閃速煉銅技術(shù)的自主創(chuàng)新與發(fā)展

董廣剛，葛哲令，曾慶曄

（山東陽(yáng)谷祥光銅業(yè)有限公司，山東 陽(yáng)谷 252327）

閃速煉銅技術(shù)的自主創(chuàng)新與發(fā)展

董廣剛，葛哲令，曾慶曄

（山東陽(yáng)谷祥光銅業(yè)有限公司，山東 陽(yáng)谷 252327）

閃速煉銅技術(shù)具有工藝成熟、配套設(shè)施完善、反應(yīng)效率高、能耗低、環(huán)境保護(hù)好等優(yōu)勢(shì)，近幾十年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到了快速的應(yīng)用和發(fā)展。結(jié)合祥光銅業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，闡述了閃速煉銅技術(shù)的進(jìn)步過(guò)程，著重介紹了精礦噴嘴、閃速爐爐體、精礦干燥、失重加料等閃速爐重點(diǎn)裝備的自主技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步，展望了閃速煉銅的可持續(xù)發(fā)展前景。

閃速煉銅技術(shù)；祥光銅業(yè)；進(jìn)步過(guò)程；精礦噴嘴；閃速爐爐體；發(fā)展前景

1 引言

自1949年第一臺(tái)閃速爐投產(chǎn)以來(lái)，業(yè)界對(duì)于閃速冶煉的理論的研究一直沒(méi)有停止過(guò)。近年來(lái)隨著富氧濃度的不斷提升和新型精礦噴嘴的采用，使閃速爐又有新的發(fā)展，將單臺(tái)閃速爐的生產(chǎn)能力從100kt/a左右提升到300～500kt/a。

在我國(guó)，于1969年開(kāi)始，在云錫公司以硫化鎳精礦為原料，對(duì)閃速熔煉技術(shù)進(jìn)行工業(yè)規(guī)模試驗(yàn)研究工作；1977年開(kāi)始，在常州冶煉廠進(jìn)行了半工業(yè)規(guī)模的銅精礦閃速熔煉試驗(yàn)，為現(xiàn)在的貴溪冶煉廠提供了重要的設(shè)計(jì)依據(jù)。1978年未，中國(guó)與日本住友公司正式簽約籌建貴溪冶煉廠，并于1985年建成投產(chǎn)。隨后國(guó)內(nèi)金隆銅業(yè)、金川公司閃速爐相繼投產(chǎn)。同時(shí)閃速吹煉技術(shù)自1995年在美國(guó)肯尼科特公司成功應(yīng)用后，近幾年在中國(guó)得到了快速發(fā)展，如山東陽(yáng)谷祥光銅業(yè)有限公司、銅陵有色金冠銅業(yè)公司和金川公司防城港項(xiàng)目等［1］。

2 閃速煉銅噴嘴技術(shù)的進(jìn)步

閃速煉銅（熔煉、吹煉）屬空間冶煉范疇，是一種先進(jìn)的強(qiáng)化冶煉技術(shù)，以其環(huán)保、節(jié)能、高效等優(yōu)勢(shì)近年來(lái)得到迅速發(fā)展。其最核心的設(shè)備是精礦（冰銅）噴嘴，但該設(shè)備長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷，雖然近年來(lái)國(guó)內(nèi)不少企業(yè)對(duì)噴嘴做了不少改進(jìn)并取得了不錯(cuò)的效果，但始終沒(méi)有擺脫奧圖泰技術(shù)專利的范圍，我國(guó)企業(yè)需花費(fèi)大量外匯購(gòu)買(mǎi)技術(shù)許可證和關(guān)鍵設(shè)備噴嘴。近年來(lái)祥光銅業(yè)通過(guò)自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)出旋浮噴嘴，適用于閃速熔煉、閃速吹煉，并取得了巨大的成功［2-4］。

2.1 旋浮噴嘴的技術(shù)特點(diǎn)

2.1.1 采用粒子碰撞反應(yīng)機(jī)理，確保反應(yīng)充分完全

空間冶煉過(guò)程中，由于原料性質(zhì)和工藝條件不同，反應(yīng)速度不一樣，會(huì)出現(xiàn)粒子過(guò)氧化和欠氧化現(xiàn)象。

閃速冶煉反應(yīng)機(jī)理主要是反應(yīng)塔上部氧氣和原料粒子的反應(yīng)，若初始反應(yīng)不好，產(chǎn)生的過(guò)氧化粒子和欠氧化粒子下落過(guò)程中沒(méi)有再反應(yīng)機(jī)會(huì)，所以整體反應(yīng)不完全。

旋浮冶煉反應(yīng)機(jī)理分為兩部分，第一部分同閃速冶煉一樣，主要是反應(yīng)塔上部氧氣和粒子反應(yīng)，第二部分主要是反應(yīng)塔下部過(guò)氧化粒子和欠氧化粒子間的碰撞再反應(yīng)。旋浮冶煉的粒子碰撞反應(yīng)機(jī)理確保了整個(gè)空間冶煉過(guò)程反應(yīng)充分完全，為實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)化冶煉奠定了理論基礎(chǔ)。

以熔煉為例，旋浮熔煉主要反應(yīng)如下：

第一部分（反應(yīng)塔上部）氧氣和精礦粒子間反應(yīng)［5］

第二部分（反應(yīng)塔下部）粒子和粒子間碰撞反應(yīng)

2.1.2 采用龍卷風(fēng)形式分散物料，強(qiáng)化氣?；旌虾土Ｗ优鲎?/p>

龍卷風(fēng)是自然界中具有極強(qiáng)擴(kuò)散卷吸能力的高速旋流體，在自然界形成后破壞力巨大，但用在物料分散上則有利于風(fēng)料的完全混合。

圖1 物料分散模擬圖

旋浮冶煉正是借鑒龍卷風(fēng)的形式來(lái)分散物料，粒子呈旋流狀態(tài)分 布在反應(yīng)塔中央［3］。優(yōu)點(diǎn)：一是氣?；旌虾茫欢橇Ｗ优鲎卜磻?yīng)機(jī)會(huì)；三是高溫粒子集中在反應(yīng)塔中央，對(duì)塔壁沖刷少，熱損失少，可以自熱冶煉。如圖1所示。

2.1.3 采用中央脈動(dòng)氧氣，強(qiáng)化粒子脈動(dòng)碰撞反應(yīng)

中間氧通過(guò)脈沖閥連續(xù)脈沖式通入，在旋流脈動(dòng)力學(xué)效應(yīng)下，精礦粒子在下降的噴射流中產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)、脈動(dòng)、碰撞、聚合等現(xiàn)象，這種效應(yīng)強(qiáng)化了閃速爐內(nèi)的氣—固及固—固間的多相反應(yīng)，大大有利于熔煉過(guò)程的進(jìn)行和完成。

2.1.4 采用風(fēng)內(nèi)料外供料方式，強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱

與中央擴(kuò)散型精礦噴嘴風(fēng)包料（中間是精礦，外圍是工藝空氣）的進(jìn)料方式不同，旋浮熔煉采用料包風(fēng)的進(jìn)料方式，在爐內(nèi)依靠中間的旋流反應(yīng)空氣卷吸和擴(kuò)張的特性使物料粒子較小的空間內(nèi)處于旋浮狀態(tài)，同時(shí)以脈動(dòng)氣流影響粒子的運(yùn)動(dòng)。這種供料方式的優(yōu)點(diǎn)是原料粒子和工藝風(fēng)接觸的面積大，著火反應(yīng)快。

2.2 旋浮噴嘴的應(yīng)用

自旋浮噴嘴在祥光熔煉、吹煉爐成功投用后，體現(xiàn)出了大量?jī)?yōu)點(diǎn)：

生產(chǎn)能力大，實(shí)現(xiàn)了超強(qiáng)化冶煉。投料量達(dá)350t/h，目前閃速熔煉的投料量在120～200t/h左右。目前祥光熔煉爐投料量長(zhǎng)期穩(wěn)定在260t/h，尤其是2014年以來(lái)，月平均作業(yè)率均在95%以上，最高達(dá)到了98%，月處理精礦量在130kt以上。

反應(yīng)效率高，指標(biāo)良好。反應(yīng)完全，沒(méi)有下生料現(xiàn)象，作業(yè)率高達(dá)98%，煙塵率4%，熔煉渣含銅1.2%，熱負(fù)荷最高達(dá)3000MJ/m3·h。

實(shí)現(xiàn)了自熱熔煉，節(jié)約能源。正常生產(chǎn)時(shí)，不需要添加燃料、不僅可以自熱熔煉，而且由于投料量大熱量過(guò)剩，還可以處理占總精礦量10%左右的氧化礦。吹煉爐也是如此。

原料適應(yīng)性強(qiáng)，處理高雜礦。通常認(rèn)為閃速熔煉工藝只能處理干凈銅精礦，旋浮熔煉因碰撞反應(yīng)效率高，脫雜能力強(qiáng)，適應(yīng)處理各種高雜質(zhì)礦，克服了常規(guī)閃速熔煉的缺陷，祥光每年可以處理占總精礦量20%的高雜礦。

噴嘴無(wú)故障，全年免維修。旋浮噴嘴結(jié)構(gòu)巧妙、簡(jiǎn)單，沒(méi)有任何機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備、沒(méi)有損耗件，故障率基本為零。

3 干燥及加料系統(tǒng)的進(jìn)步

閃速熔煉是將經(jīng)過(guò)深度脫水的（含水小于0.3%）的粉狀精礦，在噴嘴中與空氣或富氧空氣混合，從反應(yīng)塔頂部通過(guò)加料裝置經(jīng)精礦噴嘴分散到高溫反應(yīng)塔內(nèi)。隨著閃速煉銅技術(shù)的發(fā)展，精礦干燥以及精礦加料系統(tǒng)也在不斷進(jìn)步。

3.1 干燥系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步

傳統(tǒng)閃速熔煉工藝中精礦干燥一般采用回轉(zhuǎn)窯干燥和氣流干燥?；剞D(zhuǎn)窯干燥和氣流干燥的熱源都來(lái)自于燃燒重油或天然氣的熱風(fēng)爐，干燥效果比較好。但由于一般冶煉廠會(huì)有多余蒸汽，隨著能源緊張，廣泛用于化工領(lǐng)域的蒸汽干燥設(shè)備逐步被應(yīng)用與精礦干燥。

上世紀(jì)末，業(yè)界開(kāi)始將蒸汽干燥設(shè)備用于精礦干燥。 最初的蒸汽干燥機(jī)筒體和盤(pán)管不同步運(yùn)轉(zhuǎn)，盤(pán)管磨損嚴(yán)重，干燥能力小，如貴溪冶煉廠最初的干燥機(jī)。后經(jīng)改進(jìn)，現(xiàn)為筒體和盤(pán)管同步運(yùn)轉(zhuǎn)，減少了盤(pán)管磨損，能力提高到了220t/h，如用于貴溪冶煉廠的干燥機(jī)。

蒸汽干燥機(jī)的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)也突飛猛進(jìn)［6］，除了金川公司采用的國(guó)產(chǎn)直管式干燥機(jī)外，祥光二期采用了盤(pán)管式國(guó)產(chǎn)干燥機(jī)，能力達(dá)到了200t/h，并對(duì)一期進(jìn)行了改造，將出料端金屬軟管改在了外面，方便了檢修。

3.2 精礦加料系統(tǒng)的進(jìn)步

圖2 失重加料裝置

精礦計(jì)量方式有兩種：直接稱重和測(cè)定體積后換算成重量。直接稱重包括沖擊式流量計(jì)和失重計(jì)量。測(cè)量體積換算成重量包括風(fēng)根秤和核子秤等。由于精礦配料的變化，入爐精礦的密度不是單一穩(wěn)定的，因此通過(guò)測(cè)量體積換算成重量的稱量方式不夠精確，一般不被采用。 對(duì)于沖擊式流量計(jì)，由于其本身結(jié)構(gòu)，不適合用于大流量固體物料的計(jì)量。

目前廣泛應(yīng)用到閃速爐加料系統(tǒng)的是失重計(jì)量，如圖2所示。

失重計(jì)量最早是奧托昆普從食品工業(yè)的計(jì)量裝置借鑒過(guò)來(lái)，它的特點(diǎn)是計(jì)量準(zhǔn)確可靠，其誤差小于±1%。

失重計(jì)量的工作原理如圖3所示：

圖3 失重加料的工作原理

失重計(jì)量由排料和裝料兩個(gè)周期完成。在排料周期中，失重倉(cāng)中的干礦由螺旋運(yùn)輸機(jī)排出，失重計(jì)量控制系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)量失重倉(cāng)中排出的重量，并通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋的轉(zhuǎn)速來(lái)控制排料量。這期間干礦倉(cāng)和失重倉(cāng)之間的加料閥關(guān)閉，加料停止。排料周期一直持續(xù)到失重倉(cāng)內(nèi)重量達(dá)到預(yù)先設(shè)定好的裝料低線，一個(gè)排料周期結(jié)束，同時(shí)一個(gè)加料周期開(kāi)始，此時(shí)干礦倉(cāng)與失重倉(cāng)之間的加料閥打開(kāi)，向失重倉(cāng)加料，直到失重倉(cāng)重量達(dá)到預(yù)先設(shè)定好的加料上線。在加料過(guò)程中，失重倉(cāng)一邊通過(guò)加料閥加料，一邊通過(guò)螺旋排料，這個(gè)周期內(nèi)失重控制系統(tǒng)無(wú)法計(jì)算出加料量，但控制系統(tǒng)保持螺旋轉(zhuǎn)速與加料開(kāi)始前不變，這個(gè)周期的加料量就保持不變。失重倉(cāng)重量達(dá)到上線后，加料閥關(guān)閉進(jìn)入下一個(gè)排料周期，借助系統(tǒng)的前饋反饋控制，就可以使投料量控制在一個(gè)相當(dāng)精準(zhǔn)的水平上。加料期是不能改變投料量的，因?yàn)檫@期間螺旋轉(zhuǎn)速不變。

一直以來(lái)失重加料系統(tǒng)與精礦噴嘴為奧托昆普所壟斷，隨著旋浮精礦噴嘴在祥光成功應(yīng)用，在祥光二期的建設(shè)中，通過(guò)自主創(chuàng)新和技術(shù)合作，將二期熔、吹煉失重加料系統(tǒng)全部國(guó)產(chǎn)化，包含2套精礦失重加料系統(tǒng)、1套熔煉煙灰失重加料系統(tǒng)、1套冰銅失重加料系統(tǒng)、一套吹煉煙灰加料系統(tǒng)和一套吹煉生石灰加料系統(tǒng)。投料產(chǎn)3年來(lái)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，完全可以替代奧托昆普的失重加料系統(tǒng)。

4 高強(qiáng)化冶煉爐體的進(jìn)步

放眼當(dāng)今的閃速煉銅領(lǐng)域，高投料量、高冰銅品位、高富氧濃度、高熱負(fù)荷等“四高”技術(shù)［1］是閃速熔煉技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。目前祥光單臺(tái)閃速熔煉爐投料量已達(dá)260t/h以上，日處理量在6000t以上；隨著閃速吹煉技術(shù)的成功應(yīng)用并推廣，為了吹煉爐熱平衡的需要，冰銅品位已提高到70%；投料量的增加，精礦品位的逐年下降，煙氣量相應(yīng)增加，為了保持爐內(nèi)壓，閃速爐的工藝氧濃度近年來(lái)大幅提升。祥光銅業(yè)一期設(shè)計(jì)氧濃度為64%，隨著投料量的加大，氧濃已提高到90%以上；伴隨著高投料量和高富氧濃度，反應(yīng)塔熱負(fù)荷也急劇增加。祥光熔煉爐設(shè)計(jì)在400kt/a產(chǎn)能時(shí)，反應(yīng)塔熱負(fù)荷為2100MJ/h·m3，而目前實(shí)際超過(guò)了2600MJ/ m3·h。

4.1 反應(yīng)塔頂?shù)母脑?/p>

祥光銅業(yè)反應(yīng)塔頂起初由375mm厚的吊掛磚組成的吊掛平頂，然而，隨著投料量的提升，熱負(fù)荷的增大，攜塵高溫?zé)煔獾臎_刷，反應(yīng)塔頂耐火磚消耗極快，不能適應(yīng)高負(fù)荷的生產(chǎn)；2012年，利用年度大修，金隆公司［7］和祥光銅業(yè)都將反應(yīng)塔頂更換為由吊掛銅水套組成的吊掛平頂。如圖4所示：

圖4 祥光銅業(yè)吊掛水套拼成的反應(yīng)塔頂

4.2 沉淀池側(cè)墻的改造

位于反應(yīng)塔正下方的煙氣區(qū)側(cè)墻，可以看作是反應(yīng)塔的延伸，承受著較高的熱負(fù)荷，由反應(yīng)塔垂直向下運(yùn)動(dòng)的高溫?zé)煔庠诖烁南虿⑿纬蓽u旋，而且此時(shí)的煙氣中攜帶的高溫熔體量很大，形成特殊惡劣的工況。在這一部位的耐火材料很容易被消耗，與反應(yīng)塔所采取的措施相同，各冶煉廠紛紛加強(qiáng)此部位的冷卻而削減耐火磚的厚度，改用耐火磚的外側(cè)預(yù)埋帶翅片的水冷銅管，逐步改為耐火磚中插入水平銅水套， 在后來(lái)的改進(jìn)中，與反應(yīng)塔一樣，逐步擯棄了預(yù)埋銅管的做法，也采用了“三明治”式的冷卻方式，如祥光銅業(yè)采用了三層水平水套，勒比希開(kāi)威設(shè)了七水平水套，而巴亞馬雷則改為垂直水套。煙氣區(qū)的其它部位，雖然工況較好，但發(fā)展和改進(jìn)也同步進(jìn)行，如祥光銅業(yè)和肯尼科特?zé)煔鈪^(qū)都是三層水平水套。如圖5所示：

圖5 祥光銅業(yè)沉淀池側(cè)墻

4.3 沉淀池頂?shù)母脑?/p>

沉淀池頂?shù)娜菂^(qū)與反應(yīng)塔裙部和沉淀池側(cè)墻連接，工況惡劣，由圓形的反應(yīng)塔裙部插入長(zhǎng)方形的沉淀池頂，把沉淀池頂分成近似的三角而得名。初期由4根帶冷卻水的“H”鋼梁組成的方框（稱為矩形H梁），在矩形H梁的4個(gè)角內(nèi)再焊接4根弧形水冷H梁，再在空隙中吊掛耐火磚組成，這種結(jié)構(gòu)有很多冶煉廠一直使用至今。而肯尼科特和祥光銅業(yè)以及新建的閃速熔煉爐都擯棄了這種結(jié)構(gòu)，采用吊掛磚組成平頂，只是在反應(yīng)塔的同心圓上插入了一個(gè)圓形的吊掛水套。如圖6所示：

圖6 帶同心圓水套沉淀池三角區(qū)

在隨后的高強(qiáng)化冶煉生產(chǎn)中由于煙氣沖刷該區(qū)域吊掛磚損耗很快，和反應(yīng)塔頂一樣，祥光在12年大修中將此區(qū)域改為吊掛水套結(jié)構(gòu)。如圖7所示：

圖7 吊掛水套組成的沉淀池三角區(qū)

5 一步煉銅的發(fā)展趨勢(shì)

除少量特殊銅精礦（一般含銅在50%以上）外，目前世界上普通硫化銅精礦冶煉成粗銅一般都要經(jīng)過(guò)熔煉和吹煉兩步工序： 即銅精礦先熔煉成冰銅（Cu50%～70%）；冰銅然后吹煉成粗銅（Cu98.5%）［5］。

普通銅精礦一步煉成粗銅至今沒(méi)有突破的瓶頸主要是氧勢(shì)控制問(wèn)題［8］，因熔煉和吹煉過(guò)程處于不同的氧勢(shì)，若冶煉過(guò)程控制高氧勢(shì)，則必然產(chǎn)生大量Fe3O4和Cu2O，造成銅渣分離困難，無(wú)法正常生產(chǎn)。

一步煉銅是有色冶金工作者追求奮斗的目標(biāo)。為此，2012年祥光利用旋浮噴嘴和閃速吹煉爐進(jìn)行了5次用普通銅精礦（精礦成分Cu：27%，S：30%，F(xiàn)e：25%，SiO2：4.5%）一步冶煉粗銅的大規(guī)模工業(yè)試驗(yàn)，取得了令人滿意的結(jié)果。試驗(yàn)分兩步。

第一步：精礦一步煉出粗銅，并將爐渣單獨(dú)保留。試驗(yàn)結(jié)果：

共處理銅精礦9618t，生產(chǎn)粗銅2166t；

粗銅含Cu98.5%～99.3%，粗銅含S0.4%～0.8%，爐渣含Cu6%～12%；

爐況穩(wěn)定，排渣通暢，便于操作。

第二步：爐渣貧化處理，在側(cè)吹爐進(jìn)行，屬于半工業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果：

加銅精礦貧化，可以生產(chǎn)冰銅，冰銅品位：55%～60%，尾渣含銅0.3%～0.4%。

加碳還原貧化，可以生產(chǎn)粗銅，粗銅品位：95%～98%，尾渣含銅0.5%～0.6%。

試驗(yàn)可以看出，普通精礦一步煉銅完全可以通過(guò)旋浮噴嘴實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

閃速煉銅技術(shù)從出現(xiàn)到今天，短短幾十年的時(shí)間已經(jīng)發(fā)展成了火法煉銅的主流技術(shù)，隨著科技的進(jìn)步以及廣大冶金工作者不斷地追求相信會(huì)發(fā)展成為更加節(jié)能、環(huán)保、高效的煉銅技術(shù)。

［1］劉建軍.銅閃速熔煉工藝［J］.銅業(yè)工程， 2011（3）：25-28.

［2］劉衛(wèi)東， 周松林， 胡 松.一種閃速爐新型噴嘴［P］.中國(guó)：2009202823， 2010-08-18.

［3］周松林， 劉衛(wèi)東.脈動(dòng)旋風(fēng)型冶金噴嘴［P］.中國(guó)： 201020284998，2011-04-06.

［4］謝文義.祥光銅業(yè)閃速熔煉系統(tǒng)維修改造［J］.山東冶金， 2013（3）：25-28.

［5］朱祖澤， 賀家齊.現(xiàn)代銅冶金學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社， 2003， 38-39.

［6］趙福生.國(guó)產(chǎn)蒸汽干燥機(jī)在銅冶煉行業(yè)中的應(yīng)用與實(shí)踐［J］.有色冶金（冶煉部分）， 2009（2）：46-49.

［7］劉安明.金隆閃速爐高熱負(fù)荷生產(chǎn)實(shí)踐［J］.銅業(yè)工程， 2011（1）： 38-43.

［8］任鴻九.有色金屬清潔冶金［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社， 2006， 113-115.

The Development and Self-innovation of Flash Copper Smelting Technology

DONG Guang-gang， GE Zhe-ling， ZENG Qing-ye
（Yanggu Xiangguang Copper Co.， Ltd， Yanggu 252327， Shandong， China）

The Flash Copper Smelting technology has a series of advantages， such as mature process， high reaction efficiency， low energy consumption， friendly environment protection， etc.In recent decades， this technology has got more application and quick development in China.Combining with Xiangguang Copper's production practice， the author elaborates the improvement course of Flash Copper Smelting technology， which focuses on self-innovation and improvement of Flashing Furnaces' key units such as concentrate burners， Flash Furnaces' bodies， concentrates drying and loss-in-weight feeding system， to outlook sustainable development of Flash Copper Smelting.

flashing copper smelting technology；Xiangguang copper；progress in process；concentrates burner；flash furnace body；prospects for development

TF811

A

1009-3842（2015）06-0031-05

2015-04-26

董廣剛（1982-），男，山東省東阿縣人，本科，在職研究生，主要從事閃速爐生產(chǎn)技術(shù)與管理工作。E-mail：dongguanggang@sina.com