氧氣底吹煉銅新工藝

氧氣底吹煉銅新工藝1991?1992年，湖南水口山礦務(wù)局和北京有色金屬設(shè)計(jì)研究總院等單位在日處理3?5噸爐料，年產(chǎn)3千噸粗銅的爐子上進(jìn)行了連續(xù)217天的半工業(yè)試驗(yàn)，先彳爰處理了銅精石廣，銅精礦與含金硫精礦混合礦的熔煉，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。1994年獲得國家發(fā)明專利。2021年，山東東營方圓有色金屬有限公司決定采用氧氣底吹煉銅新工藝，生產(chǎn)規(guī)模年產(chǎn)10萬噸粗銅，年處理礦量達(dá)到50萬噸，為我國科技成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)。經(jīng)過論證、設(shè)計(jì)、建設(shè)于2021年投產(chǎn)運(yùn)行。2021年國務(wù)院正式將該項(xiàng)目列入“關(guān)于發(fā)揮科技支撐作用，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)較快發(fā)展的意見”中，將該技術(shù)列入“十一五”支撐計(jì)劃重點(diǎn)督導(dǎo)實(shí)施項(xiàng)目。2021年10月27日，中國有色金屬工業(yè)協(xié)會在東營市召開了氧氣底吹煉銅技術(shù)交流會，會上康義會長發(fā)表了重要講話，會彳有色協(xié)會正式發(fā)文指出：“氧氣底吹熔煉多金屬捕集新工藝是我國自主研發(fā)的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)、在銅熔煉領(lǐng)域的重大技術(shù)創(chuàng)新成果，是世界先進(jìn)的銅熔煉新技術(shù)之一”。2021年8月29日，中國有色金屬工業(yè)協(xié)會組織業(yè)內(nèi)專家對該項(xiàng)目進(jìn)行科技成果鑒定，其中明確指出：“該項(xiàng)目是自主創(chuàng)新的一種強(qiáng)化熔池熔煉新工藝，該項(xiàng)目技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著，整體達(dá)到國際領(lǐng)先水平”。2021年12月30日該項(xiàng)目榮獲有色協(xié)會科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。2021年1月12日該項(xiàng)目榮獲山東省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。2021年3月22日國家科技部組織專家對該項(xiàng)目進(jìn)行了財(cái)務(wù)驗(yàn)收。2021年4月22日國家科技部組織專家對該項(xiàng)目進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)收。2021年6月在德國漢堡舉行的2021年國際銅業(yè)會議上和2021年6月在德國杜塞爾多夫舉行的第六屆歐洲有色金屬國際會議上分別介紹了氧氣底吹煉銅工藝的生產(chǎn)運(yùn)行和進(jìn)展，受到了與會同行們的關(guān)注與好評。2021年10月世界著名的產(chǎn)銅企業(yè)——智利Codelo公司在它的宣傳招貼廣告中正式將氧氣底吹煉銅新工藝列為第四代銅熔池熔煉技術(shù)。熔池熔煉的發(fā)展上世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的熔池熔煉技術(shù)，主要是將參與反應(yīng)的富氧空氣從反應(yīng)爐的側(cè)面或頂部吹入或吹向熔體。如加拿大的諾蘭達(dá)技術(shù)，智利的特尼恩特工藝，俄羅斯的瓦紐科夫煉銅法以及中國的白銀法。頂吹技術(shù)則有澳大利亞的艾薩法、奧斯麥特法，還有日本三菱公司發(fā)明的三菱法。四十多年來煉銅行業(yè)一直致力于頂吹和側(cè)吹熔池熔煉的發(fā)展。中國除了引進(jìn)閃速熔煉外，又引進(jìn)了側(cè)吹的諾蘭達(dá)技術(shù)和多家頂吹技術(shù)。除表中的云冶和中條山以外還有安徽銅陵公司、內(nèi)蒙的金劍、甘肅的金川、云南的楚雄廠和會理工廠、個(gè)舊云錫等多家引進(jìn)了艾薩和奧斯麥特頂吹技術(shù)，還有側(cè)吹的瓦紐科夫爐工藝。氧氣底吹煉銅工藝在國內(nèi)外大力發(fā)展閃速熔煉和各種頂吹、側(cè)吹熔池熔煉的同時(shí)，我國方圓公司和北京有色設(shè)計(jì)研究總院卻在積極謀劃氧氣底吹煉銅新工藝，經(jīng)過周密的策劃、精心的設(shè)計(jì)、精心組織、精心施工，于2021年正式投入運(yùn)行，經(jīng)過近三年來的運(yùn)行，它的效果比預(yù)料要優(yōu)越的多。作為行業(yè)內(nèi)的一支新秀，被列為第四代熔池熔煉技術(shù)。氧氣底吹造銃熔煉爐的結(jié)構(gòu)圖示于圖1。2.1氧氣底吹煉銅工藝的實(shí)質(zhì)把氧氣高度分散到液相中。閃速熔煉是將銅精礦和熔劑磨細(xì)均勻彳爰高度分散到高溫的富氧空氣中，有很大的氣固相界面面積，在2-3秒內(nèi)即迅速完成化學(xué)反應(yīng)。底吹熔池熔煉是將氧氣通過多支氧槍分散為許多細(xì)小的氣流噴入熔融的冰銅，又被熔體分割成許多微小的氣泡，在氣液相之間形成巨大的界面面積，反應(yīng)迅速進(jìn)行，這種良好的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件是其它熔池熔煉過程所不及的。吹流動(dòng)性好的冰銅。頂吹、側(cè)吹都是吹渣層或者是混有冰銅的渣層，而底吹則是完全的吹冰銅層。由于冰銅的流動(dòng)性比渣子要好約100倍，所以底吹爐內(nèi)熔體的流體力學(xué)狀態(tài)相應(yīng)的要優(yōu)越得多。表述其特征的雷諾準(zhǔn)數(shù)，修正的弗勞德準(zhǔn)數(shù)也差別很大，計(jì)算結(jié)果列于表1。從表1可明顯看出底吹熔池熔煉吹冰銅的優(yōu)越性是明顯的，它還帶來的傳熱條件好。在強(qiáng)制對流循環(huán)條件下表示熱傳遞特征的努歇爾(Nusselt)準(zhǔn)數(shù)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)側(cè)吹的諾蘭達(dá)爐為38.7，而底吹熔煉爐為168,是側(cè)吹的4倍，可見傳熱條件好。底吹的傳質(zhì)條件好，側(cè)吹的諾蘭達(dá)爐傳質(zhì)速度為1.59Nm³O₂/m³?S，而底吹熔煉爐為3.77Nm³O₂/m³S，是側(cè)吹的2.4倍。顯然它的液相與氣相有較大的接觸面積，較長的接觸時(shí)間，又有很好的流體動(dòng)力學(xué)條件。(頂吹的艾薩與奧斯麥特是用一支氧槍插入熔體深度200-300mm)。因此本工藝具有較高的熔煉強(qiáng)度，熔煉過程中不需配任何燃料，實(shí)現(xiàn)了無碳自熱熔煉，做到不直排二氧化碳，能源消耗也很低，與國外的熔池熔煉工藝如頂吹的艾薩、奧斯麥特、三菱法，側(cè)吹的諾蘭達(dá)、瓦紐科夫等煉銅方法相比，底吹熔煉的能源消耗是最低的，迎合了國務(wù)院對低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求。底吹氣泡順勢而上。氣泡順勢而上具有“氣泵”作用，隨著氣泡上浮能量逐漸消失，所以無噪音。氣泡上浮是自然過程對氧槍有保護(hù)作用。從底部到頂層歷程長，形成的氣液固三相懸濁液體積大，有利于熔化和冶金化學(xué)反應(yīng)過程的進(jìn)行，所以它的熔煉強(qiáng)度高。吹冰銅不易產(chǎn)生泡沫渣。吹冰銅因總有硫化鐵存在，且氣流到渣層時(shí)，氧濃已經(jīng)很低，所以不具備形成四氧化三鐵的條件，就不會產(chǎn)生泡沫渣。2.2氧氣底吹煉銅工藝的主要技術(shù)特點(diǎn)原料適應(yīng)性強(qiáng)。利用該項(xiàng)技術(shù)，不僅能處理銅、金、銀等精礦，而且可處理低品位銅礦和復(fù)雜難處理的多金屬礦以及含金、銀高的貴金屬伴生石廣，都能用該工藝設(shè)備高效處理，實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用。原料的來源廣，大大拓寬了企業(yè)的原料供應(yīng)渠道，顯著提高礦產(chǎn)資源利用率。公司已經(jīng)處理過的礦種有：高硫銅精石廣、低硫銅精礦、氧化石廣、金精礦、銀精礦、高砷礦、高硅礦、塊礦等，產(chǎn)地遍布世界各地。實(shí)踐證明，其他煉銅工藝不好處理的復(fù)雜礦料，底吹爐都能處理，而且做到“吃干榨盡”，不僅銅的回收率達(dá)到97.98%，金、銀等貴金屬的回收率也都超過97%。熔煉強(qiáng)度高。國內(nèi)外各種熔池熔煉方法都有一個(gè)相適應(yīng)的最佳富氧濃度，不可以隨意提高，大多在70%以下，個(gè)別達(dá)到95%以上，如氧氣頂吹熔煉。俄羅斯諾里爾斯克冶煉廠的瓦紐科夫爐氧濃為55?80%，方圓公司則保持在75%以上，是比較高的。最關(guān)鍵的是底吹熔煉氧的利用率高，高達(dá)100%，單位時(shí)間、單位容積處理爐料量最大。熔煉強(qiáng)度以反應(yīng)區(qū)容積計(jì)算，已達(dá)到18.82t/m³d。各種方法的熔煉強(qiáng)度及富氧濃度見表2。高氧濃、高負(fù)壓、無粉塵、無煙害。由于送入爐內(nèi)的富氧濃度高達(dá)75%，煙氣體積小，二氧化硫濃度高，控制爐子的負(fù)壓較高(-50?-200Pa)，保證了爐子內(nèi)的煙氣與塵埃不外溢。高氧壓、高氧濃、高氧槍壽命、高作業(yè)率。方圓曾做過一系列關(guān)于氧壓的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)爐前氧壓為2.5kg/m²時(shí)，仍不會發(fā)生灌槍，但冶金反應(yīng)過程不理想。當(dāng)氧壓達(dá)到4.5kg/m²左右時(shí)，在氧槍出口處會形成Fe₃O₄“蘑菇頭”，可以很好地起到保護(hù)氧槍的作用。不產(chǎn)生“泡沫渣”。“氧氣底吹熔煉”工藝本身具有的一個(gè)優(yōu)勢：生產(chǎn)安全可靠，不形成“泡沫渣”?，F(xiàn)在，冰銅品位提高到60%?65%都已屬于正常。當(dāng)冰銅品位提高到60%?65%，F(xiàn)e/SiO₂高達(dá)2.0?2.2時(shí)，都沒有產(chǎn)生“泡沫渣”。這就表明，“氧氣底吹”吹的是冰銅層，而因?yàn)榭傆蠪eS的存在，也就不會產(chǎn)生過量的Fe₃O₄,也就不易產(chǎn)生“泡沫渣”。生產(chǎn)能力調(diào)節(jié)范圍大?！把鯕獾状等蹮挕敝餮b備——底吹爐，具有的一大優(yōu)勢是產(chǎn)能可大可小，調(diào)節(jié)范圍大。當(dāng)爐子規(guī)格一定時(shí)，它實(shí)際處理料量的能力可在設(shè)計(jì)值基礎(chǔ)上有上下50%的波動(dòng)范圍。在最初設(shè)計(jì)時(shí)，大、中、小型冶煉廠，即從年產(chǎn)2萬噸到20萬噸粗銅的企業(yè)，可依據(jù)自身情況設(shè)計(jì)不同大小的爐子。這是從國外引進(jìn)的工藝技術(shù)所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。2.3氧氣底吹煉銅工藝主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)該工藝通過近三年的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)實(shí)踐，充分顯現(xiàn)了其優(yōu)越行，取得了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，見表3。無碳自熱熔煉3.1自熱熔煉程度高“氧氣底吹熔煉”工藝，因其獨(dú)特的爐體設(shè)計(jì)構(gòu)造，使得它成為實(shí)現(xiàn)了完全自熱熔煉的一項(xiàng)冶煉工藝。其實(shí)，在投料試車之前，方圓也曾有過擔(dān)心：如果一開始投料量太小，可能無法滿足后熱熔煉”的條件，屆時(shí)將準(zhǔn)備用燃油燒嘴補(bǔ)熱的預(yù)備方案。但實(shí)際上，當(dāng)投料量達(dá)到每小時(shí)30噸時(shí)，爐內(nèi)就已經(jīng)達(dá)到了能夠維持自熱熔煉的熱平衡，于是“點(diǎn)油嘴補(bǔ)熱”的計(jì)劃也就沒有必要了。這一實(shí)踐直觀地說明，由于排出煙氣量小，爐子的散熱面積小，帶走的熱量少，因此很容易實(shí)現(xiàn)自熱熔煉，最大限度地利用一切熱能。3.2能源消耗低由于氧濃高，煙氣量小，熱損失少，爐料中不需要另外配煤。試生產(chǎn)初期，曾配入2%的碎煤，彳爰來逐步地降到1%、0.5%，直至彳爰來的完全不配煤。這樣一來，不但節(jié)省了燃料以及煤燃燒所用的氧氣，保證了氧氣的充分有效利用，而且保證了二氧化碳煙氣的最小排放量，甚至做到了無碳排放。目前，各種主要煉銅工藝在熔煉過程配入燃料的燃燒熱，在熱平衡中占的比例，與離爐煙氣帶走熱量所占的比例，見表4。由表4可見，隨著燃料率的增加，燃料燃燒熱在熱平衡中占的比例也在升高，有的甚至高達(dá)40%，相應(yīng)的，煙氣帶走的熱也隨之升高?！把鯕獾状等蹮挕惫に嚫静慌淙肫渌剂?，因此煙氣帶走的熱量，即熱損失，在各種熔煉工藝中也最少。3.3無碳造銃熔煉在現(xiàn)有的熔煉工藝中，無論是閃速熔煉還是其他熔池熔煉工藝，都需要配入一定的碳質(zhì)燃料，配煤率約為3%?6%，燃料燃燒熱在熱收入中約占23%?40%。“氧氣底吹熔煉”工藝在造銃熔煉過程中，卻可以做到不配煤。以處理每噸礦料計(jì)，可減排二氧化碳110?220千克，或以生產(chǎn)每噸粗銅計(jì)，約減排二氧化碳800千克。若年產(chǎn)20萬噸粗銅，則可年減排二氧化碳約1