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2 0 1 5 年第9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 1 5 d o i 1 0 .3 9 6 9 /J .i s s n .1 0 0 7 - 7 5 4 5 .2 0 1 5 .0 9 .0 0 4 祥光铜业的旋浮冶炼技术 刘卫东 阳谷祥光铜业有限公司,山东阳谷2 5 2 3 2 7 摘要简要叙述了空间熔炼的基础理论,总结了旋浮冶炼的技术特征,阳谷祥光铜业的成功应用表明旋 浮冶炼技术更能适应现代冶金的高投料量、高负荷、高氧浓和高作业率的要求。 关键词铜;旋浮冶炼;旋流;脉动 中图分类号T F 8 1 1文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 0 9 0 0 1 5 0 5 S u s p e n s i o nS m e l t i n gT e c h n o l o g yo fX i a n g g u a n gC o p p e r L I UW e i d o n g X i a n g g u a n gC o p p e rC o .,L t d ,Y a n g g u2 5 2 3 2 7 ,S h a n d o n g .C h i n a A b s t r a c t B a s i ct h e o r yo fs p a c es m e l t i n gw a sb r i e f l yi n t r o d u c e d .T e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs u s p e n s i o n s m e l t i n gw e r es u m m a r i z e d .T h ep l a n tp r a c t i c ei nY a n g g uX i a n g g u a n gC o p p e rS H O W St h a ts u s p e n s i o n s m e l t i n gt e c h n o l o g yc a nm e e tr e q u i r e m e n t so fm o d e r nm e t a l l u r g yi n c l u d i n gh i g hc a p a c i t y ,h i g hl o a d ,h i g h o x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dh i g ho p e r a t i n gr a t e . K e yw o r d s c o p p e r ;s u s p e n s i o ns m e l t i n g ;r o t a t i o n a lf l o w ;p u l s a t i o n 火法炼铜的产量超过了铜冶炼产能的9 0 %,现 代的火法炼铜按其工艺方法可以分为熔池熔炼和空 间熔炼两大类[ 1 ] 熔池熔炼的主要反应发生在熔池 内,在向熔体中加入硫化铜精矿的同时鼓人空气或 富氧空气,虽然供风方式不同,其结果都是向熔体中 压人含氧气泡,迅速完成反应,反应体系是连续液 相;空间熔炼的主要反应发生在高温的炉膛空间内, 充分利用硫化铜精矿具有的巨大活性表面,借助气 流的特性,依靠炉膛内的高温,在较小的空间内快速 完成气一固、固一液、液一液间的传质和传热,反应 体系是连续的气相。空间熔炼技术中具有代表性的 有4 种冶炼工艺有1 精矿和反应空气从反应塔顶 垂直喷入炉内的奥托昆普闪速炉;2 精矿和反应空 气从炉子端墙上的喷嘴水平喷入炉内的因科 I N C O 闪速炉;3 由科隆公司 K H DH u m t b o l tW e d a g 开发并于1 9 9 3 年在美国埃尔帕索 E LP a s o 冶 收稿日期2 0 1 5 0 4 0 9 作者简介刘卫东 1 9 7 0 一 ,男,安徽枞阳人,副总经理 炼厂投产的漩涡炉 C o n t o p [ 2 ] 已停产 ;4 2 0 0 9 年 山东阳谷祥光铜业有限公司 以下简称祥光铜业 开 始工业应用的旋浮冶炼技术。其中,奥托昆普的直 流扩散技术应用最广泛,仅在中国就占产能的5 0 % 以上。而C o n t o p 熔炼工艺和祥光铜业的旋浮冶炼 工艺采用的是旋流技术。 1旋浮冶炼技术的开发 I .1 祥光铜业面临的问题 祥光铜业是继美国肯尼柯特冶炼厂之后世界上 第二家采用“双闪”[ 3 ] 铜冶炼工艺的现代化铜冶炼 厂,一期设计规模为年产2 0 万t 矿铜,工程于2 0 0 7 年底建成投产;二期工程由原设计的年产矿铜4 0 万 t 调整到能够达到年产4 5 万t 矿铜的要求。但祥光 铜业火法工序的冶金炉已经建成,熔炼炉反应塔 ①6 .3m 7m ,同时由于市场原料的变化,原料中 万方数据 1 6 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y I .b g r i m m .c n 2 0 1 5 年第9 期 S 、F e 的比例越来越高,估算出的反应塔热负荷将会 超过24 5 0M J / h m 3 ,大大超过合理极限值口] 。 如果沿用奥托昆普的直流扩散技术,不仅需要巨大 的改造资金,还要向奥图泰公司支付高额的费用,生 产中还要面临众多难以克服的技术瓶颈。为此,祥 光铜业公司成立了开发项目组,研发一种超强化、低 能耗、环保好的空间熔炼和吹炼新技术、新工艺、新 装备,满足祥光铜业4 5 万t 高产能的需求。 1 .2 旋浮冶炼技术的开发思路 首先,必须从理论上突破现有奥托昆普闪速熔 炼的限制,现有的闪速熔炼在国内外强化生产中出 现的种种问题也表明,奥托昆普闪速熔炼技术在理 论上有一定的局限性。实现新理论突破是可行的, 是开发新的铜冶炼技术的核心。 其次,如何在冶炼工艺上实践新理论是技术创 新的关键,必须从根本上解决铜冶炼企业在闪速熔 炼中遇到的反应偏析∽。4 j 、下生料、炉况不稳、渣含 铜高、氧利用率低、烟尘率高、反应塔壁冲刷严重等 一系列的问题。 第三,喷嘴是实现铜冶炼技术的关键条件,在不 改变现有冶金炉体的情况下,通过专利型[ 5 1 喷嘴的 开发而达到旋浮冶炼工艺3 要求,实现更节能、更环 保、更高效的目标。 1 .3 空间熔炼的理论 空间熔炼是在高强度湍流与高浓度的气、粒两 相喷射流中,粒子和氧气发生的剧烈可控燃烧并释 放出大量气体和热量,是一个高温、多相、多变量且 相互耦合的冶金过程。1 9 8 3 年,美国哥伦比亚大学 的T h e m e l i s 等提出了“粒子分裂模型”;1 9 8 5 年日 本住友金属矿山新居浜研究中心的K e m o r i 等总结 出了“两粒子碰撞模型”。事实上“粒子分裂”和“粒 子碰撞”是同时存在的r 7 ] ,诠释了粒子在不同空间和 时间上的反应机理,是粒子在空间反应过程中客观 存在的现象。 粒子在空间中氧化反应的进程取决于氧的扩散 量,但由于粒子物理规格、化学成分、偏析等众多条 件的影响,供、求不可能完全对应,必然就造成粒子 氧化程度的差易。过氧化的粒子被反应时产生的巨 大热量所熔化甚至过热,而欠氧化和未氧化的粒子 往往只能达到半熔甚至维持固体状态。这些状态差 异的粒子如果不能碰撞聚合,交互反应就无法进行, 传热效率也会大大降低。尤其是出现浓差极化时, 就会出现氧利用率低、烟尘发生率高、F e 。O 。产生率 高等异常状况,严重时就会下生料。在直流喷射的 条件下,实践中采用的措施大多以气、粒的均匀混合 为目标进行改进,但因上述条件的变化,致使炉况反 复波动。 1 .4 旋浮冶炼的技术特征 空间熔炼的实质是一种扩散燃烧,氧在粒子表 面的扩散量不仅仅依赖于气、粒的均匀混合 实际 上无法实现 ,更重要的是气、粒间的相对运动而 促进反应界面不断更新;粒子在空间中多变、无序 的运动轨迹才能增大碰撞聚合的机率,才能促进 过氧化与欠氧化粒子间的传质传热,实现反应均 衡的目标。气、粒通过喷嘴喷射到反应空间中,在 高温和燃烧的状况下,粒子除受初始运动状态的 影响外,还要受到众多力[ 7 。83 的制约。通过广泛的 调研和论证,我们认为气流的运动是可控和易于 实现的,气流的涡旋运动可以加速氧在粒子表面 的扩散,产生的曳力可以用来改变粒子的运动轨 迹。因此我们确定了研发的方向以工艺风大旋 流由内向外的扩张卷吸粒子流,保证气、粒间的相 对运动,并迫使粒子流主体上以喷嘴中心线为轴 线呈螺旋状的运动;以低频脉动气流改变部分粒 子的运动轨迹,使粒子的运动轨迹流紊乱,强化粒 子在空间的碰撞聚合,促进粒子间的交互反应。 因此,与直流扩散技术和C o n t o p 熔炼工艺相比,旋 浮冶炼技术具有自己独特的技术特征。 1 .4 .1 具有倒龙卷的涡旋流场结构 龙卷风是在极不稳定天气下,由空气强烈对流 运动而产生的一种伴随着高速旋转的漏斗状云柱的 强风涡旋,龙卷核心中的旋转与气旋中的不同,它的 强度足以使龙卷一直伸展到地面。旋浮冶炼技术正 是模拟了龙卷风的形成方式,在反应塔内形成涡旋 气流强化反应与碰撞 图1 是自然界的龙卷风与旋 浮冶炼的涡旋流场结构对比 。具有龙卷风的涡旋 流场结构对强化炉内反应非常重要,气流的旋转运 动和粒子群的向下运动,速度方向上存在较大差异, 气、粒相间相对运动速度大,反应界面更新就越迅 速,传质传热就越快,粒子燃烧反应就更加剧烈。粒 子群的主流速度是向下的,涡旋气流在此基础上增 加了粒子横向运动,而粒子的质量和物理规格的差 别导致横向运动的粒子群中大小粒子的运动方向和 速度都不一样,运动轨迹杂乱无章,这样大大增加了 大小粒子间、过氧化和欠氧化粒子间、熔融和非熔融 粒子间的碰撞,促进了交互反应的进行。 万方数据 2 0 15 年第9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l . 图1旋浮冶炼的涡旋流场结构 a 与自然界龙卷风 b 对比 F i g .1C o m p a r i s o nb e t w e e nr o t a t i o nc u r r e n tf l o wf i e l ds t r u c t u r e a a n dn a t u r a lt o m a d o b 1 .4 .2 通过宏观脉动强化粒子脉动碰撞 宏观脉动是指流场平均速度大小与方向的突然 改变和粒子群中不同大小粒子的速度大小与方向的 改变。旋浮冶炼技术开发中,有意识地通过精矿喷 嘴的设计控制脉动过程,引入了中心低频脉动气流, 宏观上强化了气、粒两相的脉动。中间气流附加低 频脉冲,在宏观气相速度上增加了周期性变化。粒 子的密度比气相大得多,其惯性也大得多,这样在粒 子周围局部的气、粒两相的速度差就进一步扩大。 而在低频脉冲气流中小粒子 主要是粒径小于5 0 弘m 的粒子 更容易随气流脉动,一方面增加了粒子 与气相间的传热传质,另一方面小粒子在水平方向 上的往复式运动增加了粒子间的碰撞机会。在空间 熔炼中,小粒子通常都会被过氧化,同时也是烟尘的 主要来源,通过宏观脉动控制,增强了大小粒子间的 碰撞机会,中和了粒子间的氧化程度,减少四氧化三 铁的生成量,降低了烟尘发生率。 1 .4 .3 采用工艺风旋流扩散物料 旋浮冶炼技术采用了将旋流工艺风布置在中 央、粒子群在工艺风外围加入呈环状幕墙的布料形 砸 .姗 皿 式;而C J D 精矿喷嘴[ 9 1 对物料的分散主要采取的是 通过横向2 0 0 3 0 0m /s 的高速分散风直吹,实现精 矿粒子与工艺风的混合,两者的布料方式有着根本 的区别。C J D 精矿喷嘴在生产应用中,分散风较小 的喷射孔极易堵塞而影响反应,并且分散风一工艺 风的动量比[ 1 0 ] 也很难掌控。而旋浮冶炼技术中粒 子群环状布置在工艺风的外圈,工艺风由内向外的 旋转扩张,带动粒子运动。由于采用的是全部工艺 风,理论上扩散动量比可以达到0 .9 ,并且扩散动量 主要是依靠工艺风量而非速度,对粒子的分散效果 较好。 1 .4 .4 实现精矿与高温烟气的无间接触 粒子吸热升温是精矿着火的必要条件,特别是 对大投料量和来料复杂的情况,粒子及时达到着火 温度尤其重要。旋浮冶炼技术风内料外的环状布料 方式,使粒子一出喷嘴就暴露在炉内高温的环境中, 并且旋浮冶炼技术采用的是工艺风旋流。从流场特 征来看,旋流兼有旋转紊流运动、自由射流及尾流的 特点,是这3 种运动的组合 图2 是直流流场结构与 旋流流场结构对比示意图 。不仅是因为旋流有较 图2 直流流场结构 a 与旋流流场结构 b 对比示意图 F i g .2 S k e t c hm a po ff l o wf i e l ds t r u c t u r eo fd i r e c tc u r r e n t a a n dr o t a t i o nc u r r e n t b 万方数据 1 8 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 1 5 年第9 期 大的喷射扩张角,使得火焰较短,能在较短的炉室深 度中完成燃烧反应过程;而且在旋流的内部形成一 个负压回流区,不但从旋流外侧卷吸周围介质,还从 内回流区中卷吸介质。旋浮冶炼技术正是利用旋流 优于直流的内、外卷吸特性,将大量高温烟气卷吸到 气、粒两相流中,与高温回流烟气无间接触,使粒子 能在第一时间顺利着火和稳定燃烧。 2旋浮冶炼技术的应用 为实现旋浮冶炼新工艺的目标,祥光铜业设计 制作了多个喷嘴,进行了冷态和热态测试,依据测试 结果对喷嘴的结构进行优化,最终定型,于2 0 0 9 年 5 月2 5 日应用于熔炼炉的生产,至5 月2 8 日,干矿 投料量稳定到1 3 5t /h ,达到了预期的效果。更换喷 嘴前 2 ~5 月 炉渣中F e 。O 。月平均含量分别为 % 1 8 .1 6 、1 6 .1 6 、1 6 .6 0 、1 5 .5 9 ,更换喷嘴后 6 ~9 月 炉渣中F e 。O 。月平均含量分别为 % 1 2 .7 7 、 9 .1 6 、9 .9 6 、1 1 .6 9 。更换喷嘴前 2 ~5 月 烟尘月平 均发生率分别为 % 7 .5 3 、7 .8 9 、7 .9 2 、7 .6 7 ,更换 喷嘴后 6 ~9 月 烟尘月平均发生率分别为 % 5 .3 2 、4 .9 1 、5 .6 7 、5 .5 1 。 可以看出,采用旋浮冶炼技术后,渣含F e 。O 。 量、烟尘发生率明显下降。 2 .1 旋浮熔炼 2 0 1 1 年4 月2 9L t ,祥光铜业的“二期”工程竣 工,在未改动原熔炼炉的情况下,安装了新设计的精 矿喷嘴,一直沿用至今,至2 0 1 4 年1 2 月3 1 日,共处 理人炉干矿 不含烟尘 6 2 1 .8 6 万t 。受市场的影 响,2 0 1 3 年前未能达产,期间做过高负荷测试,因时 间较短,不能检验旋浮熔炼的技术性能。2 0 1 4 年祥 光铜业的旋浮熔炼处理铜精矿达到了1 6 2 万t 干 量,含9 万t 黄铁矿、3 万t 氧化矿 ,生产稳定,人炉 干矿量 不含烟尘 基本维持2 6 0t /h ,年作业率超过 了9 5 %,最高工艺氧浓达到了9 2 %,反应塔在线热 负荷超过了27 8 0M J / h r n 3 ,各项指标较优。 2 .2 旋浮吹炼 旋浮吹炼于2 0 1 1 年5 月1 日投产,采用钙系 渣,至2 0 1 4 年1 2 月3 1 日,共处理冰铜1 9 8 .9 3 万t , 最小投冰铜料量可以维持在3 0t /h 。2 0 1 4 年共处 理冰铜6 6 .8 万t ,年作业率超过了9 6 %,最高工艺 氧浓也达到了9 2 %,炉况稳定。渣含铜1 8 %~ 2 2 %,渣含F e 。O 。~4 0 %,粗铜含硫 o .3 %,粗铜含 氧 o .0 5o A ,精矿至粗铜 含选矿 的吨铜综合能耗 为1 2 5k g c e 。旋浮吹炼中主要杂质的脱除率 % A s6 0 、S b4 3 、B i4 0 、P b5 6 、Z n9 8 。 杂质的脱除率随入炉比例的升高而下降,并受 渣型影响较大,例如砷的脱除率随炉渣中C a O 的升 高而增大,当渣中C a O /F e 超过0 .4 5 后,砷的脱除 率会大幅提升。 2 .3 旋浮一步炼铜 旋浮冶炼技术在旋浮熔炼和旋浮吹炼的成功应 用,使祥光铜业积累了丰富的经验,为进一步提升旋 浮冶炼技术,2 0 1 2 年祥光铜业进行了以黄铜矿为原 料的直接生产粗铜的工艺研究[ 1 妇和多次工业试验。 工业试验装置采用祥光铜业的旋浮吹炼炉,主要设 备原吹炼炉 反应塔 西4 .31 T I 6I T I 、冰铜磨干燥系 统、冰铜失重计量系统、石灰失重计量系统、烟尘失 重计量系统、冰铜旋风喷嘴、吹炼炉排烟系统。 因原料中脉石 S i O 。 较高,试验渣型确定为硅 系渣,目标渣温13 0 0 ℃。试验原料成分 % C u 3 1 .6 7 、S3 2 .0 5 、F e2 4 .3 9 、S i 0 24 .5 8 、F0 .0 5 、C a O 0 .1 4 、M g O1 .4 0 、A s0 .0 7 1 、P b 0 .0 1 8 、Z n0 .0 3 4 、 H 。07 .5 0 。投料参数精矿投料量2 8t /h 、石英砂 3 .7t /h 、烟尘3t /h 、工艺氧96 0 0r f l 3 /h 标态,下 同 、工艺风80 0 0I T l 3 /h 、天燃气1 0 0r f l 3 /h 、燃烧氧 8 0 0I T l 3 /h 氧/矿一3 9 2 .6 、氧浓6 2 .5 %。排放渣温 度13 1 2 ℃,成分 % C u1 2 .0 4 、S0 .2 1 、F e3 3 .2 0 、 S i 0 22 6 .9 5 、C a O4 .3 9 、M g O0 .6 8 、A 1 2 0 30 .0 3 9 、P b 0 .8 7 、Z n1 .1 8 、F e 。O 。4 5 .6 8 。产品粗铜成分 % C u9 8 .4 4 、S0 .8 2 、F e0 .2 0 、O 0 .0 1 、P b0 .0 6 2 、N i 0 .0 2 2 。 本次试验,共投入干精矿4 9 8t ,因精矿干燥过 度,试验中流态化现象严重,失重计量显示最高瞬时 料量达到1 6 6t /h ,致使产品含硫过高,但试验证实 了采用旋浮冶炼技术以黄铜矿为原料直接生产粗铜 的可行性。 针对高硅原料,祥光铜业还进行了工业试验。 试验原料成分 采用堆式配料获得,% C u2 5 .1 8 、 S2 7 .2 5 、F e1 9 .6 3 、S i 0 22 3 .2 0 、F0 .1 9 、C a O0 .1 2 8 、 M g O0 .0 1 4 、A s0 .1 1 、P b0 .0 2 2 、Z n0 .0 6 、H 2 0 7 .5 0 。投料参数精矿投料量4 2t /h 、C a O1 .5t /h 、 烟尘2t /h 、工艺氧1 19 9 0I n 3 /h 、工艺风60 0 0 m 3 /h 、天燃气0m 3 /h 、燃烧风6 0 0m 3 /h 、氧浓 7 1 .9 %。排放渣温度12 8 9 ℃,成分 % C u1 1 .5 4 、S0 .2 2 、F e2 8 .5 6 、S i 0 23 8 .3 3 、C a O6 .6 2 、 M g O0 .2 4 、A 1 20 32 .6 5 、P b0 .7 3 、Z n1 .0 1 、F e 30 4 2 8 .3 6 。产品粗铜成分 % C u9 8 .6 8 、S0 .4 3 、 F e0 .2 3 、O0 .0 5 4 、P b0 .0 8 9 、N i0 .0 7 5 。 万方数据 2 0 1 5 年第9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 1 9 本次试验,共投入干精矿4 7 6t ,调整了精矿干 燥温度,试验中流态化现象有所改善,本次试验验证 了采用高硅渣的可行性,进一步证明了旋浮冶炼技 术的可靠性。 3结论 祥光铜业的生产实践证明,旋浮冶炼技术不仅 可以用来熔炼较差的铜精矿以生产高品位的冰铜, 吹炼冰铜粉以生产合格的粗铜,还可以用黄铜矿直 接生产粗铜。在旋浮熔炼工序表现出的高投料量、 高负荷、高氧浓和高作业率,反映了旋浮冶炼技术作 为新冶金工艺,更能适应现代铜冶炼的发展要求。 参考文献 [ 1 ] 张文海.闪速熔炼在中国的进展与研究一冷风技术及 “非接触冶金”[ J ] .中国有色金属学报,2 0 0 4 ,1 4 增刊 1 6 3 7 1 . 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