白银熔池富氧炼铜技术研究.pdf

2 0 1 4 年第1 0 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 4 ．1 0 ．0 0 4 白银熔池富氧炼铜技术研究 余旦新 白银有色集团股份有限公司，甘肃白银7 3 0 9 0 0 摘要对“白银炼铜法”的空气熔炼、富氧熔炼和富氧自热熔炼三个发展阶段从理论上进行了分析。结果 表明，当鼓风强度一定时，随着使用氧气量的增加，鼓风富氧浓度的升高。床能力升高，熔炼自热程度升 高；熔炼床能力随熔池鼓风强度和热强度升高而升高；氧料比随冰铜品位的升高而上升；富氧自热熔炼 的节能效果最好。“白银炼铜法”的各项工艺指标均达到当今国际炼铜技术先进水平。 关键词白银炼铜法；富氧熔炼；自热熔炼；能耗；指标 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 4 1 0 - 0 0 1 5 - 0 5 S t u d yo nO x y g e n e n r i c h e dC o p p e rS m e l t i n gT e c h n o l o g yi nB a i y i nB a t h Y UD a n x i n B a i y i nN o n f e r r o u sG r o u pC o ．，L t d ，B a i y i n7 3 0 9 0 0 ．G a n s u ，C h i n a A b s t r a c t T h r e ed e v e l o p m e n ts t a g e so f “B a i y i nC o p p e rS m e l t i n g ” B C S ，i ．e ．，a i r s m e l t i n g ，o x y g e n e n r i c h e ds m e l t i n g ，a n do x y g e n e n r i c h e da u t o g e n o u ss m e l t i n g ，w e r et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d ．T h er e s u l t s s h o wt h a ts m e l t i n gb e dc a p a c i t ya n ds e l f h e a t i n gd e g r e eo fs m e l t i n gr i s ew i t hi n c r e a s eo fo x y g e nd o s a g ea n d o x y g e ne n r i c h e dc o n c e n t r a t i o nu n d e rc e r t a i nb l o w i n gs t r e n g t h ．S m e l t i n gb e dc a p a c i t yr i s e sw i t hi n c r e a s eo f b l o w i n gs t r e n g t ha n dh e a ts t r e n g t hi nm e l t i n gb a t h ．R a t i oo fo x y g e nt om a t e r i a lr i s e sw i t hi n c r e a s eo f m a t t eg r a d e ．O x y g e n - e n r i c h e da u t o g e n o u ss m e l t i n gh a st h eb e s te n e r g ys a v i n ge f f e c t ．A l lt e c h n i c a li n d e x e s o fB C Sr e a c ht h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e l ． K e yw o r d s B a i y i nC o p p e rS m e l t i n g B C S ；o x y g e n e n r i c h e ds m e l t i n g ；a u t o g e n o u ss m e l t i n g ； e n e r g yc o n s u m p t i o n ；i n d e x “白银炼铜法” B C S 是2 0 世纪7 0 年代开发 的、具有我国独立自主知识产权的硫化铜精矿熔池 熔炼新工艺，至今，该法已完成了由空气熔炼到富氧 熔炼的过渡，并正向富氧自热熔炼的目标迈进。在 采用空气熔炼工艺时，它比反射炉等传统炼铜方法 具有显著的优越性。所以，该工艺于1 9 8 0 年在白银 铜厂应用于工业生产。但与世界先进的炼铜法相 比，当时“白银炼铜法”还存在着熔炼强度不高、渣含 铜高、燃料消耗较高等问题。白银公司与国内有关 科研院所合作，在2 0 世纪8 0 年代开展了在白银炉 上采用富氧熔炼技术的研究，经过科技攻关和新型 收稿日期2 0 1 4 0 6 一l O 作者简介余旦新 1 9 6 0 一 ，男，江西鄱阳人，教授级高级工程师． 白银炉的开发，逐步提高了熔炼过程中使用的氧气 量和富氧浓度，通过对引进技术的消化吸收和对铜 熔炼系统的配套改造，使白银炉处理精矿能力提高 了1 5 0 ％，阴极铜年产量由3 ．5 万t 猛增到了目前的 2 0 万t ，使白银熔池富氧自热熔炼工艺技术进入了 当今国际先进水平的行列。 白银熔池富氧自热熔炼技术的开发 1 ．1 白银炉熔炼的特点 白银熔池富氧熔炼示意图如图1 所示。白银炉 熔炼的特点如下 万方数据 16 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 4 年第1 0 期 1 炉子熔池被设置在中部的隔墙分隔成熔炼区 和沉淀区1 ，隔墙下部设有通道，将两区联通。 2 从熔炼区两侧浸没式风口鼓人的富氧空气强 烈搅动熔池，迅速混合了加入熔池中的炉料，为熔炼 的各种反应提供了良好的动力学条件。这一过程加 快了熔炼区物理化学反应的速度，提高了熔炼强度。 3 加入熔池内炉料中的部分硫和铁被鼓风中的 氧所氧化，其氧化反应和造渣反应热被充分利用，因 此可以降低燃料消耗，同时，还能提高烟气中二氧化 硫的浓度，有利于后续的制酸作业，满足环境保护的 要求。 u ；j 一昧弛Ⅲ‘门 4 白银炉的熔炼过程是在氧气与炉料中硫化物 的直接作用下进行的。富氧熔炼时，因鼓风中氧浓 度提高，大大加速了熔炼反应过程，提高了炉子的生 产能力，并使单位产品的热损失减少。由于减少了 氮气进入烟气所带走的热量，使该部分热量用于熔 炼过程，故能降低燃料率。由于供给反应体系的氧 量增加，使炉料处理量增大的同时，还可以适当提高 脱硫率，使炉料的化学反应热能更有效地得到利用。 也就是说，鼓风富氧浓度的提高、炭质燃料消耗的降 低、熔炼过程自热程度的提高，既可降低能耗还可提 高硫的利用率。 图1白银熔池富氧熔炼示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fo x y g e n e n r i c h e ds m e l t i n go fB C S 1 ．2 技术开发与改造 白银公司铜冶炼厂对白银炉及其附属设备的能 力、以及对使用氧气的适应性进行了全面考察，取得 了第一手资料，同时对我国引进的国外先进炼铜技 术 如闪速炼铜、诺兰达炉炼铜 的精华进行消化吸 收，确定了配合富氧自热熔炼开发需进行的一系列 重大的技术开发与改造内容。如扩大了制氧能力， 在原有15 0 0m 3 ／h 标态，下同 和65 0 0r n 3 ／h 制氧 站的基础上，增加了一座2 00 0 0I T l 3 ／h 制氧站。扩 建了备料系统．针对进矿种类多且杂的实际情况，采 用精矿堆式配料，即新建82 3 0I T l 2 的堆配厂房，内 设两个堆矿区交替作业，即将一段时间进厂的诸多 矿送入该厂房的堆矿区横铺成一堆后，由取料机进 行竖切式取料送往配熔剂工序，横铺作业则转入另 一个堆矿区，以解决采用富氧熔炼后精矿处理量增 大、配料系统能力难以满足的矛盾。 对白银炉炉型进行了完善。白银炉炉体主要用 黏土质、铝镁质和镁铬质等耐火材料砌成。为提高 易受气流和熔体冲刷损坏的炉墙和炉拱部位的抗冲 刷能力，该部位均设有铜冷却水套。为了适应提高 富氧鼓风强度和熔炼强度的需要，单台炉配备风口 数由2 4 个增加为6 0 个，同时对采用的熔铸镁铬砖 等优质耐火材料进行优化配置，以提高炉寿命。采 用了机械捅风眼机代替人工捅风眼。为了适应高强 度富氧熔炼带来的烟气S 浓度大幅度升高的情 况，开发研制了特殊结构的余热锅炉。该锅炉在上 升烟道采用了板管式结构烟道，并作为锅炉的一组 受热面，本体为全膜式壁的直通式，烟气流动畅通， 减轻了受热面的磨损、积灰和结渣，并采用机械振打 清灰。还开发应用了白银炉熔炼过程计算机监测与 控制系统，实现了对加料、白银炉、余热锅炉等技术 参数进行记录、显示、自动报警以及调节控制。 1 ．3 白银熔池富氧自热熔炼工艺流程 图2 2 富氧自热熔炼效果及分析 2 ．1 自热熔炼原料配比、物料成分及燃料性质 入炉料配比 ％ 外来矿6 6 ．6 0 、自产矿7 ．0 7 、 金精矿1 3 ．3 3 、烟灰3 ．5 8 、冷料2 ．6 5 、山砂3 ．5 8 、石 灰石2 ．4 4 、碎煤0 ．7 5 。 粉煤成分 ％ 固定碳5 8 ．4 6 、挥发分2 3 ．3 3 ％、 万方数据 2 0 1 4 年第1 0 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 7 图2 白银熔池富氧自热熔炼工艺流程 F i g ．2 O x y g e n e n r i c h e da u t o g e n o u s s m e l t i n gp r o c e s so fB C S 灰分1 7 ．1 4 ％、水分0 ．8 9 ％，发热值2 55 1 1k J ，／k g 。 物料成分如表1 所示。 2 ．2 富氧自热熔炼主要技术指标比较 将富氧自热熔炼的实际数据与空气熔炼和富氧 熔炼的实际数据进行比较，结果如表2 所示。由表 2 可见，自热熔炼的床能力分别比空气熔炼和富氧 熔炼提高1 5 1 ．1 ％和5 8 ．6 6 ％。 2 ．3 自热程度与富氧浓度的关系 比较鼓风富氧浓度分别为3 1 ．6 1 ％和4 7 ．0 7 ％ 时熔炼区的热量收入，可知，随着鼓风含氧浓度的提 高，使白银炉熔池自热程度由5 9 ．6 5 ％ 化学反应热 物料显热 提高到了9 1 ．7 5 ％ 化学反应热 物料 显热 配煤燃烧热 ，基本实现了完全自热。 2 ．4 熔炼床能力与鼓氧强度和热强度的关系 图3 为熔炼区鼓氧强度与床能力的关系曲线。 从图3 可见，随着熔池鼓氧强度的提高，熔炼床能力 几乎呈线性关系增加[ 2 ] 。因此，要增加熔炼炉的床 能力，必须增加鼓人熔池的氧量，现行办法主要是提 高富氧浓度和鼓风强度。 图4 为熔炼床能力与熔池热强度和空间燃煤热 强度的关系曲线。 表1 物料成分 T a b l e1 C o m p o s i t i o no fm a t e r i a l s 名称 炉料 冰铜 炉渣 粗铜 细尘 S ／％ 2 6 ．0 6 2 2 ．7 0 0 ．5 3 6 ．O O 7 ．6 3 Z n ／％ 2 ．0 9 1 ．8 0 2 ．4 1 4 ．3 1 5 ．7 9 A u ／ g t 一1 A g ／ g t 一1 1 9 7 ．5 0 5 1 9 ．O O 2 0 ．4 4 表23 种熔炼方法指标的比较 T a b l e2 C o m p a r i s o no fi n d e x e so ft h r e e s m e l t i n gp r o c e s s 暑 ； 姜 萎 警嵩瑚 ＆一， o o o 些％ 勰粥泊鬻翟㈨ 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 4 年第1 0 期 辟能力， t m 一2 d - 图4 床能力与熔池和空间燃煤热强度的关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i p sb e t w e e nb e dc a p a c i t y a n dh e a ti n t e n s i t yo fb a t ha n dc o a l c o m b u s t i o no fs p a c e 由图4 可知，熔池热强度随着熔炼床能力的提 高而提高，而空间热强度则随着熔炼床能力的提高 而下降，即提高熔炼床能力不仅可以加快炉料的熔 化速度，还可以减少空间燃煤量。以4 4m 2 白银炉 为例，采用空气熔炼时，鼓风量为65 0 0m 3 ／h ，干炉 料日处理量2 6 8t ；而采用自热熔炼时，鼓风量 富氧 浓度4 7 ％ 增加到l l3 5 5I T l 3 ／h ，干炉料日处理量增 加到6 6 8 ．1t ，熔炼区燃煤用量由空气熔炼的约1 ．0 t ／h 减少到自热熔炼的0 ．1 8t ／h 。 2 ．5 冰铜品位与氧料比的关系 表3 为冰铜品位与氧料比 熔炼单位炉料所需 的氧量 的关系。表3 表明，在富氧熔炼条件下，提 高冰铜品位需相应提高氧料比以及熔炼吨料所需的 工业氧气量。 表3 冰铜品位与氧料比的关系 T a b l e3 R e l a t i o n s h i p sb e t w e e nm a t t e g r a d e sa n dr a t i oo fo x y g e nt om a t e r i a l 2 ．6 使用氧气的节能效果 表4 和图5 分析了自热熔炼与能耗之间的关 系。结果表明，增加熔炼每吨炉料所需的总氧气量， 可以减少熔炼支出的总热耗，但制氧的能量消耗增 加得并不多。综合考虑能耗的收支情况，富氧自热 熔炼的节能效果是最好的，每吨粗铜的综合能耗为 2 5 5 ．3 8k g c e 。 表4 富氧熔炼与能耗的关系 T a b l e4 R e l a t i o n s h i pb e t w e e no x y g e n - e n r i c h e ds m e l t i n ga n de n e r g yc o n s u m p t i o n 序号项目空气熔炼 富氧熔炼 自热熔炼 富氧浓度／％ 吨料熔炼需工业氧气量／m 3 吨料熔炼总热耗／1 0 9 J 吨料相对空气熔炼减少的总热耗A ／1 0 9 J 吨料相对空气熔炼增加制氧的能耗B ／1 0 9 J 吨料节能 A B ／1 0 9 J 4 7 ．0 7 1 3 7 ．O 4 ．1 1 5 2 ．2 4 1 1 ．2 0 0 1 ．0 4 1 2 ．7 炉寿命 决定白银炉寿命的关键部位是风口区，该区内 衬原采用普通的镁铬质耐火材料，炉寿命为半年。 当采用富氧熔炼后，熔体温度一般控制在11 5 0 ～ 12 0 0 ℃，比空气熔炼时提高了约1 0 0 ℃，从而加快 了风口区内衬的蚀损速度。通过改进炉型、开发应 用熔铸镁铬砖及优化配置优质耐火材料等措施后， 使白银炉的炉寿命在富氧熔炼的情况下达到了2 年 以上。 2 ．8 渣含铜 白银炉富氧熔炼由于熔池氧势升高、床能力增 大、冰铜品位上升、渣含四氧化三铁有所增加 炉料 中配煤的还原作用，使渣中四氧化三铁的增长受到 了抑制 ，炉渣含铜有上升的趋势，特别是冰铜品位 提高到4 0 ％以上时更为明显 如表5 所示 。另外， 在同一沉淀区中炉渣沉清时间由4 ．3 6h 缩短到 1 ．7 1h ，排出渣的温度由12 4 0 ℃下降到11 7 0 ℃， 说明沉清时间和过热程度也不够，导致渣含铜由 0 ．4 7 6 ％升高到0 ．9 3 8 ％，需进一步采取炉渣贫化措 施进行处理。 3 与世界其它先进炼铜法的指标比较 白银熔池自热熔炼与世界其它先进炼铜法的指 标比较如表6 所示，结果表明，“白银炼铜法”的各项 一T-q．n-m．≥6_【／越骥霰甍竣 一。{，E．互t1I『，越骥蕻磺馨亘静 万方数据 2 0 1 4 年第1 0 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 喜 歪 器 蓦 2 04 U6 0 踟l O O 1 2 0 1 4 0 熔炼吨料需工业耗氧量，时 图5 富氧熔炼能耗与氧气需求量的关系 F i g ．5R e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n e r g y c o n s u m p t i o no fo x y g e n 。e n r i c h e ds m e l t i n g a n do x y g e nd e m a n d 指标均跨入了当今国际炼铜技术先进水平的行列。 通过上述分析和比较可知，“白银炼铜法”具有 以下优点[ 2 ] 1 可以直接处理金精矿、硫化铜精矿和部分粒 度小于3 0m m 的块矿，原料来源广。 2 可使用重油、粉煤、天然气等多种燃料。 3 人炉料含水分6 ％～8 ％，因此，可以简化原 料的制备工艺以及炉料运输的防尘设施。 4 生产能力和氧的利用率高，基建占地小，投资 省，维护费用较低。 5 烟气中二氧化硫浓度高 1 7 ％ ，有利于烟 气制酸和减少环境污染。 6 能耗低，能充分利用物料的化学反应热。 7 烟尘率只有3 ％～4 ％，后续烟尘处理工艺也 较简单。 表5 富氧自热熔炼与渣含铜的关系 T a b l e5 R e l a t i o n s h i pb e t w e e no x y g e n - e n r i c h e da u t o g e n o u ss m e l t i n ga n dc o p p e rc o n t e n ti ns l a g 表6 几种熔池炼铜法的指标比较 T a b l e6 C o m p a r i s o no fi n d e x e so fc o p p e rb a t hs m e l t i n g 指标名称白银炼铜法 诺兰达法瓦纽可夫法三菱法闪速熔炼法 床能力／ t r l l l d 一1 3 2 ．8 93 0 ．06 0 ．o o ～6 5 ．02 5 ．09 ．o ～9 ．5 鼓风中含氧／％ 4 7 ．0 73 0 ～4 06 0 ～7 05 0 ～5 23 5 ～4 4 炉料含铜／％ 1 7 ．8 82 0 ～2 52 0 ．32 2 ～2 62 4 炉料含硫／％ 2 6 ．0 63 2 ～3 4z 8 ～3 33 0 ．6 ～3 I ．9 3 3 ．5 炉料含水分／％ 7 ．6 076 ～80 ．3 o ．3 冰铜含铜／％ 4 9 ．8 76 5 ～7 04 7 ～5 56 5 4 3 ～4 5 渣含铜／％0 ．5 ～i ．2 4 ～60 ．5 5 ～o ．6 5 i ．3 ～1 ．80 ．8 ～1 ．0 炉渣贫化方法选矿选矿 贮渣炉电炉选矿 弃渣含铜／％0 ．2 80 ．2 5 ～O ．3 50 ．4 00 ．6 00 ．4 8 烟气二氧化硫含量／％1 6 ．6 92 12 5 ～4 01 4 ～1 5i I ～1 2 烟尘率／％3 ．0 63 ．o ～4 ．00 ．6 ～1 ．52 ．01 1 ．5 ～1 2 ．0 吨粗铜综合能耗／k g c e 2 5 53 1 0 ～4 3 04 3 13 6 63 0 1 铜熔炼回收率／％ 9 8 ．9 79 8 ．09 7 ．8 9 8 ．0 炉寿命／d 7 2 04 0 04 2 010 9 5 3 3 0 8 熔炼炉渣采用选矿贫化后，弃渣含铜小于 0 ．2 8 ％。 9 有双室炉和单室炉型可供选用。前者熔炼区 出口烟气二氧化硫浓度约比后者提高2 5 ％，且能分 别进行熔炼区和沉淀区的维护与热工调节。 1 0 设计规模可调，适合建各种规模的冶炼厂， 全部控制仪表装备可由国内提供，有利于发达和不 发达地区采用‘1 | 。 4结论 “白银炼铜法”已长期在我国铜冶炼大工业生产 中得以应用和发展，取得了显著成效，创造了巨大的 物质财富，取得了巨大的经济效益，并在保护生态环 下转第3 l 页 万方数据 2 0 1 4 年第1 0 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 3 1 通过不同颗粒直径条件下的物料运动及温度分 布研究，可以得出，颗粒直径的变化对物料内部温度 分布的趋势影响很小；物料内部温度分布基本保持 均匀一致，基本不受颗粒直径的影响，即可以忽略截 面温差的影响。 4结论 1 窑内物料温度主要受气体及窑壁对物料的传 热影响，物料流动对其温度影响有限，人窑物料颗粒 直径一定时，不同时间截面物料流动情况基本一致， 物料内部温度随时间推移逐渐上升，但同一截面上 内部温度分布趋于均匀一致，截面温差较小。 2 随着入窑物料颗粒直径的减小，物料被带起 的高度降低，其相应的速度矢量也越小，物料内部温 度越高，但物料内部温度分布总体趋于均匀一致，截 面温差较小。 3 由于各工况截面物料内部温度分布趋于一 致，认为物料内部温度均匀一致，并可忽略截面温差 的影响，可以采用一维模型对回转窑传热进行在线 仿真计算。 参考文献 [ 1 ] 杨重愚．氧化铝生产工艺学[ M ] ．北京冶金工业出版 社，1 9 9 3 2 - 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