闪速吹炼的生产实践.pdf

1 2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年2 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 1 ．0 2 ．0 0 4 闪速吹炼的生产实践 刘卫东 祥光铜业有限公司，山东阳谷2 5 2 3 2 7 摘要简要介绍了闪速吹炼的基本反应原理和炉体结构特点，阐明了闪速吹炼的渣型选择、炉渣结构、炉 渣特性及铁酸钙渣对炉衬和炉体安全的影响，分析了人炉原料尤其是铜锍粉的成分与要求，强调了炉体 安全是闪速吹炼炉生产控制中的重点。 关键词闪速吹炼；铜锍粉；铁酸钙渣；生产实践 中图分类号T F 8 1 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 2 - - 0 0 1 2 0 4 T h eO p e r a t i n gP r a c t i c eo fF l a s hC o n v e r t i n gi nC o p p e rS m e l t e r L I UW e i d o n g X i a n g g u a n gC o p p e rC o ．，L t d ．，Y a n g g uS h a n d o n g2 5 2 3 2 7 ，C h i n a A b s t r a c t T h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ep r o c e s sr e a c t i o np r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo fF l a s hC o n v e r t i n g F u r n a c e ．D i s c u s s e dt h es l a gt y p ed e t e r m i n a t i o n ，s l a gc h a r a c t e r i s t i c sa n dc a l c i u mf e r r i t ea f f e c to nf u r n a c e l i n e ra n ds a f e t y ，s p e c i f i e dt h ec o m p o s i t i o nr e q u i r e m e n to ff e e d s ，m a i n l ym a t t ep o w d e r ．T h es a f e t yo ff u r n a c el i n e rw a se m p h a s i z e da st h ee s s e n c eo ff l a s hc o n v e r t i n gp r o d u c t i o nc o n t r o l s ． K e y w o r d s F l a s hC o n v e r t i n g ；M a t t ep o w d e r ；C a l c i u m f e r r i t es l a g ；P r o d u c t i o nc o n t r o l 自1 9 9 5 年美国肯尼科特犹它冶炼厂采用闪速 吹炼技术取代传统的P S 转炉连续吹炼粗铜以来， 闪速吹炼以其高产能、低能耗、环境污染小等诸多优 点被炼铜行业所关注，2 0 0 7 年第二座闪速吹炼炉在 祥光铜业的顺利投产，标志着闪速吹炼技术已十分 可靠，是取代P S 转炉吹炼的最佳选择。 1闪速吹炼的基本原理 闪速吹炼和闪速熔炼在T 艺上十分相似，以除 铁脱硫为目标。但闪速吹炼处理的是粉状铜锍，脉 石成分含量很少，而且闪速吹炼的氧化程度比闪速 熔炼要深，工艺反应主要集中在反应塔及其下方的 沉淀池。 反应塔的氧化反应 2 F e S 3 0 2 2 F e O 2 S 0 2 3 F e S 5 0 2 一F e 3 0 4 3 S 0 2 2 F e 3 0 4 1 ／2 0 2 3 F e 2 0 3 作者简介刘卫东 1 9 7 0 - - ，男，安徽省枞阳人，工程师． C u z S 0 2 2 C u S 2 2 C u 2 S 3 0 2 2 C u 2 0 2 S 0 2 2 Z n S 3 0 2 2 Z n 0 2 S 0 2 2 P b S 3 0 2 2 P b O 2 S 0 2 2 C u S O 。一C u 2 0 2 S 0 2 3 ／2 0 2 铜锍粉进入反应塔后，通过对流和辐射从炉内 的高温中获取热量，粒子自身温度迅速升高，达到粒 子的着火点后，与氧迅速发生氧化反应，产生大量的 热，将自身熔化并向周围传热。由于铜锍粉的粒度 和化学成分不尽相同，过程中，较小的冰铜粒子易被 加热，较先着火、反应，只要粒子周围有氧存在，反应 仍能顺利进行，产物往往是过氧化物；而较大粒子加 热缓慢，着火、反应的时间迟缓，往往刚着火，气相中 的氧或已不够维持正常反应，或迅速被先反应的熔 化物包裹隔氧，或已落人沉淀池中，产物往往欠氧化 或根本未氧化。落到沉淀池中的过氧化物和欠氧化 物继续交互反应生成金属铜，同时结合造渣熔剂进 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年2 期 1 3 行造渣反应。 沉淀池的造铜、造渣反应 2 C u 2 0 C u 2 S 6 C u S 0 2 C u 2 S F e 2 0 3 2 C u S 0 2 4 F e O F e 2 0 3 C a O C a F e 2 0 4 S i 0 2 2 C a O C a 2S i 0 4 S i 0 2 2 F e O F e 2S i 0 4 沉淀池的反应集中在反应塔下方炉渣的反应层 中，在距离反应塔出口1 米的范围内，反应基本完 成，后段的沉淀池基本处于渣铜分离沉淀状态，只有 烟气中的沉降物仍然会引起少量的造铜造渣反应。 2 闪速吹炼的渣型选择与控制 闪速吹炼是强氧化条件下的冶炼，过程中有大 量的F e 。O 。生成，与闪速熔炼和P ～S 转炉不同，闪 速吹炼采用的是铁酸钙渣。相比于硅酸铁渣，铁酸 钙渣溶解F e 。0 。的能力要强很多，可达2 0 ％以上， 而且渣含C u O 达2 0 ％，大量C u O 的存在，大大提 升了炉渣溶解F e 。0 。的能力，反应产物中虽然有大 量的F e 。0 。，但F e 。O 。很难析出。闪速吹炼渣主要 成分的控制范围 ％ C u1 8 ～2 0 、S0 ．2 ～O ．3 、S i 0 2 1 ．5 ～2 ．5 、F e3 5 ～4 2 、C a O1 6 ～1 8 、F e 3 0 42 4 ～3 6 、 C a O ／F e 0 ．3 2 ～O ．4 2 。 炉渣质量的控制是有较低的渣含铜和在冶炼的 温度下有较低的黏度，渣的黏度取决于渣的成分和 温度，最主要的成分是F e 。O 。、C u 、S 、S i O 和C a O 。 渣中稳定的F e 。0 。含量是闪速吹炼操作的关键，是 延缓炉衬被腐蚀的有效措施。炉渣中F e 。O 。的含 量是S i O 和C a O ／F e 的函数，可以通过S i 0 和 C a O 的装入量进行调整，渣含F e 。O 。和粗铜含硫成 正比关系。当渣中S i O 含量小于2 ．5 ％，C a o ／F e 要低于0 ．3 7 ；当炉渣中S i O 。的含量大于2 ．5 ％时， C a O ／F e 要调整到0 ．3 7 以上。炉渣中的S i o 主要 来源于铜锍粉夹带，不够的量通过添加石英砂补充， 稳定的S i O 。量可以减少铁酸钙渣对炉衬的腐蚀。 特别需要注意的是铁酸钙渣溶解S i O 的能力很低， 在13 0 0 ℃，渣含C a O 达2 0 ％时的溶解度只有5 ％， 而铜锍粉中夹带的S i O 。达到1 ％，渣中S i O 就能 达到5 ％。过多的S i O 存在，会造成C a S i O 。析 出，增加炉渣排放难度，通常是通过增加C a 的投 入量消除其影响。 闪速吹炼炉渣中的铜绝大部分以C u 2 0 的形式 存在，机械夹杂的金属铜约占炉渣的2 ％，渣含铜的 多少能直接反映出炉内的氧化状况，决定粗铜的品 质，正常情况下渣含铜与粗铜含硫成反比，过高的渣 含铜不仅降低铜的直收率，提升粗铜的含氧量，还会 增加闪速熔炼的熔池反应，降低闪速熔炼炉的冰铜 品质。 3闪速吹炼的原料组成与要求 与闪速熔炼炉不同，闪速吹炼的配料是在进入 喷嘴前的炉顶完成，入炉原料为铜锍粉、石灰熔剂、 石英熔剂、闪速吹炼电收尘的烟尘。原料由各自的 计量运输设备排出，在集合刮板中混合，通过给料器 送入到冰铜喷嘴。 铜锍由闪速熔炼炉生产，经过粒化、研磨、干燥 形成铜锍粉再输送到炉顶铜锍仓。铜锍粉中铜品位 在6 9 ．5 ％时的成分为 ％ C u6 9 ．5 、S2 1 ．2 、F e 7 ．5 、Z n0 ．2 4 、P b0 ．4 7 、A s0 ．2 3 、S i 0 20 ．1 、水分 0 ．2 。 为降低闪速吹炼的渣量，获得较高的直收率，入 炉铜锍品位控制较高，一般为6 8 ％～7 6 ％。但工业 铜锍中，铜锍品位控制过高，尤其是闪速吹炼炉渣的 加入，铜锍中会存在C u 。O 甚至金属铜 当铜锍品位 达到7 2 ％时较为明显，固铍中有明显的纤维状金属 铜 ，使铜锍的韧性提高，研磨困难，增大了研磨机的 负荷，加速了研磨机的消耗，使能耗增大，不利于生 产。因此，实际生产中，铜锍品位一般控制在6 9 ％ ～7 l ％较为合适。 闪速吹炼同样属悬浮冶炼的范畴，铜锍粉在反 应塔中升温、着火、反应过程的时间只有2 ～3s 。由 于铜锍粉在反应中不会析出易燃烧的单体硫，因而 其着火温度比黄铜矿精矿粉高，即铜锍粉在反应塔 中获得热量达到着火温度的时间比黄铜矿精矿粉 长。而粒度是影响传热时间的重要因素，因此铜锍 粉的粒度控制比黄铜矿精矿粉粒度要高，铜锍粉粒 度的控制范围一0 ．0 5 4m i D _ 7 0 ％、0 ．0 5 4 ～0 ．0 7 4 m m1 5 ％～2 5 ％、0 ．0 7 4 ～0 ．1 0 5m m 1 0o A 、 0 ．1 0 5m m 0 ．5 ％。 与P S 转炉吹炼相同，闪速吹炼要求原料中的 S 全部氧化，仅有少量的S 分散到粗铜和炉渣中，粗 铜含S 控制的目标值为0 ．2 5o A 。大部分的S 是在 反应塔中被氧化的，约占总S 量的7 0 ％，剩下的S 在沉淀池的造铜反应中被脱除。研究表明， O ．0 4 9 m m 的铜锍粒子在反应塔内下落到2 ．5m 时的脱硫 率接近，但在工业生产中，由于较小粒子首先反应并 融化，粒子间的碰撞结合，较大粒子在达到着火温度 反应前已被熔体包裹，在其表面形成隔膜，无法与氧 万方数据 1 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年2 期 结合反应，只能按反应式F e S C u 。O C u z S F e 0 完成造锍反应，产物中的F e O 将过氧化为F e s O 。； 而且较大粒子不易悬浮，吸热时间又较长，反应条件 未成熟就落入沉淀池中。这些状况都会造成氧利用 率低，反应塔的脱硫率下降，沉淀池的脱硫负荷增 大，甚至在沉淀池中形成白冰铜层。闪速吹炼工艺 是基于沉淀池粗铜层和渣层两层理论，形成白冰铜 层是不允许的，白冰铜层的存在影响粗铜的品质，增 加粗铜的含硫量，过多的S O z 从熔体中溢出，引起 熔池起泡，甚至沸腾。因此铜锍粉粒度的控制是闪 速吹炼操作的基础。 闪速吹炼炉的造渣熔剂是C a O 和少量的S i 0 。， C a O 可以从C a C 0 。矿石中获得，但C a C O 。的分解 会消耗大量的热量，同时产生大量的C O 。气体，经 济上很不合算，因此通常选用生石灰粉。生石灰的 粒度1 0 0 ％ 1m m ，0 ．0 5 ～0 ．1m m ≥8 0 ％；石英砂 的粒度1 0 0 ％ 2m m ，一o ．1 0 5m m ≥8 0 ％。 部分闪速吹炼炉的电收尘烟尘正常情况下返回 闪速吹炼炉，以维持必要的热平衡。烟尘中没有多 少硫化物被氧化，但含有较多的硫酸盐 主要是 C u S O 。 要在炉内分解。闪速吹炼炉电收尘烟尘的 化学成分 o A ；C u3 8 ．7 、F e3 ．8 、S1 2 ．7 、02 6 ．6 、 C a O7 ．8 、S i 0 20 ．3 、Z n0 ．4 6 、P b1 ．7 5 、A s1 ．7 6 、S b 0 ．0 5 、B i0 ．2 9 、其它0 ．7 ，闪速吹炼炉电收尘经盐化 后烟尘的矿物成分 ％ C u 2 01 6 ．7 、C u S O 。6 3 ．9 、 C u 2 S2 ．7 、F e 3 0 45 ．8 、C a O2 ．8 、S i 0 20 ．3 、Z n S 0 4 1 ．2 、P b S 0 42 ．8 、A s 2 0 32 ．5 、S b 2 0 3 0 ．1 、B i 2 0 30 ．4 、 其它0 ．8 。 4闪速吹炼的炉况控制 与闪速熔炼一样，闪速吹炼工艺也分为前馈控 制和反馈修正。当入炉的物料成分发生较大变化或 在开炉的提温阶段，前馈控制事先计算工艺参数所 需的变化。因闪速熔炼炉生产的铜锍不可能相同， 为保证入炉铜锍粉成分的相对稳定，必须将不同时 期生产的不同品位的铜锍调配使用，因此铜锍也要 进行配料，一般要求参与配料的铜锍大于5 种。人 炉的铜锍粉每2 小时要进行化学成分和粒度的分 析，当入炉品位与目标值偏差超过0 ．5 ％时，启动前 馈控制；根据粒度分析的结果，及时调整研磨机的参 数。反馈修正要有足够、准确的依据和趋势判断，不 赞同作频繁的调整。最主要的控制点有炉渣质量、 粗铜质量、炉温控制、液面控制、烟尘盐化控制。可 操作的变量为氧系数 氧／料 、富氧浓度、燃料量、 铜锍粉的投入量、石灰熔剂投入量、石英熔剂投入 量、烟尘投入量、烟尘盐化风和氧的量。 闪速吹炼是连续吹炼，间断排放，为及时获得炉 内信息，进行反馈调整，正常时要求检尺和测温作业 每小时一次。合理稳定的炉温，既能保证渣铜的顺 利分离和炉渣的正常排放又可避免炉衬耐火材料的 过快消耗。闪速吹炼炉的目标渣温是12 6 0 ℃，正 常控制范围1 5 ℃。由于铜的良好导热性和熔池 反应的对流换热效应，粗铜温度与渣温相差很小，正 常都小于2 0 ℃，粗铜的目标温度是12 5 0 ℃，控制 范围土1 5 ℃。炉温是依靠工艺富氧浓度、补充燃料 和烟尘的投入量来调整的，工艺富氧浓度是最有效、 便捷、经济的温度控制方法。通过以上参数的调整， 闪速吹炼完全可以在没有补充燃料的情况下操作， 实现自热吹炼，沉淀池的烧嘴实际上对提高粗铜温 度没有根本的帮助。 闪速吹炼炉液面控制要求严格，根据炉体结构 设计，最高液面应当低于沉淀池侧墙竖直水套的上 沿，而粗铜液面一定要控制在台阶状的炉膛耐火砖 内，否则就有泄漏的危险。液面的控制受投入量、排 渣、放铜的影响，正常液面控制在8 0 0m m 以内，绝 对要小于9 0 0m m ，粗铜液面控制5 0 0m m 以内，任 何情况都不许超过5 2 0m m 。 控制高品质的炉渣才能得到优质的粗铜，闪速 吹炼炉的炉渣信息可以通过分析沉淀池中后段的中 间渣层获得，取样频次为每小时一次，采用专用的取 样器由检测或测温孔插入到液面下5 0 ～1 0 0m m 的 渣层中就可得到反映真实状况的炉渣。将分析结果 与控制目标作比较，超出控制范围就可进行反馈修 正。如果采用检测棒上的渣作为分析样品，其C u 、S 比真实的炉渣样要稍高，这是沉淀池内的烟尘沉降 并反应所至。 因闪速吹炼入炉物料粒度比闪速熔炼要求高， 闪速吹炼的烟尘发生率要高于闪速熔炼，高富氧浓 度的控制有助于降低烟尘发生率和提高反应速度。 研究表明用5 0 ％的富氧空气与用空气吹炼相比， 碰撞频率会增加到5 ．7 倍，而用9 0 ％的氧浓吹炼， 则碰撞频率为1 8 倍。但工艺富氧浓度过高，氧的利 用率会下降，在祥光铜业，工艺富氧浓度已达到 8 6 ％。闪速吹炼的烟尘成分不同于闪速熔炼，最主 要的成分是C u 。O ，比例占到7 0 ％以上。上升烟道 的粘接物中含铜可高达9 0 ％以上，有明显的粗铜 块，富含C u z O 的烟尘需要进行盐化处理，消除其对 排烟路线的影响。硫酸盐化一般是在高温段鼓氧， 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年2 期 1 5 在中温段 8 0 0 ℃ 反应并放热，但要求在反应完成 后的低温段，烟气中的含氧要 4 ％。 5闪速吹炼的炉体结构与炉体安全 铁酸钙渣是氧化性的，在高温熔融状态对炉体 耐火材料的腐蚀很强。也有研究想改变渣的化学成 分，考虑以腐蚀性较低的二氧化硅渣型替代氧化钙 渣型。但据有关资料，只要有大量的C u 。O 存在就 很难形成稳定的F e 。O 。保护层，炉衬的消耗速度依 然很快，对闪速吹炼来说，硅系渣型不利的一面超过 其有利的一面。而且粗铜的密度大，在正常冶炼温 度下 过热已超过1 5 0 ℃ 其流动性和渗透性都非常 好，极易造成漏炉事故。因此，闪速吹炼炉的结构设 计必须设法保护耐火材料，延长炉衬寿命，避免漏炉 事故的发生。 最新的闪速吹炼炉的设计中强化了水冷和风 冷。如沉淀池侧墙的熔体区就被竖直安装的大型水 套包裹，水套间的结合采用凹凸面的咬合方式，减少 了炉渣和粗铜由水套间渗漏的可能性，同时为提高 水套抗粗铜的能力，水套粗铜区的工作面镶嵌了耐 热钢板。反应塔出口的沉淀池顶，是受高温烟气冲 刷最为严重的区域，在此部位设计了镶砖的吊挂水 套取代吊挂砖。上升烟道整体改为筒状结构，与沉 淀池的连接部采用的是与反应塔裙部相同的锯齿型 水套，在7m 高的筒体上同样布置有1 2 层水平水 套，尽管如此，其方形出口的斜底面仍冲刷腐蚀严 重。排放口的强化冷却尤为重要，很多泄漏事故都 是由排放口引起的。闪速吹炼炉的排放口由埋在炉 底耐火砖内的嵌入水套和面板水套构成，强化对排 放通道耐火砖的保护；但因铜的传热系数高，铜制冷 却元件不能与熔融粗铜有丝毫接触，否则铜制冷却 元件将在极短的时间内被熔化漏水而造成恶性的爆 炸事故。与闪速熔炼差别很大的是闪速吹炼的炉底 不会形成炉结，炉底只有工作和保护两层耐火砖，选 用的是导热较好的镁铬质耐火材料，采用空气对耐 火砖强化冷却，使工作层耐火砖的温度维持在粗铜 的凝固温度以上，即使砖缝间有渗漏现象，但渗漏的 深度达到1 5 0m m 时，粗铜就会被冷却凝固。 闪速吹炼炉的设计在强化水冷和风冷的同时， 对炉体的结构也作了较大的调整，尤其是沉淀池的 炉膛。为防止炉底耐火砖上浮，总体的反拱结构是 最为有效的措施，闪速吹炼炉的反拱角比闪速熔炼 炉要大，炉膛的四周设计成递增的台阶状，反应塔下 方还设计成局部的反拱。反拱和台阶炉膛的耐火砖 顶部的高度超出了正常作业时的粗铜液面，保证熔 融粗铜在耐火砖的包围里。 尽管如此，在闪速吹炼的渣线区域，由于熔池反 应的搅动和炉渣较高溶解F e 。O ；的能力，炉衬上基 本形成不了固定的挂渣保护层，此部位的耐火砖将 很快被消耗，造成侧墙炉衬倒塌，致使冷却元件暴露 在高温烟气或高温炉渣中。稳定和少许过量的渣含 F e 。0 。可以在炉衬上粘接一层脆弱的动态保护，因 此，稳定的炉况控制和稳定的渣含F e 。 。量是闪速 吹炼控制操作的关键，对炉体来说，任何的损伤都是 无法弥补的。 6结论 闪速吹炼技术自问世以来，虽有诸多的、其它工 艺不可及的优点，但推广应用缓慢，最主要的原因就 是炉体安全。炉体安全要依靠长期、细致的E l 常维 护和严格的管理、操作制度，还需要有更多的工程技 术人员来解决生产中出现的问题。 万方数据