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世界頂級煉銅法-氧氣底吹三連爐
作者:管理員    發布于:2016-02-18 12:10:36    文字:【】【】【
目前,中國已引進世界上最先進的煉銅新工藝有:閃速爐熔煉、艾薩熔煉、奧斯麥特熔煉、諾蘭達熔煉等。國內自主創新的有白銀法熔煉、金川合成爐熔煉、東營方圓的氧氣底吹熔煉。后3種都是中國人自己研制的,都具有自主知識產權。這7種也算世界上較先進的煉銅法。通過多年的實踐,國外的先進技術尚存不足之處,分述如下:
1、雙閃速爐熔煉法:
投資大,專利費昂貴,熔劑和原料先進行磨細再進行深度干燥,需額外消耗能源這不盡合理。熔爐產出的銅硫需要水碎再干燥再細磨,工序繁雜。每道工序均難以保證100%回收率,會產生部分機械損失;熱態高溫銅锍水碎物理熱幾乎全部損失,水碎后再干燥,再加上爐內大量水套由冷卻水帶走熱量,熱能利用也不盡合理。銅锍水碎需要大量的水沖,增加動力消耗。破碎、干燥要增加人力和動力的消耗。這些都是多年來該工藝沒有得到大量推廣的重要原因。
2、艾薩法和澳斯麥特法均屬于頂吹冶煉系列:
頂吹都要建立高層廠房,噪音大、高氧濃度低煙氣量大、頂吹的氧槍12米長,3天至一周要更換一次,不銹鋼消耗量大、投資大、操作不方便。都用電爐做貧化爐,渣含銅一般大于0.6%不合國情。
3、三菱法的不足
4個爐子(熔煉爐、貧化電爐、吹煉爐、陽極爐)自流配置,第一道工序的熔煉爐需要配置在較高的樓層位置,建筑成本相對較高,爐渣采用電爐貧化,棄渣含銅量達0.6%~0.7%,遠遠高于我國多數大型銅礦開采的礦石平均品位,資源沒有得到充分的利用。
4、諾蘭達和特尼恩特連續吹煉法,尚在工業試驗階段。
諾蘭達是側吹、要人工打風眼、勞動強度很大、風眼漏風率達10%~15%。有很大噪音、操作條件不好、冶煉環境不理想。如果掌握不好容易引起泡沫渣噴爐事故。
綜上所述,讓我們來尋求新的冶煉工藝,在不斷的探索中發現新途徑。
氧氣底吹爐煉鉛、煉銅最早是湖南水口山和中國有色工程設計研究總院共同研發在水口山進行過半工業試驗。首先用于煉鉛,產業化取得成功,繼這之后,中國有色工程設計研究總院原副院長、總工程師、全國設計大師蔣繼穆,用在煉銅上,曾找過多家合作,可是誰都不想吃第一只螃蟹。時隔多年,在中國和國際銅市場最好的時候,山東東營方圓銅業集團董事長崔志祥找到蔣繼穆,提出要搞20萬噸銅、金冶煉,分兩期實施。經過多方研討和論證,崔志祥和蔣大師達成協議,共同開發“氧氣底吹造锍捕金”熔池熔煉新工藝,產業化示范工程。
蔣大師從這項工程設計開始到投產,曾多次到現場進行細致的調研,落實科學發展觀,對設計中的每一個參數和設備運行數據都一一推敲,對“氧氣底吹這項新技術”,他嘔心歷血,夜以繼日地工作,在嚴細上下功夫,不說大話,不說虛話,尊重事實。從點火烤爐,到投料試車,真是令人捏把汗。氧氣底吹爐投料試車一次成功,說明了從設計、施工到投產、所有工程技術人員和工廠員工尊重科學,尊重實踐,是百戰百勝的基礎,是發展的源動力。
氧氣底吹爐開車時,全流程暢通,蔣大師高興地說:“這是創新第一步,還有很多問題需要逐步去解決,任重而道遠。”
目前采用的較為先進的熔煉工藝是可行的,沒有煙氣外逸。就銅的轉爐吹煉而言,當今世界上90%以上都是采用PS轉爐,間斷作業,熔煉產出的銅锍需用銅锍包在車間內進行倒運,造成二氧化硫煙氣低空逸散,加上轉爐加料及吹煉過程,煙氣難以完全密封,存在不同程度的逸散現象,使PS轉爐吹煉作業的操作環境很差。這是當今銅冶煉面臨的一道世界性難題,各國都在力圖解決這一大問題。我們要想法從源頭上來解決,從取消轉爐上下功夫,需在吹煉爐上做文章。
目前國外有兩種用于工業生產的連續吹煉工藝,解決了銅銃在車間內倒運等問題。硫的捕集率大于99.8%,較好地解決了銅锍吹煉的低空污染。
其中,日本研發的三菱法,采用頂吹爐熔煉,電爐沉降銅锍并對渣進行貧化,再用頂吹爐連續將銅锍吹煉至粗銅。3個爐子用兩個溜槽連接,實現了連續煉銅。世界上已有5家這樣的工廠在進行生產,是一種投資較少、成本較低的連續煉銅工藝。
另一種是美國猶他Kennecott冶煉廠的煉銅工藝,采用閃速爐熔煉、爐渣選礦、銅锍水碎、干燥、磨礦再用閃速爐吹煉成粗銅。
上述兩種連續煉銅工藝,雖然解決了吹煉作業的環保問題,但還都有不足之外,需要進一步改進提高。
三菱法由4個爐子(熔煉爐、貧化電爐、吹煉爐、陽極爐)自流配置,第一道工序的熔煉爐需要配置在較高的樓層位置,建筑成本相對較高,另外三菱法的爐渣采用電爐貧化,棄渣含銅量達0.6%~0.8%,遠高于我國多數大型銅礦開采礦石的平均品位,資源沒有獲得充分利用。
閃速連續吹煉,其缺點是銅锍需要先水碎,再干燥、磨細后,才能進行吹煉作業,工序繁雜,且每道工序均難以保證100%的回收率,都有少量的機械損失。再者液態高溫銅锍水碎,其物理熱幾乎全部損失,水碎固態銅锍的干燥和吹煉過程需要外供熱源,熱能利用不盡合理。銅锍水碎需用大量水沖,加上干燥、破碎,額外增加了人工及動力消耗,致使吹煉成本增加,這也許是多年來該工藝沒有得到大量推廣的重要原因。
另外還有諾蘭達和特尼恩特連續吹煉法,尚處于工業試驗階段。
通過搞氧氣底吹爐的試驗,找到一種有效方法,解決目前銅冶煉PS轉爐吹煉的低空二氧化硫污染問題,同時提供比世界上現有的三菱法、閃速吹煉法等連續煉銅工藝更先進、流程更短、投資更省、成本更低、回收率更高、綜合利用更好的新的煉銅工藝,是我們面臨的重任。
蔣繼穆發明的“氧氣底吹連續煉銅”法的精髓在于借鑒三菱法的自流配置,利用氧氣底吹的冶煉機理與優越性,將熔煉、吹煉、火法精煉三過程,用3個不同的底吹爐連成一體,克服了轉爐吹煉的缺點。這樣就可徹底解決世界上目前仍有90%采用轉爐吹煉銅锍需在車間吊運的問題。在車間內有效根冶了二氧化硫的逸散,和操作中的污染,車間內的低空煙害得以消除。這不僅節省為轉爐生產用的吊車,也取消了多臺轉爐占用的大面積廠房,建設投資,同等條件下省去1/3費用。
其特征在于,利用氧氣底吹爐熔煉高品位銅锍,高品位銅锍再用底吹爐或我國開發的連續吹煉爐吹成粗銅。熔煉過程造高鐵渣,爐渣經選礦選出銅精礦返回熔煉,選出鐵精礦出售,渣尾礦出售。吹煉過程造鈣渣,返回熔煉,煙氣經凈化后送去生產硫酸。
這種粗銅冶煉方法,包括以下步驟:
1、將硫化銅精礦、其他含銅物料和熔劑配料制粒后,加入氧氣底吹熔煉爐中進行熔煉,產出高品位銅锍和熔煉渣,煙氣經余熱鍋爐冷卻回收余熱后送至電除塵器凈化除塵,然后送制酸車間生產硫酸。
其特點在于:
(1)調節氧料比,生產高品位銅锍。銅锍品位控制在68%~70%,以減少后續銅锍吹煉作業的負荷量,同時產出小于70%的銅锍,熔煉渣含銅處于較低水準,可獲得較高的熔煉直收率。
2)熔煉采用高鐵渣型。通過熔劑配入量,熔煉渣的氧化鐵/二氧化硅(以重量計)控制在2.0~2.2之間,高于三菱法的1.4~1.6的水平,也高于閃速爐的1.6~1.8(用于渣選礦的渣型)。之所以能采用高的鐵硅比造渣,是由于底吹熔煉的反應機理是氧氣直接作用于銅锍,銅锍作為氧的載體,生成氧化亞銅與精礦中的硫化鐵反應生成氧化鐵,造渣反應的氧勢低,不易生成四氧化三鐵,因而爐渣可以采用更高的鐵硅比。反之,三菱法或閃速熔煉法,其反應機理是氧氣直接作用于精礦,硫化鐵直接與氧氣反應,氧勢較高,生成四氧化三鐵的趨勢大,比例高,爐渣發粘,氧化亞銅在渣中的熔解度增加,不利于渣銅分離。尤其是三菱法,過高的鐵硅比,渣中四氧化三鐵增加,除渣含銅升高外,還有產生泡沫渣的危險。由于氧氣底吹熔煉爐渣四氧化三鐵含量低,可以采用高的鐵硅比造渣,因此,熔煉加入的石英熔劑量相對較少,熔煉物料量減少,渣率低,渣選礦的物料量少,能耗也相應下降,隨渣損失的銅量也相應減少。
2、熔煉爐渣選礦
底吹爐產出的熔煉渣,通過渣包或渣坑,經緩冷后送選礦處理,選礦過程包括將渣破碎、磨細后,浮選選出渣銅精礦、再遴選選出鐵精礦和尾礦。銅熔煉爐渣選礦,國內外有成熟技術。底吹爐渣與諾蘭達熔煉渣類似。大冶處理諾蘭達熔煉渣,可選出渣銅精礦、鐵精礦,產出的尾礦可供水泥配料或制磚,實現了冶煉廠無廢渣。尾礦含銅小于0.35%,較電爐貧化工藝,可提高銅的總回收率0.6%~0.7%。電爐貧化棄渣含銅較好指標為0.6%~0.7%,我國銅資源奇缺,原礦含銅0.42%左右的資源仍在開采。該技術爐渣采用選礦工藝回收殘留銅,銅回收率高,資源得以充分利用,是符合國情的。更何況,采用選礦方法處理每噸渣的單位基建投資和運營成本,與電爐貧化基本持平,因此,從經濟角度看,渣選礦也更為有利。
3、銅锍吹煉
產自底吹熔煉爐的液態高溫銅锍,經溜槽連續注入氧氣底吹吹煉爐,從吹煉爐底部連續送入富氧空氣對高品位銅锍進行連續吹煉。與此同時,通過料倉,計量皮帶給料機,按計算要求量從爐頂開口連續加入熔劑石灰石造渣。(也可爐頂不開口,將熔劑石灰或石灰石磨成粉狀,通過料倉、計量皮帶給料機從氧槍與氧氣一起送入爐內造渣。)在爐子一端較上部開孔,排放熔煉渣,較下部開孔,設置虹吸裝置排放粗銅,見圖2。實現連續加入銅锍、連續吹煉、連續加入熔劑、連續造渣、排渣,并連續放出粗銅,實現吹煉過程連續化。其特點有:
(1)采用底吹爐吹煉。在粗銅、銅锍、爐渣三相共存情況下連續吹煉,氧通過粗銅傳遞,因此,粗銅的氧勢最高,可確保獲得比其他連續吹煉含硫量更低的粗銅,并有利于As、Sb、Bi等V族元素的脫除,提高粗銅質量。同時底吹吹煉可降低四氧化三鐵的生成量,防止四氧化三鐵沉淀和泡沫渣的生成,爐渣中四氧化三鐵含量低,渣的粘度就低,可降低吹煉渣中氧化亞銅的夾雜量,使渣含銅低于閃速吹煉和三菱法吹煉的渣含銅量,可降到銅小于10%。
(2)采用高品位銅锍(銅68%~70%)吹煉,吹煉負荷小,吹煉渣量相對較少。通過調節氧槍供氧的氧氮比和供氧壓力(氧氮體積比調節范圍為5:5至8:2,供氧壓力調節范圍為0.4MPa~0.8MPa)來控制吹煉的反應速度,從而可控制吹煉溫度在1220℃~1250℃。
(3)根據精礦成分確定吹煉渣型:一般情況下銅精礦脈石含鐵高、含鈣、鎂等堿性元素少,熔煉時需添加熔劑氧化鈣。采用鐵鈣渣型,吹煉渣水碎后返熔煉爐,替代熔煉所需添加的石灰石熔劑。當特殊情況下處理含鈣量高的銅精礦(熔煉時不需要添加石灰石熔劑)時,亦可在吹煉爐加石英石造硅鐵渣,經緩冷后送渣選礦車間處理。
(4)底吹吹煉爐,根據爐子大小,在配制上保持1%~3%的傾斜度,使之銅锍入口端的粗銅層較薄,從噴槍送入的富氧空氣可直接送入銅锍層,進行吹煉反應,防止產生過量的氧化亞銅。粗銅放出口一端又可保持較厚的粗銅層,為防止與銅锍逆向平衡反應而提高粗銅的硫含量,在該端設置部分爐底透氣磚,送人少量富氧空氣,緩慢進入粗銅層,提高其氧勢,控制粗銅量達標,避免了三菱法和閃速連續吹煉法在陽極爐中需要再脫硫,造成陽極爐煙氣需要特殊處理以解決環保問題。
(5)底吹爐連續吹煉,爐溫穩定,克服了轉爐周期作業溫度波動過大的缺點,有利于大幅度提高吹煉爐的壽命,降低耐火材料消耗和維修工作量,從而降低煉銅成本。連續吹煉,煙氣量和煙氣成分(二氧化硫含量)穩定均衡,爐體不用經常轉動,從而降低煉銅成本。連續吹煉,克服了轉爐周期作業煙氣量和煙氣成分波動大的缺點,有利用制酸,降低酸廠投資。
(6)熔煉爐至吹煉爐設置銅锍溜槽,銅锍直接從熔煉爐通過溜槽流入吹煉爐。在聯接溜槽上設置保溫燒嘴加熱保溫,防止銅锍在溜槽中凍結。在溜槽一端設置通風煙罩,排除保溫燒嘴和溜槽中銅锍逸散的煙氣,煙氣經脫硫處理后排空。克服了轉爐周期作業時,用吊包車在車間內倒運銅锍,銅锍中二氧化硫大量無組織逸散,造成嚴重的二氧化硫低空污染,惡化車間操作環境。采用底吹爐連續吹煉銅锍,全系統硫的捕集率大于99.8%,可確保全廠清潔生產。
冶煉車間配置
熔煉采用自高至低的流水線布置法,避免高溫熔體在車間內倒運,這有利于連續生產,有利于過程自動化控制和提高勞動生產率。
混合料經圓盤制粒后,用加料皮帶送至底吹熔煉爐,銅锍經溜槽自流至底吹吹煉爐、粗銅由吹煉爐經溜槽自流至陽極爐,陽極銅經溜槽自澆鑄成陽極,完成粗銅冶煉全過程液態熔體全部自流的配制布局,其主體工藝設備布局示意圖如圖2。
由于采用底吹噴槍而不是頂吹噴槍,另外沒有沉降電爐,沒有很高的電爐電極,因此大大降低了廠房高度,比三菱法的廠房高度要低10米左右。
總之,該工藝具有以下顯著的特點:
(1)底吹熔煉能采用高鐵硅比渣型,同等規模的工廠熔煉物料量及渣量相對較少;
(2)爐渣采用選礦處理,銅總回收率高,爐渣全部綜合利用,實現無廢渣冶煉;
(3)采用底吹連續吹煉,粗銅質量高、含硫低,陽極煙氣不用脫流;
(4)采用自流配置,避免了銅锍倒運,車間布局緊湊,能實現清潔生產。
上述特點保證了工廠建設投資省、金屬回收率高、產品成本低、資源綜合利用水平高,綜合能耗低、作業環境優良等優點,為世界最先進的煉銅工藝。
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