高富氧底吹熔池炼铜新工艺.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 1 7 高富氧底吹熔池炼铜新工艺 崔志祥，申殿邦，王智，李维群，边瑞民 东营方圆有色金属有限公司，山东东营2 5 7 0 9 1 摘要氧气底吹熔池炼铜技术具有高氧浓、高熔炼强度、高氧压、高负压；环保；高氧枪寿命、高作业率；高 自热熔炼的程度；易于调控的冰铜品位；不易产生泡沫渣的生产特性。 关键词富氧底吹；铜；造锍熔炼；生产实践 中图分类号T F 8 1 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 1 2 0 1 0 0 3 - - 0 0 1 7 - - 0 4 N e wP r o c e s so fC o p p e rS m e l t i n gw i t hO x y g e nE n r i c h e d B o t t o mB l o w i n g T e c h n o l o g y C U IZ h i x i a n g ，S H E ND i a n - b a n g ，W A N GZ h i ，L IW e i q u n ，B I A NR u i r a i n F a n g y u a nN o n - - f e r r o u sM e t a lL t d ．，D o n g y i n g 。S h a n d o n g2 5 7 0 9 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h en e wp r o c e s so fc o p p e rs m e l t i n gw i t ho x y g e ne n r i c h e db o t t o mb l o w i n gh a sm a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha s h i g h e ro x y g e ne n r i c h m e n t ，h i g hs m e l t i n gi n t e n s i t y ，h i g ho x y g e np r e s s u r e ，h i g hn e g a t i v ep r e s s u r e ；h i g ho x y g e nl a n c el i f e ，h i g he f f i c i e n c yo fp y r e t i cs m e l t i n g ；m a t t eg r a d ec a nb ee a s i l yc o n t r o l l e d ，e t c ． K e y w o r d s O x y g e ne n r i c h e db o t t o mb l o w i n g ；C o p p e r ；M a t t e - - m a k i n g ；P l a n tp r a c t i s e 东营方圆有色金属有限公司建于1 9 9 8 年，以废 杂铜为原料生产电解铜，生产规模2 0 万t ／a ，新筹建 的1 0 万t 粗铜冶炼厂于2 0 0 8 年投人生产。采用的 工艺是高富氧底吹熔池造锍熔炼、P S 转炉吹炼、阳 极炉精炼流程。熔炼炉和吹炼炉的烟气分别回收余 热，电收尘后送到硫酸厂，回收其中的S O 生产硫 酸。回收余热产生的蒸汽进行发电。底吹炉用的氧 气由自建的1 00 0 0m 3 ／h 深冷法制氧站供给。其中 富氧底吹造锍熔炼是中国自行研制的新炼铜工艺， 具有中国自主知识产权。其他吹炼、精炼、烟气制 酸、制氧都是常规工艺。本文主要介绍高富氧底吹 熔池熔炼造锍新工艺的原理与1 年来的生产实践。 1 高富氧底吹熔池炼铜新工艺简介 1 ．1 主体设备底吹炉 主体核心设备是1 台①4 ．4m 1 6 ．5m 的卧式 可回转的反应炉 见图1 。内衬铬镁砖，外形类似诺 作者简介崔志祥 1 9 6 3 一 。男。山东东营人。硕士． 兰达炉和智利的特尼恩特熔炼炉。区别是诺兰达炉 和智利特尼恩特炉通过风口送氧，而底吹炉是通过 氧枪送氧。底吹炉共有9 支氧枪，分两排布置下排 呈7o 角，5 支氧枪，上排呈2 2o 角，4 支氧枪。上 下排的氧枪夹角为1 5o ，错开排列；采用深冷法、 能力为1 00 0 0m 3 ／h 的制氧站与其相配套；烟气处 理采用能力为每小时1 2 万立米硫酸生产系列配套； 3 台e 3 ．8m 8 ．1m 的转炉系统；还有相应的余热 锅炉、电收尘和渣缓冷、渣选矿系统。 1 ．2 生产工艺流程 混合矿料不需要干燥、磨细，配料后由皮带传 输，连续从炉顶加料口加入炉内的高温熔体中。氧 气和空气通过底部氧枪连续送入炉内的铜锍层。烟 气进入余热锅炉，经电收尘后进入酸厂处理。炉避 从端部定期放出，由渣包吊运至缓冷场，缓冷后进行 渣选矿。铜锍从侧面放锍口定期放出，由铜锍包吊 运至P S 转炉吹炼。 万方数据 1 8 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 图1 底吹炉示意图 F i g ．1 T h es k e t c hm a po fb o t t o mb l o w i n gf u r n a c e 2 高富氧底吹熔池炼铜新工艺生产指标 3 高富氧底吹熔池炼铜工艺特点和优势 氧气底吹炉的主要生产指标见表1 。 表．1 主要生产指标 T a b l e1M a i np r o d u c t i o ni n d e x 1 原料适应性强 公司已经处理过的矿种有高硫铜精矿、低硫铜 精矿、氧化矿、金精矿、银精矿、高砷矿、高硅矿、块矿 等。实践证明，其他炼铜工艺不好处理的复杂矿料， 底吹炉都能处理，不仅铜的回收率达到9 7 ．9 8 ％， 金、银等贵金属的回收率也都超过9 7 ％。 2 高氧浓度生产，熔炼强度高 各种方法的熔炼强度及富氧浓度见表2 。 3 高氧浓、高负压、无粉尘、无烟害 由于送入炉内的富氧浓度高达7 5 ％，烟气体积 小，二氧化硫浓度高，控制炉子的负压较高 一5 0 ～ 一2 0 0P a ，保证了炉子内的烟气与尘埃不外溢。 4 高氧压、高氧浓、高氧枪寿命、高作业率 我们曾做过一系列关于氧压的实验。当炉前氧 压为2 ．5k g ／m 2 时，仍不会发生灌枪，但冶金反应过 程不理想。当氧压达到4 ．5k g ／m 2 左右时，在氧枪 出口处会形成F e s O 。“蘑菇头”，可以很好的起到保 护氧枪的作用。 表2 各种熔炼方法的床能力和富氧浓度 T a b l eZB e dc a p a c i t ya n do x y g e nl e v e lc o m p a r i s i o ni nd i f f e r e n ts m e l t i n gp r o c e s s 由于氧枪的寿命长，一般无需进行更换，在其它 辅助设备不出现问题影响正常生产的情况下，基本 不需要停炉，因此采用方圆氧气底吹熔炼多金属捕 集技术，可保证主要装备底吹炉系统有较高的 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 1 9 作业率，一般情况下能达到9 5 ％以上。 5 自热熔炼程度高 “氧气底吹熔炼”工艺，因其独特的炉体设计构 造，使得它成为实现了完全自热熔炼的一项冶炼工 艺。实际上，当投料量达到3 0t ／h 时，炉内就已经 达到了能够维持自热熔炼的热平衡。 6 能源消耗低 由于氧浓高。烟气量小，热损失少，炉料中不需 要另外配煤。目前，各种主要炼铜工艺在熔炼过程 配入燃料的燃烧热在热平衡中占的比例与离炉烟气 带走热量所占的比例见表3 。 表3 燃料燃烧热与烟气带走热在热平衡中的比例 T a b l e3R a t i oo ff u e lc o m b u s t i o nh e a ta n do f f - - g a s se n t r a i n m e n th e a ti nh e a te q u i l i b r i u m ／％ 炉犁 热平衡中燃料热的比例配煤率烟气带走的热所占比例文献 三菱熔炼炉 2 3 ．z 9 3 2 ．2 4 [ 1 ] 3 5 ．1 23 ．0 73 6 ．0 7 I - 2 ] ．．． 3 8 ．5 24 ．1 84 8 ．7 0 I S A 护 3 4 ．9 33 ．2 14 9 ．2 3 3 8 ．3 93 ．6 35 0 ．3 8 大冶诺兰达 3 8 ．5 3 4 6 ．3 8 [ 3 ] 水E l 山底吹炉 2 2 ．0 63 ．32 6 ．4 9 [ 2 ] ．． 3 6 ．5 94 8 ．8 4 [ 2 ] 白银炉41．894 7 ．6 6 。。 金昌澳斯麦特 4 7 ．1 87 ．0 7 3 7 ．9 8[ 3 ] 方圆底吹炉 生喜萎际 1 7 92 6 4 ；盏； 瓦纽科夫炉 3 1 ．5 7 3 1 ．7 1[ 1 ] 由表3 可见，随着燃料率的增加，燃料燃烧热在 热平衡中占的比例也在升高，有的甚至高达4 0 ％， 相应的，烟气带走的热也随之升高。“氧气底吹熔 炼”工艺根本不配入其它燃料，因此烟气带走的热 量，即热损失，在各种熔炼工艺中也最少。 7 无碳造锍熔炼 在现有的熔炼工艺中，无论是闪速熔炼还是其 它熔池熔炼工艺，都需要配入一定的碳质燃料。配煤 率约为3 ％～6 ％，燃料燃烧热在热收入中约占2 3 ％ ～4 0 ％。“氧气底吹熔炼”工艺在造锍熔炼过程中， 却可以做到不配煤。以处理每吨矿料计，可减排 C o 1 1 0 ～2 2 0k g ，或以生产每吨粗铜计，约减排 C O 8 0 0k g 。若年产2 0 万t 粗铜，则可年减排C O 约1 6 万t 。 8 耗氧量低 造锍熔炼的化学反应耗氧量各种工艺方法是相 同的。不配煤减少了燃料燃烧消耗的氧气，这个氧 量也是可观的。 9 生产操作易于掌握 “氧气底吹熔炼”工艺操作简单易行，关键工艺 在于控制氧料比、熔体温度、冰铜品位、炉渣铁硅比 等参数，整套系统采用了D C S 控制，自动化程度较 高，易于掌握。 1 0 容易调控铜锍品位、不易产生“泡沫渣” 1 1 生产能力调节范围大 当炉子规格一定时，“氧气底吹熔炼”主装备一 一底吹炉实际处理料量的能力可在设计值基础上有 上下5 0 ％的波动范围。 4 分析与讨论 未经预干燥、细磨和制粒的炉料直接加入炉内 激烈运动着的气一液一固三相高温“乳化液”中，炉 料很快被吞没熔化，并迅速氧化还原，造渣与造锍反 应，冰铜与渣的微粒相互碰撞分别形成渣相与冰铜 相。 作者曾计算过它的卷流速度、循环速度、雷诺准 数、努歇尔准数和修正的弗劳德准数，数据表明均有 很好的反应条件。 底吹是完全的吹冰铜层，而冰铜的流动性比渣 的流动性要好5 0 ～1 2 5 倍，当其它条件相同时，底吹 时熔体中雷诺准数要高很多，相应的许多参数都优 于其它吹熔体的的方法。 底吹时，气体在熔体中是顺势而上，在上升过程 中，气体很容易被流动性很好的冰铜分割成许多小 气泡，同样气体数量时它有较大的气一液相界面面 积，有较好的反应动力学条件，所以反应迅速，熔体 被过热，并加速了渣和冰铜的分离。在气泡上浮过 程中，又具有“气泵”的作用，随着气泡上浮能量逐渐 万方数据 2 0 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 消失，所以无明显噪音。 氧枪送入熔体的气流直径是经风口送的气流直 径的1 ／l O ，因此气泡体积小，停留时间长，形成“乳 化液”体积大。底吹时滞留气泡体积为熔体的三分 之一，而诺兰达侧吹仅为1 9 ％。 吹冰铜因总有F e S 存在，生成F e 。0 。的机会 少。且富氧气体首先经过冰铜层的反应，进入渣层 时它的氧势已显著降低，气相的S O z 浓度显著升 高，因而不具备大量生成F e 。0 。的条件。 4 ．1 氧枪结构的优化 最佳结构的氧枪送入炉中的气体应具有较高的 速度。许多较细的气流分裂成许多小气泡，使熔体搅 拌均匀，无“死区”且不激烈冲刷耐火材料衬里。现 用的氧枪搅动过于激烈，有待进一步改进。 4 ．2 合理的氧枪布局及合理的枪距 现7o 和2 2 。 两排布置有波动叠加的问题， 单排置布为好。根据冷态实验给出的回归方程，有 效搅拌直径D e f f ／W 随修正的弗劳德准数Fr ，、液位 深度H 及氧枪直径的增加而增大，随炉子内径D b 、 氧枪间距W 的增加而减小。为了消除熔池底部的 死区和氧气的吸收，试验者建议设计取D e f f ／W 1 ．2 ～1 ．5m 为合理间距。 作者认为，从二维平面上看这个间距过大，有相 当大的部分未被搅动。应在此间距的基础上乘以 0 ．6 2 为宜。 4 ．3 渣的沉降分离 底吹炉、诺兰达炉和智利的特尼恩特熔炼炉一 样都是炉内分离，反应区要求熔体处于较强的搅动 状态以利于化学反应的进行，沉降区则希望熔体平 静，以利于渣相与冰铜相的分离。在一个炉内动与 静的矛盾难以解决，合理的炉体结构，按炉内尺寸计 算类似炉子的长径比列于表4 。 表4 各种卧式炉尺寸 T a b l e4S i z eo fd i f f e r e n th o r i z o n t a l s m e l t i n gf u r n a c e 由表4 可见，随着炉子直径加大，炉子长径比也 有提高的趋势，但是一定范围内加大长径比，对于降 低渣含铜并没有作用，智利科泰科公司特尼恩特炉 的渣含铜为4 ％～8 ％。为了提高直收率，降低能源 消耗，减少半成品周转，最好建电热贫化炉，将含铜 4 ％左右的炉渣，放入贫化炉，进行沉降和还原，将渣 含铜降至0 ．8 ％以下，再送去选矿弃渣含铜降至 0 ．3 5 ％以下，以减少铜的绝对损失，这样直接提高了 铜的直接回收率，也提高了铜的总回收率。 4 ．4 合理渣型的选择 当精矿含铜2 0 ．3 ％时，F e ／S i O 分别为1 ．1 、 1 ．2 、1 ．3 、1 ．4 、1 ．5 、1 ．6 、1 ．7 、1 ．8 、1 ．9 时，吨铜产渣 量分别为 t 4 ．1 0 、3 ．6 4 、3 ．3 3 、3 ．0 6 、2 ．8 4 、2 ．6 5 、 2 ．4 8 、2 ．4 0 、2 ．3 2 。 不同的工艺和技术条件有相适应的F e ／S i O z 渣 型，各生产企业，由于工艺方法和原料的不同，采用 不同的F e ／S i O 渣型，如同瓦纽科夫炉，诺里斯尔克 厂的F e ／S i 0 2 1 ．4 7 ～1 ．5 ，巴尔哈什为1 ．2 7 ～ 1 ．3 0 ，中乌拉尔则为1 ．3 0 ～1 ．4 0 。 F e ／S i 0 的选择要综合考虑产渣量、熔荆消耗， 渣含铜，应以铜的绝对损失和铜的周转循环量最少 为好。 4 ．5 渣贫化路线的选择 现在诺兰达工艺造高铁渣一渣选矿，弃渣含铜 低。直收率低；智利特尼恩特炉是造高铁渣沉降分 离，弃渣含铜高，直收率高；选择最佳F e ／S i o z 的炉 渣沉降还原分离，弃渣含铜低，直收率高； 另一种方案是在特尼恩特那样沉降分离后再加 F e S 造低品位 如3 0 ％C u 冰铜进行二次贫化，弃渣 含铜低。直收率高，总回收率也高。 渣选矿、渣缓冷占地面积大和直收率低的问题， 要求我们尽快研究解决渣贫化的合理方案。 5结论 富氧底吹熔池炼铜新工艺，具有投资省、运行成 本低、能耗低、操作与作业条件好、工人操作容易掌 握等优点，是一个比较成熟和完善的先进工艺。 参考文献 E l l 任鸿九．有色金属熔池熔炼E M ] ．北京冶金工业出版 社，2 0 0 1 ． E 2 1 朱祖泽，贺家齐．现代铜冶金学[ M ] ．北京科学出版 社，2 0 0 3 ． [ 3 ] 彭荣秋．铜冶金[ M ] ．长沙中南大学出版社，2 0 0 4 ． 万方数据