回转式阳极炉精炼渣物化性能分析

总第152期

2006年10月

南 方 金 属SOUTHERN M ETALS Su m.152

O ctober 2006

收稿日期:2005-11-22

作者简介:王建锋(1979-),男,昆明理工大学材料与冶金学院在读硕士研究生.

文章编号:1009-9700(2006)05-0016-03

回转式阳极炉精炼渣物化性能分析

王建锋,陈 雯,沈强华

(昆明理工大学,云南昆明650093)

摘 要:回转式阳极炉采用新型煤基炭制还原剂,对精炼渣物化性能的要求不同于固定式阳极炉.回转炉精炼渣应具有低熔点、低粘度、合适的密度及表面张力度等物化特性以满足实际操作的需要.以云南铜业公司350t 回转式阳极炉为例设计并试验,提出了改进意见.关键词:回转式阳极炉;精炼渣;物化性能

中图分类号:TF 806.12;TF 811 文献标识码:A

Physicoche m ica l properties of the refi ni ng slag for rotati ng anode furnace

WANG Ji an feng ,C H E N W en ,S HEN Q iang hua (F acult y o fM ate rials and M eta ll urg ical Eng i nee ri ng ,

K un m i ng U n i ve rsity o f Sc ience and T echno l ogy ,K unm ing 650093,Yunnan)

Abstrac t :The rotary anode furnace usi ng a nove l carbonaceous reductant is d ifferen t fro m the fi xed anode one i n t he ir re qu irem ents f o r t he phys i cochem ical prope rties of t he refi n i ng slag .The refi n i ng sl ag for the ro tary anode f urnace shou l d pos sess low m elting po i nt ,low v iscosity ,suitable density and appropriate surface tension i n orde r to m eet the requ irements of the practical operati ons .T aki ng the 350 t on ro tary anode f urnace o f Y unnan Coppe r Co m pany as a case ,som e i m prove m ents to the re fini ng slag we re reco mmended a fter t he f urnace was designed ,bu ilt and tested .K ey word s :rotary anode furnace ;re fini ng slag ;physicoche m ica l prope rti es

目前,国内外铜火法精炼使用的还原剂主要有重油、柴油、石油液化气、天然气、氨、丙烷、原木、木

炭粉等.使用重油、柴油、石油液化气这一类石油产品为还原剂成本较高,且利用率低,还原过程中产生大量的黑烟,造成环境污染.用天然气、氨、丙烷这一类还原剂,受资源条件限制,并且储存条件要求高,设备投资大.用原木、木炭粉作还原剂,因砍伐森林而造成土地荒漠化以及洪涝灾害等,对自然环境造成较大的破坏.为此云南某公司开发出新型煤基炭质还原剂,成功地应用于固定式铜阳极炉生产,彻底解决了铜阳极炉黑烟污染,同时显著降低了铜阳极板的成本.受原料成分限制,在回转炉应用新型煤基炭质还原剂有时会出现干渣,由于回转炉出渣依靠氧化空气的推涌作用,若炉渣的流动性差,则无法出渣.当熔体温度不够高或渣成分不太好时,炉渣较干,不可勉强出渣,否则不仅渣放不出,铜水损失大,干渣还会堆积在炉口上.渣的冶金效果与

物化性能有着直接关系,因此有必要对铜精炼渣的物化性能进行认真研究和分析.

1 精炼渣的作用及化学组成

精炼渣的主要作用是:除去铜中的杂质,提高纯度,使铜含量在99 95%以上;从铜中分离回收有价元素,提高资源综合利用率.渣的成分与冷料成分、耐火材料成分、粗铜带入的转炉渣数量等有关,一般范围见表1.

表1 铜火法精炼渣一般成分范围

%

w (C u)w (S i O 2)w (C a O )w (A l 2O 3)w (Fe O )w (M gO)15~32

15~35

1.7~4.2

2~12

6~25

2~11.5

2 铜精炼渣的的性能要求

回转炉的氧化、还原、出渣方式与固定式阳极炉完全不同,由于不受人工扒渣、人工插管的限制,氧

化过程不存在再造渣情形,炉渣是随铜水带入的,进料完毕即可放渣.放渣时,把炉口转下,使炉口下沿与熔体面相平,在鼓风作用下,浮在表面的炉渣被推涌到炉口而自行流下来.为保证出好渣,首先要保证炉渣的流动性,其次要保证炉口下沿的平整.为此必须调节好渣成分,要具有良好的熔解、吸收夹杂物能力,且吸收夹杂物后物理性能保持稳定.

2 1 熔化温度

炉渣的熔化温度是指固态渣完全转变为均匀液相或冷却时液态渣开始析出固相时的温度.炉渣的熔化温度与炉渣的组成有关.离子结构理论认为炉渣是离子晶体结构,其熔化性温度与晶体对温度作用的抵抗力有关,因而炉渣的熔化性温度决定于晶体中与离子间库仑引力有关的晶格能,其值大,熔化性温度高.熔化温度是冶炼过程中的一个非常重要的指标,熔化温度的高低直接影响着冶炼过程.对于高熔点的炉渣,需要消耗较多燃料以满足渣与金属的分离.因而选择合适熔化性温度的炉渣是相当必要的.实验表明当一种物质溶解于另一种物质中,两种或多种氧化物形成复合化合物或多元共晶体时,均可使它们构成的渣系的熔点降低.加入后能使炉渣熔点降低的物质称为助熔剂,因而可以通过分析相图选择对冶炼工艺无害的助熔剂以确定合理的渣系结构,获得熔点较低的熔渣.然而实际的熔化性温度与由相图确定的温度有一定的偏差,因而最好用实验的方法测定炉渣熔化温度.

2.2 粘度

任何冶炼过程都要求炉渣有适宜的粘度,这不仅关系到冶炼过程能否顺利进行,而且对过程中的传热、传质,从而对反应的速率以及熔池中杂质的排除、金属在熔渣中的损失、炉衬的寿命等都有影响.另外,通过对熔渣粘度和组成关系的研究,有助于了解熔渣的结构.熔渣的粘度一般为0 1~10Pa s,比液体金属的粘度高两个数量级.熔渣的粘度与其组成及温度有关.当熔渣内加入了能使难熔组分的溶解度增大的其他物质时,熔渣的粘度就会下降,温度的提高也有这样的作用.温度对粘度也有较大的影响,温度虽不能改变粘流活化能,但温度提高,使具有粘流活化能的质点增多;同时,质点的热振动加强或质点的键分裂,络合离子可能解体,成为尺寸较小的流动单元,因而粘度下降.为了使冶炼顺利进行,应使炉渣熔化后的温度能够保证炉渣达到自由的流动,这个最低温度称为熔化性温度,与熔渣的粘度有关.粘度较低,则熔化性温度较低.温度对粘度的影响还与炉渣的化学性质有大的关系.铜火法精炼炉渣一般分为4类:粘度 <0 5Pa s为很容易流动的渣, =0 5~1 0Pa s为易流动的渣, =1~2Pa s为粘渣, >2Pa s为很粘的渣. 2.3 密度和熔渣的表面张力

熔渣的密度和熔渣的表面张力在冶炼过程中起着相当重要的作用.在火法冶金中,液体金属或锍与熔渣的分离,熔渣对耐火材料炉衬的腐蚀作用等都密切相关.与气相接触的液体表面质点、因其配位数未得到满足,质点间作用力不平衡,比液体内部的质点具有较高的能量,其超出部分的能量就是表面自由能,为单位面积上的能量.由于表面质点能量过剩,因而液体表面将自动收缩以降低过剩的能量.液体表面的这种自动收缩的趋势,相当于液体表面水平方向上存在着使液体表面收缩的力,这一作用力是作用于单位长度上的,单位为N m-1,称为表面张力.因而研究渣的密度很有必要.固体渣的密度可近似地由组成炉渣的氧化物的密度用加和法计算:

渣=( M e O %质量M e O)

式中: M e O!渣中M e O的密度(见表2表3);

%质量M e O!渣中M e O的质量百分比.

表2 氧化物的密度∀103K g m-3氧化物A l2O3C a O M gO M nO FeO S i O2PbO ZnO CaF2密度 3.97 3.32 3.50 5.40 5.0 2.329.21 5.60 2.80

熔渣的密度测定数据不多.熔化后的液态炉渣其密度变化不大,可近似地采用固态炉渣的密度值.当熔渣的温度升高后,由于渣中质点的热运动加强,质点间距离加大,从而使密度降低.熔渣中存在气泡时,其密度也会降低.熔渣的密度一般在2 8∀103~3 5∀103Kg m-3波动.Fe O,M nO等能增大熔渣的密度,而Si O2,C a O则使密度降低.

熔渣的表面张力与组成炉渣的离子相互间的作用能有关,可以用离子的静电位来描述.离子的静电位可用下式计算:

i=

z

r

式中:i!离子的静电位;

z!离子的电荷数;

r!离子半径.

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王建锋等:回转式阳极炉精炼渣物化性能分析