, 一个项目应由工艺技术方案选择、专用设备设计与制造、安装与监理、人员培训与使用维护五个环节所构成.但其中工艺技术选择是基础和第一位的.

(3) 铜冶金工厂应该利用冶金流程工程学的理论和方法研究、探索制造流程层面上的属于工程科学范围的科学.这样可以使已采用的新工艺技术发挥更大的作用, 产生更好的效益.