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火法炼铜(一)

2019-01-08    来源:    
    铜是在冶金炉中,100℃以上高温条件下,从铜精矿中提取铜的炼铜方法。该方法由铜熔炼、铜锍吹炼和粗铜精炼三大工序组成,其中精炼又分为火法精炼和电解精炼两种。    (一)铜熔炼    依其出现时间的早晚和生产技术与装备水平可分为传统方法和炼铜新工艺两类。按冶炼过程物料存在的状态和炼铜炉型,又可分成熔池熔炼和悬浮熔炼。鼓风炉、反射炉和电炉熔炼法,一般归属于传统方法;而闪速熔炼、诺兰达法、白银法、奥斯麦特法可称之为炼铜新工艺。    炼铜原料铜精矿是一种细粉状物料,粒度小于0.074 mm的占80%以上,常见化学成分为(%):Cu20-30、Fe20-30、S25-35、 Si025-15、Ca0< 5。    1.鼓风炉熔炼    最初的鼓风炉型为敞开式,用炉顶两侧开放式操作,环境十分恶劣,排出的低浓度SO2烟气无法制酸,已逐渐为密闭式鼓风炉所取代。    密闭鼓风炉熔炼,不再像敞开式鼓风炉那样需要预先把铜精矿烧结成块,而是在混捏机中将铜精矿加水润湿混捏成泥状即可。混捏料经密闭炉顶上的加料斗加入炉内,熔炼烟气从炉顶下方两边排烟口引至烟气净化系统。炉子漏风少,烟气SO2浓度高,可以经济地生产硫酸,消除烟气污染。    (1)铜精矿的鼓风炉熔炼过程炼铜物料由焦炭燃料、转炉渣、石灰石、石英熔剂及混捏铜精矿组成。物料按上述顺序分批加入炉内,并自上而下运行。从炉体下部两侧鼓入的空气使风口区焦炭燃烧,产生的高温气体不断上升并加热和氧化炉料。铜铁硫化物被氧化,生成SO2烟气和熔体冰铜。烟气排出送制酸,冰铜送转炉吹炼,脉石成分与熔剂造渣,炉渣水淬后出售。    加入炉内的炉料首先进入预备区,温度约250-1000℃,含水物料在此受热脱水、干燥,FeS2和CuFeS2等硫化物发生分解放出硫并被氧化成SO2, CaCO3, MgCO3等碳酸盐发生分解放出CO2气体,精矿逐渐烧结固化。    固化物料继续向下运行至焦点区,在1250℃左右温度下焦炭激烈燃烧放出热量。分解反应产生的Cu2S和FeS形成为铜锍,铁的氧化物和脉石成分生成为炉渣,这些熔体向下流入炉缸,并连续放进前床,完成锍与炉渣的分离。    熔炼过程的基本反应是:
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    (2)炉体结构  从断面看,鼓风炉有矩形和短端半圆形两种。受鼓风压力限制,为保证中心进风,炉子宽度不大于1.2m,一般长10m,高4.5-5m,炉身用冷却水套或汽化水套相互连接而成,炉底以上0.5 m处两长侧水套开有供风风口,风口直径100-110mm,料柱高3m左右,进料块率5%。    (3)主要技术经济指标  锍中铜品位25%-35%;炉渣含铜0.25%-0.3%;床能力50t/(m2·d);脱硫率50%;焦率8%-16%;烟气SO2浓度>3.5%。    密闭鼓风炉采用富氧熔炼以后,生产能力和烟气SO2浓度都有显著提高,但能耗高、原料中硫利用率低以及环境污染问题仍未彻底解决,而且无法实现大型化。至1999年,中国还有多处炼铜工厂采用密闭鼓风炉熔炼工艺。    2.反射炉熔炼    该方法属于熔池熔炼类型,在各种铜精矿熔炼方法中长期占有重要地位。该方法应用历史久,工艺成熟,生产能力大,金属回收率高,烟尘率低,对原料适应性强。但能耗高,烟气SO2浓度低,难以回收利用,污染环境严重,成为该方法的致命缺点,导致反射炉熔炼能力在世界铜熔炼总能力中的地位不断下降,如中国甘肃白银有色金属公司和湖北大冶有色金属公司的炼铜反射炉已分别被白银法炼铜炉和诺兰达炉所取代。    中国仍在生产运行的铜熔炼反射炉床面积270m2,炉体长32.5m,宽10.5m,高6.5m。炉头装有7台粉煤燃烧器,为熔炼过程提供必须的补充热量。反射炉熔炼热收入的80%以上来自燃料燃烧热,入炉物料带入热及熔炼反应热之和不大于20%。燃料燃烧火焰通过辐射和对流方式将热量传递给炉料、熔池、炉墙和炉顶,炉顶和炉墙吸收的热量又辐射给炉料和熔池,使之接受反射热。炉料由炉顶两侧皮带输送机经多支加料管加入炉内,沿炉墙形成料坡。炉尾有排烟道和放渣口,侧面有放锍口。炉体用耐火材料砌成,外部用钢材加固。    在燃料燃烧产生的高温火焰作用下,炉料受热发生分解、氧化和造渣反应,并沿着料坡自两侧流入中间熔池。产生的熔体因密度不同而分层,上面为炉渣层,下面为铜梳层,分别经渣口和放铜口定时放出。铜梳用铜水包热装入转炉进行吹炼,产出含铜98%的粗铜,含铜5%左右的转炉渣送综合回收处理。反射炉烟气经由烟道进入收尘系统回收烟气余热和夹带的烟尘,烟气处理后放空,烟尘返回配料熔炼。    反射炉熔炼的主要技术经济指标为:粉煤燃料率20%-22%;炉渣含铜0.35%-0.4%;床能力3.6 t/(m2·d);烟气SO2浓度0.5%-1.0%;烟尘率2%。    3.白银炼铜法    该炼铜法是由中国白银有色金属公司等单位共同开发的一种熔池熔炼法,于1980年在白银公司投入生产。同原有反射炉熔炼相比,白银法在能耗、硫利用率、单位生产能力及环境保护等方面均显示出优越性。[next]    (1)白银炼铜法炉型结构特点白银炼铜炉为一长方形箱状结构,炉内分为熔炼区和沉降区,两区之间用一水冷隔墙分开,墙下相通,炉渣与锍经此通道流入沉降区。隔墙的作用是隔断熔炼区搅动对渣铜分离产生的不利影响,为渣铜分层创造一个相对静止的环境。白银炼铜炉现有单室炉(见图1)和双室炉两种炉型,前者隔墙上部连通,炉气可在炉内两区流动,而后者隔墙上部空间是密封的,铜锍可以在墙下两区流动,而墙上辅助燃烧废气和熔炼产生的SO2烟气各行其道互不相混,这对控制熔炼区和沉降区的气氛、提高烟气SO2浓度十分有效。两种炉型均用耐火材料砌筑而成,外部用钢板、立柱和拉杆加固,炉墙渣线以下用铜铸水套连接而成,熔炼区水套上留有风口,沉降区不开风口,分别开有放渣口和放铜口。加料管置于熔炼区顶部,炉料用皮带运输机和螺旋加料机加入炉内,冶炼烟气经熔炼区端墙前炉顶处出口排出。沉降区也没有辅助燃烧器,使炉渣过热以降低炉渣含铜,提高铜熔炼回收率。白银炉的主要结构尺寸列于表1。









表1  白银炉的主要尺寸/m


项目

双室炉(100m2)

单室炉(44m2)

项目

双室炉(100m2)

单室炉(44m2)


炉膛(长×宽)

28.3×3.7

16×3

沉降区  高

3.8

2.2


熔炼区  高

4.5

2.8



15.9

7




11.6

7.4

 

 

 [next]
    (2)白银法的熔炼过程含水铜精矿经过回转室干燥至含水7%左右,与熔剂和返料混合后经皮带运输机通过加料管连续加入炉内,压缩空气或富氧空气经由熔炼区两侧风口连续鼓入,在熔池中形成一强烈搅动的熔炼区。铜精矿迅速被加热,发生分解、氧化反应,铜铁矿化物生成Cu2S和FeS组成铜锍,铁的低价氧化物FeO与加入的石英熔剂反应生成炉渣,S氧化生成SO2与燃烧废气混合形成炉气。炉渣与锍从隔墙下空洞流入沉降区进行澄清分离,锍经虹吸口间断放出送转炉吹炼,炉渣从渣口放出送渣场堆存,烟气经余热锅炉回收余热和除尘后,送制酸厂生产硫酸。白银炼铜法工艺流程见图2,主要技术经济指标见表2。











表2  白银炼铜法主要技术经济指标


项目

双室炉(100m2)

单室炉(44m2)

项目

双室炉(100m2)

单室炉(44m2)


床能力/[t/(m2·d)

9

12~15

铳品位/%

52

40~50


富氧浓度/%

38

41~7

渣含铜/%

0.66

0.4


精矿含Cu/%

15.2

16~9

烟气SO2/%

3

3~4


S/%

27.2

29.3

标煤燃料率/%

7.7

4.3~6.8[next]
    4.闪速熔炼    该方法是在高温高速空气流或氧气流中,将硫化铜精矿熔炼成铜锍的炼铜法,属于悬浮熔炼类型。闪速熔炼现有两种炉型:一为芬兰奥托昆普(Outokumpu )闪速炉;一为加拿大国际镍公司(Inco)闪速炉。同反射炉熔炼比,闪速熔炼能耗低,烟气SO2浓度高,有利于生产硫酸,机械化自动化水平高,生产能力大,可实现清洁生产。缺点是设备庞大,原料准备复杂,烟尘率高,炉渣含铜高,需要贫化处理。上述两种炉型中,芬兰奥托昆普闪速炉发展最快(工艺流程见图3),至1997年,全世界已建成投产奥托昆普炼铜闪速炉35座,其中中国有2座。该方法炼铜生产能力占世界矿产铜的一半以上。

    (1)奥托昆普闪速炉的熔炼特征该方法充分利用了硫化铜精矿粒度细、比表面积大的特性和精矿中S、Fe氧化放出热量的潜能,强化了熔炼过程同时节约了能源。熔炼过程是,将干燥到含水低于0.3%的铜精矿用高速气流(>100m/s)喷入反应塔——一垂直反应空间内,在矿物氧化和辅助燃料燃烧产生高温下,铜精矿发生以下主要熔炼反应:
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