富氧底吹炼铜炉关键技术研究.pdf

1 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年4 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 4 ．0 0 4 富氧底吹炼铜炉关键技术研究 余跃1 ，温治2 ，刘训良2 ，楼国锋2 ，苏福永2 ，豆瑞锋2 ，郝小红3 ，陆志方3 1 ．北京科技大学机械工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．北京科技大学冶金工业节能减排北京市重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ； 3 ．中国恩菲工程技术有限公司，北京1 0 0 0 3 8 摘要对目前国内关于底吹熔炼炉的文献进行了总结，并对比了几种先进熔炼方法的技术特点，还对长 径比、隔墙和氧枪等关键部位的设计进行了分析和讨论。结果表明，底吹熔炼炉在流动、传质、单位床能 力和单位能耗等方面有着一定的优势。 关键词底吹熔池炼铜炉；氧枪；流动状态；隔墙布置 中图分类号T F 8 1 1文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 4 0 0 1 2 0 5 S t u d yo nK e yT e c h n o l o g yo fO x y g e nE n r i c h e d B o t t o mB l o w nC o p p e rM e l t i n gF u r n a c e Y UY u e l ，W E NZ h i 2 ，L I UX u n l i a n 9 2 ，L O UG u o f e n 9 2 ，S UF u y o n 9 2 ， H A OX i a o h o n 9 3 。L UZ h i f a n 9 3 1 ．S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 。C h i n a ； 2 ．B e i j i n gK e yL a b o r a t o r yf o rE n e r g yS a v i n ga n dE m i s s i o nR e d u c t i o no fM e t a l l u r g i c a lI n d u s t r y ，U n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；3 ．C h i n aE n f iE n g i n e e r i n gC o r p o r a t i o n ，B e i j i n g1 0 0 0 3 8 ，C h i n a A b s t r a c t T e c h n i c a lf e a t u r e so fs e v e r a lm e l t i n gm e t h o d sw e r ec o m p a r e db a s e do nas u m m a r yo fr e c e n tl i t e r a t u r e so fo x y g e ne n r i c h e db o t t o mb l o w nc o p p e rm e l t i n gf u r n a c e ．T h ed e s i g n so fl e n g t h d i a m e t e rr a t i o ，i n n e r p a r t i t i o na n do x y g e nl a n c ew e r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo x y g e ne n r i c h e db o t t o m b l o w nc o p p e rm e l t i n gf u r n a c eh a sa d v a n t a g e si na s p e c t so ff l o ws t a t e ，m a s st r a n s f e rp r o c e s s ，u n i tb e dc a p a c i t ya n ds p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o n ． K e yw o r d s b o t t o mb l o w nc o p p e rm e l t i n gf u r n a c e ；o x y g e nl a n c e ；f l o ws t a t e ；i n n e rp a r t i t i o na r r a n g e m e n t 从2 0 世纪7 0 年代开始，铜冶炼技术经历了从 能耗高、硫利用低、环境问题突出的鼓风炉、反射炉 和电炉到更适应节能减排的新型熔炼技术的转变。 其中闪速熔炼和熔池熔炼生产的粗铜产量已超过世 界铜总产量的1 ／3 [ 1 ] 。底吹熔池炼铜法 又叫水口 山炼铜法 结合了诺兰达炼铜法的炉型和水口山炼 铅法的底吹思想，在许多方面有着突出的优势，因此 在铜冶炼行业得到了一定的应用。 收稿日期2 0 1 2 0 9 1 4 作者简介余跃 1 9 8 7 一 ，男，重庆垫江人，博士研究生． 1 底吹熔池炼铜法的优势 在熔池熔炼炉中，不仅有气相的空气、液相的冰 铜，还有固相的渣以及未反应的精矿，所以其中的流 动和化学反应过程十分复杂。一般认为，反应器内 的搅动越强烈，气相物质在液相和固相中的弥散程 度越高，越有利于化学反应的快速进行。因此，熔池 内部的搅动状况以及由其导致的流动、传热和传质 特性，可以作为反应器设计的判定标准。 万方数据 2 0 1 3 年4 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／I y s y l ．b g r i m m ．c n 1 3 高长春等口 3 ] 对常见的几种熔池熔炼炉的搅拌 功进行了比较瓦纽科夫炉1 0 ～1 0 0k W ／m 3 ，P S 转 炉6 0 ～1 2 0k W ／m 3 ，诺兰达炉～6 0k W ／m 3 ，而粗略 计算的底吹熔炼炉高达1 8 0k W ／m 3 。如此高的搅 拌功有利于熔池的翻腾，并加强混合，从而加快化学 反应速率。崔志祥等[ 4 ] 还对几种常见的熔池熔炼技 术的流动和传质性能进行了对比。结果显示，侧吹 诺兰达炉的N u 准则数为3 8 ．7 ，而底吹熔炼炉高达 1 6 8 ，是前者的4 倍左右；同时，诺兰达炉的传质速度为 1 ．5 9m 30 2 ／m 3S ，而底吹熔炼炉为3 ．7 7m 30 2 ／m 3S ，约 为前者的2 倍。底吹熔炼法的体积床能力达到了 1 4 ．8t ／ m 3 d ，是目前所有方法中最高的，而I S A 法 由于是竖炉熔炼，其面积床能力高达6 5t ／ m 2 d 。 富氧喷吹不仅可以提高熔矿及化学反应速率， 同时低烟气生成量也使得冶炼能耗大大降低[ I 。6 ] 。 表1 列举了几种常见的熔炼炉中与能耗相关的几项 重要指标，可以看出三菱熔炼炉、诺兰达炉和瓦纽科 夫炉都可以实现自热熔炼，而底吹熔炼炉的设计配 煤率也只有2 ．6 4 ％。据方圆公司最新的报道，在经 过技术改造后，也实现了自热熔炼，平均能耗也降低 到3 3 0k g c e ／t 。 此外，底吹熔池炼铜法还有着原料适应性强、生 产操作简单、调节范围大、铜硫品位可控以及泡沫渣 少等优点。 表1常见熔炼炉能耗指标对比 T a b l e1 C o m p a r eo fe n e r g yc o n s u m p t i o n o fs o m ec o m m o nf u r n a c e s 热平衡中 静．瞠 烟气带走吨粗铜 炉型燃烧热的 竺紫， 热所占综合能耗／ ／％ 比例／％ “～ 比例／％k g c e 2 底吹熔炼关键技术 2 ．1 长径比及隔墙布置 和诺兰达炉和特尼恩特炉一样，底吹熔炼炉也 是在炉内完成熔炼过程和后续的渣液分离过程的， 可以入为地把炉子分为反应区和沉降区。对于反应 区，要求熔体有比较好的搅拌状态来保证反应的快 速完成；对于沉降区，要求熔体比较平静，来保证冰 铜和渣的分离，降低渣中铜的含量。这两者是相互 矛盾的，因此，需要找到一个相对比较合理的长径 比，既能够满足反应的需求，又能够满足沉降的需 求。表2 列举了目前比较常见的几种卧式熔炼炉的 尺寸J ，从表2 可以看到，除了一个试验炉之外，实 际运行的几个卧式炉的长径比都在4 ～5 。 表2 几种卧式炉尺寸 T a b l e2S i z eo fs e v e r a lh o r i z o n t a If u r n a c e s 曲胜利等E B ] 的研究还指出，由于恒邦公司的底 吹炉采用的是6 个氧枪单排布置的形式，而东营方 圆采用的是9 个氧枪双排布置，所以恒邦公司底吹 炉的沉降区相对较短，生产中渣含铜超过4 ％。同 时他们还建议在设计过程中可以适当地增加炉长来 增加沉降区的长度，降低渣含铜。但是另一方面，如 果增加炉子的长度，必然会导致炉子体积床能力的 降低；同时，炉壁面积的增加也会导致散热量的增 加，降低炉子的热效率。 为了解决这对矛盾，铜冶炼炉设计可以参考炼 钢中间包以及水口山炼铅工艺的设计思路。东北大 学的李东辉等凹] 对中间包夹杂物的去除过程进行了 模拟和相应的试验研究。结果表明，由于挡板的存 在，使得钢液在中间包内的流动被分为明显的三个 区域。在注流区 第一个区域 ，搅动作用非常明显， 经历～个挡板之后，接近于水平无搅动的流动。同 时还对比了传统的坝堰模型与双挡板模型对于夹杂 物去除的作用，结果见图1 ～2 。 从图1 ～2 可看出，双挡板法有利于夹渣物的去 除，对于粒径较小的夹渣物，双挡板法去除效果提升 明显。 何玉林等[ 1 0 ] 对水口山炼铅法进行了水模型试 验，在如图3 所示的试验装置中，以K C l 溶液作为 示踪剂，采用刺激一响应的方法，研究了不同隔墙布 置情况下的混合情况。结果显示，熔池在7m i n 左 右的时候已经混合均匀，但是平均停留时间高达5 0 m i n 。他们还建议可以在不被冲刷的情况下，把隔 墙尽量前移，这样有利于加强氧化反应区内的混合， 万方数据 1 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年4 期 赵 烂 零 礤 铡 图1不同流动控制下中间包出口夹杂物浓度 F i g ．1 N o r m a l i z e di s o - c o n c e n t r a t i o ni nt u n d i s h u n d e rd i f f e r e n tb a f f l ec o n t r o l s 1 0 0 9 5 9 1 眯 嚣8 5 8 0 7 5 7 0 1 1 2 一1 4 01 4 0 1 8 01 8 0 2 0 02 0 0 2 瓢 粒径／l a i n 图2 不同流动控制下中间包夹杂物上 浮率的试验结果 F i g , ．2E x p e r i m e n t a lr e s u l t so fi n c l u s i o nr e m o v a l e f f i c i e n c yu n d e rd i f f e r e n tf l o wc o n t r o l s 进而缩短停留时问。 图3隔墙安装位置示意图 F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g r a mo fi n n e r p a r t i t i o ni n s t a l l a t i o n 尽管有以上的利用挡板来把反应区和沉降区隔 开的试验研究，目前这种方法在运行的生产线中没 有得到过应用，这是由于这种方法可能会导致隔壁 上结渣等情况，影响正常生产过程。 2 ．2 氧枪 对于氧枪，从2 0 世纪6 0 年代就已经有学者进 行研究，只是当时研究的对象是转炉炼钢所使用的 氧枪。经过几十年的研究，氧枪经过了由单管发展 成为套管、透气砖和槽缝式多层套管的过程。 在底吹熔炼炉中，氧枪不仅承担着供人空气，提 供氧化剂的作用，也是熔池搅拌能量的主要来源。 因此，良好的氧枪设计往往能够保证底吹熔炼炉处 于理想的工作状态下。对于底吹熔池炼铜法，其氧 枪设计好坏可以从以下几个方面进行衡量。 2 ．2 ．1 使用寿命 资料显示，炼钢所使用的透气砖的平均蚀损速 度为0 ．4 ～0 ．7r a m ／炉，富氧底吹炼铅的平均蚀损 速度为0 ．3 ～0 ．3 5m m ／h ，底吹炼铜的平均蚀损速 度为0 ．0 2 ～0 ．0 3m m ／h 。造成氧枪损坏的原因很 多，其中最主要的是高温烧损。唐钢第一炼钢厂对 氧枪的外壁温度进行了测量，结果显示，在吹炼过程 中，靠近溶液的一端枪壁温度高达9 0 0 ℃。潘玉华 等[ 1 u 通过数值模拟，计算了转炉炉底温度分布和喷 嘴内各项参数沿喷管长度方向上的变化情况，模拟 结果显示，在靠近炉壳的地方氧枪壁面温度仅 1 0 0 ℃左右，而在靠近熔池的一端高达11 0 0 ℃。 文献[ 2 1 还指出，水口山炼铅法和水口山炼铜法中氧 枪壁面温度与N ／o 的比值有密切关系 图4 。在 10 0 0 ℃左右的环境中，氧枪的主要成分会与氧气 发生化学反应，如果喷嘴没有良好的冷却措施，氧枪 就会逐渐被烧损。因此，氧枪材质一般选用耐热强 度高的耐热不锈钢，如0 C r 2 5 N i 2 0 。 p 魁 赠 图4喷嘴4m m 处壁面温度与N ／o 的关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a l lt e m p e r a t u r ea t 4m mo fn o z z l ea n dr a t i oo fN 2 ／0 2 另外，目前氧枪结构一般都为套管或槽缝式多 层套管结构，这种氧枪中间通空气或富氧空气，外层 万方数据 2 0 1 3 年4 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 1 5 通高速空气。由于喷嘴内部气体流动速度很高，气 体在喷管中的停留时间很短，该过程可以近似看作 是绝热流动。对于气体绝热流动，可以用伯努利方 程来计算不同气体在不同喷吹速度下的温降情 况‘”] ，结果见图5 。 誓 世 赠 图5 气体绝热流动温降与喷射速度关系 F i g ．5R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r ed e c r e a s e o fg a sa d i a b a t i cf l o wa n dj e tv e l o c i t y 从图5 可看到，当气流速度接近音速时，气体流 经氧枪的温降大约为5 0 ℃。而在实际的设计过程 中，氧枪射流的喷射速度都不会高于音速，因为过高 的流速会导致枪头的磨损情况严重。何玉林等[ 1 朝 的研究发现，对于底吹炼铅工艺，当喷枪喷气速度达 到2 7 7m ／s 时，喷枪中心管的寿命很短，有时仅1 ～ 2d 就被磨破了，而当速度降至1 0 0m ／s 时，寿命会 大大增加。所以，氧枪的寿命和外层冷却气体的流 速是有一个折中值的，具体大小需要设计者根据试 验以及现场情况来确定。 2 ．2 ．2 喷口射流状态 高长春等瞳1 通过对前人工作的总结，认为底吹 气体射流状态分为“气泡喷出”和“射流喷出”，而对 底吹炼铜，可以分为四种状态气泡喷出、射流喷出、 射流击穿和生成蘑菇头的射流喷出。这几种状态的 区别主要是喷口出口处的压力不同。 李诚口4 3 等人利用下式来计算喷口处的压力，并 且认为对于底吹炼铜炉所使用的喷枪，△P 取4 5 k P a 较合适。 P 2 一P 。 l D 冰铜H 冰铜g J D 渣H 渣g A P 1 式中，P 为氧枪出口压力，如需计算氧枪进口 压力，可以根据双原子分子无因次压强与折合长度 的关系查图6 获得。 他们在研究中还发现，炉底喷枪区是底吹熔炼 炉中最容易损坏的部分。其主要原因是，当高速气 图6 双原子分子无因次压强与折合长度关系 F i g ．6R e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i m e n s i o n l e s s p r e s s u r ea n dr e d u c e dl e n g t ho fd i a t o m i cm o l e c u l e 体射流喷射到熔池中以后，刚性不强的射流会在喷 嘴端部形成气泡带，并以5 ～7H z 的频率敲打和冲 击炉底。这种现象也被称作“气泡后座”，为提高氧 枪以及炉子的寿命，在设计时应该尽量避免这种现 象的发生。 李远洲[ 1 5 1 对富氧底吹转炉熔池动力学进行了 比较细致的研究，详细探讨了气泡后座现象。他利 用一个无因次压强￡ 外界压强与喷口出口总压之 比 来描述射流状态，当s o ．2 5 的时候开始出现 气泡后座现象，并随着e 的增大而逐渐增大，当e 一0 ．5 2 8 时达到最大值。所以，在低压喷吹的时候 一般选择e o ．2 5 。他所使用喷枪的喷气压力与气 泡带的关系如图7 所示。 从图7 可以得到如下结论 1 喷吹气体压力低于0 ．4M P a 时，有“气泡后 座”形成； 2 喷吹气体压力低于0 ．1 5M P a 时，喷嘴端部 气泡带直径随气体压力的增大而逐渐增大； 3 喷吹气体压力为0 ．1 5 ～o ．4M P a 时，气泡带 稳定在1 0 倍于喷嘴直径的范围内； 4 喷吹气体压力超过0 ．4M P a 后，喷嘴端部不 再形成气泡和气泡带，而形成接近于喷嘴直径的柱 状射流深入水池，在气流束的顶部破碎形成稳定的 气泡带。 当然，喷吹压力如果选择太大的话，会导致射流 击穿，所以在氧枪设计的时候，其喷吹压力要综合氧 枪寿命、炉底寿命、喷吹状态和液位深度等条件综合 考虑。 2 ．2 ．3 炉内流动状态 蔡志鹏等‘1 0 ’1 6 1 最早开始对底吹熔池熔炼炉内 万方数据 1 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年4 期 流动状态进行研究。他们采用相似原理，在保证R e 准数和F r 准数相等的前提下，利用内径分别为3 8 6 m m 和4 8 6m m 的有机玻璃圆柱体来模拟底吹熔炼 a 气泡带示意图 带宽度 E 吕 越 碱 架 赠 扩 炉内流动状态，并得到了枪距合理分布准数的数学 表达式。 喷嘴出口压力，M P a b 气泡带宽度 图7 气体压力与气泡带宽度关系 F i g ．7R e l a t i o n s h i pb e t w e e ng a sp r e s s u r ea n dw i d t ho fb u b b l ez o n e 随着底吹熔炼炉向大型化的发展，氧枪的数量 也逐渐增加。东营方圆公司的底吹熔炼炉采用了9 支氧枪双排布置的形式。其中下排5 支，呈7 。角；上 排4 支，呈2 2 。角。而恒邦公司的底吹熔炼炉则采用 了6 支氧枪单排布置的形式。前者由于氧枪数量 多，气体与熔池的混合状态比较理想，但是由于氧枪 平面与炉体正视平面有一定的夹角，导致炉内熔体 翻腾，冲刷炉壁，降低了炉子的使用寿命。后者由于 氧枪数量少，单只氧枪供氧能力提高，在同样的压力 下，形成的蘑菇头外形较差，不能保护好氧枪，氧枪 的寿命降低。曲胜利等口7 3 通过对比这两家公司的 氧枪布置形式，认为可以在单排布置的情况下，适当 的增加氧枪的数量，同时降低每支氧枪送风量以保 证形成良好的蘑菇头保护氧枪。 3结论 1 底吹熔池炼铜法有以下优点搅拌能高，熔 池内流动、传质条件优越；富氧浓度高，面积、体积床 能力高；配煤率高，单位能耗低。 2 对于底吹炼铜炉的设计，需要考虑的因素很 多，本文只对其中比较关键的长径比和氧枪进行了 探讨。在氧枪设计的过程中，可以用氧枪使用寿命、 氧枪喷射的射流状态以及由此造成的熔池内流动状 态来判别设计的优劣。 参考文献 [ 1 1 许并社，李明照．铜冶炼工艺[ M ] ．北京化学工业出版 社，2 0 0 7 ． [ 2 ] 高长春，袁培新，陈汉荣．氧气底吹熔炼氧枪简析[ J ] ． 中国有色冶金，2 0 0 6 ，3 5 6 1 3 1 7 ． [ 3 ] 任鸿久．有色金属熔池熔炼I - 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