閃速煉銅技術的自主創新與發展

董廣剛，葛哲令，曾慶曄

（山東陽谷祥光銅業有限公司，山東 陽谷 252327）

閃速煉銅技術的自主創新與發展

董廣剛，葛哲令，曾慶曄

（山東陽谷祥光銅業有限公司，山東 陽谷 252327）

閃速煉銅技術具有工藝成熟、配套設施完善、反應效率高、能耗低、環境保護好等優勢，近幾十年來在國內得到了快速的應用和發展。結合祥光銅業生產實際，闡述了閃速煉銅技術的進步過程，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裝備的自主技術創新和進步，展望了閃速煉銅的可持續發展前景。

閃速煉銅技術；祥光銅業；進步過程；精礦噴嘴；閃速爐爐體；發展前景

1 引言

自1949年第一臺閃速爐投產以來，業界對于閃速冶煉的理論的研究一直沒有停止過。近年來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展，將單臺閃速爐的生產能力從100kt/a左右提升到300～500kt/a。

在我國，于1969年開始，在云錫公司以硫化鎳精礦為原料，對閃速熔煉技術進行工業規模試驗研究工作；1977年開始，在常州冶煉廠進行了半工業規模的銅精礦閃速熔煉試驗，為現在的貴溪冶煉廠提供了重要的設計依據。1978年未，中國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。隨后國內金隆銅業、金川公司閃速爐相繼投產。同時閃速吹煉技術自1995年在美國肯尼科特公司成功應用后，近幾年在中國得到了快速發展，如山東陽谷祥光銅業有限公司、銅陵有色金冠銅業公司和金川公司防城港項目等［1］。

2 閃速煉銅噴嘴技術的進步

閃速煉銅（熔煉、吹煉）屬空間冶煉范疇，是一種先進的強化冶煉技術，以其環保、節能、高效等優勢近年來得到迅速發展。其最核心的設備是精礦（冰銅）噴嘴，但該設備長期被國外壟斷，雖然近年來國內不少企業對噴嘴做了不少改進并取得了不錯的效果，但始終沒有擺脫奧圖泰技術專利的范圍，我國企業需花費大量外匯購買技術許可證和關鍵設備噴嘴。近年來祥光銅業通過自主創新開發出旋浮噴嘴，適用于閃速熔煉、閃速吹煉，并取得了巨大的成功［2-4］。

2.1 旋浮噴嘴的技術特點

2.1.1 采用粒子碰撞反應機理，確保反應充分完全

空間冶煉過程中，由于原料性質和工藝條件不同，反應速度不一樣，會出現粒子過氧化和欠氧化現象。

閃速冶煉反應機理主要是反應塔上部氧氣和原料粒子的反應，若初始反應不好，產生的過氧化粒子和欠氧化粒子下落過程中沒有再反應機會，所以整體反應不完全。

旋浮冶煉反應機理分為兩部分，第一部分同閃速冶煉一樣，主要是反應塔上部氧氣和粒子反應，第二部分主要是反應塔下部過氧化粒子和欠氧化粒子間的碰撞再反應。旋浮冶煉的粒子碰撞反應機理確保了整個空間冶煉過程反應充分完全，為實現超強化冶煉奠定了理論基礎。

以熔煉為例，旋浮熔煉主要反應如下：

第一部分（反應塔上部）氧氣和精礦粒子間反應［5］

第二部分（反應塔下部）粒子和粒子間碰撞反應

2.1.2 采用龍卷風形式分散物料，強化氣粒混合和粒子碰撞

龍卷風是自然界中具有極強擴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的形式來分散物料，粒子呈旋流狀態分 布在反應塔中央［3］。優點：一是氣粒混合好；二是粒子碰撞反應機會；三是高溫粒子集中在反應塔中央，對塔壁沖刷少，熱損失少，可以自熱冶煉。如圖1所示。

2.1.3 采用中央脈動氧氣，強化粒子脈動碰撞反應

中間氧通過脈沖閥連續脈沖式通入，在旋流脈動力學效應下，精礦粒子在下降的噴射流中產生自旋轉、脈動、碰撞、聚合等現象，這種效應強化了閃速爐內的氣—固及固—固間的多相反應，大大有利于熔煉過程的進行和完成。

2.1.4 采用風內料外供料方式，強化傳質傳熱

與中央擴散型精礦噴嘴風包料（中間是精礦，外圍是工藝空氣）的進料方式不同，旋浮熔煉采用料包風的進料方式，在爐內依靠中間的旋流反應空氣卷吸和擴張的特性使物料粒子較小的空間內處于旋浮狀態，同時以脈動氣流影響粒子的運動。這種供料方式的優點是原料粒子和工藝風接觸的面積大，著火反應快。

2.2 旋浮噴嘴的應用

自旋浮噴嘴在祥光熔煉、吹煉爐成功投用后，體現出了大量優點：

生產能力大，實現了超強化冶煉。投料量達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期穩定在260t/h，尤其是2014年以來，月平均作業率均在95%以上，最高達到了98%，月處理精礦量在130kt以上。

反應效率高，指標良好。反應完全，沒有下生料現象，作業率高達98%，煙塵率4%，熔煉渣含銅1.2%，熱負荷最高達3000MJ/m3·h。

實現了自熱熔煉，節約能源。正常生產時，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。

原料適應性強，處理高雜礦。通常認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效率高，脫雜能力強，適應處理各種高雜質礦，克服了常規閃速熔煉的缺陷，祥光每年可以處理占總精礦量20%的高雜礦。

噴嘴無故障，全年免維修。旋浮噴嘴結構巧妙、簡單，沒有任何機械傳動設備、沒有損耗件，故障率基本為零。

3 干燥及加料系統的進步

閃速熔煉是將經過深度脫水的（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，從反應塔頂部通過加料裝置經精礦噴嘴分散到高溫反應塔內。隨著閃速煉銅技術的發展，精礦干燥以及精礦加料系統也在不斷進步。

3.1 干燥系統技術進步

傳統閃速熔煉工藝中精礦干燥一般采用回轉窯干燥和氣流干燥。回轉窯干燥和氣流干燥的熱源都來自于燃燒重油或天然氣的熱風爐，干燥效果比較好。但由于一般冶煉廠會有多余蒸汽，隨著能源緊張，廣泛用于化工領域的蒸汽干燥設備逐步被應用與精礦干燥。

上世紀末，業界開始將蒸汽干燥設備用于精礦干燥。 最初的蒸汽干燥機筒體和盤管不同步運轉，盤管磨損嚴重，干燥能力小，如貴溪冶煉廠最初的干燥機。后經改進，現為筒體和盤管同步運轉，減少了盤管磨損，能力提高到了220t/h，如用于貴溪冶煉廠的干燥機。

蒸汽干燥機的國產化技術也突飛猛進［6］，除了金川公司采用的國產直管式干燥機外，祥光二期采用了盤管式國產干燥機，能力達到了200t/h，并對一期進行了改造，將出料端金屬軟管改在了外面，方便了檢修。

3.2 精礦加料系統的進步

圖2 失重加料裝置

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

目前廣泛應用到閃速爐加料系統的是失重計量，如圖2所示。

失重計量最早是奧托昆普從食品工業的計量裝置借鑒過來，它的特點是計量準確可靠，其誤差小于±1%。

失重計量的工作原理如圖3所示：

圖3 失重加料的工作原理

失重計量由排料和裝料兩個周期完成。在排料周期中，失重倉中的干礦由螺旋運輸機排出，失重計量控制系統準確測量失重倉中排出的重量，并通過調節螺旋的轉速來控制排料量。這期間干礦倉和失重倉之間的加料閥關閉，加料停止。排料周期一直持續到失重倉內重量達到預先設定好的裝料低線，一個排料周期結束，同時一個加料周期開始，此時干礦倉與失重倉之間的加料閥打開，向失重倉加料，直到失重倉重量達到預先設定好的加料上線。在加料過程中，失重倉一邊通過加料閥加料，一邊通過螺旋排料，這個周期內失重控制系統無法計算出加料量，但控制系統保持螺旋轉速與加料開始前不變，這個周期的加料量就保持不變。失重倉重量達到上線后，加料閥關閉進入下一個排料周期，借助系統的前饋反饋控制，就可以使投料量控制在一個相當精準的水平上。加料期是不能改變投料量的，因為這期間螺旋轉速不變。

一直以來失重加料系統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用，在祥光二期的建設中，通過自主創新和技術合作，將二期熔、吹煉失重加料系統全部國產化，包含2套精礦失重加料系統、1套熔煉煙灰失重加料系統、1套冰銅失重加料系統、一套吹煉煙灰加料系統和一套吹煉生石灰加料系統。投料產3年來系統運行穩定，完全可以替代奧托昆普的失重加料系統。

4 高強化冶煉爐體的進步

放眼當今的閃速煉銅領域，高投料量、高冰銅品位、高富氧濃度、高熱負荷等“四高”技術［1］是閃速熔煉技術發展的總趨勢。目前祥光單臺閃速熔煉爐投料量已達260t/h以上，日處理量在6000t以上；隨著閃速吹煉技術的成功應用并推廣，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，煙氣量相應增加，為了保持爐內壓，閃速爐的工藝氧濃度近年來大幅提升。祥光銅業一期設計氧濃度為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，反應塔熱負荷也急劇增加。祥光熔煉爐設計在400kt/a產能時，反應塔熱負荷為2100MJ/h·m3，而目前實際超過了2600MJ/ m3·h。

4.1 反應塔頂的改造

祥光銅業反應塔頂起初由375mm厚的吊掛磚組成的吊掛平頂，然而，隨著投料量的提升，熱負荷的增大，攜塵高溫煙氣的沖刷，反應塔頂耐火磚消耗極快，不能適應高負荷的生產；2012年，利用年度大修，金隆公司［7］和祥光銅業都將反應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 祥光銅業吊掛水套拼成的反應塔頂

4.2 沉淀池側墻的改造

位于反應塔正下方的煙氣區側墻，可以看作是反應塔的延伸，承受著較高的熱負荷，由反應塔垂直向下運動的高溫煙氣在此改向并形成渦旋，而且此時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，與反應塔所采取的措施相同，各冶煉廠紛紛加強此部位的冷卻而削減耐火磚的厚度，改用耐火磚的外側預埋帶翅片的水冷銅管，逐步改為耐火磚中插入水平銅水套， 在后來的改進中，與反應塔一樣，逐步擯棄了預埋銅管的做法，也采用了“三明治”式的冷卻方式，如祥光銅業采用了三層水平水套，勒比希開威設了七水平水套，而巴亞馬雷則改為垂直水套。煙氣區的其它部位，雖然工況較好，但發展和改進也同步進行，如祥光銅業和肯尼科特煙氣區都是三層水平水套。如圖5所示：

圖5 祥光銅業沉淀池側墻

4.3 沉淀池頂的改造

沉淀池頂的三角區與反應塔裙部和沉淀池側墻連接，工況惡劣，由圓形的反應塔裙部插入長方形的沉淀池頂，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個角內再焊接4根弧形水冷H梁，再在空隙中吊掛耐火磚組成，這種結構有很多冶煉廠一直使用至今。而肯尼科特和祥光銅業以及新建的閃速熔煉爐都擯棄了這種結構，采用吊掛磚組成平頂，只是在反應塔的同心圓上插入了一個圓形的吊掛水套。如圖6所示：

圖6 帶同心圓水套沉淀池三角區

在隨后的高強化冶煉生產中由于煙氣沖刷該區域吊掛磚損耗很快，和反應塔頂一樣，祥光在12年大修中將此區域改為吊掛水套結構。如圖7所示：

圖7 吊掛水套組成的沉淀池三角區

5 一步煉銅的發展趨勢

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過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有突破的瓶頸主要是氧勢控制問題［8］，因熔煉和吹煉過程處于不同的氧勢，若冶煉過程控制高氧勢，則必然產生大量Fe3O4和Cu2O，造成銅渣分離困難，無法正常生產。

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

第一步：精礦一步煉出粗銅，并將爐渣單獨保留。試驗結果：

共處理銅精礦9618t，生產粗銅2166t；

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

爐況穩定，排渣通暢，便于操作。

第二步：爐渣貧化處理，在側吹爐進行，屬于半工業試驗。試驗結果：

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

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

試驗可以看出，普通精礦一步煉銅完全可以通過旋浮噴嘴實現。

6 結語

閃速煉銅技術從出現到今天，短短幾十年的時間已經發展成了火法煉銅的主流技術，隨著科技的進步以及廣大冶金工作者不斷地追求相信會發展成為更加節能、環保、高效的煉銅技術。

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

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

［3］周松林， 劉衛東.脈動旋風型冶金噴嘴［P］.中國： 201020284998，2011-04-06.

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

［5］朱祖澤， 賀家齊.現代銅冶金學［M］.北京：科學出版社， 2003， 38-39.

［6］趙福生.國產蒸汽干燥機在銅冶煉行業中的應用與實踐［J］.有色冶金（冶煉部分）， 2009（2）：46-49.

［7］劉安明.金隆閃速爐高熱負荷生產實踐［J］.銅業工程， 2011（1）： 38-43.

［8］任鴻九.有色金屬清潔冶金［M］.長沙：中南大學出版社， 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技術與管理工作。E-mail：dongguanggang@sina.com