铜冶炼中熔炼设备的设计及安装要点研究

塔连接部是反应塔体与沉淀池顶连接的部 底结瘤而上升造成容积减小，炉底上升后，最 刷、浸蚀程度不同，采用的冷却方式、布置位
分，采用的结构有不定形耐火捣打料中埋带 小贮存容积应能满足转炉造渣工期所需要的 置也有所不同。
翅片的水冷铜管的结构、倒“F”型水套结构和 冰铜生产能力。
(1)反应塔。水冷元件在塔体内的整个布
水套层数的增加以及立式水套的使用，垂直 温下熔化，防止上升烟道出口结瘤而堵塞。 流区, 温度一般都在 1300℃以上，采用水冷梁
式沉淀池侧墙设计已成为发展趋势。沉淀池
4.4 炉体的耐火材料
结构沉淀池炉顶可大大提高炉顶耐火砖的使
炉底常砌成反拱结构形式，以消除炉底耐火
耐火材料的选用直接影响到闪速炉的使 用寿命。渣线区位于沉淀池内金属液面以上，
(包括以后的增加量)，反应塔空气温度，冰铜 熔再结合镁铬砖；塔下三面烟气区墙、沉淀池 道顶部采用了水平型水冷梁；连接部、出渣口
品位以及氧浓度，烟气平均速度。实际设计计 顶和烟道迎烟面墙采用半熔融再结合镁铬 均采用铜水套结构。
算中以反应塔内烟气平均速度和烟气停留时 砖；而沉淀池烟气区墙、烟道顶及非迎烟面墙
的反应速度，最理想的高度是物料完全反应 的寿命，由于闪速炉工作条件较为苛刻，实践 量的因素很多，其中还包括大量的不确定性
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因素，这些因素又相互影响，变化频繁。在手 动操作条件下，要考虑若干因素之间的相互 关联性并迅速做出反应，使工艺参数稳定、准 确是相当困难的。
3.闪速熔炼及闪速炉 闪速熔炼是将硫化铜精矿和熔剂的混合 料干燥至含水 0.3%以下，与热风（或氧气、或 富氧空气）混合，喷入炉内迅速氧化和熔化， 生成冰铜和炉渣。其优点是熔炼强度高，可较 充分地利用硫化物氧化反应热。降低熔炼过 程的能耗。烟气中 SO2 浓度可超过 8%。闪速 熔炼可在较大范围内调节冰铜品位，一般控 制在 50%左右，这样对下一步吹炼有利。但炉 渣含铜较高，须进一步处理。 闪速炉是一种强化生产的熔炼炉。具有 巨大表面面积的粉状物料，在炉内充分与氧 接触，在高温下，以极高的速度完成硫化物的 可控氧化反应。反应放出的大量热，供给熔炼 过程。使用含硫高的物料，有可能实现自热熔 炼。闪速炉具有生产率高、能耗低、烟气中 SO2 浓度高的特点。闪速熔炼脱硫率高，有利
有一定的局限性，是火法冶炼的有益补充，目 前仍以火法冶炼为主。
在火法炼铜工艺中，熔炼是重要的一环， 主要是造锍熔炼，其目的是使铜精矿或焙烧 矿中的部分铁氧化，并将脉石、熔剂等造渣， 产出含铜较高的冰铜（xCu2S·yFeS）。冰铜中 铜、铁、硫的总量常占 80%～90%，炉料中的 贵金属，几乎全部进入冰铜。造锍熔炼的传统 设备为鼓风炉、反射炉、电炉等，由于环保和 产能等因素，传统设备已逐渐被淘汰，新建的 现代化大型炼铜厂多采用闪速炉。
施进行了研究。
炼的冶炼设备更简单，但杂质含量较高，且具 2 所示）和加拿大国际镍公司（INCO）型（如图
【关键词】熔炼设备 设计 研究 1.前言 铜是我国长期短缺的金属，在市场需求 和铜价持续高位运行的引导下，国内正掀起 新一轮铜冶炼产能扩张，新开工项目迅猛增 长。如果铜冶炼产能低水平扩张将会给资源、 经济运行和环保带来诸多隐忧。2009 年国务 院公布了有色金属产业调整振兴规划的全 文，《规划》中明确规定按期完成淘汰鼓风炉、 电炉、反射炉等采用落后工艺的炼铜产能。炼 铜生产朝着规模大型化、综合利用、降低生产
目前大都采用钢性框架。沉淀池顶主要有两 燃烧效率高，节油明显的高效节能的燃油装 考虑到塔下与沉淀池连接处的损耗情况，增
种形式，吊挂拱顶和吊挂平顶。吊挂平顶的耐 置，并合理安装配置和增设燃油增能器。在沉 加水平铜水套与倒型水套组合形式，以提高
火砖较好更换，但密封性不好。吊挂拱顶使用 淀池和上升烟道合理布置烧嘴并调整其倾斜 连接部位的寿命和减少连接部的维修工作
3 所示），前者由反应塔、沉淀池及上升烟道组 成，应用较为广泛。
成本、适应日趋严格的环保要求的趋势发展，
在这一过程中，冶炼设备和工艺的选择起到
关键的作用。
本文主要就铜的冶炼方法和设备，以及
造硫熔炼改进工艺进行了系统的分析和论
述。
2.铜的冶炼工艺 铜冶炼技术的发展经历了漫长的过程， 目前有火法冶炼与湿法冶炼两种。 湿法炼铜一船适于低品位的氧化铜，生 产出的精铜称为电积铜。现代湿法冶炼有硫 酸化焙烧－浸出－电积，浸出－萃取－电积， 细菌浸出等法，适于低品位复杂矿、氧化铜 矿、含铜废矿石的堆浸、槽浸选用或就地浸 出。湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降 低，正在逐步推广。 火法炼铜是通过熔融冶炼和电解精火炼 生产出阴极铜，也即电解铜，一般适于高品位 的硫化铜矿。火法冶炼一般包括焙烧、熔炼、 吹炼、精炼等工序，先将含铜百分之几或千分 之几的原矿石，通过选矿提高到 20－30％，作 为铜精矿，在密闭炉中进行造锍熔炼，产出的 熔锍（冰铜）接着送入转炉进行吹炼成粗铜， 再在另一种炉内经过氧化精炼脱杂，或铸成 阳极板进行电解，获得品位高达 99.9％的电 解铜。该流程简短、适应性强，铜的回收率可 达 95％，但因矿石中的硫在造锍和吹炼两阶 段作为二氧化硫废气排出，不易回收，易造成
板及工字钢。
确保最佳使用效果。
耐火材料选择上普遍低于沉淀池和反应塔。
4.2 炉体尺寸的确定
反应塔壁、沉淀池渣线区墙以及两连接 但由于闪速炉是负压操作，烟气流动速度对
(1)反应塔尺寸，反应塔尺寸包括内径和 部使用经镁预反应的铬砖 S55；反应塔顶使用 顶部耐火砖和连接部以及出渣口区都有一定
高度的确定。确定内径时，需考虑精矿处理量 直接结合镁铬砖 B65；正面端墙渣线区采用电 的冲刷，为保证使用寿命的一致性，在上升烟
梁的拱顶形式，另一种是吊挂平顶形式。由于 上 1000-2000mm。在确定沉淀池的上部内长 要布置在反应塔顶部、塔体、沉淀池侧墙、端
炉顶耐火砖需经常检修、更换，目前一般采用 时，除需考虑适应转炉操作具有一定的贮存 墙顶部、渣线、上升烟道顶部及连接部等部
耐火砖较容易更换的吊挂平顶式。
容积外、还需考虑沉淀池由于长期生产后炉 位。由于每个部位的结构形式不同，所受冲
厚度较厚；中部筒体由许多小段筒体组成，各 时，反应塔内的温度、空气含氧量、物料粒度 的冷却方式主要有喷淋冷却和设置水冷元件
部份通过螺栓连接，把重量传递给塔支架，整 经常波动，为保证物料充分反应，应留有一定 两种方式。喷淋冷却对闪速炉的操作稳定性
个塔身可以自由向下膨胀。增加水平水套层 的富余，但也不能过大，以防落到沉淀池的熔 和中央喷嘴的位置要求较高，且热损失大，易
寿命长，密封性好，所以多采用吊挂拱顶式。 角度，沉淀池烧嘴可加热渣层，提高渣温，保 量。
沉淀池侧墙通常向外倾斜 10 度，目的是防止 持炉渣的良好的流动性，防止发生粘渣现象，
(2)沉淀池。沉淀池耐火砖受热后最容易
气流区炉墙被侵蚀后向内倒塌，但随着水平 促进渣铜分离。上升烟道烧嘴可使结瘤在高 变形、脱落, 特别是顶部和渣线区。顶部是气
4.6 技术难点及解决办法
间为基准，再根据容积热强度计算公式校核 采用直接结合镁铬砖。
铜闪速熔炼过程是一个典型的复杂工业
反应塔容积热强度，容积热强度在
4.5 炉体的冷却系统
过程，在反应塔内发生着激烈而迅速的物理
1240-1750MJ/m3h 比较合适。高度取决于物料
闪速炉的使用寿命主要取决于耐火材料 化学反应，影响其产出物和温度等重要输出
目前，针对这一问题的解决办法是采用 神经网络模型、模糊模型等方法研究开发闪 速熔炼的过程模型，实现计算机对整个生产 过程进行在线控制。生产实践表明，在铜闪速 熔炼过程中，当闪速炉处理物料量不变时，冰 铜品位、冰铜温度、渣中铁硅比是闪速熔炼过 程的综合判断指标，也是对闪速炉的热风、氧 气量等操作参数进行调控的重要依据，但这 三大参数只能在放出冰铜时测得，而冰铜的 放出具有间隔性，这样测得的数据将滞后实 际熔炼过程 1 小时以上，难以及时起到修正 参数的作用。使用闪速熔炼过程模型，用三大 参数的科学预测值来指导闪速炉的反馈控 制，再结合计算机对闪速炉熔炼过程的在线
锯齿形水套结构。
(3)上升烟道尺寸，上升烟道尺寸包括出 置是根据塔体内气流冲刷和物料浸蚀情况而
(2)沉淀池。沉淀池是冰铜与炉渣沉清分 口宽度和高度。上升烟道出口面积是根据出 定。损耗最严重的部位是塔体中部和下部连
离、烟尘沉降并适应转炉生产的需要储存冰 口的烟气量和出口烟气流速来确定的，烟气 接部，因此，在这个区域内根据塔体高度一般
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铜冶炼中熔炼设备的设计及安装要点研究
文 / 何仕清
【摘 要】本文主要就铜的冶炼方法和 污染。近年来出现如白银法、诺兰达法等熔池 于二氧化硫的回收，并可通过控制入炉的氧
设备，以及造硫熔炼改进工艺进行了系统的 熔炼以及日本的三菱法等，火法冶炼逐渐向 量，在较大范围内控制熔炼过程的脱硫率。闪
数有利于提高耐火砖的使用寿命，由于反应 体温度过低，不利于保持目标冰铜温度。
恶化操作环境，通常采用设置水冷元件的冷
塔下部冲刷较上部严重，因此下部水平水套
(2)沉淀池尺寸，沉淀池尺寸包括上部内 却方式。
的间距比上部的要小。
宽和内长的确定。沉淀池的上部内宽是根据
闪速炉冷却元件有铜水套、冷却铜管、H
塔顶也有两种形式，一种是带水冷 H 型 反应塔的内径确定的，一般为反应塔内径加 型水冷梁、钢板水套等多种型式，水冷元件主
4.奥托昆普型闪速炉设计及安装的相关 措施
由于闪速炉的反应过程和炉子结构上的 特殊性，在闪速炉设计和安装过程中，必须结 合冶炼工艺条件、炉内工况和物料的反应以 及 其 他 条 件 ，合 理 确 定 炉 体 的 结 构 形 式 、尺 寸、供热系统、保温措施、耐火材料以及冷却 系统等。
4.1 炉体的结构形式 (1)反应塔。反应塔是闪速炉最主要的部 份，物理熔化、化学反应在此瞬间完成，由塔 支架、塔身、塔顶、塔连接部组成。 塔支架有两种形式，一种是悬吊式，通过 大型螺栓把反应塔的重量悬吊于反应塔框架 上；另一种是钢架的支撑结构，钢架直接座于 反应塔框架上。支撑结构要求反应塔上部筒 体较长，框架横梁较大，且不好调节反应塔的 垂直度，故一般采用悬吊方式，悬吊支架的位 置应尽量设置在筒体最上部，以利于水平水 套的布置。 塔身由耐火材料、铜水套、钢壳、钢板法
式。前者设计、施工较为简单，并且炉墙不易 冲刷性、耐急冷急热性等）和投资经济性综合
(3)上升烟道。上升烟道是闪速炉与废热
倒塌。后者加工制造简单，设计、施工较为困 比较进行的，目的是保证各部位使用要求的 锅炉相连接的部位，是闪速炉烟气汇集排放
难，因炉墙为直形，容易倒塌，所以需设置托 特殊性与耐火材料的突出使用性能相一致， 的通道，由于不直接受熔体的冲刷、浸蚀，在
分析和论述，重点对奥托昆普型闪速炉的炉 连续化、自动化发展。火法炼铜一般流程如下 速熔炼的主要缺点是渣含金属较多，须经贫
体的结构形式、尺寸、供热系统、保温措施、耐 图 Fra Baidu bibliotek 所示。
化处理，加以回收。
火材料以及冷却系统等设计及安装的相关措
火法和湿法两种工艺各有特点，湿法冶
按炉形结构，分为芬兰奥托昆普型（如图
铜的部位。
流速不能过大，否则会由于气流中带有熔融 要布置一层水平铜水套；反应塔上部及顶部
沉淀池的框架分钢性框架和弹性框架。 物造成烟道阻塞，且烟尘在余热锅炉内不能 温度一般低于反应塔中下部，不直接受物料
钢性框架不可调节，弹性框架可根据炉体的 扩散开来，将集中堆积在余热锅炉的某个部 气流的冲刷，为了保证塔体整体的寿命一致，
膨胀进行适当的调节。从理论上说，弹性框架 位，造成余热锅炉故障。
通常采用几圈 H 型梁以增加塔顶的结构强
比钢性框架更能适应炉体热膨胀的需要，但
4.3 炉体的供热系统
度；塔下连接部，不易用耐火砖砌筑，多采用
是无论从设计还是从实际来看都较难把握，
供热系统应采用加热速度快，燃烧完全， 铜管作骨架，利用不定形耐火材料捣制而成，
砖漂浮带来的危险。
用寿命，应合理地进行选用。耐火材料材质选 此处的耐火材料被浸蚀最为严重，采用一层
(3)上升烟道。上升烟道是烟气排出的通 择是根据各部位工作特点，熔体和烟气流动 水平铜水套和倾斜铜水套，可降低渣线区耐
道，有垂直圆筒形及断面为长方形的两种形 特性，耐火材料理化性能（重点是抗渣性、抗 火砖表面温度，增强抗熔渣浸蚀能力。
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兰组成。钢壳分上部筒体和中部筒体。上部筒 后的下落点正好在沉淀池的液面上，这样熔 证明，仅仅靠高档、优质的耐火材料是远远不
体是塔支架的着力点，承受的力量较大，壳体 体温度较高，沉淀池供油可减少。由于在运行 够的，必需合理地设置炉体冷却系统。反应塔