铜冶金学第3章

第三章

闪速熔炼

3.1概述

闪速熔炼是现代火法炼铜的主要方法。它抑制了传统方法未能充分利用粉状精矿的宏大外表积,将焙烧和熔炼分阶段进展的缺陷。大大减少了能源耗费,提高了硫利用率,改善了环境。闪速熔炼是将经过深度脱水〔含水小于0.3%〕的粉状精矿，在喷嘴中与空气或氧气混合后，以高速度〔60～70m/s〕从反响塔顶部喷入高温〔1450～1550℃〕的反响塔内。精矿颗粒被气体包围，处于悬浮形状，在2～3s内就根本上完成了硫化物的分解、氧化和熔化等过程。

熔融硫化物和氧化物的混合熔体落下到反响塔底部的沉淀池中聚集起来，继续完成冰铜与炉渣最终构成过程，并进展沉清分别。

炉渣在单独贫化炉或闪速炉内贫化区处置后再弃去。

闪速熔炼有以下的特点：321焙烧与熔炼结合成一个过程；炉料与气体亲密接触，在悬浮形状下与气相进展传热和传质；FeS与Fe3O4、FeS与Cu2O(NiO)、以及其它硫化物与氧化物的交互反响主要在沉淀池中以液—液接触的方式进展。闪速熔炼有两种根本方式：1精矿从反响塔顶垂直喷入炉内的奥托昆普闪速炉〔图3.1〕；精矿从炉子端墙上的喷嘴程度喷入炉内的因科闪速炉〔图3.2〕2图图3.1奥托昆普闪速炉图3.2INCO闪速炉

闪速炉的主要熔炼过程发生在反响塔内。气流中的精矿颗粒在分开反响塔底部进入沉淀池之前顺利地完成氧化和熔化等过程。

发生在反响塔内的是一个由热量传送、质量传送、流体流动和多相多组分间的化学反响综合而成的复杂过程。

研讨反响塔内的传输景象，对获得高的消费率与金属回收率、长的炉寿命和低的能源耗费的具有实际指点意义，也为喷嘴和炉型设计的改良提供根底。

3.2闪速熔炼实际根底3.2.1反响塔内的传输景象从反响塔顶部喷嘴喷出的气-固〔精矿〕混合流，分开喷嘴后，在塔内构成了两个区域：

3.2.1.1精矿颗粒和气体的运动规律1.喷嘴口附近的放射区〔或称入口区〕；扩张区延续到熔池面上时流体外形改动。此时的气流速度称为终点气流速度。2.扩张气流区(如图3.3中的截面A-A以下)。图3.3反响塔内的气体-精矿流分布表示图〔中央喷嘴〕式中,Ux为从入口点开场的x间隔上的中心放射速度(m/s)；U0为入口初始速(m/s);r0为入口喷嘴半径(m)。式(3-1)阐明,气流的终点速度乃由入口初始速度决议，入口初始速度对气体在塔内的停留时间起着决议性的作用。Ux=12.4U0r0/x(3-1)等温气体放射时的速度衰减由下式表达:公式(3.1)是在等温情况下得出的。

由于化学反响产生的热使塔内的气体瞬间被加热到高温〔1300℃以上〕，气体体积膨胀扩张了放射锥空间，因此真实速度将大大减少。

对高为9m,直径为6m的反响塔，当入口初速度为30m/s时，气流在塔内的停留时间约为2s。从反响塔顶落下的颗粒是与气体处在同样重力作用下的流股中。因此,颗粒的速度等于气流速度加上颗粒的下落速度。

在实践条件下,混合流中的颗粒分散度是很大的,相邻两颗粒间的平均间隔大约等于20个颗粒的直径,甚至更多。

颗粒的终点速度就可以用斯托克斯公式来描画:

up=gc(ρp-ρg)d2p/18η(3-2)

式中,up为颗粒的终点速度〔m/s〕；gc为重力加速度(m/s2)；ρp和ρg分别为颗粒与气体的密度〔kg/m3〕,dp为颗粒的直径(m)；η为气体的粘度[kg/(m·s)]。按式(3-2)的计算,10μm颗粒的终点速度仅为0.04m/s,而200μm颗粒的终点速度为1.6m/s。因此,细颗粒流经反响塔的速度几乎与气流速度相等。而其停留时间也约为2s。较大颗粒经过反响塔的速度约2倍于气流速度(2m/s+1.6m/s),停留时间更短。对某些工厂反响塔操作数据的统计阐明：在不同的反响塔的高度下，平均气流速度为1.4～4.7m/s时,相应的气体停留时间如图３.4所示。

图3.4不同高度的反响塔中的平均气流速度与其停留时间(按N.J.Themelis数据绘出)3.2.1.2精矿颗粒与气流之间的热和质传送除了颗粒与气流运动的特性外,反响塔内的传热与传质也是闪速熔炼过程进展的重要根底。在精矿粒子和气体流之间的传热与传质速率是由无量纲因子联络起来的努塞尔数〔Nnu〕和谢伍德数〔Nsh〕来描画的，如下面等式所表达:

由该二公式可见，影响颗粒与气体之间的热和质传送的要素有颗粒直径、流体热传导率、颗粒与流体的相对速度和流体的性质〔密度、粘度与比热〕。表3.1颗粒尺寸对其终点速度、传热和传质系数的影响颗粒直径，μm1050100200终点速度，cm/s0.399.9439.8158热传递系数，j/cm·s·℃1.770.360.190.12质传递系数，o，g/cm·s在纯氧中1.1760.2460.130.081在空气中0.2440.0510.0280.07表3.5列出了按式〔3-4〕计算的在平均膜层温度为1000℃下的颗粒直径对其终点速度、传热与传质系数的影响。

与细颗粒相比,粗颗粒不但具有比外表积小和停留时间短的缺陷,而且热传送和质传送系数也小。

在干精矿中,粒度级别的分布是不均匀的,全部颗粒到达同样的反响程度是不能够的。对粗颗粒会有反响缺乏,细颗粒那么会反响过度。精矿中最常见的矿物有黄铜矿(CuFeS2)和黄铁矿(FeS2)。闪速炉内发生的总反响可以表达如下:

CuFeS2+5/4O2→1/2(Cu2S·FeS)+1/2FeO+SO2

2FeS2+7/2O2→FeS+FeO+3SO2

3FeO+1/2O2→Fe3O4

精矿颗粒氧化后最后构成的硫氧化物是在炉气一定的氧分压〔logPo2约为-1.7〕下反响平衡时的产物,能够的各种组成在图3.5上指出。3.2.2反响塔内精矿氧化行为与炼产物的构成图3.5Cu-Fe-S-O体系相平衡中的logPo2(101.3kPa)--1/T(K)图条件:Pso2=1.013×104Pa由于精矿颗粒粒度与其外表性状的差别，喷嘴构造及其工况参数的影响，精矿颗粒在分开喷嘴后下落过程中的变化是不同的。有三种情况存在：

1.易燃的铜精矿粒子〔或反响快的粒子〕直接被氧化成白锍或带金属铜的白锍，氧化放出的热量使精矿粒子熔化为液态；2.过氧化的熔融颗粒；3.未反响的颗粒。过氧化的熔融粒子在反响塔内下落时，它们彼此之间或者与尚未反响的固体粒子〔反响慢的粒子〕之间将发生碰撞。过氧化粒子中存在Fe3O4，与熔剂粒子碰撞时发生复原造渣反响，并把热量传给未反响粒子而使其熔化。由于粒子之间相互碰撞，粒子直径逐渐增大。

在炉料中装入烟尘和不装入烟尘的条件下，根本完成复原与造渣反响的时间是不同的，即该过程继续在反响塔的高度段上是不同的。前者在3m以下。

反响塔出口部的最终产物，是由辉铜矿和斑铜矿为主的过氧化熔融粒子和未反响的黄铜矿固体粒子所组成。

从反响塔落下的MeO-MeS液滴还只是初生的锍和渣的混合熔融物，到了沉淀池后,除了进展由于比重不同的分层外,还有一系列的反响要继续进展。继续反响的条件和终渣的组成除了受沉淀池的温度、气氛和添加燃料等影响外，还取决于初渣的氧势、温度、初渣中二氧化硅的含量以及烟尘前往量的多少等要素。

3.2.3沉淀池内的反响在沉淀池内的主要反响有以下几类:

1.Fe3O4的复原反响

[FeS]+3(Fe3O4)=10(FeO)+SO2〔3-5〕

在有SiO2存在的情况下,FeO与SiO2造渣,使Fe3O4的复原变得容易。影响该反响进展的要素是炉渣中Fe3O4的活度、Fe/SiO2、锍档次、二氧化硫分压和温度以及各相之间接触的动力学条件。

根据图3.6，可以确定出沉淀池终渣中Fe3O4的含量(%)与锍档次的关系。条件：PSO2=10kPa;Fe3O4%含量除1270℃时，渣含SiO2为26%外，其他均为渣饱和SiO2图3.6锍-渣-炉气体系中锍档次与炉渣中的Fe3O4%关系控制Fe3O4的普通途径有:1.提高反响塔温度2.添加沉淀池燃油量，降低锍档次3.降低Fe/SiO2，参与煤，以及优化喷嘴构造与操作条件等。2.Cu2O的硫化复原反响(Cu2O)+[FeS]=[Cu2S]+(FeO)式中,[]表示锍相,()表示渣相。在熔炼温度1573K时,平衡常数为9604,这样高的值表示着反响向右进展的能够性大，从而以Cu2O方式进入炉渣的量相当小。该反响所表示的是实际上的情况,在消费实际中,影响反响进展的条件是较复杂的,Cu2O的硫化复原反响能够会推迟。3.继续氧化反响

在高强度氧化熔炼消费高档次锍时,反响塔会产生过氧化,液滴落入熔池后,还会发生硫化物的继续氧化反响。3.2.4杂质元素的行为与分布闪速熔炼时,精矿中的Pb、Zn、As、Sb和Bi等杂质元素的行为与分布是一个值得注重的问题。杂质元素在闪速熔炼过程中的行为也是相当复杂的。它们的分布与元素本身的性质以及元素之间的相互作用，氧势、温度和锍成分等熔炼条件有关，也与精矿中含量有关。表3.2列出了不同研讨者和不同锍档次时的元素分布。表3.2不同研讨者和不同锍档次时元素分布研究者或作者锍品位(%)在锍中（%）在渣中（%）在烟气中（%）AsSbBiAsSbBiAsSbBiH.Y.Sohn4010251866279Steinhauser5510301510305804080袁则平5539.1664.0983.7114.5832.116.0946.183.3510.08冈田57204615572758袁则平6241.3459.3275.6423.9935.289.632.73.8211.883.3闪速熔炼的热化学与能量耗费闪速熔炼的消费过程中，精矿中的硫化物氧化以及造渣反响放出大量的热，辅之以热风或富氧空气，使过程能半自热或自热进展。随着精矿中的发热元素硫和铁的含量不同和矿物相组成不同，氧化反响放出的热量也不同。3.3.1闪速熔炼的热化学放出的热量还取决于氧化程度，即消费出的铜锍档次越高，化学反响放出的热量就越多。表3.3列出了典型的硫化铜精矿的发热值，并和普通燃料发热值进展比较。普通铜精矿，消费含铜为40%～60%的铜锍时，反响的净热约为2500～3300kJ/(t·精矿)。表3.3精矿和燃料发热值的比较名称MJ/Kg名称MJ/Kg烟煤27.9产出铜锍品位Cu80%2.79重油43.0产出粗铜3.29铜精矿（Cu29.5%,Fe26.0%,S31%)产出铜锍品位Cu51%1.67镍精矿（Ni7.5%,S27.8%）产出镍锍品位Ni34%3.03式中，热量Q的右下角标fu、ai与rea分别表示燃料熄灭热、鼓风带入的显热、和化学反响热；slg、mat、gas和los分别表示炉渣带走的热、锍带走的热、炉气带走的热和炉子的热损失。过程要实现自热，即Qfu=0，可以采取的方法有预热空气提高风温，或者减少炉气量，或者两者同时运用。近十多年来的闪速熔炼技术提高阐明，提高富氧浓度，减少炉气量的途径更具有意义。熔炼过程所需的总热量是由热平衡关系决议的：Qfu+Qai+Qrea=Qslg+Qmat+Qgas+Qlos影响闪速熔炼的能量耗费的要素很多，主要的有能源方案的选择和组合，炉子规模，精矿档次，锍档次，富氧浓度，精矿喷嘴构造以及操作控制等。可供闪速熔炼运用的能源包括重油、煤、焦粉、天然气以及氧气等。能量耗费最终是以能量本钱来表达的。见下表3.43.3.2闪速熔炼能量耗费表3.4计算能耗本钱的条件项目单位数值1铜精矿成分%Cu25,S32,Fe28,SiO242燃料发热值MJ/kg重油41030，煤炭27215，天燃气35288（m3）3燃料价格USD/t重油120，煤炭42，天燃气0.08/（m3）4.制氧工厂：电耗热电效率kWh/m3%USD/kWh0.5320.045热风制备的热效率%70，假定采用与闪速炉相同种类的燃料作为热源6闪速炉台数台13.4闪速炉构造闪速熔炼有两种根本的炉型：一种是因科闪速炉〔如图3.9所示〕。另一种是奥托昆普闪速炉。奥托昆普型闪速炉在50多年的开展历程中，随着消费实际中出现的各种问题，作了不断的改良。艰苦的变化是在炉型方面。针对熔炼过程中沉淀池内容易生成Fe3O4炉结，渣含Cu高，日本玉野冶炼厂在沉淀池内加了三根电极〔如图3.10所示〕，以电能辅助加热，减轻了炉结，降低了渣含铜。3.4.1闪速炉炉型以后该厂又经过添加焦粉，运用一氧化碳浓度控制消费的技术，取低沉淀池内电极的运转。而澳大利亚卡尔古利冶炼厂那么作了另外的改良，防止了沉淀池内电极严重氧化烧损的困难，把每组呈三角形陈列的两组六根电极插入沉淀池的延伸部分---贫化区。如图3.11所示。这种构造顺应了含有MgO的铜镍精矿的熔炼，容易提高炉渣温度，贫化区与沉淀池中的炉渣－镍锍共同处于一个体系，既利于锍档次的调整又利于降低渣中镍、铜和钴的损失。图3.9加拿大国际镍公司工业氧气闪速炉炉型图3.10日本玉野冶炼厂闪速炉炉型图3.11澳大利亚卡尔古利与金川冶炼厂闪速炉炉型3.4.2闪速炉的炉体构造奥托昆普型的闪速炉由反响塔、沉淀池和上升烟道三部分组成。反响塔呈圆筒。沉淀池是由铬镁砖砌成的矩形池子，用于暂存铜锍及熔炼渣，以使铜锍沉清分别。上升烟道是烟气导入废热锅炉的通道。闪速炉本体主要由钢构造元件、耐火资料内衬和水冷元件构成。根据反响塔、沉淀池和上升烟道的功能不同，各部分的钢构造、耐火资料和水冷元件各有特点。3.4.3闪速炉喷嘴在闪速炉熔炼中，枯燥的浮选硫化铜精矿与熔剂、燃料以及预热空气〔或富氧空气〕是经过设置在反响塔上部的精矿喷嘴喷入炉内并进展混合的。在反响塔中，精矿在距喷嘴一定间隔处着火，被氧化构成炉渣和锍，精矿粉与反响用空气混合的均匀程度对精矿氧化反响起着决议作用。假设混合不好，就会有部分未反响物料落入沉淀池，影响锍温度和档次，烟尘量也增大。

精矿喷嘴的型式会影响精矿粉的着火点、反响塔内的回流量、死区的位置、结瘤、灰渣生成以及Fe3O4生成等，即精矿喷嘴的好坏实践上会影响整个熔炼炉的运转。故闪速熔炼从1949年开展至今，喷嘴也在不断地开展完善。二十世纪七十年代以前，精矿喷嘴都是文丘里型喷嘴，构造如图3.12所示。图3.12文丘里型精矿喷嘴1.重油喷嘴；2.精矿溜管；3.送风管；4.精矿喷嘴本体；5.文丘里状收缩部；6.精矿分散锥；7.精矿喷嘴圆锥中央分散型精矿喷嘴是芬兰奥托昆普公司研制胜利的，该喷嘴不是文氏管型而是倒锥型，由壳体、料管、风管、混合室等组成。炉料从中央料管流入混合室，富氧空气那么从空气管以一定的速度喷入混合室内，精矿与空气在此处进展充分的混合。混合室呈圆筒型，其底部在喷嘴的最下端与闪速炉顶相接。在精矿喷嘴中心安装一根小管，其端部设有锥形喷头，喷头周围分布有直径3.5mm的许多小孔。紧缩空气由中间小管通入，尔后从小孔沿程度方向喷出，将精矿粉迅速吹散到整个反响塔内。中央分散型精矿喷嘴表示图图3.13是典型的奥托昆普闪速熔炼工艺流程。3.5闪速熔炼工艺3.5.1闪速熔炼工艺流程3.5.2精矿的枯燥铜冶炼厂进厂铜精矿含水普通为8%~15%。冶炼前的配料作业、冶炼过程中及冶炼烟气制酸都对精矿含水有一定要求。在配料过程中，假设含水高，精矿易粘结，会影响配料精度。因此，配料前的精矿含水普通控制在10%以下，必要时可添加预枯燥设备。在闪速熔炼过程中，反响速度很快，精矿在反响塔只停1s左右。进入反响塔后，在塔内高温作用下，精矿中的水分会在精矿颗粒外表构成一汽膜，既影响热量传送，又会妨碍氧气与精矿粒子的接触，使之尚未反响完全就落入沉淀池内构成生料堆积，导致炉况恶化。因此，必需对配好的精矿进展枯燥，使精矿含水满足闪速炉所需。普通闪速熔炼要求精矿含水0.1%～0.3%。铜精矿的枯燥方式有多种：1.回转窑枯燥法;2.气流枯燥法;其中常用的是气流枯燥法，最新的方法是蒸汽枯燥法。3.旋转枯燥法;4.放射枯燥法;5.蒸汽枯燥法.3.5.3闪速熔炼的计算机控制闪速炉反响塔内的冶金化学反响迅速、猛烈，影响其产出物和温度等重要输出变量的要素很多，这些要素之间又相互影响，变化频繁。必需运用计算机控制。运用计算机对闪速炉熔炼消费过程进展在线控制，可以快速、准确和适时地检测消费过程的工艺参数，并利用所搜集到的工艺参数作为输入条件，按照事先引入的数学模型自动地进展准确的计算，迅速而准确地改动控制变量。当闪速炉处置料量不变时，闪速炉产出的铜锍档次、铜锍温度、渣中铁硅比这三大参数是闪速炉熔炼过程的综合判别目的。只需稳定这三大参数就可以根本实现熔炼、吹炼以致硫酸消费的稳定。计算机对闪速炉熔炼过程进展控制的关键就在于对档次、温度和铁硅比这三大参数进展在线控制。计算机在线控制采用前馈－反响的控制方式，最终使控制变量稳定在目的值。计算机在线控制的详细过程由用户软件的控制系统实现，它共有3个控制变量和3个操作变量，其对应关系如表３.5列出，控制概