1.2铜精矿的闪速熔炼ppt课件

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等温气体喷射时的速度衰减由下式表达:
Ux=12.4U0r0/x
(5-1)
式中，Ux为从入口点开始的x距离上的中心喷射速度
(m/s)；U0为入口初始速度(m/s)；r0为入口喷嘴半径(m) 。
式(5-1)说明，气流的终点速度乃由入口初始速度决定，
入口初始速度对气体在塔内的停留时间起着决定性的作
用。
2.过氧化的熔融颗粒； 3.未反应的颗粒。
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过氧化的熔融粒子在反应塔内下落时，它们彼 此之间或者与尚未反应的固体粒子〔反应慢的粒子〕 之间将发生碰撞。过氧化粒子中存在Fe3O4，与熔 剂粒子碰撞时发生还原造渣反应，并把热量传给未 反应粒子而使其熔化。由于粒子之间相互碰撞，粒 子直径逐渐增大。
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2、反应塔内精矿氧化行为与熔炼产物的形成
精矿中最常见的矿物有黄铜矿(CuFeS2)和黄铁矿(FeS2)。闪 速炉内发生的总反应可以表达如下:
CuFeS2 + 5/4O2→1/2(Cu2S·FeS) + 1/2FeO + SO2 2FeS2 + 7/2O2→FeS + FeO + 3SO2 3FeO + 1/2O2→Fe3O4
第五节 铜精矿的闪速熔炼
一、概述 闪速熔炼是一种迅速发展起来的强化
熔炼方法。它将焙烧、熔炼和部分吹炼过 程在一个设备内完成。此法于1949年首先 在芬兰奥托昆普公司的哈里亚伐尔塔炼铜 厂应用于工业生产，自1965年以来在全世 界得到迅速发展，目前已在20多个国家被 应用。目前该法生产的铜量约占世界铜产 量的三分之一以上。
与操作条件等。
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（2〕Cu2O的硫化还原反应 (Cu2O) + [FeS] = [Cu2S] + (FeO) 式中,[ ]表示锍相,( )表示渣相。在熔炼温度
1573K时,平衡常数为9604, 这样高的值表示着反 应向右进行的可能性大，从而以Cu2O形式进入 炉渣的量相当小。
该反应所表示的是理论上的情况,在生产实 践中,影响反应进行的条件是较复杂的,Cu2O的 硫化还原反应可能会推迟。
体中。因而，颗粒的速度等于气流速度加上颗粒的下落速度。
在实际条件下,混合流中的颗粒分散度是很大的，相邻两颗
粒间的平均距离大约等于20个颗粒的直径，甚至更多。
颗粒的终点速度就可以用斯托克斯公式来描述:
up=gc(ρp-ρg)d2p/18η
(5-2)
式中, up为颗粒的终点速度〔m/s）；gc为重力加速度
根据图5.6，可以确定出沉淀池终渣中Fe3O4的含 量(%)与锍品位的关系。
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条件： PSO2=10kPa; Fe3O4% 含量除1270℃时，渣含SiO2为 26% 外，其余均为渣饱和SiO2
图5.6 锍-渣-炉气体系中锍品位与炉渣中的Fe3O4%关
系
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控制Fe3O4的一般途径有: 提高反应塔温度 增加沉淀池燃油量，降低锍品位 降低Fe/SiO2，加入煤，以及优化喷嘴结构
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在沉淀池内的主要反应有以下几类:
（1〕Fe3O4的还原反应
[FeS] + 3(Fe3O4) + = 10(FeO) + SO2 （5-5）
在有SiO2存在的情况下,FeO与SiO2造渣,使Fe3O4 的还原变得容易。影响该反应进行的因素是炉渣中 Fe3O4的活度、Fe/SiO2、锍品位、二氧化硫分压和 温度以及各相之间接触的动力学条件。
冈田
57
20 46 15 57 27 58
袁则平
62 41.34 59.32 75.64 23.99 35.28 9.6 32.7 3.82 11.88
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三、闪速熔炼的热化学与能量消耗
1、 闪速熔炼的热化学 闪速熔炼的生产过程中，精矿中的硫化物氧
化以及造渣反应放出大量的热，辅之以热风或富 氧空气，使过程能半自热或自热进行。随着精矿 中的发热元素硫和铁的含量不同和矿物相组成不 同，氧化反应放出的热量也不同。
闪速熔炼的突出优点： 1) 能耗低。反应所需的热量，大部分或全部来 自硫化物本身的强烈氧化放出的热。 2) 烟气量小，有利于制酸。 3) 生产速度高。大型的50~60t/m2·d 4) 环境保护好。
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闪速熔炼的主要缺点： 1) 反应区氧位高，渣含Fe3O4及渣含铜高，炉
渣必须贫化。 2) 烟尘量大。
(m/s2)；ρp和ρg分别为颗粒与气体的密度〔kg/m3）,dp为颗粒
的直径(m)；η为气体的粘度[kg/(m·s)]。
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按式(5-2)的计算,10μm颗粒的终点速度仅为0.04m/s， 而200μm颗粒的终点速度为1.6m/s。因而,细颗粒流经反 应塔的速度几乎与气流速度相等。而其停留时间也约为 2s。较大颗粒通过反应塔的速度约2倍于气流速度(2m/s + 1.6m/s) ，停留时间更短。
冰铜品位45~48%，渣含铜0.6%~0.7%。烟 气SO2含量70~80%。由于采用工业氧，烟气量 很小。
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图5.3 INCO闪速炉
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印柯闪速炉的优点是床能率比奥托昆普闪 速炉高约30%，总能耗较低，烟气量少，烟气 SO2含量高，便于回收〔生产硫酸或液态 SO2 ），烟尘率低〔2%左右）。
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在炉料中装入烟尘和不装入烟尘的条件下，基 本完成还原与造渣反应的时间是不同的，即该过 程持续在反应塔的高度段上是不同的。前者在3m 以下。
反应塔出口部的最终产物，是由辉铜矿和斑铜 矿为主的过氧化熔融粒子和未反应的黄铜矿固体 粒子所组成。
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3、沉淀池内的反应
从反应塔落下的MeO-MeS液滴还只是初生的锍和渣的混 合熔融物，到了沉淀池后,除了进行由于比重不同的分层外, 还有一系列的反应要继续进行。继续反应的条件和终渣的组 成除了受沉淀池的温度、气氛和添加燃料等影响外，还取决 于初渣的氧势、温度、初渣中二氧化硅的含量以及烟尘返回 量的多少等因素。
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对某些工厂反应塔操作数据的统计表明： 在不同的反应塔的高度下，平均气流速度 为1.4～4.7m/s时，相应的气体停留时间如 图5.5所示。
20
5 7.5
4
7.6
气流的平均停留时间,s
3
7.1
7.5
5.7 6
7.1
2
7.5 2
1
1
2
3
4
5
反应塔内平均气流速度，m/s（数据点旁的数字是反应塔的高
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放出的热量还取决于氧化程度，即生产 出的铜锍品位越高，化学反应放出的热量 就越多。表5.3列出了典型的硫化铜精矿的 发热值，并和普通燃料发热值进行比较。
一般铜精矿，生产含铜为40%～60%的 铜锍时，反应的净热约为2500～ 3300kJ/(t·精矿)。
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表5.3 精矿和燃料发热值的比较
名称
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表5.2 不同研究者和不同锍品位时元素分布
研究者或 锍品 作者 位(%)
在锍中（%） As Sb Bi
在渣中（%） As Sb Bi
在烟气中（%） As Sb Bi
H.Y.Sohn 40
10
25
1
86 62 79
Steinhause r
55
10
30
15
10
30
5
80 40 80
ห้องสมุดไป่ตู้
袁则平
55 39.16 64.09 83.71 14.58 32.11 6.09 46.18 3.35 10.08
精矿颗粒氧化后最后形成的硫氧化物是在炉气一定的氧分 压〔logPo2约为-1.7〕下反应平衡时的产物。
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由于精矿颗粒粒度与其表面性状的差异，喷嘴结 构及其工况参数的影响，精矿颗粒在离开喷嘴后下 落过程中的变化是不同的。有三种情况存在：
1.易燃的铜精矿粒子〔或反应快的粒子〕直接被 氧化成白锍或带金属铜的白锍，氧化放出的热量使 精矿粒子熔化为液态；
MJ/Kg
名称
MJ/Kg
烟煤
27.9 产出铜锍品位Cu80% 2.79
重油
43.0
铜精矿
（Cu29.5%,Fe26.0
%,
1.67
S31%)产出铜锍品位
Cu51%
产出粗铜
3.29
镍精矿 （Ni7.5%,S27.8%） 3.03 产出镍锍品位Ni 34%
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熔炼过程所需的总热量是由热平衡关系决定的：
表5-1 闪速炉各产物成分
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二、闪速熔炼的基本原理
1、反应塔内的传输现象
闪速炉的主要熔炼过程发生在反应塔内。气流中的精矿 颗粒在离开反应塔底部进入沉淀池之前完成氧化和熔化等过 程。
发生在反应塔内的是一个由热量传递、质量传递、流体 流动和多相多组分间的化学反应综合而成的复杂过程。
研究反应塔内的传输现象，对获得高的生产率与金属回 收率、长的炉寿命和低的能源消耗的具有理论指导意义，也 为喷嘴和炉型设计的改进提供基础。
Qfu+Qai+Qrea=Qslg+Qmat+Qgas +Qlos 式中，热量Q的右下角标fu、ai与rea分别表示燃 料燃烧热、鼓风带入的显热、和化学反应热；slg、 mat、gas和los分别表示炉渣带走的热、锍带走的 热、炉气带走的热和炉子的热损失。过程要实现 自热，即Qfu=0，可以采取的方法有预热空气提 高风温，或者减少炉气量，或者两者同时应用。 近十多年来的闪速熔炼技术进步表明，提高富氧 浓度，减少炉气量的途径更具有意义。
精矿颗粒被气体包围，处于悬浮状态，在2～3s内就 基本上完成了硫化物的分解、氧化和熔化等过程。
熔融硫化物和氧化物的混合熔体落下到反应塔底部的 沉淀池中汇集起来，继续完成冰铜与炉渣最终形成过程， 并进行沉清分离。
炉渣在单独贫化炉或闪速炉内贫化区处理后再弃去。
闪速熔炼有以下的特点： 1.焙烧与熔炼结合成一个过程； 2.炉料与气体密切接触，在悬浮状态下与气相进行传热和 传质； 3.FeS与Fe3O4、FeS与Cu2O(NiO)、以及其它硫化物与氧 化物的交互反应主要在沉淀池中以液—液接触的方式进行。
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公式是在等温情况下得出的。 由于化学反应产生的热使塔内的气体瞬间被加热到高温 〔1300℃以上），气体体积膨胀扩张了喷射锥空间，因而 真实速度将大大减少。 对高为9m，直径为6m的反应塔，当入口初速度为30m/s 时 ，气流在塔内的停留时间约为2s。
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从反应塔顶落下的颗粒是与气体处在同样重力作用下的流
闪速熔炼克服了传统方法未能充分利用 粉状精矿的巨大表面积，将焙烧和熔炼分 阶段进行的缺点。大大减少了能源消耗， 提高了硫利用率，改善了环境。
闪速熔炼是将经过深度脱水〔含水小于0.3%）的粉 状精矿，在喷嘴中与空气或氧气混合后，以高速度〔60～ 70m/s〕从反应塔顶部喷入高温〔1450～1550℃）的反应 塔内。
度）
图5.5 不同高度的反应塔中的平均气流 速度与其停留时间
(按N.J.Themelis数据绘出)
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与细颗粒相比，粗颗粒不但具有比表面积小和 停留时间短的缺点，而且热传递和质传递系数也 小。
在干精矿中，粒度级别的分布是不均匀的， 全部颗粒达到同样的反应程度是不可能的。 对粗 颗粒会有反应不足，细颗粒则会反应过度。
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精矿颗粒和气体的运动规律
从反应塔顶部喷嘴喷出的气-固〔精矿〕混合流，离开喷 嘴后，在塔内形成了两个区域：
1.喷嘴口附近的喷射区〔或称入口区）； 2. 扩张气流区 (如图5.4中的截面A-A以下)。 扩张区延续到熔池面上时流体形状改变。此时的气流速 度称为终点气流速度。
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图 5.4 反应塔内的气体-精矿流散布示意图〔中央喷嘴）
闪速熔炼按不同的工作原理可分为两种基本形式： 1.精矿从反应塔顶垂直喷入炉内的奥托昆普闪速炉〔图 5.1）； 2.精矿从炉子端墙上的喷嘴水平喷入炉内的印柯闪速炉 〔图5.2）。
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1、 奥托昆普闪速熔炼
奥托昆普闪速熔炼是采用富氧空气或723~1273K 的热风作为氧化气体。在反应塔顶部设置了下喷型精 矿喷嘴。干燥的精矿和熔剂与富氧空气或热风高速喷 入反应塔内，在塔内呈悬浮状态。物料在向下运动过 程中，与气流中的氧发生氧化反应，放出大量的热， 使反应塔中的温度维持在1673K以上。在高温下物料 迅速反应(2~3s)，产生的熔体沉降到沉淀池内，完成 造冰铜和造渣反应，并进行澄清分离。
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图
图5.1 奥托昆普闪速炉
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图5.2 奥托昆普闪速炉
6
奥托昆普闪速熔炼炉的自动控制：主要用计 算机来控制闪速炉产出的铜品位，冰铜温度和炉 渣中Fe/SiO2 比的控制。它们分别由控制反应塔 送风量、重油量和炉料中石英溶剂的比率来实现。
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2、印柯闪速炉熔炼
印柯闪速炉熔炼法也称之为氧焰熔炼法，该 法是用工业氧〔95~98%O2〕将干精矿和熔剂从 炉子两端水平喷入炉子的反应区，炉料在熔池上 面的炉膛空间强烈氧化，熔炼产出冰铜和炉渣。
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（3〕继续氧化反应 在高强度氧化熔炼生产高品位锍时，反
应塔会产生过氧化，液滴落入熔池后，还会发 生硫化物的继续氧化反应。
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4、杂质元素的行为与分布
闪速熔炼时，精矿中的Pb、Zn、As、 Sb和Bi等杂质元素的行为与分布是一个值 得重视的问题。杂质元素在闪速熔炼过程 中的行为也是相当复杂的。它们的分布与 元素本身的性质以及元素之间的相互作用， 氧势、温度和锍成分等熔炼条件有关，也 与精矿中 含量有关。表5.2列出了不同研究 者和不同锍品位时的元素分布。