銅冶金學第3章

銅冶金學第3章2023/6/5銅冶金學第3章3.1概述

閃速熔煉是現(xiàn)代火法煉銅的主要方法。它克服了傳統(tǒng)方法未能充分利用粉狀精礦的巨大表面積,將焙燒和熔煉分階段進行的缺點。大大減少了能源消耗,提高了硫利用率,改善了環(huán)境。閃速熔煉是將經(jīng)過深度脫水（含水小于0.3%）的粉狀精礦，在噴嘴中與空氣或氧氣混合后，以高速度（60～70m/s）從反應塔頂部噴入高溫（1450～1550℃）的反應塔內(nèi)。銅冶金學第3章

精礦顆粒被氣體包圍，處于懸浮狀態(tài)，在2～3s內(nèi)就基本上完成了硫化物的分解、氧化和熔化等過程。

熔融硫化物和氧化物的混合熔體落下到反應塔底部的沉淀池中匯集起來，繼續(xù)完成冰銅與爐渣最終形成過程，并進行沉清分離。

爐渣在單獨貧化爐或閃速爐內(nèi)貧化區(qū)處理后再棄去。

銅冶金學第3章閃速熔煉有以下的特點：321焙燒與熔煉結(jié)合成一個過程；爐料與氣體密切接觸，在懸浮狀態(tài)下與氣相進行傳熱和傳質(zhì)；FeS與Fe3O4、FeS與Cu2O(NiO)、以及其它硫化物與氧化物的交互反應主要在沉淀池中以液—液接觸的方式進行。閃速熔煉有兩種基本形式：1精礦從反應塔頂垂直噴入爐內(nèi)的奧托昆普閃速爐（圖3.1）；精礦從爐子端墻上的噴嘴水平噴入爐內(nèi)的因科閃速爐（圖3.2）2銅冶金學第3章圖圖3.1奧托昆普閃速爐銅冶金學第3章圖3.2INCO閃速爐銅冶金學第3章

閃速爐的主要熔煉過程發(fā)生在反應塔內(nèi)。氣流中的精礦顆粒在離開反應塔底部進入沉淀池之前順利地完成氧化和熔化等過程。

發(fā)生在反應塔內(nèi)的是一個由熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、流體流動和多相多組分間的化學反應綜合而成的復雜過程。

研究反應塔內(nèi)的傳輸現(xiàn)象，對獲得高的生產(chǎn)率與金屬回收率、長的爐壽命和低的能源消耗的具有理論指導意義，也為噴嘴和爐型設計的改進提供基礎。

3.2閃速熔煉理論基礎3.2.1反應塔內(nèi)的傳輸現(xiàn)象銅冶金學第3章

從反應塔頂部噴嘴噴出的氣-固（精礦）混合流，離開噴嘴后，在塔內(nèi)形成了兩個區(qū)域：

3.2.1.1精礦顆粒和氣體的運動規(guī)律

1.噴嘴口附近的噴射區(qū)（或稱入口區(qū)）；擴張區(qū)延續(xù)到熔池面上時流體形狀改變。此時的氣流速度稱為終點氣流速度。2.擴張氣流區(qū)(如圖3.3中的截面A-A以下)。銅冶金學第3章圖3.3反應塔內(nèi)的氣體-精礦流散布示意圖（中央噴嘴）銅冶金學第3章

式中,Ux為從入口點開始的x距離上的中心噴射速度(m/s)；U0為入口初始速(m/s);r0為入口噴嘴半徑(m)。式(3-1)說明,氣流的終點速度乃由入口初始速度決定，入口初始速度對氣體在塔內(nèi)的停留時間起著決定性的作用。Ux=12.4U0r0/x(3-1)

等溫氣體噴射時的速度衰減由下式表達:

銅冶金學第3章

公式(3.1)是在等溫情況下得出的。

由于化學反應產(chǎn)生的熱使塔內(nèi)的氣體瞬間被加熱到高溫（1300℃以上），氣體體積膨脹擴張了噴射錐空間，因而真實速度將大大減少。

對高為9m,直徑為6m的反應塔，當入口初速度為30m/s時，氣流在塔內(nèi)的停留時間約為2s。銅冶金學第3章

從反應塔頂落下的顆粒是與氣體處在同樣重力作用下的流股中。因此,顆粒的速度等于氣流速度加上顆粒的下落速度。

在實際條件下,混合流中的顆粒分散度是很大的,相鄰兩顆粒間的平均距離大約等于20個顆粒的直徑,甚至更多。

顆粒的終點速度就可以用斯托克斯公式來描述:

up=gc(ρp-ρg)d2p/18η(3-2)

式中,up為顆粒的終點速度（m/s）；gc為重力加速度(m/s2)；ρp和ρg分別為顆粒與氣體的密度（kg/m3）,dp為顆粒的直徑(m)；η為氣體的粘度[kg/(m·s)]。銅冶金學第3章

按式(3-2)的計算,10μm顆粒的終點速度僅為0.04m/s,而200μm顆粒的終點速度為1.6m/s。因此,細顆粒流經(jīng)反應塔的速度幾乎與氣流速度相等。而其停留時間也約為2s。較大顆粒通過反應塔的速度約2倍于氣流速度(2m/s+1.6m/s),停留時間更短。銅冶金學第3章

對某些工廠反應塔操作數(shù)據(jù)的統(tǒng)計表明：在不同的反應塔的高度下，平均氣流速度為1.4～4.7m/s時,相應的氣體停留時間如圖３.4所示。

銅冶金學第3章圖3.4不同高度的反應塔中的平均氣流速度與其停留時間(按N.J.Themelis數(shù)據(jù)繪出)

銅冶金學第3章3.2.1.2精礦顆粒與氣流之間的熱和質(zhì)傳遞

除了顆粒與氣流運動的特性外,反應塔內(nèi)的傳熱與傳質(zhì)也是閃速熔煉過程進行的重要基礎。在精礦粒子和氣體流之間的傳熱與傳質(zhì)速率是由無量綱因子聯(lián)系起來的努塞爾數(shù)（Nnu）和謝伍德數(shù)（Nsh）來描述的，如下面等式所表達:

銅冶金學第3章

由該二公式可見，影響顆粒與氣體之間的熱和質(zhì)傳遞的因素有顆粒直徑、流體熱傳導率、顆粒與流體的相對速度和流體的性質(zhì)（密度、粘度與比熱）。銅冶金學第3章表3.1顆粒尺寸對其終點速度、傳熱和傳質(zhì)系數(shù)的影響顆粒直徑，μm1050100200終點速度，cm/s0.399.9439.8158熱傳遞系數(shù)，j/cm·s·℃1.770.360.190.12質(zhì)傳遞系數(shù)，o，g/cm·s在純氧中1.1760.2460.130.081在空氣中0.2440.0510.0280.07銅冶金學第3章

表3.5列出了按式（3-4）計算的在平均膜層溫度為1000℃下的顆粒直徑對其終點速度、傳熱與傳質(zhì)系數(shù)的影響。

與細顆粒相比,粗顆粒不但具有比表面積小和停留時間短的缺點,而且熱傳遞和質(zhì)傳遞系數(shù)也小。

在干精礦中,粒度級別的分布是不均勻的,全部顆粒達到同樣的反應程度是不可能的。對粗顆粒會有反應不足,細顆粒則會反應過度。銅冶金學第3章精礦中最常見的礦物有黃銅礦(CuFeS2)和黃鐵礦(FeS2)。閃速爐內(nèi)發(fā)生的總反應可以表達如下:

CuFeS2+5/4O2→1/2(Cu2S·FeS)+1/2FeO+SO2

2FeS2+7/2O2→FeS+FeO+3SO2

3FeO+1/2O2→Fe3O4

精礦顆粒氧化后最后形成的硫氧化物是在爐氣一定的氧分壓（logPo2約為-1.7）下反應平衡時的產(chǎn)物,可能的各種組成在圖3.5上指出。3.2.2反應塔內(nèi)精礦氧化行為與煉產(chǎn)物的形成銅冶金學第3章圖3.5Cu-Fe-S-O體系相平衡中的logPo2(101.3kPa)--1/T(K)圖條件:Pso2=1.013×104Pa銅冶金學第3章

由于精礦顆粒粒度與其表面性狀的差異，噴嘴結(jié)構(gòu)及其工況參數(shù)的影響，精礦顆粒在離開噴嘴后下落過程中的變化是不同的。有三種情況存在：

1.易燃的銅精礦粒子（或反應快的粒子）直接被氧化成白锍或帶金屬銅的白锍，氧化放出的熱量使精礦粒子熔化為液態(tài)；2.過氧化的熔融顆粒；3.未反應的顆粒。銅冶金學第3章

過氧化的熔融粒子在反應塔內(nèi)下落時，它們彼此之間或者與尚未反應的固體粒子（反應慢的粒子）之間將發(fā)生碰撞。過氧化粒子中存在Fe3O4，與熔劑粒子碰撞時發(fā)生還原造渣反應，并把熱量傳給未反應粒子而使其熔化。由于粒子之間相互碰撞，粒子直徑逐漸增大。

銅冶金學第3章

在爐料中裝入煙塵和不裝入煙塵的條件下，基本完成還原與造渣反應的時間是不同的，即該過程持續(xù)在反應塔的高度段上是不同的。前者在3m以下。

反應塔出口部的最終產(chǎn)物，是由輝銅礦和斑銅礦為主的過氧化熔融粒子和未反應的黃銅礦固體粒子所組成。銅冶金學第3章

從反應塔落下的MeO-MeS液滴還只是初生的锍和渣的混合熔融物，到了沉淀池后,除了進行由于比重不同的分層外,還有一系列的反應要繼續(xù)進行。繼續(xù)反應的條件和終渣的組成除了受沉淀池的溫度、氣氛和添加燃料等影響外，還取決于初渣的氧勢、溫度、初渣中二氧化硅的含量以及煙塵返回量的多少等因素。

3.2.3沉淀池內(nèi)的反應銅冶金學第3章在沉淀池內(nèi)的主要反應有以下幾類:

1.Fe3O4的還原反應

[FeS]+3(Fe3O4)=10(FeO)+SO2（3-5）

在有SiO2存在的情況下,FeO與SiO2造渣,使Fe3O4的還原變得容易。影響該反應進行的因素是爐渣中Fe3O4的活度、Fe/SiO2、锍品位、二氧化硫分壓和溫度以及各相之間接觸的動力學條件。

根據(jù)圖3.6，可以確定出沉淀池終渣中Fe3O4的含量(%)與锍品位的關系。銅冶金學第3章條件：PSO2=10kPa;Fe3O4%含量除1270℃時，渣含SiO2為26%外，其余均為渣飽和SiO2圖3.6锍-渣-爐氣體系中锍品位與爐渣中的Fe3O4%關系銅冶金學第3章

控制Fe3O4的一般途徑有:1.提高反應塔溫度2.增加沉淀池燃油量，降低锍品位3.降低Fe/SiO2，加入煤，以及優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)與操作條件等。銅冶金學第3章2.Cu2O的硫化還原反應

(Cu2O)+[FeS]=[Cu2S]+(FeO)

式中,[]表示锍相,()表示渣相。在熔煉溫度1573K時,平衡常數(shù)為9604,這樣高的值表示著反應向右進行的可能性大，從而以Cu2O形式進入爐渣的量相當小。該反應所表示的是理論上的情況,在生產(chǎn)實踐中,影響反應進行的條件是較復雜的,Cu2O的硫化還原反應可能會推遲。銅冶金學第3章3.繼續(xù)氧化反應

在高強度氧化熔煉生產(chǎn)高品位锍時,反應塔會產(chǎn)生過氧化,液滴落入熔池后,還會發(fā)生硫化物的繼續(xù)氧化反應。銅冶金學第3章3.2.4雜質(zhì)元素的行為與分布

閃速熔煉時,精礦中的Pb、Zn、As、Sb和Bi等雜質(zhì)元素的行為與分布是一個值得重視的問題。雜質(zhì)元素在閃速熔煉過程中的行為也是相當復雜的。它們的分布與元素本身的性質(zhì)以及元素之間的相互作用，氧勢、溫度和锍成分等熔煉條件有關，也與精礦中含量有關。表3.2列出了不同研究者和不同锍品位時的元素分布。銅冶金學第3章表3.2不同研究者和不同锍品位時元素分布研究者或作者锍品位(%)在锍中（%）在渣中（%）在煙氣中（%）AsSbBiAsSbBiAsSbBiH.Y.Sohn4010251866279Steinhauser5510301510305804080袁則平5539.1664.0983.7114.5832.116.0946.183.3510.08岡田57204615572758袁則平6241.3459.3275.6423.9935.289.632.73.8211.88銅冶金學第3章3.3閃速熔煉的熱化學與能量消耗

閃速熔煉的生產(chǎn)過程中，精礦中的硫化物氧化以及造渣反應放出大量的熱，輔之以熱風或富氧空氣，使過程能半自熱或自熱進行。隨著精礦中的發(fā)熱元素硫和鐵的含量不同和礦物相組成不同，氧化反應放出的熱量也不同。3.3.1閃速熔煉的熱化學銅冶金學第3章

放出的熱量還取決于氧化程度，即生產(chǎn)出的銅锍品位越高，化學反應放出的熱量就越多。表3.3列出了典型的硫化銅精礦的發(fā)熱值，并和普通燃料發(fā)熱值進行比較。一般銅精礦，生產(chǎn)含銅為40%～60%的銅锍時，反應的凈熱約為2500～3300kJ/(t·精礦)。銅冶金學第3章表3.3精礦和燃料發(fā)熱值的比較名稱MJ/Kg名稱MJ/Kg煙煤27.9產(chǎn)出銅锍品位Cu80%2.79重油43.0產(chǎn)出粗銅3.29銅精礦（Cu29.5%,Fe26.0%,S31%)產(chǎn)出銅锍品位Cu51%1.67鎳精礦（Ni7.5%,S27.8%）產(chǎn)出鎳锍品位Ni34%3.03銅冶金學第3章式中，熱量Q的右下角標fu、ai與rea分別表示燃料燃燒熱、鼓風帶入的顯熱、和化學反應熱；slg、mat、gas和los分別表示爐渣帶走的熱、锍帶走的熱、爐氣帶走的熱和爐子的熱損失。過程要實現(xiàn)自熱，即Qfu=0，可以采取的方法有預熱空氣提高風溫，或者減少爐氣量，或者兩者同時應用。近十多年來的閃速熔煉技術進步表明，提高富氧濃度，減少爐氣量的途徑更具有意義。熔煉過程所需的總熱量是由熱平衡關系決定的：Qfu+Qai+Qrea=Qslg+Qmat+Qgas+Qlos

銅冶金學第3章

影響閃速熔煉的能量消耗的因素很多，主要的有能源方案的選擇和組合，爐子規(guī)模，精礦品位，锍品位，富氧濃度，精礦噴嘴結(jié)構(gòu)以及操作控制等?？晒╅W速熔煉使用的能源包括重油、煤、焦粉、天然氣以及氧氣等。能量消耗最終是以能量成本來體現(xiàn)的。見下表3.43.3.2閃速熔煉能量消耗銅冶金學第3章表3.4計算能耗成本的條件項目單位數(shù)值1銅精礦成分%Cu25,S32,Fe28,SiO242燃料發(fā)熱值MJ/kg重油41030，煤炭27215，天燃氣35288（m3）3燃料價格USD/t重油120，煤炭42，天燃氣0.08/（m3）4.制氧工廠：電耗熱電效率kWh/m3%USD/kWh0.5320.045熱風制備的熱效率%70，假定采用與閃速爐相同種類的燃料作為熱源6閃速爐臺數(shù)臺1銅冶金學第3章3.4閃速爐結(jié)構(gòu)

閃速熔煉有兩種基本的爐型：一種是因科閃速爐（如圖3.9所示）。另一種是奧托昆普閃速爐。奧托昆普型閃速爐在50多年的發(fā)展歷程中，隨著生產(chǎn)實踐中出現(xiàn)的各種問題，作了不斷的改進。重大的變化是在爐型方面。針對熔煉過程中沉淀池內(nèi)容易生成Fe3O4爐結(jié)，渣含Cu高，日本玉野冶煉廠在沉淀池內(nèi)加了三根電極（如圖3.10所示），以電能輔助加熱，減輕了爐結(jié)，降低了渣含銅。3.4.1閃速爐爐型銅冶金學第3章

以后該廠又通過添加焦粉，使用一氧化碳濃度控制生產(chǎn)的技術，取消沉淀池內(nèi)電極的運行。而澳大利亞卡爾古利冶煉廠則作了另外的改進，避免了沉淀池內(nèi)電極嚴重氧化燒損的困難，把每組呈三角形排列的兩組六根電極插入沉淀池的延伸部分---貧化區(qū)。如圖3.11所示。銅冶金學第3章

這種結(jié)構(gòu)適應了含有MgO的銅鎳精礦的熔煉，容易提高爐渣溫度，貧化區(qū)與沉淀池中的爐渣－鎳锍共同處于一個體系，既利于锍品位的調(diào)整又利于降低渣中鎳、銅和鈷的損失。銅冶金學第3章

圖3.9加拿大國際鎳公司工業(yè)氧氣閃速爐爐型

銅冶金學第3章圖3.10日本玉野冶煉廠閃速爐爐型

銅冶金學第3章圖3.11澳大利亞卡爾古利與金川冶煉廠閃速爐爐型銅冶金學第3章3.4.2閃速爐的爐體結(jié)構(gòu)

奧托昆普型的閃速爐由反應塔、沉淀池和上升煙道三部分組成。反應塔呈圓筒。沉淀池是由鉻鎂磚砌成的矩形池子，用于暫存銅锍及熔煉渣，以使銅锍沉清分離。上升煙道是煙氣導入廢熱鍋爐的通道。閃速爐本體主要由鋼結(jié)構(gòu)元件、耐火材料內(nèi)襯和水冷元件構(gòu)成。根據(jù)反應塔、沉淀池和上升煙道的功能不同，各部分的鋼結(jié)構(gòu)、耐火材料和水冷元件各有特點。銅冶金學第3章3.4.3閃速爐噴嘴

在閃速爐熔煉中，干燥的浮選硫化銅精礦與熔劑、燃料以及預熱空氣（或富氧空氣）是通過設置在反應塔上部的精礦噴嘴噴入爐內(nèi)并進行混合的。在反應塔中，精礦在距噴嘴一定距離處著火，被氧化形成爐渣和锍，精礦粉與反應用空氣混合的均勻程度對精礦氧化反應起著決定作用。若混合不好，就會有局部未反應物料落入沉淀池，影響锍溫度和品位，煙塵量也增大。

銅冶金學第3章

精礦噴嘴的型式會影響精礦粉的著火點、反應塔內(nèi)的回流量、死區(qū)的位置、結(jié)瘤、灰渣生成以及Fe3O4生成等，即精礦噴嘴的好壞實際上會影響整個熔煉爐的運行。故閃速熔煉從1949年發(fā)展至今，噴嘴也在不斷地發(fā)展完善。二十世紀七十年代以前，精礦噴嘴都是文丘里型噴嘴，結(jié)構(gòu)如圖3.12所示。

銅冶金學第3章圖3.12文丘里型精礦噴嘴1.重油噴嘴；2.精礦溜管；3.送風管；4.精礦噴嘴本體；5.文丘里狀收縮部；6.精礦分散錐；7.精礦噴嘴圓錐銅冶金學第3章

中央擴散型精礦噴嘴是芬蘭奧托昆普公司研制成功的，該噴嘴不是文氏管型而是倒錐型，由殼體、料管、風管、混合室等組成。爐料從中央料管流入混合室，富氧空氣則從空氣管以一定的速度噴入混合室內(nèi)，精礦與空氣在此處進行充分的混合?；旌鲜页蕡A筒型，其底部在噴嘴的最下端與閃速爐頂相接。在精礦噴嘴中心安裝一根小管，其端部設有錐形噴頭，噴頭周圍分布有直徑3.5mm的許多小孔。壓縮空氣由中間小管通入，爾后從小孔沿水平方向噴出，將精礦粉迅速吹散到整個反應塔內(nèi)。銅冶金學第3章中央擴散型精礦噴嘴示意圖銅冶金學第3章

圖3.13是典型的奧托昆普閃速熔煉工藝流程。

3.5閃速熔煉工藝3.5.1閃速熔煉工藝流程銅冶金學第3章銅冶金學第3章3.5.2精礦的干燥

銅冶煉廠進廠銅精礦含水一般為8%~15%。冶煉前的配料作業(yè)、冶煉過程中及冶煉煙氣制酸都對精礦含水有一定要求。在配料過程中，若含水高，精礦易粘結(jié)，會影響配料精度。因此，配料前的精礦含水一般控制在10%以下，必要時可增加預干燥設備。銅冶金學第3章

在閃速熔煉過程中，反應速度很快，精礦在反應塔只停1s左右。進入反應塔后，在塔內(nèi)高溫作用下，精礦中的水分會在精礦顆粒表面形成一汽膜，既影響熱量傳遞，又會阻礙氧氣與精礦粒子的接觸，使之尚未反應完全就落入沉淀池內(nèi)形成生料堆積，導致爐況惡化。因此，必須對配好的精礦進行干燥，使精礦含水滿足閃速爐所需。銅冶金學第3章

一般閃速熔煉要求精礦含水0.1%～0.3%。銅精礦的干燥方式有多種：1.回轉(zhuǎn)窯干燥法;2.氣流干燥法;其中常用的是氣流干燥法，最新的方法是蒸汽干燥法。3.旋轉(zhuǎn)干燥法;4.噴射干燥法;5.蒸汽干燥法.銅冶金學第3章3.5.3閃速熔煉的計算機控制

閃速爐反應塔內(nèi)的冶金化學反應迅速、激烈，影響其產(chǎn)出物和溫度等重要輸出變量的因素很多，這些因素之間又互相影響，變化頻繁。必需使用計算機控制。使用計算機對閃速爐熔煉生產(chǎn)過程進行在線控制，能夠快速、準確和適時地檢測生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)，并利用所收集到的工藝參數(shù)作為輸入條件，按照事先引入的數(shù)學模型自動地進行精確的計算，迅速而準確地改變控制變量。銅冶金學第3章

當閃速爐處理料量不變時，閃速爐產(chǎn)出的銅锍品位、銅锍溫度、渣中鐵硅比這三大參數(shù)是閃速爐熔煉過程的綜合判斷指標。只要穩(wěn)定這三大參數(shù)就可以基本實現(xiàn)熔煉、吹煉以至硫酸生產(chǎn)的穩(wěn)定。計算機對閃速爐熔煉過程進行控制的關鍵就在于對品位、溫度和鐵硅比這三大參數(shù)進行在線控制。銅冶金學第3章

計算機在線控制采用前饋－反饋的控制方式，最終使控制變量穩(wěn)定在目標值。計算機在線控制的具體過程由用戶軟件的控制系統(tǒng)實現(xiàn)，