Savard-Lee双重套管喷嘴在钢铁冶金和有色冶金行业应用发展综述.pdf

2 0 1 5年 4月第 2期 李秀军 摘译 S a v a r d ． L e e 双重套管喷嘴在钢铁冶金和有色冶金行业应用发展综述 1 S a v a r d L e e双重套管喷嘴在钢铁冶金和 有 色冶金行业 应用发展综述 李秀军 摘译 山东东营方 圆有色金属有 限公 司 ，山东 东营2 5 7 0 0 0 [ 摘要 ] 钢铁 冶金 和有 色冶金的主要相似点 都在 高温条件 下进 行 ， 并且都是 熔融状 态， 所 以冶金 学 者坚信 一些有 色冶金技术 可以从钢铁 冶金技 术改造 而来 ， 反 之 亦然 。萨一 李 S a v a r d L e e 双 重套管 喷嘴 就是这 样一种技 术。本文对采用双重套 管喷嘴 的主要 冶金工 艺进行 了阐述 。这 些工 艺主要 包括 铅 、 铜 熔池熔炼工艺 Q S L法 ， S K S法 ， 铜 、 镍 熔池吹 炼工 艺， 铜 火法精 炼工 艺 吹入 O 2 ／ N 2 ／ H 2 和铅一银灰 吹 工艺 B B O C 。作 者着重强调 了萨一 李双重套管喷嘴如 何从 氧气底吹 钢铁 冶金 O B M 应 用到 有 色冶金 中 。 [ 关 键词 ] 双 重套 管喷嘴 ； 有 色冶金 ；综述 [ 中图分类号 ] T F 8 l [ 文献标 志码 ] B [ 文章 编号 ] 1 6 7 2 6 1 0 3 2 0 1 5 0 2 0 0 0 1 0 5 1 9 9 2年 ， Ma c k e y和 B r i ma c o mb e在一篇文章 中 介 绍 了加拿 大 的 G u y S a v a r d和 R o b e r t G． H．L e e在 1 9 6 6年 如何 利 用 他 们 发 明 的 富氧 双 重套 管 喷 嘴 谱 写冶金历史 ， 这种双重套管 喷嘴后来被命名 为萨一 李 S a v a r d ． L e e 喷枪。这个发明迎来 了氧气底吹工 艺 的应 用 ， 这 对 于 7 0年代 钢铁 冶金 是一 次革命 。萨 一 李喷 枪对 有色 冶 金 有 着 重要 的影 响 ， 因为 所 有 氧 气底吹工艺的熔炼和吹炼都要采 用萨一 李 喷枪 ， 它 是 冶金 炉至 关重 要 、 必 需 的部件 。 1 萨一 李 S a v a r d ． L e e 双 重 套 管 喷 枪 发 明简介 1 9 4 7年到 1 9 6 6年 ， 萨 一 李 双 重套 管 喷枪 的研 究 持续 了近 2 0年 。1 9 4 7年 ， 年 轻 的 R o b e r t G ． H．L e e 加籍华人李甘棠 刚从迈 克吉尔大学毕业就加入 了加拿 大液 空公 司 。经 过 几 年 的研 究 ， 通 过 与 法 国 液空公 司的 E t i e n n e S p i r e先生合作 ， 在加拿大矿业 [ 作者简介 ]李 秀军 1 9 8 3 一 ， 女 ， 黑龙 江哈尔滨人 ， 硕士 ， 从事有 色 冶金技术生产工作 。 [ 收稿 日期 ]2 0 1 4 1 2 1 7 统计局前身 现 C A N ME T 的支持下 ， 发 明了多孔塞 并 且 应用 于钢 包冶 金 。 1 9 5 1和 1 9 5 6年 ， 顶 部 浸 没 式 氧 枪 和底 部 喷 入 式氧枪的试验 分别 在钢 铁厂 和铸造 厂进 行 ， 并 在 1 9 5 4 -- 1 9 5 5年 间取 得 了重 大 突破 ， 即氧 压 在 4 8 2 5 k P a条件 下 ， 在 底 部 喷 枪 的 顶 端 发 现 了一 个 保 护 性 的蘑 菇头状 增 生物 。1 9 5 5年 ， 加 拿大 渥 太 华 国 际研 究 委 员会 开展 了水 一 气 物 理 模 型 ， 第 一 台底 吹 反 应 器诞 生 了 ， 并 于 1 9 5 6年 在 D O S C O冶 炼 厂 运 行 。这 个底吹反应器在生产 过程中底部喷枪 可生成蘑菇 头 ， 如 图 1所 示 。1 9 5 8年 ， 针 对 氧 气 炼 钢 ， 授 予 S a v a r d和 L e e 一个 专 利 o 1 9 5 7到 1 9 6 2年 间 ， 北 美 和 欧 洲 对 这 个 技 术 做 了各 种论证 ， 但 是 没有 得 到 任 何 工 厂 的 应 用 。1 9 6 3 年 ， 加 拿 大液 空公 司组 建 了一 个研 发小 组 ， 主要 致力 于气体喷射的研究 ， 放弃 了那些不愿承担风险的钢 铁厂 和铸 造 厂 。研 发 小 组 的第 一 个 创 新 就 是 K 一 反 应器 以它的设计者 B o b K o t t m e i e r 命名 ， 一个可以 进行 底 吹 、 侧 吹 、 顶 吹 的多功 能反 应器 ， 如 图 2所 示 。 研发小组的 目标是开发一个可商业化、 可广泛 一 术一 ～ ～ 程～ { H～ ～ 一 国一 ， ． 。● ＼． 4 中 国 有色 冶 金 A生产实践篇 国外工程技术 度操作优势 ， 并不增加耐火材料磨损 ， 在喷枪顶端形 成了一个保护性的蘑菇头 增生物 ， 消除了打风 口 的操作 。双重套管的内部管道通人的是 富氧空气 ， 环形通道通入氮气 或其他惰性气体 、 烃类气体 。 1 9 9 2 --1 9 9 3年间， 在比利时联合矿业霍博肯冶 炼厂 进行 了铜 吹炼 的首次试 验 。虽然 试验 取得 了积 极成果， 但 由于 1 9 9 4年生产 流程的改造 ， 导致 A L S I 技术在霍博肯冶炼厂没有 实现工业化生 产。1 9 9 5 年 ， 艾萨顶吹炉的应用取代了焙烧炉 、 烧结厂 、 鼓风 炉 和霍博 肯转 炉 。 1 9 9 7 -- 1 9 9 9年 间 ， 在加 拿 大鹰 桥 公 司 的 冶 炼 厂 进行 了镍吹炼的第一次示范性生产 ， 运行非常成功 ， 并得 出重要结论 ， 其 中一点是 ， 在 3 0 ％ ～ 4 0 ％氧浓 度条件下双重套管喷枪对耐火材料的侵蚀要优于或 等同于 2 1 ％ ～2 3 ％氧浓度条件下的传统 喷枪 。这 次 生产取 得 的结果 促 使 鹰 桥公 司将 A L S I 技 术 应 用 到 P S 转 炉 ， 即造 渣吹炼 反应 器 S MC 。 4 ． 2 镍吹炼 过 程 采用 AL S I技术 进 行 造渣 吹 炼 S MC 的反应 装置 S MC反应 装置规 格 41 7 m， 类 似 于 P s转 炉 。 S M C的作用是通过吹风氧化大部分铁和硫 ， 剩余 的 由 P s转炉完成 ， 而吹风具有高腐蚀性的性质要求喷 射技术能够减小风嘴处耐火材料 的侵蚀 ， 确保反应 装 置 的实用 性 。A L S I 技 术 能 够 在 高 富 氧 条 件 下 操 作 ， 并 确保 风嘴所 必需 的寿命 。 4 ． 3 铜 吹炼 过程 中采 用 AL S I 技 术 的霍 博 肯转炉 泰国铜冶炼厂设计产能为 1 6 ． 5万 t 阴极铜／ 年， 精矿经混合后在特尼恩特炉熔炼， 产出高品位 的铜 锍或 白铜锍 ， 白铜锍在霍博肯转炉中吹炼产 出粗铜 ， 最后在两个 阳极炉 中精炼 ， 再进行 浇铸和 电解。该 厂的三台转炉都配备 了采用 富氧音速喷枪 的A L S I 技术 。 5 带有 双重 套 管 风 嘴 的再 生铜 火 法 精炼 根据欧洲和北美生产企业 的经验 ， 再生铜精炼 厂应用双重喷枪是明智的做法 。同样 的双重喷枪用 于交替喷人氧气和氢气进行氧化和还原反应。在氧 化过程中， 中心管通人的富氧空气 8 0 ％O 达到音 速 ， 氮气也 以音 速通 入到 环形 区域 。在还 原 阶段 ， 含 有氮气的氢气 7 5 ％H 以音速通入到中心管道 ， 而 氮气作为保护气体通入到环形 区域 。气 门结构和流 量控制系统安全的一个关键特点就是用氮气吹扫中 心管道 1 ～2分钟 ， 这样可以消除爆炸风险。吹扫结 束后 ， 将进行新的氧化精炼周期 。 6 B B O C ． 氧气底 吹分银 炉 8 0年代初期 ， 为了寻找能够替代铅银灰 吹工艺 的分银 炉 ， 不列颠 精 炼金 属 有 限公 司 B R M 研 发 了 氧气底吹转炉 B B O C 。1 9 8 6年 ， B R M公司安装 了 第一台商业规模 反应装 置一3 t 底吹转炉。类 似于 2 0年前 S a v a r d和 L e e开展 的研 究 ， B B O C研 发 最 初 的原因就是希望使用纯氧使灰吹工艺快速进行。 7 铜 、 铅 冶炼 的 S K S工艺 8 0年代 ， 中国水 口山矿务局 开展 了高强度熔池 熔炼 的初 步研 究 ， 1 9 9 1年完成 了年产 3 0 0 0 t 粗铜 的 半 工业试 验 。并 在 1 9 9 4年 申请 氧气 底 吹 铜 冶 炼 工 艺的专利 ， 这就是现称为水 口山 S K S 的炼铜工艺。 1 9 9 9年 湖南 省 水 口山矿务 局 第一 次 进行 了 S K S铅冶炼技术半工业试验 ， 2 0 0 1年开展工业设计 和建设 ， 2 0 0 2年成功运行。S K S铅冶炼工艺是第一 次将氧气底吹技术实现了工业化 ， 从那以后 ， 中国有 3 0多家铅冶炼企业采用了 S K S 炼铅工艺。 2 0 0 1年， S K S炼 铜工 艺 第 一 次 被 采 用 ， 并 于 2 0 0 8年在越南生权铜联合企业第一次实现工业化 生产 。该技 术 的第 二 次 较 大 规 模 应 用 是 在 2 0 0 8 年 中国东 营方 圆有 色 金属 有 限公 司 ， 生 产 规 模 从 年 产 3 0 0 0 t 粗 铜扩展 到年产 1 0万 t 粗铜。第一 台 S K S 炼铜炉 安装 在越南 生权 铜联 合 企业 ， 尺寸 是 3 ． 1 m 1 1 m， 生 产 规模 是 年 产 1 0 0 0 0 t 粗 铜 。而 东 营方 圆底 吹 炉 规 格 是 4 ． 4 r n1 6 ． 5 m， 年 产 1 0 万 t 粗铜。东营方圆底吹炉氧枪分两排布局 ， 一排 4 支氧枪 ， 另一排 5支氧枪 ， 见图 6 。 在 1 9 9 4年 中 国专 利 中 ， S K S炉 子 的氧 枪有 两 种 设计 ①氧气和空气 预先混合 ， 由单管喷射 ， ② 同心 管结 构 ， 中心 管道通 人 氧气 ， 环形 区域 通人 空气 作为 图 6 东 营方 圆公 司 S K S 炼 铜 炉 2 0 1 5年 4月第 2期 李秀军 摘译 S a v a r d ． L e e 双重套管喷嘴在钢铁冶金和有色冶金行业应用发展综述 5 保 护 气体 ， 见 图 7 。1 9 9 9年 ， E N F I 的 李 诚 等 人 设 计 了喷 枪 ， 用 于 S K S铜 冶 炼 半 工 业 试 验 炉 ， 这 种 喷枪 a 单管设计 采 用 同心管 ， 中间通 氧气 ， 环形 区域 通压 缩空 气起 到 冷却作用。 一 一 图 7 S K S炉 的原 始 喷枪设 计 图 据 报道 ， 空气 和 氧气 比例 可调 节 ， 富氧 空气浓 度 高达 5 0 ％。氧气和冷却气体压力分别是 0 ． 5～ 0 ． 7 MP a和 0 ． 6 0 ． 8 MP a ， 使用空气作为保护气体 降低 了工业氧气量 的要求 需要供氧量较低的制氧站 ， 同时也能在喷枪顶端生成保护性增生物 蘑菇头 。 2 0 0 7年 ， 张振 民等人发明的专利设计的喷枪也 像齿轮 ， 见 图 8 。据专利中描述 ， 图 8中 1 2 4指示的 外环区域有着冷却作用 ， 起到保护作用 的是氮气和 雾 化 水而 不是 压缩 空气 。方 圆有 色 金属有 限公 司和 E N F I 在 2 0 1 3年铜会 的手稿 和演示文稿 中阐述 了 S K S工艺 的设 计 和运行 特点 。 图 8 S K S炉同心管喷枪结构 2 0 0 9年 ， E N F I 公 司蒋继穆在武汉举 行 的 I C S G 会议 中对氧气底吹铜冶炼技术提 出了新 的认识 ， 同 时也 提 出 了该 技 术 的 不 足 之处 和未 来 发 展 的潜 力 。 近来 ， 尉克俭在 2 0 1 3年他申请的专利 中介绍了底吹 铜吹炼工艺 ， 其中说明采用氮气可以冷却喷枪 ， 并且 可 以提供吹炼熔池搅拌的动力。底吹吹炼工艺将是 有 色 冶金 未来 发展 的另一个 领 域 。 8 结论 由于萨一 李型套管氧枪可以在富氧条件下运行 ， b 同心管设计 它将增强侧吹的诺兰达炉 ， 特尼恩特炉和 P s转炉的 熔炼 强度 ， 因此 可 获 得 节 能 增 效 的效 果 。 在 当今 加 强环保意识、 遵守 法律法规 的时代 下 ， 减少气体排 放 、 控制砷等挥发性杂质 的产生已使工艺向现代化、 集 约 化发 展 。 双 重 套 管 技 术 的革 新 是 实 现 集 约 化 的 必 然 选 择 ， 并且相 比 A L S I 技术的管 中管设计 ， 或 Q S L型多 重管设计 ， 这种喷枪更简单 ， 选择连续的环形空间还 是选择槽环设计取决于冶金工艺 的需求 ， 尤其在特 定熔池化学反应 中， 通过控制气体流速和富氧浓度 来 获得 期望 的工 艺 强 度 。 喷枪 的设 计 ， 特 别 是 喷枪 环 形 间隙和 凹槽 尺寸 的 大小对 于 喷溅情 况 和使用 寿 命很关键 。在开展高强度 喷射设计中， 关于可压缩 流体流动能力 、 熔融金属中气体 喷射 的知识和喷枪 设计 的经验及 运 行是工 程公 司要 主要 考虑 的。 双重套管的设计确保 了冷却作用的合理性 但 不要冷却过度 ， 以免形成保护性的增生物过大 、 孔隙 度过低。每支氧枪 的高氧浓和每个炉子少 的氧枪数 量是采用双重套管技术的最优方案。超达公司镍冶 炼厂 已经 掌握 了实 践操 作经 验 。 对于熔池熔炼 ， 高富氧浓度等同于高熔炼率 ， 加 拿大霍恩冶炼厂的诺兰达炉 的实践证 明了这一点。 早 在 1 9 7 3年 初 始 设 计 中 就 是 采 用 空 气 ， 每 天 处 理 7 2 0 t 原料。在富氧浓度 4 0 ％的情况下 ， 处理量可增 加至每天 2 8 0 0 t 。进一步强化熔炼效率 ， 氧浓度超 过 5 0 ％ ， 必 然 会成 为 现代 冶炼 厂 的发展 常 态 ， 如 S K S工艺 。 参 考文 献 略 申殿邦校 阅 摘编 苏平校对 下 转第 2 9页 2 0 1 5年 4月第 2期 李晓霞 中低品位废杂铜冶炼工艺现状及发展趋势 2 9 模会 逐渐 扩 大 。 2 产 业联 合 ， 优 势互 补 。大 型 的铜 铅 锌 联 合 企业 ， 可 以充分利用已有资源和生产经验优势 ， 综合 回收各种有价元素 ， 使之成为新的效益增长点。 3 搭 配处 理 。随 着 矿 铜 冶 炼 技 术 的 发 展 ， 矿 铜冶炼规模在逐渐扩大 ， 精矿熔炼 的多余热也逐步 引起重视 。多余热可用于熔化低 品位杂铜 如各种 含铜废渣 、 低 品位铜合金 等 ， 从而降低能耗 ， 这将 是低 品位废 杂铜 处理 的一 个重 要方 向。 4 新工艺应用 。底吹炉熔炼具有炉体结构简 单 、 能耗低、 热利用率高和除杂能力强等优点 ， 在处 理杂 质含 量 高 的原料 方 面优势 明显 。中 国恩 菲工 程 技术 有 限公 司也 在积 极开 发底 吹炉 处理 杂铜 的工 艺 技术 ， 相 信在 未来 的一 段 时 间底 吹 炉处 理 低 品位 杂 铜工 艺将 会 得到 推广 应用 。 4 结语 我 国中低 品位 杂 铜 的冶 炼 还 处 于起 步 阶段 ， 随 着 国家对汽车 、 电子产品和电力等行业的规范 ， 含铜 二次原料会越来越多； 同时 ， 国家对二次资源综合 回 收利用的产业政策越来越完善 ， 中低品位杂铜冶炼 工艺的开发和应用在国内将会有更广阔的前景。 [ 参 考文 献 ] [ 1 ] 有色金属统计 [ Z ] ．2 0 1 3 ， 2 0 1 4 ． [ 2 ] 王金祥． 低品位废杂铜再生综合利用技术 研究 [ J ] ． 资 源再 生 ， 2 0 1 2， 9 5 4 5 6 ． [ 3 ] 华宏全 ， 王冲． 废杂铜 回收利 用浅析 [ J ] ． 中 国资源 综合利 用 ， 2 0 1 1 ， 2 9 1 1 2 02 3 ． [ 4 ] 肖红新 ， 岳伟． 废杂铜的再生及其环境污染 与防治 [ J ] ． 再 生资 源与循环经济 ， 2 0 1 3 ， 6 7 2 9 3 2 ． [ 5 ] 周俊． 废杂铜冶炼 工艺及发 展趋势 [ J ] ． 中 国有 色冶 金 ， 2 0 1 0 ， 4 2 02 5 ． [ 6 ] G e r a r d o A l v e a r ．A p p l i c a t i o n o f I S A S ME L T T e c h n o l o g y f o r R e c y c l i n g o f S e c o n d a r y M a t e r i a l s [ Z] ．3 r d C o p p e r Re c y c l i n g C o n r e n c e ， 2 01 4． [ 7 ] 邢卫国． 国外废杂铜冶炼技术述评 [ A] ， 中国重有 色金属工业 发展战略研讨会暨 重冶学 委会第 四届学 术年会 论文 集 [ C] ． 1 n 一 1 7 St a t u s o f l o w- m i dd l e g r a de s c r a p c o pp e r s m e l t i ng pr o c e s s a nd i t s d e v e l o p m e nt t r e n d LI Xi a o ． x i a Abs t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e d e f e r e nc e g r a d e o f s c r a p c o p pe r ，t h e s me l t i n g p r o c e s s e s a r e n o t s a me ．Th i s p a pe r i n t r o d u c e s t he c ha r a c t e r i s t i c o f l o w- mi d d l e g r a de s c r a p c o p p e r s me l t i n g p r o c e s s a n d s t a t u s a t h o me a n d a b r o a d，a n a l y z e s a n d e x p o u n d s i t s d e v e l o p me n t t r e n d． Ke y wo r d ss c r a p c o p p e r ；l o w mi d d l e g r a d e；s me l t i ng p r o c e s s；t r e n d 上 接 第 5页 T h e S a v a r d - L e e s h r o u d e d i n j e c t o r a r e v i e w o f i t s a d o p t i o n a n d a d a pt a t i o n f r o m f e r r o us t o no n- f e r r o u s py r o m e t a l l ur g y T r a n s l a t e d s e l e c t i v e l y b y L I Xi u j u n Ab s t r a c t P y r 0 me t a l l u r g i c a l p r o c e s s e s f o r i r o n a n d b a s e me t a l s p r e s e n t ma j o r s i mi l a r i t i e s s i n c e t h e y o c c u r a t h i g h t e mp e r a t u r e s a n d i n mo l t e n s t a t e．P y r o me t a l l u r g i s t s ，t h e r e f o r e，h a v e l o n g b e l i e v e d t h a t s o me t e c h n o l o g i e s f r o m f e r - r o u s m e t a l l u r g y c o u l d b e b e n e fi c i a l l y a d a p t e d a n d t r a n s f e r r e d t o n o n 一 rr o u s m e t a l l u r g y ， a n d v i c e v e r s a ．T h e S a v a r d - L e e s h r o u d e d i n j e c t o r i s o n e s u c h t e c h n o l o g y ．T h i s p a p e r p r o v i d e s a r e v i e w o f k e y n o n f e r r o u s p y r o me t a l l u r g i - c a l p r o c e s s e s t h a t h a v e i n n o v a t i v e l y a d a p t e d a n d i mp l e me n t e d t h e s h r o u d e d i n j e c t o r c o n c e p t ．S u c h p r o c e s s e s i n c l u d e b a t h s m e l t i n g o f l e a d a n d c o p p e r Q S L ，S K S ，b a t h c o n v e r t i n g o f c o p p e r a n d n i c k e l ， c o p p e r p y r o - r e f i n i n g O 2 ／ N 2 ／ H 2 i n j e c t o r s a n d l e a d s i l v e r c u p e l l a t i o n B B O C ．T h e a u t h o r s h i g h l i g h t h o w t h e S a v a r d L e e i n j e c t o r w a s a d a p t e d f r o m i t s o r i g i n a l s t e e l r e fi n i n g d e s i g n f o r o x y g e n b o t t o m me t a l l u r g y OB Mi n t o n e w d e s i g n s for n o n - f e r r o u s a p p l i c a t i o ns ．pr e o c c u pa t i o n s ． Ke y wo r d s s h r o u d e d i n j e c t o r ；n o n f e r r o u s p y r o me t a l l u r g y ；r e v i e w