鼓风炉富氧熔炼炼铜.docx

鼓风炉富氧熔炼炼铜
简介
****公司位于**市，海拔约1700m，空气含氧量约16%（海平面空气氧浓约21%，每升高350m，氧浓约降1%），现有5.8m2、4.1m2鼓风炉两台，日处理
鼓风炉炼铜是一种古老的炼铜方法。铜炉料与熔剂、焦炭在鼓风炉内熔炼产出铜锍(或粗铜)和炉渣的铜熔炼方法。铜炉料可以是混捏铜精矿、铜精矿烧结块或其他含铜块料。密闭鼓风炉一般处理经混捏的铜精矿料，而敞开式鼓风炉只能处理经过制团或烧结的块料。根据炉内不同的气相成分，鼓风炉炼铜可分为氧化炼铜和还原炼铜。氧化炼铜用于处理硫化矿，还原炼铜用于处理氧化矿或再生铜料。这种熔炼工艺简单，床能力大，热效率高，渣含铜低投资省，建设快；在20世纪30年代以前一直是世界上主要的炼铜方法。在中国，20世纪50年代以前，这种方法几乎是矿铜生产的唯一方法。传统的铜锍熔炼鼓风炉的炉顶是敞开式的，只能处理烧结矿或块矿，所产烟气含二氧化硫浓度低，仅0.5％左右，难以回收，造成烟害。为了克服传统鼓风炉的这种弊病，人们曾试图通过制团的途径，使铜精矿中的硫保留下来，以集中到鼓风炉中进行氧化，再加上炉顶采取密闭措施，使鼓风炉烟气中的SO2浓度达到能经济而有效地回收的程度。在工业实践中，团矿偶然自燃后，出现块状硫化物以及鼓风炉炉壁结块中也有硫化物等现象表明，铜精矿可在加压和加热条件下发生固结作用。20世纪50年代初，日本四阪岛冶炼厂开发了料封式密闭鼓风炉熔炼法即百田法，铜精矿只需加水混捏后即可直接加入炉内，在炉气加热和料柱的压力作用下，固结成块，使熔炼得以顺利进行。直接处理铜精矿，烟气含二氧化硫浓度达4％～6％，可用以制取硫酸，减轻了烟气对环境的污染。60年代，苏联成功地采取了处理团矿或块矿的料钟式密闭鼓风炉富氧自热熔炼工艺。同期，波兰有2座料钟式密闭富氧熔炼鼓风炉投产。60年代中期，中国成功地进行了料封式密闭鼓风炉工业试验后，相继用以改造敞开式鼓风炉，解决烟害问题。至此中国的敞开式鼓风炉铜锍熔炼已全被料封式和料钟式密闭鼓风炉取代。1986年中国铜陵有色金属公司在料封式密闭鼓风炉基础上采用团块富氧熔炼。1993年设计建成了富春江冶炼厂料封式富氧熔炼密闭鼓风炉。

原理   鼓风炉是一种具有垂直作业空间的冶金设备，铜炉料、熔剂和焦炭从炉子上部加料口分批加入，靠其自身重力垂直向下移动，在高温下，与从炉子下部两侧风口鼓入的空气或富氧空气相遇，发生各种反应，而达到熔炼目的。熔炼产出的混合熔体进入炉底，通过本床咽喉流入设于炉外的前床(见电热前床贫化)内进行铜锍与炉渣的澄清分离。炉渣连续排放，铜锍按转炉吹炼的需要间断放出。产出的高温烟气，通过炉内料柱的空隙上升，经炉顶排烟口进入排烟收尘装置。鼓风炉炼铜的一般特征有四。(1)燃料在炉内燃烧，炉料与高温炉气成逆流运动，因而热交换条件好，热利用率高达70％以上。(2)鼓风炉的最高温度带集中在风口稍上的焦炭或硫化物激烈燃烧的所谓焦点区，焦点区最高温度可达1723K。(3)焦点区的最高温度取决于炉渣的熔化温度和粘度等性质，以及焦点区的热平衡；当炉渣成分一定时，强化燃料燃烧只能增加炉料的熔炼量，而不能提高焦点区的温度。(4)在鼓风炉熔炼过程中，气相与炉料之间的化学反应具有重要意义。
炼铜密闭鼓风炉   一种炉顶具有密封装置的鼓风炉。将传统敞开式鼓风炉的烟罩取消，于加料台平面上安设一个加料斗把炉口封住，炉气由加料台平面以下的排烟口进入排烟收尘系统。加料斗中经常保持有必要数量的炉料，特别是致密性较好的混捏铜精矿，以保证炉口密闭。炉子结构的其他部位，与传统敞开式鼓风炉大体相同。
密闭鼓风炉炼铜   铜精矿加水混捏(见铜精矿混捏)后，按规定比例配入块状的熔剂、转炉渣和焦炭等，按焦炭-转炉渣-熔剂-混捏铜精矿，或转炉渣与熔剂颠倒的顺序分批经由加料斗加入炉内。当炉料离开加料斗下口时，块料自然地向两侧滚动，混捏精矿沿加料斗下口垂直下降到炉子中心形成精矿料柱。于是炉子两侧便出现以块料为主而炉子中央则以混捏精矿为主的状况，使炉内炉料分布不均匀。
由于炉料分布不均匀，炉气通过两侧较多，而流经中心的则很少。如此，就导致炉子两侧温度比炉子中心高，越往上部，这种温差越大，在接近风口水平时，这种温差变小。这种状况有利于混捏铜精矿在炉内发生固结或烧结作用，为在鼓风炉内直接熔炼铜精矿创造了条件。但另一方面，由于物料的偏析和炉气分布不均，使炉气与炉料之间以及炉料各组分之间接触不良，削弱了硫化物氧化和造渣反应，这是密闭鼓风炉炼铜床能力低[40～50t／(m2•d)]和铜锍含铜品位低的根本原因。
根据熔炼过程的特点，沿炉子高度可分为预备区，焦点区和本床区。
预备区   位于炉子上部，温度为523～873K至1273～1373K。在此区域中进行炉料的干燥和预热，并发生铜和铁的高价硫化物离解及碳酸钙的离解反应。预备区的气氛属于氧化性，部分硫化物被氧化。在预备区下部，于温度较高的中央铜精矿柱的交界面上发生烧结作用。在料柱里面的铜精矿，受到两侧上升气流的间接加热以及料柱重力的压力作用，而发生固结，变成具有一定强度的精矿块。
焦点区   此区温度最高，为1523～1573K，气氛属强氧化性，进行半自热熔炼的主要反应。几乎所有的焦炭都是在焦点区依靠鼓风中的氧来燃烧。在焦点区内，被氧化的硫化物主要是FeS，其氧化产物随即与炉料中的SiO2造渣。此外，在SO2存在的条件下，入炉转炉渣中的Fe3O4和预备区形成的Fe3O4成为FeS的固体氧化剂，对反应(1)而言，1molO2的热效应为406kJ；而反应(2)，1molO2的热效应为343kJ，即焦炭燃烧的热效应大于FeS氧化造渣的热效应。从热力学观点看，在焦点区焦炭优先被氧化。而且，焦炭是以灼热固体状态进入焦点区，在被烧尽以前始终保持固态不变；而FeS则以熔体状态通过焦点区，迅速地向下流动。由于液体硫化物在焦点区停留时间很短，从动力学观点看，在焦点区FeS争夺鼓风中氧的能力远远不如焦炭。所以硫化物的氧化主要在预备区进行，它在焦点区被氧化的程度，主要取决于该处的焦炭量，亦即取决于焦率。在工厂的生产实践中，通过调整焦率，即可有效地调节熔炼过程的脱硫率和铜锍品位。在熔炼热平衡允许的条件下，要力求降低焦率以增加硫化物的氧化程度，达到提高烟气中SO2浓度和获得较高品位铜锍的目的。
本床区   炉子的风口水平以下部分为本床区，温度达1473～1523K。熔炼的熔炼产物汇集于此，并连续地通过咽喉口和流槽流入前床，在前床进行熔炼产物的澄清分离。本床在完成熔炼产物汇集、澄清的同时，还起调整熔体成分的作用。其中最主要的反应是熔解在炉渣中的Cu2O被铜锍中的FeS再硫化。鼓风强度是影响鼓风炉熔炼的一个重要参数，密闭鼓风炉的基本原料铜精矿是以混捏料的形式加入炉内，从而限制了鼓风强度。炉料中块料的比例对熔炼的技术经济指标有着明显的影响
工艺过程   鼓风炉熔炼的炉料从炉顶加入，从炉身下部两侧鼓风，一般进行半自热熔炼，即除炉料中硫化物氧化等放出的热外，还须补充冶金焦炭为燃料，在炉内完成炉料的部分焙烧脱硫、熔化、造锍和造渣等过程。由于高温烟气的流动与炉料的运动呈对流形式，热效率高，生成的铜锍和炉渣流入前床澄清分离。
料封式密闭鼓风炉熔炼直接处理铜精矿。要求铜精矿的硫铜比为1.1～1.5，二氧化硅含量不大于15％，氧化镁、三氧化二铝含量均不大于5％。炉料的块料率占40％以上，通常加入熔剂、吹炼渣、含铜富块矿等来作为块料，块料块度一般为30～80mm，铜精矿入炉前须经混捏，混捏时加3％～5％的石灰粉，以增加铜精矿的粘结性，混捏后的铜精矿含水14％～16％。加料顺序为：焦炭、吹炼渣、熔剂等，最后用混捏铜精矿封顶。
鼓风炉熔炼工艺简单，渣含铜低，投资省，建设快。其缺点是床能率、脱硫率、铜锍品位均低，增加吹炼作业的时间，且能耗较大，一般适用于规模较小的炼铜厂。
设备选择   有鼓风炉和鼓风机等。
(1)鼓风炉。为竖式炉型，有敞开式鼓风炉，料封式密闭鼓风炉及料钟式密闭鼓风炉几种，几种鼓风炉炉顶结构不同，炉身结构相同。规格均以炉床面积，即炉身风口区断面积表示，计算式为：
式中Q为日处理炉料量，t；ɑ为鼓风炉床能率，t／(m2•d)。大型鼓风炉断面为矩形，一般风口区的长度不大于9m，宽度为1～1.4m。小型炉多采用圆形，一般炉身采用水套冷却。60年代末，中国的鼓风炉炉身水套由水冷改为软化水汽化冷却，产出0.2～0.3MPa的低压蒸汽。汽包须设水位计、压力表安全阀等，以确保安全运行。铜鼓风炉熔炼的产物一般在前床沉淀。炉子前床容积可按日处理100t炉料需要4.5～6m3计算。
(2)鼓风机。要求风量稳定、风压可调。设计时风量可按冶金计算所需风量乘以过剩系数1.1～1.3考虑或按炉床断面积鼓风强度25～40m3／(m2•min)计算，风压为8～10kPa。
车间配置   为便于铜锍运输，鼓风炉与转炉垂直配置，鼓风炉前床与转炉配置于同一跨度内。车间内须设事故安全坑和地面防水措施。汽化冷却系统的汽包须设在鼓风炉上方，高出水套最高点6m以上。

改进成效 不论敞口鼓风炉炼铜法还是由它发展而来的密闭鼓风炉炼铜法，由于其烟气SO2浓度低，不能经济地回收，能源消耗高，难以大型化等，已陆续停止使用或被先进炼铜方法所取代。密闭鼓风炉其缺点是床能率、脱硫率、铜锍品位均低，增加吹炼作业的时间，且能耗较大，一般适用于规模较小的炼铜厂。

近年来,我国先后在铜冶炼的铜陵密闭鼓风炉和白银熔池炉采用了富氧熔炼技术。中国铜陵有色金属公司第二冶炼厂于1986年在两座10m。密闭鼓风炉进行富氧鼓风的生产性熔炼试验，取得了较好效果。当鼓风含氧30．5％时，同空气鼓风熔炼相比，床能力和脱硫率分别由42．7t／(m•d)和46．8％，提高到62．4t／(m•d)和57．2％，而焦率则由10．2％降到6．46％。
目前，我国有色冶金系统常用的熔炼炉配煤率为5%-7%，即100吨矿粉进去，需配上5-7吨煤。即便国际上先进的日本三菱法、加拿大诺兰达法等炼铜工艺，配煤率也要4.8%或3.4%。由此看来，如鼓风炉入炉块率保持较高，焦率还可稍降，与目前国内水平相接近。
实践表明,富氧熔炼不仅增加了熔炼能力,提高了烟气的502浓度,更重要的是降低了能耗,是实现自热熔炼的主要手段。据北京有色金属研究总院郭先健建立的铜精矿自热熔炼动态热平衡数学模型为:dQ/dt=(762.7+2313/Rs-665.5/RsXs-610.5/Yo_2)V模型的计算及分析结果表明,精矿含硫量的增加有利于熔炼过程的热平衡。若精矿含硫分数低于0.25,采用富氧对过程的热平衡产生负效应。在脱硫率为0.60时,对于精矿含硫分数分别为0.30、0.35和0.45,实现自热熔炼的富氧浓度分别为70%,45%和30%。当精矿含硫分数低于0.29时,提高脱硫率有利于过程的热平衡,而高于0.29时,则不利于过程的热平衡。
对比项目
烟气SO2浓度（%）
床能率（t/m2*d）
焦率（%）
渣含铜（%）
脱硫率（%）
富氧浓度（%）
空气鼓风
3-5
40-50
8-12
0.2-0.3
40-55
-
富氧鼓风
5-7
50-60
6-8
0.2-0.3
40-55
24-27
（某厂富氧后指标对比）

结语 由于鼓风炉的诸多缺点，加之面临国家、社会环保意识的大幅提高，环境保护、低“碳”经济已成为政府倡导产业发展的新方向，为此强化对鼓风炉富氧熔炼的研究，以低改造成本强化冶金过程、提高冶炼经济技术指标，是我国在目前情况下小型冶炼厂适应自己生产规模、原料技术水平等条件，技术操作和技术控制方便易行，节约成本、经济适用的较好方式。采用富氧熔炼，使密闭鼓风炉熔炼工艺在环境保护 日趋严格的背景下，在山穷水尽的状况中得到了一线生机。

参考
郭先健《铜精矿富氧自热熔炼动态热平衡数学模型》
余楚蓉 《硫化矿鼓风炉富氧自热熔炼》
2006版《铜冶炼行业准入条件》
杜子瑞《关 于铜熔炼工艺改造的几点看法》