七种火法炼铜方法近况_李以椿.pdf

?七种火法炼铜方法近况北京矿冶研究总院李以椿近年来,国外火法炼铜技术并无根本性 或突破性的进展,但由于环境保护、节约 能源和提高单位处理量等方面的要求,火法炼铜 界仍在 不断地探索改进现有的各种炼铜方法及设备,取得了一定的效果,主要反映在以下七个方面?一、反射炉采用富氧空气卜、从产铜 的数量来说,反射 炉至今仍然是主要的炼铜设备,但因为它不能适应环境保护和节能的要求,人们一 直在试 图对 它加以改进或用新的设备 来代替它,这在过去已有不少论述。最近有人详细地叙述了反射炉现在的 生产 情况,并提 出了关于提高单位处理量的建议。所研究的反射炉是烧油的,处理热焙砂。考虑了三个 办法?加大炉子的尺寸,这受到场地空间的限制,办不到,采用预热空气,这在理论上按计算是 可 行的,但实行起来,炉气 体积会增大,抽力条件和烟尘 的回收都会恶化,而且要安装适合的预热 器也受到场地空间的限制?采用富氧鼓风,这已有许多冶炼厂实行,由于以氧代氮,炉气体积减小,损失于废气中的热也少,而且火 焰温度高,生产能力显著提高。热平 衡计算表明,以现有辅助设备,鼓 风含氧?是可以做到的,从而满足增产的要求。也曾考虑在 炉顶安装氧一燃料烧 嘴,但炉顶 太拥挤,而 且这样做会使得耐火材料的损坏加剧。于是决定在侧面 烧嘴下 面用喷枪喷人氧气,这样也就是 从火焰下面 供氧。这种办法能提高料坡附近的火焰温度,高温区离炉顶较远。此法可能不是普遍适用的,因为制氧消耗能量也较多。每一具体情况下须作具体分析。爪三 菱连续蜂铜法的改进关于三菱连续炼铜法已有许多报导,这种三个炉子 的顶吹方法有其优点,有其独特之 处,但也存在一些问题。从?年其工业生产炉在日本直岛厂建成 投产以来,就有以下几个问题需要加以研究解决?探索适当的吹炼炉 炉型,以保证衬砖在 升温期均 匀膨 胀,在冷却时均匀 收缩?如何防止用顶吹喷枪喷人固体炉料而造成的熔炼炉炉底腐蚀,如 何防止熔炼炉和吹 炼炉 渣线的腐蚀。?一?炉型最初的炉型是椭圆形,经过仔细的研究后,认 为圆形较好,能保证衬砖在 升温和冷却时均匀膨胀和收缩,于是在?年将炉子改成了圆形。?二?关千熔 炼炉炉底的腐蚀熔炼炉炉底为倒拱结构,有 两层砖,上层为?毫米厚的熔铸 砖,下层为?毫米厚的化学 结合铬镁砖,这两层砖的下面是捣 筑的方镁石炉底。?年?月工业炉投产后不久,往 炉中喷人了固体炉料?万吨后,发现炉底遭到部分破坏,喷枪正下方的腐蚀深度达到了第二层。熔池深度从?毫米增加到?毫米。同时,研究了气一固混合物喷流对于 炉底砖工作情况 的影响,为此在实验室使用各种参数做了一系列冷模试验,导出了喷流对于炉内熔体的穿透情况的经验方程式。虽然是冷模试验,而实际情况涉及相的变化和化学反应,情况很复杂,但从熔炼炉底观察到的腐蚀来判断,该方程式的适用性是令人满意的。据该 式计算的穿透深度大于?毫米,可见固体颗粒已经穿透了熔池而到达炉底,而且具有足够的动量来腐蚀炉底砖。根据试验结果,改变了一些操作条件,如熔池深度犷喷流速度、固体加料速度、加料时间和喷枪直径。据计算,即使每日固体加料址比过去大大增多,目前喷枪喷流 颗粒的穿透深度也不到?毫米。最近一个炉期 中,每个月用钢 钎量喷枪 正下方炉底的腐蚀,发现通过?根喷枪 加了?万吨固体炉料以后,砖腐蚀的最大深度是?毫米,而且已经稳定下来,不再进一步腐蚀了。?三?关千渣线的腐蚀火法冶 金炉中渣线耐火材料的腐蚀一 般比其它部位为重,三菱法使用喷枪进行喷吹,熔体湍动,渣线耐火材料所处条件 更为恶劣。渣 线砖 外面使用内表面喷水的钢水箱一直是有效的,熔炼 炉和吹炼炉渣线 耐火 材料维持了一个炉期或一年以上。但吹炼炉冰铜注人区例外,该?区由于冰铜与炉渣 的反应,炉衬处于腐蚀最严重的条件下,冰铜注人孔周围的炉衬每?至?个月就要进行一 次热补。于是在?年?月将此区的钢水箱换成铜水套,同时改造了冰铜注 人溜槽,结果此区炉衬保持到?年?月仍然完好。?四?关 于短 焰烧 嘴的采用烧嘴附近的耐火材料,既受到喷溅熔融物料的作用,又直接暴露于烧嘴的高温火焰。最初在靠近烧嘴的地区加了三层铜水套,后来研究了采用短 焰烧嘴的问题。此短焰烧嘴有一个燃烧室,燃烧气体以高速度送 人炉内。经过初步实验,于?年将 熔炼炉的两个 传统长焰烧嘴换成短焰烧嘴,两个短焰烧嘴之间的侧墙挂上炉渣。在一年 的炉期后,此区砌 砖未见腐蚀,而在传统长焰烧嘴区的砖腐蚀相当严重。于是在?年将其余的长焰烧嘴也都换成了短 焰烧嘴。?五?关于粉煤喷吹技术即把煤和精矿一 起从喷枪给人,借此使煤在熔池表面燃烧。按此方式加人的煤代替了一部分通过烧嘴供给的燃料油,一方面省了油,另一方面 减轻了烧嘴的负担,同时进一步延长了耐火材料的寿命。由于采取了以上几方面 的措施,渣线、冰铜注人区、喷枪正下方炉底的问题都解决了,炉寿延长到了几年。同传统的铜 熔炼和吹炼方法比较,耐火材料单消大大降低,每生产一吨铜仅耗砖?公斤。三、闪速炉耐火炉衬结构的改进目前,闪速熔炼法,就生产铜的数量而言已成为仅次于反射炉的第二种主要炼铜法。从发展前途来说,则远胜于 反射炉。在发展初期,闪速 熔炼作业率不高,主要原因在于 渣含铜高、锅 炉易出故障以及炉衬耐火材料的损坏。后来锅炉的问题得到了解决,由于采用电炉贫化 或炉渣选矿,渣含铜高的问题也得 到解 决。初期的闪速炉,炉墙 中没有装冷却 装置,衬砖很快就损坏了,在不得已的情况下,用水直接冷 却反应塔外壳钢板 的表面,衬砖腐蚀掉了,反应塔中只留下了外壳钢板和内侧薄薄的覆盖层。其他一些重要部位,如沉淀池正对反应塔下方的端 墙和侧墙,以及反应塔和 沉淀池炉顶相接处的拐角,受到高温气流、烟尘和熔体的冲刷,沉淀池渣线受到炉渣的冲刷,反应塔顶和沉淀池顶受到来自钢炉壳的热应力以及由于反复加热和冷却产生的热应力的作用,反应塔顶上还要安放一些东西如精矿喷嘴等,又增加了所受应力?沉淀池底衬砖热膨胀而开裂、浮起等。所有 这些部位 损坏都比较 快,或者被腐蚀,或者衬砖脱落严重影响炉子的寿命。经过近二十年的实践和改进,闪速炉耐火炉衬的寿命问题已大体解决,主要是采用了日本古河公司在足尾冶炼厂研究成功的所谓立体冷却系 统和?梁。闪速炉各部位的改进大致如下?一?反应塔侧墙原来仅在炉壳钢板外侧喷水冷却,寿命只有?个月。后来在衬砖内每隔一定高度装设一层铜水套,其大小按最佳冷 却效 果计。算,运 转几年以后,仍保持有?的砌砖厚度,而且辐射热下降到?“卡?米?时,但炉壳表面温度有时上升到?护?或更高。后来在钢壳 与衬砖之 间装设一些带有翅片的水冷铜管从而使得炉壳表面 温度下降了?。这就是所谓的立体冷 却系 统。这样,未经检修连续运转?年似后,砌砖 仍处 于完好的状态。?二?反应塔塔顶早期反应塔顶是圆顶,建于 侧墙上,精矿喷嘴就置于圆顶上,因而受到来 自外 壳的直接热应力,各种孔口和精矿喷嘴底座的扳伤,砌砖发生变形和错位,甚至可能造成圆顶的坍塌。后来,闪速炉尺寸扩大,从而反应 塔 直径增大,塔顶上的孔口数目和精矿喷嘴 的数目也增力比了,塔顶上放的设备很复杂,因而塔顶必须改进。目前反应塔顶为半水平式,即中部水平 而 边缘下斜?塔顶内装有三组同心的?梁,?梁的形状与砖结构吻合,而且其上装有带 翅片的水冷铜管。由于?梁使耐火材料强烈冷却,故其寿命延长了?又由于炉顶被分成了几个部分,故热应力被避免了?而且炉顶独立于侧墙,从而也避免了来自塔身的热应力。经过?年的运转,此塔顶依然完好。?三?沉淀池项沉淀池顶一般是拱顶,由于反复受到热和冷却,在热应力的作用下,砌砖产生?变形错位,出现掉砖的现象。为此,在沉淀池顶中也装设若千?梁,从而避 免了变形掉砖的问题,而且使得 有可能设计 月产万吨铜的大型闪速炉,同时有可能设计平顶以代替拱顶。这样的沉淀池顶,寿命也达到了?年以上。?四?沉淀池侧墙和端墙采用了如反应塔中那样的立体冷却系统,渣线采用优质耐火材料。结果,反应塔正下方的侧墙和端墙渣线的一些部位在?目?一?年后 才进行更换,其它部位寿命?年以上?不在反应塔正下 方的侧墙和端墙寿命?年以上?五?沉淀池底为防止漏液、衬砖浮起等 问题,并加强保温,采取了如下措施?适 当配置一些膨胀吸收区,并保证其质量?改进砌砖的设计,尤其是拐角砌砖设计,适当应用具有不同膨胀率的不同的砖,以防漏液?采用倒拱设计,以防砖块浮起?炉底设计得较厚,大 致从上到下有碱 性砖、捣 固镁砂、耐火砖、膨胀吸收层、绝热砖、石棉、氧化 铝水泥等,从而辐射热下降至约?千卡?米时。?六?拐角包括反应塔同沉淀池拱顶的接头处以及竖烟道同沉淀池拱顶的接头处,以往用砖砌成,损坏 很快,维修 困难。现 采用了?梁及带翅片的水冷 铜管,有三种结构,效果都好,寿命达到?年以上。另外,竖 烟道的砖结构也有改进。目前,闪速 炉冰铜品位增高,普遍应用了富氧空气,而且氧浓度明显提高,有的已达?耐火材料工作 条件就更为恶劣,故耐火材 料?特别是渣线砖?、冷却 系统、闪速炉建造方法都需 要进一步改进。四、氧喻 林熔炼法众所周知,反射炉这种熔炼设备虽已过时,但为什么至今反射 炉仍然是最主要的炼铜设备呢?为什么已经出现的各种更优越、更高级、连续的方法未能 千千脆脆地把反射炉顶掉呢?主要在于投资。据报导,各种代替反射炉的新方法要花许 多钱,而在原反射炉的基础上来进行改造,则可节约财力,即节约炉子及其基本设施所需的基建投 资。氧喷淋熔炼法,就是在这样的背景下 提出的一种过渡性方法。该法的实质是将反射炉不必要的孔口全部封 闭,在 炉顶上安装三个氧喷淋 烧嘴、铜精矿、熔剂、粉煤 和氧气都由此喷人炉内,此喷淋烧嘴是特殊设计 的,因为反射炉内垂直空间有限,故要求此烧嘴能使固液各相充分混合,以 适应“闪速”熔炼的需要,同时要求能均匀地将颗粒物散布在尽可能宽的熔池表面上。可见,这种烧嘴的作 用在于界面传热和传质的改进以及炉内热分布 和质分布的控制,已经远远 超出了硫化物 闪速氧化 的范围。已经制作了工业规模 使用的此种烧嘴并在工业规模做了实验。冶金计算表明,对成 分?为?,?,?,?的干燥铜精矿,每日处理?吨,产出含?的冰铜,即可实现自热熔炼。每磅精矿耗?工业氧?磅,烟气 含?,烟气量小,约?标 英尺”?分,只为烧矿物燃料的?左右。氧喷淋熔炼还可 通过喷淋烧嘴给人粉煤,从而更适应地区条件。粉煤用量约占精矿皿的?。英热单位?磅的粉煤?,氧 消耗量为?磅?磅 精矿,产 出含?的冰铜,即可实现热平衡。拱顶反射炉奴喷淋熔炼指标表?数量?吨阳极单位能耗?英热单位?英热单位?吨阳极,口?咭,口?八?,?,曰?甘八?三丹乙八?八“?千燥炉料煤氧气熔剂烟气处理蒸汽发电?。?吨?磅?标英尺“?吨?标英尺?度?吨?磅?。?标英尺“?“?吨?标英尺?度一?。?蒸汽发电?吨粗铜?度?“?吨?度?。?一?。?吹炼阳极生产杂项?。?吨?度电?“?吨?度?。?。?反射炉烟气转炉烟气?度电?度电?度?度?制酸总计?。英 热单位?吨阳极铜二?,?千卡?吨阳极铜?。?,?将现 有反射炉改为氧喷淋熔炼时,需要把全厂作为一个整体,考虑各个工序。作这种改造需要一台精矿千 燥窑、一 个工业氧气厂、必要的料仓、烧嘴和其它辅助设备。如果现有反射 炉是碱性拱顶,则改氧喷淋熔炼更为有利?熔炼速度?!吨精矿?日,燃料率?。“英热单位?吨精矿,冰铜品位?,氧 利用率?,?用量?标 英尺“?吨精矿,吸人空气?反 应?量?。标英尺?吨精矿,烟气含?,转炉 烟气含?,熔炼每吨阳极铜可得酸?吨。其他指标列于表?。由下 图可看出,氧喷淋熔炼的理论燃料效率与闪速熔炼工况直线的最佳部分相吻合,因此,如果实际中有必要,可以接受附加 能耗。?点代表生料反射炉熔炼,?点代表热焙砂反射炉熔炼,?和?代表奥托昆普闪速熔炼,?代表国际镍公 司闪速熔炼,?代表三菱连续熔炼。反射炉改氧喷淋熔炼时建的制氧厂 和千燥精矿的设备,以后可 以用于新 的更先进的连续炼铜 法,故可看作是一种投资储备或设备储备。氧喷淋熔炼 法已做了在冶炼厂的工业规模实验的规划,世界火法炼铜界人士正在很有兴趣地期待着看到实验的结果。如果成功,则在环保和节能以及其它方面都是一次巨大的胜 利。一确?卜?蛾留哪医、平十冬工?留、哥划株我乞工?田肠?工业氧?标米,?吨阳极铜富妞对?的影响五、旋涡熔炼与炉渣连续顶吹贫化旋涡熔炼并非新方法,已经得到了不 同程度的实际应用。但是,旋涡熔炼炼铜则不然,虽然国内外都做了不少实验,但都半途而废,未获成功。最近西德有家公司把硫化铜精矿的连续 自热旋涡熔炼 与炉渣的连续顶吹贫化 结合起来。在中间实验工厂进行了试验,取得 较好 的效果。在此基础上为南美一 家工厂的建厂提出了报价 单。另外还考虑在现有反 射炉上如何加旋涡室而改为此法的问题。旋涡熔炼 法有许多固有的优点,其中最主要的是 过程得到强化。表?将旋涡炉同闪速炉的有关数据进行了对比。可以看出,旋涡炉的单位热负荷比闪速炉高?一?倍,单位处理量高?一?倍。此外,旋涡炉操作灵活,开炉停炉只须几秒钟?对物料的适应性大,既可处理单一精矿又可处理复杂精矿?生产过程 中可随时改变物料组成或产品冰铜品位,而无须中断操作。西德中间实验工厂建的旋涡炉为立式,因卧式的热分布及过程控制较复杂。炉壁用水套,第一批熔融炉料在冷 炉壁上形成一层厚约?厘 米的保护层。氧气沿切线方向喷人,固体料垂直加人或经一喷嘴 由氧气带 人。炉料含水?一?,粒度一?毫米。根据热平衡算 出的旋涡炉温度为?卜?,有利于减少?的生成,故渣含铜不超过?一?。熔融产品和烟气 流通过旋涡炉底的一个出口进人下面的沉降分离室?或称沉淀池?,连 续 顶吹?即所谓的?法?准此进行,此法贫化炉渣比电炉和浮选都便宜,而且效率高得 多。顶吹气流冲击熔体表面,使其形状改变,从而气流发生偏 转,此偏转气流造成熔体的回转,因而使反应 表面不 断更新。如果不仅要控制传质还想控制传热,则可采用一种特殊喷枪,中央喷出高速还原性气流,四周被几股缓慢流动的加热气流所 包围。还原气流是丙烷 和氧的混合物,实验室实验 表明,用甲烷或天 然气和氧的混合物可获同样效果。沉淀池中共装了?根顶吹喷枪。沉淀池用隔墙分为两部分,第一部分是分离室、第二部分是反应室,喷枪即装在反应室中。为了确保所有的炉渣接连从所有三根喷 枪下面通。过,隔墙还 起到导流作用。表?是 连续作业的中间实验结果。弃渣 含铜?,这个数字本来可 以更低,因为中间工厂场地空间受到限制,沉淀区较短,如果加长沉淀区,弃渣含铜可以降到?以下。为南美设计 的工厂年产粗铜?万吨,原料粒度一?毫米,回转窑千燥至含水?。干燥利用熔炼炉烟气 的余热,干精矿加电收尘烟尘人旋涡炉,以。?工业氧气进行氧化。旋涡室高?米,直径。?米。日产?冰铜?吨。吹炼采 用氧气顶 吹转炉。连续 顶吹炉面积?米“,在顶吹喷枪与冰铜放出口熔炼和吹炼烟气合并,含?,经电收尘 后制之间设计了一个足 够的 稳定沉降区。精 矿 含酸。消耗指标见表?。?、?!、532%,加料速度152吨/日,熔炼铜冰铜的旋涡炉和闪速炉反应塔的数据比较表2闪速炉反应塔旋涡炉项目单位东予K H D二精矿氧化剂反应器容 积反应器面积单位熔炼能力单位热强度单位热损失吨Z日奥托昆普720:(80%)米3米2吨/米3日1。“焦耳/米3时106焦耳/米2时1000空气(500)1751455。71090642。268。6731。93250227额尔齐斯*40002(95%)1。56。526728000418240:(99%)0。09l。2626736600234.苏联冶炼厂。二西德所做实验。中间工厂试验数据表3加人:精矿CUFeS硅砂、石灰石氧(旋涡炉)丙烷氧(ContoP.)100。公斤/时25%30%33%110公斤/时6。公斤/时240标米3/时26标米3/时6 4标米/时产出:冰铜CUFe炉渣CUFe5 10:CaO旋涡炉烟尘CU旋涡炉烟气5 0:连续顶吹烟尘连续顶吹烟气325公斤/时72%5%660公斤/时1%43%28%9%4 8公斤/时13%270标米,/时67%7公斤/时200标米/时每吨精矿的消耗数字表4项数字石英砂石灰石氧丙烷天然气水(包括酸厂耗水)电能(包括酸厂耗电)每班人员176公斤106公斤337标米39标米“2 2标米392米328 1 千瓦小时13人.现有反射炉也可按此法进行 改造,在炉顶上装并没有什么困难。反射炉加装旋涡炉后,环境保护、设一个或多个旋涡室,反射炉作为沉淀池,反射炉节约能源、提高单位处理量等都解决了,是一个值中部装设两排共2 0根顶吹喷枪进行连续顶吹,炉子得一试 的办 法。后半部作为沉降区。炉渣的温度靠顶吹喷枪来保总而言之,旋涡炉有以下特点:充分利用了精持,同时炉渣得到还原。旋涡室可以考虑装设4个,矿本身热值,结 构紧凑,占地少;热强度高,处 理分两排,成正方形配置。由于旋 涡炉的灵活性大,量大,金属 直接回收率高;烟气体积小,502浓度可以熔炼低品位冰铜,所以现有 反射炉冶炼厂采用高;小厂也可应用,而且在经济上也合算。烟化炉、闪速炉和反射炉的比较表5规格、指标和条件新 炉子闪 速炉熔池表面积(米2)日处理址(吨料)床能率(吨/米2日)冰铜品位(%)渣含铜(%)鼓风氧含址(%)烟气5 0:含量(%)炉料含水皿(%)炉料粒度(毫米)烟尘率(占料重%)201500754 0一750。5一0。750一7012一7571001一1。512012001040一501。0一1。290一976习一8010.15一10反 射 炉300130030一400。4一0。630一401一25一71001一2六、烟化炉富氧侧吹法七、硫化铜精矿死烧一竖炉熔炼苏 联搞了一种烟化炉富氧侧吹法来熔炼 硫化铜精矿,据称生产率是闪速 炉的6一7倍,而备料费用则便宜得多,炉子简单而紧凑,可以处理 块度大1 00毫米的物料,原料含水达7%也能进行处理。这种新熔炼法是一种连续法,炉子 同烟化炉类似,炉顶加料。含氧3 5一9 0%的富氧空气从侧面吹人熔体,炉渣和冰铜通过各自的放 出口放出。为了每天处理1500吨料,风眼水平面熔池断面应 当为2米xl o米。当炉料中硫化物含量低时,则须补加少址燃料。工业上采用的第一台此种熔炼炉(日处理皿1500吨)的经 验表明,燃料补给量可在炉料量 的5%以下石表5将 这种新炉子的特 点与闪速炉和 反射炉进行了比较。用此法生产粗铜是AMA X公司首先提 出的。精矿沸腾焙烧,焙砂含硫约1.2%,脱硫率在9 6%以上。送制酸厂的烟气502浓度为1 2一1 4%。焙砂混以少量熔剂制粒或制 团。按使用木质纤维素作为粘合剂进行冷压团计算费用。中间实验工 厂试 验表明,当硫含量低于1.5%时,熔炼时不生成冰铜相。竖炉采取高温炉顶操作,因此挥发性金属被氧化,与5 02反应,生成硫酸盐,捕集于布袋收尘器中。表6列出了1979年各种规模的投资和生产费用。据称,除基建费用低外,生产还很灵活,焙烧制酸厂可以 同冶炼厂分开,置于其它地方。此法另一好处是 当小规模生产时效率仍然很高,这对小矿山可 能是有利的。.死烧一竖炉熔炼 的投资和生产费用表6年产阳极铜(吨)800004000025000荃建费用(x1 0“美元)(美元/年.吨)生产费用(x1 0“美元)(美分/磅)105。7132117。1149。768。617159。80611一149。81992f i6。300决1 2。0