富氧底吹熔池炼铜的理论与实践

2010 年 12 月第 6期 崔志祥等:富氧底吹熔池炼铜的理论与实践 富氧底吹熔池炼铜的理论与实践 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 2570 91 ) 1摘 要] 介绍了东营方圆有色金属有限公司富氧底吹熔池熔炼的生产实践 "一年来的实践表明,该技 术具有熔炼强度高,环保 ,氧枪寿命长 ,作业率高 ,无碳自热熔炼,可控制不同Felsi OZ炉渣进行生产,冰铜 品位易于调控以及不易产生泡沫渣等特点"依据熔池熔炼的共同理论特性 ,分析论证了氧气底吹熔池 炼铜具有较好的理论基础" !关键词] 铜;富氧底吹熔池熔炼;造硫熔炼;生产实践;理论基础 [中图分类号] TFsll.o31.l [文献标识码 8 B [文章编号] 1672一6103(2010)06一0021一06 0 前言 东营方圆有色金属有限公司1998 年建厂 , 以废 杂铜为原料生产电解铜 ,现生产规模20万口a电铜 " 新建的年产 10 万t规模的粗铜冶炼厂于20 08 年投 人生产 ,采用的工艺为富氧底吹熔池造梳熔炼一PS 转炉吹炼一阳极炉精炼 "熔炼炉和吹炼炉的烟气经 过余热锅炉 !电收尘后送硫酸厂生产硫酸 ,余热锅炉 产生的蒸汽用于发电 "底吹炉所用的氧气由自建的 10 00 0 m 3爪深冷法制氧站供给 "富氧底吹造梳熔炼 是我国 自行研制的炼铜新工艺 ,具有 自主知识产 权 "本文主要介绍富氧底吹熔池熔炼造毓工艺的原 理及一年来的生产实践 " 1 富氧底吹熔池炼铜工艺简介 L l 工艺流程 富氧底吹熔池炼铜工艺流程见图1 "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 料口加人炉内的高温熔体中"氧气和空气通过底部 氧枪连续送人炉内的铜毓层 ,炉料中的Fe !S不断被 迅速氧化 !造渣 "硫生成二氧化硫从炉子的排烟口 连续地进人余热锅炉 ,经电收尘后进人酸厂处理 " 炉内形成的炉渣从端部定期放出 , 由渣包吊运至缓 冷场 ,缓冷后进行渣选矿 "生成的铜毓从侧面放梳 口定期放出 , 由铜梳包吊运至PS转炉吹炼 " =作者简介8 崔志祥(19 63 一), 男, 民营企业家 ,金融专业硕士 ,山东 东营方圆有色公司董事长" [收稿 日期] 2010一08一04 1修订 日期1 2010一08一23 L Z 主体设备 主体核心设备是一台中4. 4 m xl 6. s m 的卧式可 回转反应炉(结构见图2) , 内衬长度为38 0 m m 的铬 镁砖 ,外形类似诺兰达炉和智利的特尼恩特熔炼炉 , 不同的是诺兰达炉和智利特尼恩特炉通过风口送 氧 ,而底吹炉是氧枪送氧 "底吹炉共有9支氧枪 ,分 两排布置:下排呈7 /角,5支氧枪;上排呈220 角 ,4支 氧枪 "上下排的氧枪夹角为 巧 / ,错开排列 "与底 吹炉配套的有:采用深冷法 !能力为10 00 0 m 3爪的制 氧站;烟气处理能力为12 万m 3小的硫酸生产系列;3 台小3.8x8.l m 的转炉系统;相应的余热锅炉 !电收尘 和渣缓冷 !渣选矿系统等 " 2 富氧底吹熔池炼铜工艺的生产指标 由于投产前做了全面充分的准备 , 因此氧气底 吹熔炼炉及其相关工序投产非常顺利 ,经过近一年 的生产实践 ,产能远远超过设计值 "投产初期 ,由于 受氧枪送氧量限制 ,底吹炉铜精矿处理量仅为30- 45 曲 "对氧枪结构进行改进后 ,提高了送氧量 ,铜 精矿处理量达65 曲 , 最高时达到72 曲 "由于受余 热锅炉 !收尘系统以及后续硫酸系统处理能力的限 制 , 目前处理料量维持在65 曲 左右 "氧气底吹炉 的主要指标见表l" 3 富氧底吹熔池炼铜工艺的特点 1 1 原料适应性强 该项技术不仅能处理铜 !金 !银等精矿 ,而且还 可处理低品位铜矿和复杂难处理的多金属矿以及含 22 中 国 有 色 冶 全 A 卷生产实践篇 #重金属 嘴罐惰 翻及 爆线嫂矍嘛恤烈留画娓闪困泄日工 卜,卜!l嘟怕将一姻回闯困嫂袋蟾蹼钾搁:卜一朋朋朋十湘朋l,犷引J0J封.I喇刻酬喇喇阁丫粤犷簇侧撼日丫钊粤界嫂.州.!口j. 峭们艇娜枯彬一里搁邻邻钊串州窿隔阵淮匕压冈随洛味回巴旧蟆闯酬因叫川洲斟酬日酬侧犷粤暴一澎医用珠 爆霎其巾冬卿 犷滚一侧早 广|||||i 犷屏矿侧 诊诊诊彬彬彬 宾宾宾 胃胃胃 喇喇喇 契契契 ,鲤冲 犯 ,料 嘟福刑犷襄 蛋卜 ;日碧 图蟾卜一 L一卜粤}~ 胃 111 诊 圳 闯彬姻 髯酬粤 2010 年 12 月第 6 期 崔志祥等:富氧底吹熔池炼铜的理论与实践 主烧嘴 图2 底吹炉结构示意图 表1 氧气底吹熔炼炉的主要指标 指标 单位 实际值 nlj; j外jjj姗q3~4精矿处理量 送风时率 燃料率 氧料比 脱硫率 进锅炉烟气502浓度 渣Fe/510 2 渣含铜 烟尘率 炉料粒度 炉料水分 选矿弃渣含铜 氧浓 氧枪气体压力 铜梳品位 熔池温度 总回收率 C u A u 设计值 1 15 0叼% % m 3/t 9 5 2 .4 6 18 6 .2 68.19 14 6 8 1 .7 4 %% %% < 2 0 6~ 8 0 .4 2 7 0 0.35~ 04 mm%% 7 0 ~ 7 5 0 .4 ~ 0.6 5 5 0石~ 0.6 5 5 ~ 6 0 1 18 0 ~ 1 2 0 0 1 1 80 土2 0 MP%%e 9 7 .7 9 9 7 .7 5 9 7乡8 A g % 9 5 9 7 金 !银高的贵金属伴生矿 ,甚至可以高效处理垃圾 矿 "因此大大拓宽了企业的原料渠道 ,显著提高了 矿产资源的利用率 "公司处理过的矿种有 :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 ,产地遍布世界各地 "实践证明 ,其 他炼铜工艺不易处理的复杂矿料 ,底吹炉都能处理 , 而且做到 /吃干榨尽 0, 不仅铜的回收率达到 97.98 % ,金 !银等贵金属的回收率也都超过97 % " 3. 2 高氧浓生产 ,熔炼强度高 国内外各种熔池熔炼法都有一个相适应的最佳 富氧浓度 , 不可以随意提高 ,大多在70% 以下 ,个别 达到95 % 以上 , 如氧气顶吹熔炼 "俄罗斯诺里尔斯 克冶炼厂的瓦纽科夫炉氧浓为55 % 一80 % "东营方 圆底吹炉的氧浓较高 ,保持在75 % 以上,最关键的是 底吹熔炼氧的利用率高达 100 % ,单位时间 !单位容 积处理的炉料量最大 "熔炼强度以反应区容积计 算 , 已达到14.8 口(m , #d),按面积计算为41.7 口(m , #d)" 一些熔炼方法的熔炼强度及富氧浓度见表2 " 3. 3 无粉尘 ,无烟害 由于送人炉内富氧的浓度高达75 % ,故烟气量 小 , 二氧化硫浓度高 , 控制炉子较高的负压 (一50 ~一20 0 Pa),避免了炉内烟气与尘埃外溢 " 3. 4 氧枪寿命长,底吹炉作业率高 曾做过一系列有关氧压的实验 , 当炉前氧压为 2. 5 k梦c耐时 ,不会发生灌枪 ,但冶金反应过程不理 想 "当氧压达到4. 5 k创c耐左右时,在氧枪出口处会 形成Fe 30 4/蘑菇头 0,可以很好地起到保护氧枪的作 用 " 生产运行 ro 个多月以来 , 尚未发生氧枪烧坏需 要更换的情况 , 验证了 /蘑菇头 0对氧枪的保护作 %% 表2 不同熔炼方法的床能力和富氧浓度 氧浓/床能力 富氧浓度 床能力(按面积算) 床能力(按容积算) 单位 艾萨熔炼 瓦纽科夫熔炼 11QU2q!qt!认14 J络,.且 4 2 ~ 5 2 5 5 ~ 8 0 以(m , #d ) 以(m , #d ) 6 5 13 .4 4 0 ~ 7 0 三菱法 4 2 ~ 4 8 19 ~ 2 1 澳斯麦特熔炼 富氧底吹熔炼 4 0 ~ 4 5 8 .3 ~ 1 1 .7 5 .5 ~ 6 .0 用 "在生产过程中 , 还摸索出了通过调整相关技术 条件 ,控制 /蘑菇头 0大小的方法 ,可更好 !更灵活地 服务于生产 "氧压大小 !氧浓高低等工艺条件 , 与 /蘑菇头 0的大小有一定的函数关系 " 由于氧枪的寿命长 ,通常无需更换 ,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 ,故底吹炉有较高的作业率 ,一般在 95 % 以 上 " 3 .5 自热熔炼程度高 底吹炉独特的设计构造 ,使得氧气底吹熔炼工 艺实现了完全自热熔炼 "在投料试车之前曾担心 , 一开始投料量太小 ,可能无法满足 自热熔炼的条件 , 中 国 有 色 冶 谧卜 A 卷生产实践篇 #重金属 并制定了用燃油烧嘴补热的预备 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 "然而 , 当投 料量达到30 曲时 ,炉内就已经能够维持自热熔炼的 热平衡 "这是由于排出的烟气量小 , 炉子的散热面 积小 ,带走的热量少 , 因此很容易实现自热熔炼 ,最 大限度地利用了一切热能 " 3. 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 "试生产初期 , 曾配人2% 的碎煤 ,后逐 步降至1% !0. 5% ,直至完全不配煤"不但节省了燃 料以及煤燃烧所用的氧气 ,保证了氧气充分有效利 用 ,而且使二氧化碳烟气排放量最小 ,甚至做到了无 碳排放 "主要炼铜工艺熔炼过程配人燃料的燃烧 热 !在热平衡中占的比例及离炉烟气带走热量见表 314一61 " 表3 不同熔炼方法燃料燃烧热与烟气 带走热在热平衡中的比例 % 炉型 热平衡中燃料热的比例 配煤率 烟气带 走的热 ,声qU伟!0t.l,- , 了00八0了八!q44 三菱熔炼炉 澳大利亚艾萨公司 艾萨熔炼炉 3 5 .12 3 .07 38.52 4 .18 34.93 3.21 38.39 3.63 大冶诺兰达炉 水口山底吹炉 白银炉 3 8 .5 3 2 2 .0 6 4 6 3 8 26.49 36.59 金昌澳斯麦特炉 方圆底吹炉 设计值 生产实际 瓦纽科夫炉 4 1 8 9 4 7 .18 7 .0 7 4 7 .66 37 .9 8 17.69 2 64 24 .79 20 .84 由表 3 可见 ,燃料率增加 ,燃料燃烧热在热平衡 中所占的比例升高 ,有的甚至高达40% ,烟气带走的 热也相应地升高 "氧气底吹熔炼工艺不配人其它燃 料 ,因此烟气带走的热量即热损失 ,在各种熔炼工艺 中最少 " 3. 7 无碳造梳熔炼 在现有的熔炼工艺中,无论是闪速熔炼还是其 它熔池熔炼 ,都需要配人一定的碳质燃料,配煤率约 为3% 一6% ,燃料燃烧热在热收人中所占的比例约为 23 % 一40 % "氧气底吹熔炼工艺在造梳熔炼过程中 可以不配煤 ,处理每吨矿料可减少 COZ排放 110 - 220 kg, 每生产 I t粗铜可减少 C0 2排放约 800 kg" 年产20 万t粗铜 ,则 1年可减排CO Z约16 万t" 3. 8 氧耗低 当处理的原料和产出的铜梳成分相同 ,原料中 的Fe氧化为Fe 30 !的比例也大致相同时 ,则耗氧量 是相等的 ,即化学反应耗氧量是相同的 "煤燃烧用 氧量约为化学反应用氧量的 10 % 一20 % , 因此不配 煤,故省去了这部分氧 " 3. 9 生产操作易于掌握 氧气底吹熔炼工艺操作简单 ,关键在于控制氧 料比 !熔体温度 !冰铜品位 !炉渣铁硅比等参数 "整 套系统采用DCS控制 , 自动化程度较高 ,生产控制 直观 !简便"底吹炉炉料 !冰铜 !炉渣等物料 ,均采用 X 荧光进行快速分析 ,能很好地指导生产 "与采用 侧吹法的诺兰达工艺相比,氧气底吹熔炼工艺不需 要捅风口等操作;与采用顶吹法的艾萨和澳斯麦特 工艺相比, 氧气底吹熔炼工艺没有频繁更换氧枪的 操作 "而且 ,氧气底吹熔炼生产过程中的加料量 !送 氧量控制 ,均通过DCS系统完成 ,操作简单 ,易于掌 握 " 3. 10 不易产生 /泡沫渣 0 试生产阶段 ,为了防止 /泡沫渣 0的产生 ,曾严格 控制各项工艺参数 , 只生产含Cu 40% 一45 % 的低品 位冰铜 ,造铁硅比(Fe /S 10 2)低的炉渣 "随着生产的 进行 ,逐渐摸索出了防止 /泡沫渣 0生成的技术 "目 前生产中,冰铜品位提高到60 % 一65 % 已属于正常 " 即使冰铜品位提高到60 % 一65 % !渣Fe /S 10 2高达2. 0- 2. 2时 ,都没有产生 /泡沫渣 0"氧气底吹吹的是冰铜 层 , 因为总有Fe S存在 ,故不会产生过量的Fe 304,也 就不易产生 /泡沫渣0" 3. n 可控制不同Fels i0 2炉渣进行生产 试生产初期 ,为防止 /泡沫渣 0的产生 ,控制炉渣 较低的Fe/ SI O Z,起初是 1.2左右 ,后提高到了 1.8 ,甚 至2. 0 ,生产都能正常进行 ,相关的数据见表4 " 3. 12 底吹炉生产能力调节范围大 氧气底吹熔炼主装备 ) 底吹炉 ,具有产能可 大可小 ,调节范围大的优势 "当炉子规格一定时 ,其 实际处理能力可在设计值上下 50 % 范围内波动 " 大 !中 !小型冶炼厂 , 即年产2万t到20万t粗铜的企 业 ,可依据自身情况设计不同规格的炉子 ,这是从国 外引进的工艺技术无法比拟的 " 2010 年 12 月第 6期 崔志祥等:富氧底吹熔池炼铜的理论与实践 表4 渣的成分 F e/5 10 : C u F e 1.36 3.04 42 44 3 1.11 23 1 <0 .5 9 2 2 .4 44 .7 7 4 6 8 8 2 7 7 6 2 .4 4 .44 2 5 .9 4 2 .07 3 .8 3 24 .4 1 2.09 3 刀6 2 刀7 4 .49 44 .82 2 1.66 3.0() 2 2 7 4 底吹熔池炼铜的理论基础 4. 1 熔池熔炼的共同理论 未经预干燥 !细磨和制粒的炉料直接加人炉内 激烈运动着的气一液一固三相高温 /乳化液 0中,炉 料很快被吞没熔化,并迅速进行氧化还原 !造渣与造 毓反应 ,冰铜与渣的微粒相互碰撞分别进人渣相与 冰铜相 "作者曾计算过其卷流速度 ,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 " 4. 2 底吹的理论特性 (l) 底吹完全吹的是冰铜层 ,而冰铜的流动性 比渣的流动性要好50一125 倍 ,在其它条件相同的情 况下 ,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" (2) 底吹时 ,气体在熔体中是顺势而上 ,在上升 过程中,气体被流动性很好的冰铜很容易分割成许 多小气泡 ,相同气体量时 ,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 ,加速了渣和冰铜的分离 " (3) 气泡上浮过程中,具有 /气泵 0的作用 ,随着 气泡上浮能量逐渐消失 ,所以无明显噪音 " (4) 送风装置氧枪送人熔体的气流直径是经风 口送人气流直径的1/l 0, 因此气泡体积小,停留时间 长 ,形成 /乳化液 0体积大 "底吹时滞留气泡的体积 为熔体的三分之一 ,而诺兰达侧吹仅为 19 % " (5) 搅拌均匀 ,无 /死区0,优于其它熔池熔炼方法" (6) 吹冰铜因总有FeS 存在 ,生成Fe 3O !的机会 少 "富氧气体首先经过冰铜层反应 ,进人渣层时氧 势已显著降低 ,气相的50 2浓度显著升高 , 因而不具 备大量生成Fe 30 4的条件 " 5 讨论 5. 1 氧枪结构 最佳结构的氧枪送人炉中的气体应具有较高的 速度 ,许多较细的气流分裂成小气泡 ,使熔体搅拌均 匀 ,无 /死区 0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 " 5. 2 氧枪布局 现氧枪7o 和220 两排布置有波动叠加的问题 , 单排置布为好 ,是垂直或有适当的角度 ,适当缩短枪 距应 ,使搅拌均匀 ,这些尚待进一步验证 " 5. 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的 渣都是炉内分离 ,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,在一台炉内动与静 的矛盾难以解决"类似炉子按炉内尺寸计算的长径 比列于表5 " 表5 不同卧式炉的尺寸 炉型 内部尺寸/m 长径比 外形尺寸lm 方圆底吹炉 中3.5xl5 4.29 中4.4xl6.5 大冶诺兰达炉 小3.94xl7.06 4.33 小4刀xls 加拿大霍恩诺兰达炉 小4.35x20.58 4.73 中5.lx21.34 智利科泰科特尼恩特炉 材.24 x2 L24 5. 00 中5x2 2 由表5可见 ,随着炉子直径的加大 ,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 炉渣含铜为4% 一8% "为了提高直收率 ,降低能源消 耗 ,减少半成品周转 ,最好是设电热贫化炉 ,将含铜 4% 左右的炉渣放人贫化炉进行沉降和还原 ,渣含铜 降至0.8% 以下再送去选矿 ,弃渣含铜降至0. 35 % 以 下 , 以减少铜的绝对损失 , 这样既提高了铜的直收 率 ,也提高了铜的总回收率 " 5. 4 渣型 当精矿含铜20. 3% 时,不同Fe /S i认产渣量如表6o 表6 控制不同Fe /S 10 2时的产渣量 渣Fels io Z 吨铜产渣量/t 渣含铜/% 1 .1 4 .10 0 3 1 .2 3 ,64 0 .5 .1 .3 3 .3 3 1 .4 3 .0 6 1 .5 2 .84 1 .6 2 .6 5 1 .7 2 .4 8 0 .7 6 1 .8 2 .4 0 1 9 2 .3 2 ,q11, 于苦q!曰了O傀8q!c,J 中 国 有 色 冶 全 A 卷生产实践篇 #重金属 不同的工艺 !不同的技术条件有其相应的Fe /S 10 2 低的问题 ,需要尽快研究出合理的渣贫化方案 "获 ,少 含铜低 ,直收率高;另一种方案是像特尼恩特那样沉 [2] w.G D ave 叩""著.铜冶炼技术[M] 北京:化工工业出版社,200 6. 降分离后再加Fe s造低品位冰铜(如cu3 0% )进行二 l3] 任鸿九等有色金属熔池熔炼[M]. 北京:冶金工业出版社,200 1. 次贫化,弃渣含铜低 ,直收率高 ,总回收率也高" [4] 朱祖泽,贺家齐现代铜冶金学[M]. 北京:科学出版社,20 03 公司目前渣选矿 !渣缓冷占地面积大和直收率 [5] 彭容秋铜冶金lM] 长沙:中南大学出版社,20 04 T h e th e o ry a n d P ra ctice of co P P er sm elti n g w ith o x y g en en rich ed b o tt o m b lo w in g C U I Z hi一xiang , SH E N D ian一bang, W A N G Zh i, L l W ei一qun , B IA N R ui一m in A b stract: T h is art iele intro du ees praetiee pro du etion of th e pro eess of eopper sm elting w ith oxygen一en ri ehed bottom blow in g in F an盯 uan N on F err ous M etal C om Pany. T he industri al Pro d uetion in th e P ast year has sh ow n m any advant鳍es, sueh as: high er sm elting intensity , better enviro nm ental proteetion , long life of oxygen lanee , higher opera ting effi eieney , pyre tie sm elting without eath on.The ra tio of Fe/510 2 in slag ean be adj ust in pro due- tion , m atte 9 ad e ean b e easily eontro lled as re quired an d less fo rm ing exP anded slag , ete. Th e b ottom blow ing sm elting P ro eess has a good theoretieal basis aeeording to th e eom m on m etallu嗯ieal pri neiPle of b ath sm eltin g. K ey w ord s:eoPP er:oxygen enri ehed bottom blow ing bath sm elting;m atte一m aking:produetion praetiee:basie theo叮 (上接第7页) 其铜的出口价值还有待观察" 这会是智利和智利人民所乐见的现象吗? 虽然这是 最后 ,本文作者相信在可预见的未来 ,火法冶炼 一个合理的问题 ,但是作者认为答案需要从一系列 工艺将继续在以硫化矿为原料的铜生产中占有重要复杂的经济 !社会 !环境 !政治和国际贸易因素进行 的地位"作者对其导师H. 凯洛格(Kell og g)说 ,在其 深度分析 "这个问题的简单回答是 ,扩大已有的熔 对70 年代铜冶炼创新发表热情评论的40 年后 ,我们 炼一精炼能力是智利加快其工业发展的一个选择" 仍然可以说 -目前火法炼铜的现状仍然为大家所关注,, " 铜资源丰富的国家将来会采取什么样的 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 来提高 苏 平 校 C o P P er su lP h id e sm eltin g : P ast a ch iev em e n ts a n d cu rren t ch a llen g es C o一tran slated by X U L uan and Z E N G L u A b stra ct: In th is Paper, the author exam ines reeent teehnologieal advanees an d in dust叮 eh anges and h igh 一lights issues in eopper su lphide sm elting , sueh as ene卿 eonsum ption an d th e eorr espond ing green hou se gas em issions thatw ill beeom e the fo eus of fu ture diseussion. K ey w o rd s: eop per:sm eltin g:eonvert in g:oxygen;pro du etivity:ene嗯y:enviro nm ent:m arkets