工藝技術(shù)世界煉銅工藝的新秀

1、世界煉銅工藝的新秀氧氣底吹煉銅工藝簡介東營方圓有色金屬有限公司1. 前言1991 1992 年，湖南水口山礦務(wù)局和北京有色金屬設(shè)計研究總 院等單位在日處理 3-5 t 爐料，年產(chǎn) 3 千噸粗銅的爐子上進行了連續(xù) 217 天的半工業(yè)試驗， 先后處理了銅精礦， 銅精礦與含金硫精礦混合 礦的熔煉， 取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟指標。 1994 年獲得國家發(fā)明專利。2005 年，我國東營方圓有色金屬有限公司 （以下簡稱方圓公司） 決定采用氧氣底吹煉銅新工藝，生產(chǎn)規(guī)模是年產(chǎn) 10 萬噸粗銅，年處 理礦量達到 50 萬噸，為我國科技成果的產(chǎn)業(yè)化進行工業(yè)化試驗。經(jīng) 過論證、設(shè)計、施工于 2008 年投產(chǎn)運行?！?0

2、09 年】 9 號文國務(wù)院 正式將該項目列入 “關(guān)于發(fā)揮科技支撐作用， 促進經(jīng)濟平穩(wěn)較快發(fā)展 的意見”中，將該技術(shù)列入“十一五”支撐計劃重點督導(dǎo)實施。2009 年 10 月 27 日，中國有色金屬工業(yè)協(xié)會 （以下簡稱有色協(xié) 會）在東營市召開了氧氣底吹煉銅技術(shù)交流會， 會上康義會長發(fā)表了 重要講話，會后有色協(xié)會正式發(fā)文指出： “氧氣底吹熔煉多金屬捕集 新工藝是我國自主研發(fā)的、 具有自主知識產(chǎn)權(quán)、 在銅熔煉領(lǐng)域的重大 技術(shù)創(chuàng)新成果，是世界先進的銅熔煉新技術(shù)之一” 。2010 年 8 月 29 日，有色協(xié)會組織業(yè)內(nèi)專家對該項目進行科技 成果鑒定，其中明確指出： “該項目是自主創(chuàng)新的一種強化熔池熔煉新

3、工藝，該項目技術(shù)先進，經(jīng)濟和社會效益顯著，整體達到國際領(lǐng)先 水平”2010年12月30日該項目榮獲有色協(xié)會科學技術(shù)進步一等獎。 2011年1月12日該項目榮獲山東省科學技術(shù)進步一等獎。2011年4月國家科技部組織專家對該項目進行了技術(shù)驗收。2010年6月在德國漢堡舉行的2010年國際銅業(yè)會議上和2011 年6月在德國杜塞爾多夫舉行的第六屆歐洲有色金屬國際會議上分 別介紹了氧氣底吹煉銅工藝的生產(chǎn)運行和進展，受到了與會同行們的關(guān)注與好評。2010年10月世界著名的產(chǎn)銅企業(yè)智利 Codelo公司在它 的宣傳招貼廣告中正式將氧氣底吹煉銅新工藝列為第四代銅熔池熔 煉技術(shù)。（見圖1）wW艸科!I»

4、;-5FarJ!minOuflob umpu R >1 整甲OifEDkurnpUiLlfIW441£Eftt««XZ圖1銅發(fā)展冶煉史2. 熔池熔煉的發(fā)展上世紀七十年代發(fā)展起來的熔池熔煉技術(shù)， 主要是將參與反應(yīng)的 富氧空氣從反應(yīng)爐的側(cè)面或頂部吹入或吹向熔體。 如加拿大的諾蘭達 技術(shù)，智利的特尼恩特工藝，俄羅斯的瓦紐科夫煉銅法以及中國的白 銀法。頂吹技術(shù)則有澳大利亞的艾薩法、奧斯麥特法，還有日本三菱 公司發(fā)明的三菱法。世界上采用熔池熔煉技術(shù)的廠家有關(guān)數(shù)據(jù)見表1。表1采用熔池熔煉技術(shù)的廠家有關(guān)數(shù)據(jù)類別國別廠名始建年份爐子規(guī)格加料方式側(cè)吹加拿大霍思廠1973 5.

5、1*21.7濕礦加料機諾蘭達澳大利亞南方銅廠1991 4.5*18.5濕礦加料機中國大冶廠1998 4.7*18濕礦加料機智利奧爾托諾特2001 5.3*26.4干礦噴吹特尼恩特智利卡列通2臺1987 5*22干礦噴吹 5*22特尼恩特智利丘基卡馬塔1990 5*23干礦噴吹波垂里羅斯1985 3.9*17干礦噴吹拉斯溫特納斯1984 4*15干礦噴吹維德拉利亞1993 3.9*15干礦噴吹、渣精礦濕加秘魯愛羅1995 4.5*20.8濕精礦墨西哥拉卡瑞達1997 4.5*20干礦噴吹贊比亞恩卡那1994 4.5*18.5泰國拉茶1994 5*22瓦紐科夫哈薩克巴爾克什八十年代末寬2*長10*

6、高6濕精礦俄羅斯諾里爾斯克九十年代2*10*6.5濕精礦2*18*6.4白銀爐中國白銀公司1990100m2濕精礦艾薩澳大利亞芒特艾薩19872.9濕精礦美國塞浦路斯1992 4.3*13.6濕精礦比利時霍博肯1997 4.5*12廢雜銅印度斯特萊體19973*9濕精礦中國厶南冶煉廠2002濕精礦奧斯麥特愛普雷斯1993 2*4.8CU-Ni 料津巴布韋兵達拉1995 2.7*5.8CU-Ni 料中國中條山1999 4.4*11.9濕精礦銅陵-二菱法日本直島1974 10.3噴干料韓國溫山199810噴干料印尼格里斯克199910噴干料轉(zhuǎn)爐噴精礦日本On ahama19914*9 4 臺噴干料

7、4*11 1 臺智利奧爾托諾特- 3.96*10.97 3 臺噴干料加拿大加斯佩1998 4.27*16.15 1 臺噴干料 3.96*12.2 2 臺從表1可見四十多年來煉銅行業(yè)一直致力與頂吹和側(cè)吹熔池熔 煉的發(fā)展。中國除了引進閃速熔煉外，又引進了側(cè)吹的諾蘭達技術(shù)和 多家頂吹技術(shù)。除表中的云冶和中條山以外還有安徽銅陵公司、內(nèi)蒙的金劍、甘肅的金川、云南的馳宏公司和大理、個舊云錫等多家引進 了艾薩和奧斯麥特頂吹技術(shù)。還有側(cè)吹的瓦紐科夫爐工藝。3. 氧氣底吹煉銅工藝在國內(nèi)外大力發(fā)展閃速熔煉和各種頂吹、側(cè)吹熔池熔煉的同時， 我國方圓公司和北京有色設(shè)計研究總院卻在積極謀劃氧氣底吹煉銅 新工藝，經(jīng)過周密

8、的策劃、精心的設(shè)計、精心組織、精心施工，于 2008年正式投入運行，經(jīng)過近三年來的運行，它的效果比預(yù)料要優(yōu) 越的多。作為行業(yè)內(nèi)的一支新秀，被列為第四代熔池熔煉技術(shù)。氧氣底吹造锍熔煉爐的結(jié)構(gòu)圖示于圖2圖2 底吹爐結(jié)構(gòu)圖3.1氧氣底吹煉銅工藝的實質(zhì)3.1.1把氧氣高度分散到液相中閃速熔煉是將銅精礦和熔劑磨細均勻后高度分散到高溫的富氧 空氣中，有很大的氣一固相界面面積，在2-3秒內(nèi)即迅速完成化學反應(yīng)。底吹熔池熔煉是將氧氣通過多支氧槍分散許多細小的氣流噴入 熔融的冰銅，又被熔體分割成許多微小的氣泡，在氣-液相之間形成巨大的界面面積，反應(yīng)迅速進行，這種良好的反應(yīng)動力學條件是其它 熔池熔煉過程所不及的。3

9、.1.2吹流動性好的冰銅。頂吹、側(cè)吹都是吹渣層或者是混有冰銅的渣層，而底吹則是完全 的吹冰銅層。由于冰銅的流動性比渣子要好約100倍，所以底吹爐內(nèi)熔體的流體力學狀態(tài)相應(yīng)的要優(yōu)越得多。表述其特征的雷諾準數(shù)， 修正的弗勞德準數(shù)也差別很大，計算結(jié)果列于表2。表2雷諾準數(shù)、修正的弗勞德準數(shù)比較表雷諾準數(shù)修正的弗勞德準數(shù)加拿大諾蘭達側(cè)吹56016.2中國底吹熔煉11750215頂吹奧斯麥特9.55 10.53P S轉(zhuǎn)爐17.4底吹熔煉爐中液相與氣相攪動狀態(tài)的縱斷面和橫斷面的仿真圖 分別示于圖3、4。圖3.底吹爐縱斷面的流線圖圖 4. 底吹爐 7 °和 22°氧槍處的橫斷面流線圖從表

10、2 和圖 3、4 可明顯看出底吹熔池熔煉吹冰銅的優(yōu)越性是明 顯的，它還帶來的傳熱條件好。 在強制對流循環(huán)條件下表示熱傳遞特 征的努歇爾（Nusselt ）準數(shù)。據(jù)文獻1報導(dǎo)側(cè)吹的諾蘭達爐為38.7, 而底吹熔煉爐為 168，是側(cè)吹的 4 倍，可見傳熱條件好。 底吹的傳質(zhì) 條件好，側(cè)吹的諾蘭達爐傳質(zhì)速度為1.59Nm 3O2/m3.S而底吹熔煉爐為3.77 Nm 3O2/m3.S，是側(cè)吹的2.4倍。顯然它的液相與氣相有較大的接觸面積, 較長的接觸時間, 又有 很好的流體動力學條件。 （頂吹的 Isa 與 Ausmelt 是用一支氧槍插入 熔體深度 200 300mm ）。因此本工藝具有較高的熔煉

11、強度,熔煉 過程中不需配任何燃料，實現(xiàn)了無碳自熱熔煉，做到不直排CO2，能 源消耗也很低,與國外的熔池熔煉工藝如頂吹的艾薩、奧斯麥特、三 菱法,側(cè)吹的諾蘭達、瓦紐科夫等煉銅方法相比,底吹熔煉的能源消 耗是最低的,迎合了國務(wù)院對低碳經(jīng)濟的發(fā)展要求。3.1.3 底吹氣泡順勢而上。氣泡順勢而上具有“氣泵”作用,隨著氣泡上浮能量逐漸消失, 所以無噪音。 氣泡上浮是自然過程對氧槍有保護作用。 從底部到頂層 歷程長,形成的氣 - 液-固三相懸濁液體積大,有利于熔化和冶金化學 反應(yīng)過程的進行,所以它的熔煉強度高。3,1,4, 吹冰銅不易產(chǎn)生泡沫渣。吹冰銅因總有硫化鐵存在,且氣流到渣層時,氧濃已經(jīng)很低, 所以

12、不具備形成四氧化三鐵的條件,就不會產(chǎn)生泡沫渣。3.2氧氣底吹煉銅工藝的主要技術(shù)特點321原料適應(yīng)性強利用該項技術(shù)，不僅能處理銅、金、銀等精礦，而且可處理低品位銅礦和復(fù)雜難處理的多金屬礦以及含金、銀高的貴金屬伴生礦，甚至垃圾礦都能用該工藝設(shè)備高效處理， 實現(xiàn)資源的綜合利用。原料的 來源廣，大大拓寬了企業(yè)的原料供應(yīng)渠道，顯著提高礦產(chǎn)資源利用率。 公司已經(jīng)處理過的礦種有：高硫銅精礦、低硫銅精礦、氧化礦、金精 礦、銀精礦、高砷礦、高硅礦、塊礦等，產(chǎn)地遍布世界各地。實踐證 明，其他煉銅工藝不好處理的復(fù)雜礦料，底吹爐都能處理，而且做到 “吃干榨盡”，不僅銅的回收率達到 97.98%，金、銀等貴金屬的回 收

13、率也都超過97%。322熔煉強度高國內(nèi)外各種熔池熔煉方法都有一個相適應(yīng)的最佳富氧濃度，不可 以隨意提咼，大多在70%以下，個別達到95%以上，如氧氣頂吹熔 煉。俄羅斯諾里爾斯克冶煉廠的瓦紐科夫爐氧濃為55-80% ,我公司則保持在75%以上，是比較高的。最關(guān)鍵的是底吹熔煉氧的利用率 高，高達100%，單位時間、單位容積處理爐料量最大。熔煉強度以 反應(yīng)區(qū)容積計算，已達到18.82t/m 3d。各種方法的熔煉強度及富氧 濃度見表3。表3各種熔煉方法的床能力和富氧濃度單位Isa瓦紐科夫二菱法奧斯麥特方圓底吹爐富氧濃度%42-5255-8042-4840-4575按容積算床t/m d13.48.3-1

14、1.75.5-6.018.82能力323高氧濃、高負壓、無粉塵、無煙害由于送入爐內(nèi)的富氧濃度高達75%，煙氣體積小，二氧化硫濃度 高，控制爐子的負壓較高（-50-200Pa ），保證了爐子內(nèi)的煙氣與 塵埃不外溢。3.2.4高氧壓、高氧濃、高氧槍壽命、高作業(yè)率我們曾做過一系列關(guān)于氧壓的實驗。當爐前氧壓為2.5kg/m 2時, 仍不會發(fā)生灌槍，但冶金反應(yīng)過程不理想。當氧壓達到 4.5kg/m 2左 右時，在氧槍出口處會形成 Fe3O4 “蘑菇頭”，可以很好的起到保護氧槍的作用。見圖5圖5氧槍口蘑菇頭3.2.5不產(chǎn)生“泡沫渣”“氧氣底吹熔煉”工藝本身具有的一個優(yōu)勢：生產(chǎn)安全可靠，不形成“泡沫渣”?，F(xiàn)

15、在，冰銅品位提高到 60-65%都已屬于正常當冰銅品位提高到60-65% , Fe/SiO 2高達2.0-2.2時，都沒有產(chǎn)生“泡沫渣”。這就表明，“氧氣底吹”吹的是冰銅層，而因為總有 FeS的存在，也就不會產(chǎn)生過量的 Fe3O4，也就不易產(chǎn)生“泡沫渣”。 326生產(chǎn)能力調(diào)節(jié)范圍大“氧氣底吹熔煉”主裝備一底吹爐，具有的一大優(yōu)勢是產(chǎn)能可大 可小，調(diào)節(jié)范圍大。當爐子規(guī)格一定時，它實際處理料量的能力可在 設(shè)計值基礎(chǔ)上有上下 50%的波動范圍。在最初設(shè)計時，大、中、小 型冶煉廠，即從年產(chǎn)2萬噸到20萬噸粗銅的企業(yè)，可依據(jù)自身情況 設(shè)計不同大小的爐子。這是從國外引進的工藝技術(shù)所無法比擬的優(yōu) 點。3.3氧

16、氣底吹煉銅工藝主要經(jīng)濟技術(shù)指標該工藝通過近三年的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)實踐，充分顯現(xiàn)了其優(yōu)越性，取得了良好的經(jīng)濟技術(shù)指標。見表4表4吹氧造锍多金屬捕集技術(shù)的主要技術(shù)指標項目單位設(shè)計值實際值(1)精礦處理量t/d11501680(2)送風時率%9595.6(3)燃料率%2.460-0.8氧料比m/t186.2130-160(5)脫硫率%68.1965-70(6)進鍋爐煙氣SO濃度%14.68>22(7)渣型 Fe/SiO 21.71.6-2.0(8)渣含銅%42.5-3.2(9)煙塵率%2.51.5-1.8(10)爐料粒度mm<15<20(11)爐料水分%86-8(12)選礦棄渣含銅%0.

17、420.32(13)氧濃%7070-75(14)氧槍氣體壓力MPa0.4-0.60.5-0.65(15)銅锍品位%5560-65(16)熔池溫度C1180-12001180± 20(17)總回收率%Cu 97.79Cu 98.60%Au 97.75Au 98.20Ag 95Ag 98.004. 無碳自熱熔煉4.1自熱熔煉程度高“氧氣底吹熔煉”工藝，因其獨特的爐體設(shè)計構(gòu)造，使得它成為 實現(xiàn)了完全自熱熔煉的一項冶煉工藝。其實，在投料試車之前，我們 也曾有過擔心：如果一開始投料量太小，可能無法滿足“自熱熔煉” 的條件，屆時我們準備了用燃油燒嘴補熱的預(yù)備方案。但實際上，當 投料量達到30t/

18、h時，爐內(nèi)就已經(jīng)達到了能夠維持自熱熔煉的熱平 衡，于是“點油嘴補熱”的計劃也就沒有必要了。這一實踐直觀地說 明，由于排出煙氣量小，爐子的散熱面積小，帶走的熱量少，因此很 容易實現(xiàn)自熱熔煉，最大限度的利用了一切熱能。4.2能源消耗低由于氧濃高，煙氣量小，熱損失少，爐料中不需要另外配煤。試 生產(chǎn)初期，我們曾配入2%的碎煤，后來逐步地降到1%、0.5%，直 至后來的完全不配煤。這樣一來，我們不但節(jié)省了燃料以及煤燃燒所 用的氧氣，保證了氧氣的充分有效利用，而且保證了二氧化碳煙氣的 最小排放量，甚至做到了無碳排放。目前，各種主要煉銅工藝在熔煉 過程配入燃料的燃燒熱，在熱平衡中占的比例，與離爐煙氣帶走熱量 所占的比例，見表5。表5燃料燃燒熱與煙氣帶走熱在熱平衡中的比例熱平衡中燃料熱的比例(%)配煤率煙氣帶走的熱所占比例(%)備注三菱熔煉爐23.2932.24熔池4澳大利亞Isa公司Isa爐35.123.0736.07現(xiàn)代538.524.1848.7034.933.2149.2338.393.6350.38大冶諾蘭達38.5346.38銅冶金6水口山底吹爐22.063.3