第四次课_铜精矿的闪速熔炼

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。
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）。
为喷嘴和炉型设计的改进提供基础。
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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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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。 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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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。 根据图5.5，可以确定出沉淀池终渣中Fe3O4的含 量(%)与锍品位的关系。
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。
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。
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。
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图5.9 澳大利亚卡尔古利与金川冶炼厂闪速炉炉型
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这种结构适应了含有MgO的铜镍精矿的熔炼， 容易提高炉渣温度，贫化区与沉淀池中的炉渣－
镍锍共同处于一个体系，既利于锍品位的调整又
利于降低渣中镍、铜和钴的损失。
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2、闪速炉的炉体结构
10 10 14.58 20
25 30 32.11 46
1 5 6.09 15
86 80 46.18 57
62 40 3.35 27
79 80 10.08 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
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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）
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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 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 压下反应平衡时的产物。
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表5.2 不同研究者和不同锍品位时元素分布
在锍中（%） 研究者或 作者 锍品 位(%) As Sb Bi 在渣中（%） As Sb Bi 在烟气中（%） As Sb Bi
H.Y.Sohn Steinhause r 袁则平 冈田
40 55 55 57 10 39.16 30 64.09 15 83.71
的有能源方案的选择和组合，炉子规模，精矿品
位，锍品位，富氧浓度，精矿喷嘴结构以及操作
控制等。可供闪速熔炼使用的能源包括重油、煤、
焦粉、天然气以及氧气等。能量消耗最终是以能 量成本来体现的。见下表5.4
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表5.4 计算能耗成本的条件
项目 1 铜精矿成分 2 燃料发热值 单位 % MJ/kg 数值 Cu25,S32,Fe28,SiO24 重油41030，煤炭27215，天燃气35288 （m3）
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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； 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
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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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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。
MJ/Kg 2.79 3.29
1.67
镍精矿 （Ni7.5%,S27.8%） 产出镍锍品位Ni 34%
3.03
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熔炼过程所需的总热量是由热平衡关系决定的： 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，减少炉气速熔炼能量消耗 影响闪速熔炼的能量消耗的因素很多，主要
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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5.5 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:
1.
提高反应塔温度
2.
3.
增加沉淀池燃油量，降低锍品位
降低Fe/SiO2，加入煤，以及优化喷嘴结构与
3 燃料价格
4.制氧工厂： 电耗 热电效率 5 热风制备的热效 率 6 闪速炉台数
USD/t
kWh/m3
%
USD/kWh
重油120，煤炭42，天燃气0.08/（m3）
0.5 32 0.04 70，假定采用与闪速炉相同种类的燃 料作为热源 1
32
% 台
四、 闪速炉结构
1、闪速炉炉型
闪速熔炼有两种基本的炉型：一种是因科闪速 炉（如图5.6所示）。另一种是奥托昆普闪速炉。 奥托昆普型闪速炉在50多年的发展历程中，随着 生产实践中出现的各种问题，作了不断的改进。 重大的变化是在炉型方面。针对熔炼过程中沉淀 池内容易生成Fe3O4炉结，渣含Cu高，日本玉野 冶炼厂在沉淀池内加了三根电极（如图5.7所示）， 以电能辅助加热，减轻了炉结，降低了渣含铜。
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。 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。
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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
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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。
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图5.6 加拿大国际镍公司工业氧气闪速炉炉型
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图5.7 日本玉野冶炼厂闪速炉炉型
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以后该厂又通过添加焦粉，使用一氧化碳 浓度控制生产的技术，取消沉淀池内电极的运
行。而澳大利亚卡尔古利冶炼厂则作了另外的
改进，避免了沉淀池内电极严重氧化烧损的困 难，把每组呈三角形排列的两组六根电极插入 沉淀池的延伸部分---贫化区。如图5.9所示。
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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。
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
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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
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。
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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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 烟煤 重油 铜精矿 （Cu29.5%,Fe26.0%, S31%)产出铜锍品位 Cu51%
MJ/Kg 27.9 43.0
名称 产出铜锍品位Cu80% 产出粗铜
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。
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，并进行沉清分离。
4
图
图5.1 奥托昆普闪速炉
5
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。