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flash smelting of copper
简介
干而细的硫化铜精矿在高速热空气流或富氧空气气流作用下呈悬浮状态熔炼成铜锍或粗铜的铜熔炼方法。它集焙烧、熔炼和部分吹炼过程于一个设备内，是一种发展迅速的强化生产、降低能耗和消除污染的炼铜方法。
简史 自19世纪末，冶金学家便提出使细粒的硫化铜精矿处在悬浮状态下进行冶炼的设想。第二次世界大战后，芬兰奥托昆普公司(Outokumpu Oy)在反射炉顶部增加一个竖炉进行闪速炼铜试验，炉料加进竖炉从上向下垂直运动。试验成功后，1949年在哈里亚伐尔塔(Harjavalta)冶炼厂建成日处理300t硫化铜精矿的闪速炉。加拿大国际镍公司(Inco Ltd)1945年也开始闪速炼铜试验，炉料借助氧气流水平喷入卧式炉内。试验成功后，1952年在铜崖(Copper cliff)冶炼厂建成一座日处理500t硫化铜精矿的闪速炉投入生产。至1989年世界上约有34座铜闪速炉，其中四座采用国际镍公司技术，余下均采用奥托昆普技术，已占世界原生铜生产能力三分之一，成为最重要的硫化矿炼铜方法之一。世界闪速炼铜厂列举于表1。
基本原理 入炉的浮选铜精矿粒度很细 (一般90%以上小于0.074mm)，比表面积极大 (达200m2/kg)，在熔炼过程中又处在悬浮状态，因而大大强化了气固或气液间的传质和传热过程，在塔内仅停留2～3s，大部分硫化物即完成氧化和造渣过程。投入反应塔的炉料，在高温作用下，发生的主要反应有：
表1 世界闪速炼铜厂一览表
| 采用炉型 | 厂 名 | 国别 | 投产年代 | 铜精矿处理能力/t·d-1 |
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奥 托 昆 普 炼 铜 闪 速 炉 |
哈里亚伐尔塔冶炼厂 足尾冶炼厂 巴亚·马雷(Baia Mare)冶炼厂 小坂冶炼厂 佐贺关冶炼厂(1号炉) 东予冶炼厂 加特西拉(Ghatsila)铜厂 芒特艾萨(Mount Isa)炼铜厂 玉野冶炼厂 |
芬兰 日本 罗马尼亚 日本 日本 日本 印度 澳大利亚 日本 |
1949 1956 1966 1967 1970 1971 1971 1972 1972 |
850 500 700 860 1450 1490 227 240 1360 |
续表
| 采用炉型 | 厂 名 | 国别 | 投产年代 | 铜精矿处理能力/t·d-1 |
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奥 托 昆 普 炼 铜 闪 速 炉 |
汉堡(Hamburg)冶炼厂 日立冶炼厂 特南特克里克(Tennant Creek)冶炼厂 萨姆松(Samsun)冶炼厂 佐贺关冶炼厂(2号炉) 凯特里铜联合公司(Khetri Copper Complex) 韦尔发(Huelva)冶炼厂 伊达尔戈(Hidalgo)冶炼厂 格沃古夫炼铜厂(Huta Miedzi Glogow) 温山(Onsan)冶炼厂 诺里尔斯克(Норильский)炼铜厂 卡拉伊巴(Caraiba)冶炼厂 伊萨贝尔(Isabel)冶炼厂 贵溪冶炼厂 卡利达得(Caridad)冶炼厂 斯雷特诺戈里(Srednogorie)冶炼厂 丘基卡马塔(Chuquicamata)冶炼厂 圣曼努埃尔(San Manuel)精炼厂 奥林匹克坝(Olimbic dam)冶炼厂 卢易芦(Luilu)厂 |
联邦德国 日本 澳大利亚 土耳其 日本 印度 西班牙 美国 波兰 韩国 苏联 巴西 菲律宾 中国 墨西哥 保加利亚 智利 美国 澳大利亚 扎伊尔 |
1972 1972 1973 1973 1973 1974 1975 1976 1978 1979 1981 1982 1983 1985 1986 1987 1988 1988 1988 在建 |
1500 1140 350 915 1800 650 1275 2200 2100 920 1960 1644 1500 1128 2250 2900 1920 2722 321 720 |
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国 际 镍 公 司 炼 铜 闪 速 炉 |
铜崖冶炼厂 阿尔马累克炼铜联合企业 (Алмалыкский Медеплави льный комбинат |
加拿大 苏联 |
1952 1968 |
1500 1500 |
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海登(Hayden)冶炼厂 赫尔利(Hurley Smelter)冶炼厂 |
美国 美国 |
1983 1984 |
1500 1300 |
2CuFeS2+5O2—→ (Cu2S·FeS) +FeO+2SO22FeS+3O2—→2FeO+2SO2
在沉淀池发生的主要反应有：
Cu2O+FeS⇌Cu2S+FeO2FeO+SiO2—→2FeO·SiO2
反应生成的铜锍和炉渣因密度有差异，在沉淀池中得以澄清分层。
炼铜闪速炉 有芬兰奥托昆普公司开发的奥托昆普炼铜闪速炉和加拿大国际镍公司开发的国际镍公司炼铜闪速炉，它们的结构不同，但熔炼工艺却大同小异 (见彩图插页第1页)。
奥托昆普炼铜闪速炉 由反应塔、沉淀池和上升烟道三大部分组成(图1)。炉料在精矿喷嘴内同预热空气或富氧空气强烈混合后喷入反应塔。炉料在塔内呈悬浮状态垂直向下运动，迅速受热燃烧，发生剧烈氧化反应，使颗粒很快加热到熔化的温度。熔融产物和炉气在水平的沉淀池分离，炉气通过上升烟道排出炉外，熔融产物在沉淀池内澄清，分离成炉渣和铜锍两层。
图1 奥托昆普炼铜闪速炉
这种闪速炉操作温度高，热负荷大，还有机械冲刷和炉渣对炉衬的腐蚀，反应塔内壁和沉淀池侧墙的重要部位采用电熔铬镁砖和直接结合铬镁砖砌筑，并选择合理、有效的炉体冷却措施以提高炉体寿命。
国际镍公司炼铜闪速炉 炉体结构如图2所示。在炉子的两个端墙上安装有烧嘴，干燥炉料和工业氧气一起从烧嘴水平喷入炉内，在空间运行的零点几秒时间内完成氧气与精矿中硫和铁的氧化、造渣反应，生成铜锍、炉渣和含高浓度SO2的炉气。
工艺 闪速炼铜工艺通常由炉料炼前准备、熔炼、烟气冷却、供氧、空气预热、炉渣处理、烟气处理等环节组成。工艺流程见图3 (另见彩图插页第4页)。
图3 闪速炉炼铜设备连接流程
1—储矿仓;2—配料仓;3—气流干燥;4—干燥电收尘器;5—烟囱;6—干矿仓;7—闪速炉;8—空气预热装置;9—氧气;10—重油;11—余热锅炉;12—电收尘器;13—蒸汽;14—烟气制酸;15—烟尘;16—烟灰仓;17—闪速炉渣;18—贫化电炉;19—弃渣;20—冰铜送往转炉;21—空气
图2 国际镍公司炼铜闪速炉
炉料炼前准备 闪速炼铜对炉料要求严格，入炉料都是经过炼前准备。炼前准备包括炉料的准确配料和干燥脱水。常用仓式配料法和堆式配料法配料(见配料)。经过配制的炉料能保证铜锍品位波动范围小于±2%。闪速炉炼铜要求炉料含水量不超过0.3%，铜精矿的干燥方法有回转窑干燥和气流干燥(见炉料干燥)，日本和中国的闪速炉炼铜厂均采用气流干燥法。
熔炼 将干燥后的粉状混合料(铜精矿加熔剂)与氧气(热空气或富氧热空气)和辅助燃料(重油、粉煤或天然气)在特制的精矿喷嘴内混合后，垂直或水平高速喷入反应塔或炉膛内使之呈悬浮状态。炉料于高温作用下在反应塔(或炉膛)内迅速完成各种物理化学变化，产生的熔体降入沉淀池内，进而完成造铜锍和造渣反应，并澄清分层，铜锍和炉渣分别由铜锍口和渣口排出。炼铜闪速炉的自动化程度较高，20世纪70年代后建设的闪速炉大都用计算机来控制生产(见彩图插页第1页)。在线计算机控制时，通常通过调节石英熔剂量来控制炉渣的Fe/SiO2比例，通过调节反应塔送风的总氧量来控制铜锍的品位，以及通过调节反应塔的燃料给入量或鼓风含氧浓度来控制铜锍的温度，达到预定的熔炼指标。
烟气冷却 设置余热锅炉，把闪速炉烟气冷却到623K左右，经收尘后送去制造硫酸。由于烟气温度高达1573K，含SO210%以上，含尘超过100g/m3，闪速炉用余热锅炉有较大的辐射冷却段和多点机械清灰器，以确保锅炉的正常运转。
供氧 多数炼铜闪速炉都采用富氧熔炼，通常用产出90%左右浓度氧气的制氧机供氧，以降低制氧的电耗。将氧气与低压空气配制成熔炼所需浓度的富氧空气供熔炼用。
空气预热 有低温预热、中温预热和高温预热三种制度。低温预热是用余热锅炉的饱和蒸汽(523K左右)把空气或富氧空气加热到473K。中温预热先把饱和蒸汽过热到773～823K，再用此过热蒸汽将空气或富氧空气加热到723K。高温预热需用蓄热式热风炉将空气加热到1073～1273K。
炉渣处理 闪速炉炼铜炉渣含铜1%～1.5%，可用电炉贫化或浮选法处理(见炼铜炉渣贫化)。电炉贫化后弃渣含铜0.5%～0.6%，浮选后尾矿含铜0.35%～0.45%。
闪速炼铜的主要技术指标列于表2和表3。
表2 奥托昆普闪速炼铜主要技术指标
| 项 目 | 工 厂 | ||
| 中国贵溪冶炼厂 | 芬兰哈里亚伐尔塔冶炼厂 | 日本玉野冶炼厂 | |
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精矿处理量/t·d-1 反应塔直径(d/m)×高(h/m) 精矿喷嘴数量/个 渣层厚度δ/m 铜锍层厚度δ/m 鼓风含氧浓度(体积分数)/% 鼓风温度T/K 铜锍品位(质量分数ω)/% 渣铁硅比 炉渣处理方法 烟量/m3·h-1 烟气的SO2浓度(体积分数)/% 每吨精矿的油耗量/kg 每吨精矿的煤耗量/kg 每吨精矿的工业氧耗量/m3 |
1100 6.8×7 4 0.1～0.2 0.5 21 723 50 1.15 电炉贫化 70000 10 52 0 0 |
850～1050 4.5×6.5 1 0.25 0.3 60～95 493 65～70 1.4～1.5 浮选 13000～20000 30～70 0～18 0 290～400 |
1360 6×6.5 4 0.6 0.4 29 673 60 1.15 闪速炉插电极 40000～50000 13.5 1.4 34 100 |
表3 国际镍公司闪速炼铜主要技术指标
| 项目单位 | 工 厂 | |
| 加拿大铜崖冶炼厂 | 美国赫尔利冶炼厂 | |
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精矿处理量/t·d-1 炉规格/(b/m)×(l/m)×(h/m) 渣层厚δ/m 铜锍层厚δ/m 每吨精矿工业氧耗量/kg 鼓风温度T/K 铜锍品位(质量分数ω)/% 渣铁硅比 渣含铜(质量分数ω)/% 烟量/m3·h-1 烟气的SO2浓度(体积分数)/% |
1600 5.5×22×5 0.6 0.6 180～220 常温 45～48 1.14 0.63 13000 70～80 |
1300 5.5×22×5 0.4 0.8 250 常温 45～5S 1.20 0.7 17000 70 |
烟气处理 烟气经废热锅炉和电收尘后含SO2浓度仍高于7%～8%，富氧鼓风熔炼产出烟气SO2浓度更高。闪速炉烟气通常和转炉烟气合并送去制造硫酸，也可用来生产元素硫和液体二氧化硫。
优缺点 与传统炼铜方法相比，闪速炼铜具有五方面的优点。(1)烟气含SO2 浓度高：闪速炉烟气可用双接触法制硫酸或生产元素硫，烟气制酸的硫回收率超过95%，制酸后烟气中SO2 的含量达到排放标准。(2)铜锍品位容易控制：通过调节反应塔(奥托昆普闪速炉)供氧总量就可以控制脱硫率和冰铜品位。(3)生产强度大、能耗低：闪速炉全炉容积处理能力超过反射炉两倍，能量消耗不足后者二分之一。(4)容易实现自动化：闪速炉操作简便，可以通过计算机控制实现生产过程的自动化。
缺点有两方面。(1)炉渣需处理：闪速炉渣含铜较高，必须经电炉贫化或浮选处理后才可废弃。(2)烟尘率高：闪速炉的烟尘量占炉料量8%～15%，需回收、返回处理。由于闪速炉烟气含尘高，使闪速炉余热锅炉结构变得复杂。
发展趋势 闪速炼铜的发展趋势主要有四方面。(1)大型化和计算机控制：大型闪速炉每天处理的铜精矿在2500t以上，不少闪速炉采用计算机在线控制铜锍品位、铜锍温度和炉渣的铁硅比以实施优化生产。(2)扩大氧气的应用：从20世纪70年代起奥托昆普炼铜闪速炉就采用富氧熔炼，而且所用富氧的氧气浓度逐步提高，有的已超过60%;富氧熔炼提高了炉子的生产能力，使用高浓度富氧空气可以使反应塔达到自热熔炼。(3)简化流程、提高对原料适应性：在闪速炉沉淀池插电极或增设电热贫化区，把炉渣贫化作业合并到闪速炉内完成;这种闪速炉既简化了生产流程，又可处理含难熔物料较多的原料。(4)提高铜锍品位、实现直接炼铜：奥托昆普炼铜闪速炉铜锍品位已从20世纪70年代的45%～50%提高到20世纪80年代的50%～65%。在波兰的格沃古夫炼铜厂和澳大利亚的奥林匹克坝冶炼厂已采用闪速炉熔炼低铁高品位铜精矿直接生产粗铜。