铜精矿闪速熔炼

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。
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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。
第五节 铜精矿的闪速熔炼
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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
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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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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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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。
(5-2)
式中, up为颗粒的终点速度（m/s）；gc为重力加速度(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。因此,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。
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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体
中。因此，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
(5-1)
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。
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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。
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。
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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：
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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。
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）
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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
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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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。