鼓風爐煉銅是一種古老的煉銅方法。銅爐料與熔劑、焦炭在鼓風爐內熔煉產出銅锍(或粗銅)和爐渣的銅熔煉方法。銅爐料可以是混捏銅精礦、銅精礦燒結塊或其他含銅塊料。根據爐內不同的氣相成分,鼓風爐煉銅可分為氧化煉銅和還原煉銅。氧化煉銅用于處理硫化礦,還原煉銅用于處理氧化礦或再生銅料。這種熔煉工藝簡單,床能力大,熱效率高,渣含銅低,投資省,建設快;在20世紀30年代以前一直是世界上主要的煉銅方法。在中國,20世紀50年代以前,這種方法幾乎是礦銅生產的唯一方法。60年代,蘇聯成功地采取了處理團礦或塊礦的料鐘式密閉鼓風爐富氧自熱熔煉工藝。同期,波蘭有2座料鐘式密閉富氧熔煉鼓風爐投產。60年代中期,中國成功地進行了料封式密閉鼓風爐工業試驗后,相繼用以改造敞開式鼓風爐。1986年中國銅陵有色金屬公司在料封式密閉鼓風爐基礎上采用團塊富氧熔煉。1993年設計建成了富春江冶煉廠料封式富氧熔煉密閉鼓風爐。
鼓風爐煉銅的一般特征有:
一:燃料在爐內燃燒,爐料與高溫爐氣成逆流運動,因而熱交換條件好,熱利用率高達70%以上。
二:鼓風爐的最高溫度帶集中在風口稍上的焦炭或硫化物激烈燃燒的所謂焦點區,焦點區最高溫度可達1723K。幾乎所有的焦炭都是在焦點區依靠鼓風中的氧來燃燒。在焦點區內,被氧化的硫化物主要是FeS,其氧化產物隨即與爐料中的SiO2造渣。此外,在SO2存在的條件下,入爐轉爐渣中的Fe3O4和預備區形成的Fe3O4成為FeS的固體氧化劑,反應(1)的熱效應大于反應(2)的熱效應,即焦炭燃燒的熱效應大于FeS氧化造渣的熱效應。從熱力學觀點看,在焦點區焦炭優先被氧化。而且,焦炭是以灼熱固體狀態進入焦點區,在被燒盡以前始終保持固態不變;而FeS則以熔體狀態通過焦點區,迅速地向下流動。由于液體硫化物在焦點區停留時間很短,從動力學觀點看,在焦點區FeS爭奪鼓風中氧的能力遠遠不如焦炭。所以硫化物的氧化主要在預備區進行,它在焦點區被氧化的程度,主要取決于該處的焦炭量,亦即取決于焦率。在工廠的生產實踐中,通過調整焦率,即可有效地調節熔煉過程的脫硫率和銅锍品位。在熔煉熱平衡允許的條件下,要力求降低焦率以增加硫化物的氧化程度,達到提高煙氣中SO2濃度和獲得較高品位銅锍的目的。
三:焦點區的最高溫度取決于爐渣的熔化溫度和粘度等性質,以及焦點區的熱平衡;當爐渣成分一定時,強化燃料燃燒只能增加爐料的熔煉量,而不能提高焦點區的溫度。
四:在鼓風爐熔煉過程中,氣相與爐料之間的化學反應具有重要意義。鼓風強度是影響鼓風爐熔煉的一個重要參數,鼓風爐入爐物料塊率對鼓風強度非常重要。同時,爐料中塊料的比例對熔煉的技術經濟指標有著明顯的影響,當塊率較合適且穩定的情況下,如古風強度過高,一方面鼓風成本增高,另一方面將嚴重影響爐內料層的穩定,爐內冶金反應反受制約,不利于生產。
傳統有色金屬空氣冶煉存在著熔煉速度慢、床能率低、煙氣二氧化硫濃度低不能制酸等缺陷。為克服以上矛盾,國內外廣大冶金工作者和專家學者進行了大量的研究工作,找出了許多種強化熔煉的方法。有的已應用于生產,有的還在繼續研究試驗。傳統工藝是向爐內鼓入普通空氣,而普通空氣的含氧濃度太低。要想在現有的礦山資源、技術、設備等條件下提高冶煉強度,增大空氣中含氧濃度就勢在必行。熔煉過程是在1400攝氏度左右時鐵及其它雜質氧化造渣除去的過程,增大氧的濃度,其氧化速度就快,各項技術經濟指標就好。
由于國外工業起步早,地下貯藏煤多已枯竭,故以靠焦炭作主要熱源的鼓風爐熔煉在國外呈下降趨勢。國內煤炭貯量還比較豐富,所以國內中小工廠采用鼓風爐煉銅的還比較多。從統計數據看,國內煉銅采用鼓風爐工藝的還占全國總產量一定比例。這種方法目前還適合我國地方中小企業煉銅的現狀;但為降低焦炭的消耗,強化冶煉速度,提高床能率,治理環境污染,追求較高的技術經濟指標,走富氧密閉強化熔煉的這條路,符合我國地方中小企業的實際情況,便于利用現有的設備及操作管理技術。
銅锍品位和鼓風爐空氣中氧濃度是富氧鼓風爐煉銅工藝中所要控制的重要參數之一,氧濃度的高低對熔煉本身和吹煉以及制酸工藝的各項技術經濟指標有重大影響。最合理的銅锍品位和鼓風氧濃度應是企業能取得最好經濟效益的值.該值與生產工藝、爐型結構、設備因素、燃燒種類,制氧成本等因素有關。
隨著科學的不斷進步,人類探索“富氧”強化熔煉的工業性實踐越來越被各國冶金工作者重視和追求。在國外應用富氧密閉鼓風爐煉銅的生產時間已有40多年的歷史;在國內也有30年的歷史,均獲得相當的成功和較好的技術經濟效益。
熔煉用的富氧是由制氧機產出的工業純氧氣與鼓風爐鼓風機鼓入的空氣混合而成的;制造1Nm3氧氣的費用各地區差別很大,但制氧成本總是高于鼓入普通空氣的成本。熔煉鼓風費用隨制氧成本和富氧濃度的增加而增加。
“富氧”現場操作并不困難,純氧從制氧站貯氣柜經輸氧鋼管輸到鼓風爐附近的“混風管”內;進混風管之前設置一氧氣專用閥門以調節純氧流量大小,從閥門前引出一小管子接入儀表房,安裝配套純氧流量計,用數字記錄和顯示每小時,每天每月每年的純氧消耗量,以考察爐子各項指標,同時也考核了制氧系統的工作狀況。操作過程中需要注意的是要嚴格按“用氧技術(安全)操作規程”所規定的步驟、方法、注意事項認真操作,否則,發生事故后果不堪設想!
國內某些科研工作者,結合生產條件,對低冰銅品位與混合風中含氧濃度的可行性區域進行了研究,在風量不變時,鼓風爐銅礦處理量的增大靠提高“混風”中含氧的濃度來實現,當“混風”中氧濃度達到60%左右時,熔煉過程實現“自然熔煉”,此時,再提高氧濃,銅锍品位反而下降,因氧化氣氛過強,使銅锍中的部分Cu2S過氧化為Cu2O,渣銅損也增大。
一般來說,富氧濃度每升高一個百分點,床能率相應升高7.2個百分點;富氧濃度每升高一個百分點,粗銅產量相應升高11.2個百分點。
關于“富氧”后渣含銅有所升高的問題,有第二種認為:一是前床容積相應比普通空氣熔煉要大10%左右,前床長度要比普通空氣熔煉的前床長500-800m/m,以保證熔體在前床有足夠的澄清分離時間;二是要相應調整配料中的石英石和石灰石的用量。
富氧鼓風爐可以處理富銅塊礦和含金塊礦(兼做熔劑),既煉銅又回收了黃金。富氧鼓風爐只適合規模較小的工廠使用。
我國煤的貯量正在逐年減少,冶金焦炭越來越昂貴,節約能源、降低成本的工作不能等閑視之。此前,我國先后在銅冶煉的銅陵密閉鼓風爐和白銀熔池爐采用了富氧熔煉技術。中國銅陵有色金屬公司第二冶煉廠于1986年在兩座10m2密閉鼓風爐進行富氧鼓風的生產性熔煉試驗,取得了較好效果。根據銅陵第二冶煉廠的生產實踐,每噸粗銅消耗的焦炭和電力,1985年普通空氣熔煉是為821㎏和616Kw/h,1986年采用富氧鼓風—(含氧27%-30%)分別為741㎏和557Kw/h、焦率從10.7%下降到6.8%,即降低40個百分點。當鼓風含氧30.5%時,同空氣鼓風熔煉相比,床能力和脫硫率分別由42.7t/(m?d)和46.8%,提高到62.4t/(m?d)和57.2%,而焦率則由10.2%降到6.46%。據考察,1Nm3純氧可以節約500克左右煤的節能效果。如果將鼓風氧濃度提高到45%以上,有可能不加焦炭而實現“自然熔煉”。
在熔煉過程中,焦炭C將首先與鼓入空氣中的氧發生反應:
[C+O2=CO2+97000cal](氧量充足) (1)
其次才是硫化物的脫硫及硫的氧化:(以銅礦物中的最主要的伴生硫化物——Fe的硫化物為例——造渣反應)
3FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2
2FeS+3O2+SiO2=2FeO·SiO2+25680cal (2)
在有SiO2存在時,Fe3O4對FeS起固體氧化劑作用:
Fe3O4+ FeS+5SiO2→5(2FeO·SiO2)+ SO2-4760cal
實踐表明,富氧熔煉既增加熔煉能力,提高脫硫率及冰銅品位,還降低了能耗。富氧熔煉熱平衡與物料含硫量關系:據建立的銅精礦自熱熔煉動態熱平衡數學模型為:dQ/dt=(762.7+2313/Rs-665.5/RsXs-610.5/Yo_2)V模型的計算及分析結果表明,銅礦含硫量的增加有利于熔煉過程的熱平衡。若銅礦含硫分數低于0.25,采用富氧對過程的熱平衡產生負效應。在脫硫率為0.60時,對于銅礦含硫分數分別為0.30、0.35和0.45,實現自熱熔煉的富氧濃度分別為70%,45%和30%。當銅礦硫分數低于0.29時,提高脫硫率有利于過程的熱平衡,而高于0.29時,則不利于過程的熱平衡。
就某公司來講,其冰銅煉廠海拔約1700m,空氣含氧量約16%(海平面空氣氧濃約21%,每升高350m,氧濃約降1%),現有5.8m2、4.1m2鼓風爐兩臺,日處理入爐品位為3%左右的含銅原料350噸左右,年產量為2000個金屬噸冰銅/年,品位在20%左右,焦率較高(19%),床能率:=350/(5.8+4.1)=35.35t/m2·d偏低.前些年與之相近情況的國內某廠,利用氮肥廠排放的“廢氣”(含O2=28%)引入其3m2鼓風爐煉銅作業,降低了一定焦率,床能率比普通空氣熔煉提高10.3%,煙氣量減少約8%,水渣含銅稍有上升(由0.3%升到0.36%),爐況順行。實踐表明,富氧濃度每升高1%,床能率可提高約7.2%。如將入爐氧含量提高到23%,則床能率提升50.4%即到達:53.1t/m2·d,
由于現在焦率偏高,一則焦炭成本高,二則如前所述,因焦炭優先反應,導致脫硫率偏低,冰銅品位也偏低,如果增加氧濃、降低焦率,則消耗氧量的焦炭減少、焦炭燃燒后剩余氧量增大,參與脫硫的氧氣增加,即脫硫率增高,進而冰銅品位增高;而硫與氧氣反應又可產生大量熱量,可以補充因降焦減少的熱量維持鼓風爐熱平衡,渣含銅雖稍有上升(冰銅品位≤45%情況下),但能接受。
由于鼓風爐的諸多缺點,加之面臨國家、社會環保意識的大幅提高,環境保護、低“碳”經濟已成為政府倡導產業發展的新方向,作為一個有社會責任感的企業,履行社會責任有助于保護資源和環境,實現可持續發展。企業作為社會公民對資源和環境的可持續發展負有不可推卸的責任,而企業要履行自己的社會責任,需通過技術革新減少生產活動各個環節對環境可能造成的污染,同時降低能耗,節約資源,降低企業生產成本,既提高經濟效益,又提升了企業形象和社會的認可程度。中國是一個人均資源特別緊缺的國家,企業的發展需要與節約資源相適應。企業應堅持可持續發展,高度關注節約資源;承擔起保護環境和維護自然和諧的責任,還要承擔引進、探索、發展新工藝、新技術的責任;解決效益低下問題,重視科技創新。通過科技創新,降低煤、電、油、運等的消耗,進一步提高企業效益?!?/span>
冶金工作者都知道,只要是火法冶煉含銅硫化礦,其基本原理如脫硫、氧化、造渣等反應及其熱平衡、渣型選擇、銅锍品位選定等是大致相同的,由于閃速爐等先進爐型,不但投資巨大,而且對銅礦的品位、規模、含硫量、雜質等都有苛細的要求,同時需具備的場地、技術、管理、操作人員、水電能源、交通運輸等的要求都是小型礦廠難以滿足的,更重要的是這些先進爐型,需進行大規模生產(大于10W噸),才能產生效益,根本不符合低品位、多雜質的小礦山、小冶煉廠的實際情況。
那么立足于現有實際條件,利用現有的設備、技術以節省而合理的投入,強化冶金反應的某些方面,達到降成本、升指標、增效率的目的,富氧熔煉是既簡單又可行更實效的一個主要途徑。
為此強化對鼓風爐富氧熔煉的研究,以低改造成本強化冶金過程、提高冶煉經濟技術指標,是我國在目前情況下小型冶煉廠適應自己生產規模、原料技術水平等條件,技術操作和技術控制方便易行,節約成本、經濟適用的較好方式。采用富氧熔煉,是在已有的鼓風爐設備條件下,降耗增產,適應銅資源性質有特殊性的煉廠,降低成本、增強產品競爭力的一個有效適用的選擇。
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