ISA炉反应及基本原理

解反应： 2CuO=Cu2O+1/2O2 在1105℃开始，产物Cu2O是较为稳定的化合物， 在冶炼温度下（1300—1500℃）是不分解的。 另一类热分解反应是碳酸盐的分解： CaCO3=CaO+CO2 在910℃开始 MgCO3=MgO+CO2 在640℃开始
二、硫化物的氧化反应 硫化物的氧化反应是熔炼过程中脱硫的重要反应。由于
加料口
云铜艾萨炉简图
烟 气 喷枪口
烟气区
保温 烧嘴 阻溅板
电 炉
排放
炉身
炉底
3、铜火法熔炼原理
铜精矿 传统熔炼：反射炉、电炉、鼓风炉 强氧化熔炼：闪烁炉、诺兰达炉、三菱 法、瓦纽科夫法、白银法、澳斯麦特/ISA
烟气
弃渣
铜锍
铜锍
烟气
炉渣
吹炼：PS转炉、连续吹炼、闪烁吹炼 粗铜 火法精炼 浇铸阳极板 烟气 贵金属 阳极泥 电解精炼 阴极铜 硫酸铜 放空 弃去 贫化渣 贫化铜锍 炉渣 烟气 贫化 制酸
艾萨炉熔炼化学热平衡 A、各物质化学性质
a、燃煤要求固定炭含量≥65％，挥发分≤15


％，灰份≤22％，发热值≥6500kcal/kg。 b、燃油化学性质 发热值为40000 KJ/kg，密度0.8232Kg/L。 c、S＋O2=SO2 (反应生成热11286.09 KJ/kg) d、FeS+O2=FeO+SO2 (5377.74KJ/kg) e、FeS2+O2=FeS+SO2 (1917.74KJ/kg)

加入熔炼炉内的燃煤由大多数可以燃烧的碳
以及不能燃烧灰份组成。通常情况下，燃煤 含有可以在熔炼炉内燃烧的固定碳。也就是 这类碳和磁铁矿发生化学反应并最终形成了 二氧化碳（CO2）。化学反应式如下：


C
+
2Fe3O4 ＝CO2 +
6FeO
（燃煤碳）（磁性铁）（二氧化碳） （氧化亚铁）
由于每个碳原子需要两个氧原子来形成二氧 化碳，所以每个碳原子燃烧时就需要消耗两 个磁铁矿分子。因此，如果没有磁铁矿，燃 煤就无法燃烧。
图1－艾萨炉模型
图 2 喷 枪 漩 流 器

艾萨炉的核心技术为一支特制喷枪。富氧空气 通过喷枪强制鼓入炉内，由于喷枪内有一漩流器给 气体增加了动能，这些具有强大动能的气体使熔池 剧烈地搅动，新进炉的物料在瞬间即被高温熔体所 包围，同时还随熔体的强制流动发生上下、左右的 翻腾，鼓入炉内的氧气大量分散在熔体的各处，在 高温下精矿迅速发生化学反应。
盐。可能的硫化物组成分有：CuFeS2、CuS、 Cu2S、FeS2、FeS、ZnS、PbS、NiS等等。氧化 物有：Fe2O3、Fe3O4、Cu2O、CuO、ZnO、NiO、 MeO· Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO、MgO碳酸盐有： CaCO3、MgCO3等等。这些组分在熔炼过程中将会 发生以下化学反应： 一、热分解反应 在熔炼过程中处理生精矿或者是干精矿时，炉料中 含有较多高价硫化物，在熔炼炉内被加热后，离解 成低价化合物，主要的反应有：

这一类反应的进行，炉料中部分硫被氧化，呈二氧化硫 形态脱出，从而保证获得一定品位的冰铜。炉内的氧势 强弱控制着脱硫程度，也就控制了产出的冰铜品位。在 熔炼温度（大于1300℃）下，硫化物氧化反应的吉布斯 自由能变化为较大的负值，所以产生MeO。 主要的氧化反应有： （1）高价硫化物的直接氧化： 2FeS2+11/2O2=Fe2O3+4SO2 FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2 2CuFeS2+5/2O2=CuS· FeS+2SO2+FeO 2CuS+O2=Cu2S+SO2 （2）低价化合物的氧化反应 FeS+3/2O2=FeO+SO2 3FeS+5O2=Fe3O4+SO2 Cu2S+3/2O2=Cu2O+SO2
B、热收入
物质 所占百分比
燃煤 燃油 30
化学反应 物料潜热 放热 68 ＜1
各种风 显热 ＜1
C、热支出
物质 百分 比
还原反 应吸热 8
炉壳 散热 2
水蒸发 吸热 20
冰铜和炉 烟气烟尘 渣热焓 带走热 30 40
熔炼过程的主要化学反应类型：
熔炼物料中主要的化合物是硫化物、氧化物和碳酸

造渣反应：
炉内产生的FeO在SiO2存在的情况下，将生
成铁橄榄石炉渣。 FeO＋ SiO2＝（2 FeO·SiO2） △G0＝－32260＋15.27T 同时，炉内的Fe3O4在高温下能够与石英沙生 产炉渣，反应如下：
FeS＋3 Fe3O4 ＋5 SiO2＝5（2 FeO·SiO2）＋SO2
大多数人都认为燃煤的燃烧会产生热量。但是， 事实上燃煤和磁铁矿之间的化学反应冷却了熔池。 热量是由首先形成磁铁矿的化学反应所产生的。向 熔炼炉加入燃煤会使熔炼炉升温的原因在于同时也 加入了额外的燃烧空气。燃烧空气产生更多的磁铁 矿，而这些磁铁矿产生的热量超过了燃煤和磁铁矿 之间的化学反应的冷却程度，因而产生了额外的热 量，熔炼炉的温度就升高了。这就解释了为什么只 加燃煤而不添加额外的燃烧空气（在需要降低磁铁 矿的浓度时，采取的就是这种方法）会使熔池的温 度降低以及为什么只加燃烧空气而不添加燃煤却能 使炉子温度迅速上升。
如果遇到掉渣等原因造成温度急剧下降，这
时就需要启用燃油来迅速提温。燃油设定值 ≥400L/h时，喷枪跳出端压自动控制状态，必 须手动来提升和下插喷枪；由于燃油提温迅 速，当温度上升到接近温控中心时关闭燃油， 防止温度瞬间过高。在使用燃油时，相对应 的燃油需要空气同时通过喷枪供给，燃油燃 烧的同时产生的CO2和H2O气体，造成炉内 短时间的烟气量突然增大，给炉顶和烟道带 来较大的冲击，使其掉渣的可能性显著增加。 由于喷枪喷出燃油燃烧，给喷枪端部带来高 温高热和强烈的气流冲刷，所以燃油使用频 次多的喷枪端部烧损会更严重些。
2、艾萨的炉内结构
炉底：艾萨炉炉底为反拱形（即锅底形），采用长
425mm左右的耐火砖竖直砌筑，最靠近钢壳处以两 层拱角砖进行固定。 炉身：全部为450mm长的耐火砖水平砌筑，耐火砖 与钢壳之间竖直砌一层保温砖。 烟气区：较复杂。钢壳与耐火砖之间为保温砖；在 扩张口处即东向为450mm的耐火砖；东南与东北向 为400mm的耐火砖；其余各处为350mm的耐火砖； 不同长度的砖之间会有一个交叉过渡区，停产时我 们可从加料口和喷枪口看出这些交叉区（主要为南 向和北向）的错台。 阻溅板镶嵌于69～70层的东向。
图3－铜火法冶炼流程
现代造锍熔炼是在1150～1250℃的高温下，使 硫化铜精矿和熔剂在熔炼炉内进行熔炼。利用铜对 硫的亲和力大于铁和其他金属，而铁对氧的亲和力 大于铜的特性，炉料中的铜、硫与未氧化的铁形成 液态冰铜。这种冰铜以Cu2S-FeS为主，并溶有Au、 Ag等贵金属及少量其他金属硫化物的共熔体。炉料 中的SiO2、Al2O3、CaO等成分与FeO一起形成液态 炉渣。炉渣是以2FeO· SiO2为主的氧化物熔体。冰 铜与炉渣互不相溶，且密度不同（冰铜的密度大于 炉渣的密度），从而分离。 火法处理硫化铜精矿优点：能耗低、单位设备 生产速度高、贵金属回收率高；缺点：产生大量烟 气，污染环境。
其他有色金属硫化物（NiS、PbS、ZnS等）也会被

氧化成相应的氧化物。 在强氧化气氛下、还会发生反应： 3FeO+1/2O2=Fe3O4 当体系SiO2的量充足时，生产Fe3O4将被还原成 FeO 2CuFeS2+3Fe3O4+5SiO2=（Cu2S· FeS）+5 （2FeO· SiO2）+2SO2+热量 随之熔炼炉型的不同，上述氧化反应所占的比重也 不同。在艾萨炉内，直接进行氧化的比重大； 而在 矿热电炉中则很小，炉料中FeS数量最多，而且氧 化反应吉布斯自由能变化负值较大，所以它比其他 硫化物优先氧化，而后则是Cu2S。铁硫化物生成是 Fe3O4的趋势是不可避免地，只是随炉型，程度不 同。在强氧势及良好的气氛接触时，Fe3O4生成量 较多。艾萨炉渣中Fe3O4的量为10%左右。
由于同一批次原料成分存在波动，并且 我们的小时处理量和目标冰铜品位也存在一 定的变化，故我们的一、二次补煤量会不断 地进行调整。正常生产时，如果温度低于控 制温度，操作员开3＃煤仓，设定给煤圆盘转 速来调整二次燃煤补入量，由于我们燃煤仓 离加料口太远，燃煤从煤仓进入炉内大概需 要3～4分钟，当系统检测到运煤皮带上的数 值后，对应煤的给氧量就由喷枪进入炉内， 此时燃煤还没有进炉内，给氧是提前给入的； 相反，停煤仓后运煤皮带停止，燃煤数值为0， 给氧停止，实际上此时还有几分钟皮带上的 燃煤才完全进到炉内。
ISA炉反应及操作原理
1、工艺简介

艾萨炼铜法是一种浸没式富氧顶吹 熔池熔炼法，通过喷枪把富氧空气强制 鼓入熔池，使熔池产生强烈搅动状态加 快了化学反应的速度，充分利用了精矿 中的硫、铁氧化放出的热量进行熔炼， 同时产出高品位冰铜，烟气中高浓度的 SO2经收尘后送往硫酸分厂制酸。熔炼 过程中不足的热量由燃煤、燃油和燃气 等提供。


造锍反应:
Cu2S＋O2＝ Cu2O＋SO2 FeS+Cu2O＝FeO＋Cu2S △G0＝－144750＋13.05T
K＝a（FeO）·a[Cu S]/
2
a[FeS] ·a（Cu O）
2
该反应的平衡常数K值很大（在1250℃时，lgK为
9.86），表面反应显著地向右进行。一般来 说，体系中只要有FeS存在，Cu2O将变成 Cu2S，进而与FeS形成铜锍Cu2S-FeS。
但是，炉内的磁性铁如果过多，就会大大加快 反应速度，短时间内生成大量的气体产物（SO2为 主）；同时因磁性铁数量大，使炉渣的粘度增大， 大量的气体要逸散出来很困难；炉内温度上升很快。 渣中包含的气体越积越多，就造成了炉渣发泡，熔 池面也急速上升。当炉渣里的气体量累积到一定程 度，其气体压力大于炉渣的表面张力，气体就冲破 炉渣表面逸散出来，并夹带着很多炉渣和冰铜，这 就形成了爆炸式喷溅。如果炉内产生的大量气体不 能及时从烟道流出，就会从加料口喷出，如果这还 不能缓解炉内的气体压力，炉顶就有可能被气体掀 开，造成严重后果。 所以，维持正常生产的磁性铁量是必要的，但 必须控制磁性铁的总量不能超过15％。

5、熔池温度的控制
艾萨炉温度控制是通过燃料（燃煤、燃 油、天然气等）补加来达到熔炼温度的平衡， 其中精矿中的铁、硫自身氧化放热量达到熔 炼所需总热量的70％左右，补煤和燃油将补 充剩余30％的热量。目前云铜艾萨炉的控温 主要是通过燃煤补加来调节热平衡。以一次 换料为例：首先根据备料工区最新的理论物 料成分、小时物料量及所要得到冰铜品位进 行计算，得出理论所需补煤量；以配煤系数 来控制一次补煤的量，一次补煤的量以温度 平稳、二次补煤的频次和量都要少为依据。
FeS2=FeS+1/2S2 300℃开始，560℃激烈进行
CuFeS2=Cu2S+2FeS+1/2S2 550℃开始 2CuS=Cu2S+1/2S2 400℃开始，600℃激烈进行。 上面反应的分解产物是稳定物质。 在较高的温度下，炉料中铜的高价氧化物也发生分
4、Fe3O4在ISA熔炼中的作用

需要掌握最重要之处就是喷枪中的氧并 不直接就和精矿或者是燃煤发生化学反应。 相反，它首先和炉渣中的氧化亚铁发生化学 反应形成磁铁矿，然后，磁铁矿和精矿发生 化学反应并燃烧煤。少量的磁铁矿在化学反 应中是必需的；太多的磁铁矿会造成操作熔 炼炉比较危险 。加入艾萨炉内的燃煤并不直 接就和来自喷枪的空气一同燃烧，而是随着 精矿的熔炼，煤和磁铁矿中的氧发生反应而 燃烧。
三、交互反应 冰铜熔炼中另一类型反应是硫化物以氧化物的交互

反应，它是最重要的一类反应。因为这类反应决定 着冰铜以及其他有价金属在冰铜中的回收程度，决 定着Fe3O4还原造渣的顺利和完全程度。来自于热 分解和氧化反应生成的Fe3O4、FeS、FeO、Cu2S、 Cu2O以及炉料中的二氧化硅在高温相互接触条件 下将进行交互反应。这里反应又可以分成两类反应： 一是Fe3O4和FeS的反应，反应式为： Fe3O4+FeS=FeO+SO2； 二是金属硫化物与氧化物之间的MeS—FeO的反应， 以及相同金属硫化物与氧化物之间的反应。 艾萨熔炼法中的主要化学反应与一般的冰铜熔炼过 程的化学反应基本上是一样的，总的反应式为： 4CuFeS2+5O2+SiO2=2（Cu2S· FeS）+ （2FeO· SiO2）+4SO2+热量