ISA炉反应及基本原理.

ISA炉反应及操作原理1、工艺简介艾萨炼铜法是一种浸没式富氧顶吹熔池熔炼法，通过喷枪把富氧空气强制鼓入熔池，使熔池产生强烈搅动状态加快了化学反应的速度，充分利用了精矿中的硫、铁氧化放出的热量进行熔炼，同时产出高品位冰铜，烟气中高浓度的SO2经收尘后送往硫酸分厂制酸。熔炼过程中不足的热量由燃煤、燃油和燃气等提供。图1－艾萨炉模型艾萨炉的核心技术为一支特制喷枪。富氧空气通过喷枪强制鼓入炉内，由于喷枪内有一漩流器给气体增加了动能，这些具有强大动能的气体使熔池剧烈地搅动，新进炉的物料在瞬间即被高温熔体所包围，同时还随熔体的强制流动发生上下、左右的翻腾，鼓入炉内的氧气大量分散在熔体的各处，在高温下精矿迅速发生化学反应。图2喷枪漩流器2、艾萨炉的炉内结构炉底：艾萨炉炉底为反拱形（即锅底形），采用长425mm左右的耐火砖竖直砌筑，最靠近钢壳处以两层拱角砖进行固定。炉身：全部为450mm长的耐火砖水平砌筑，耐火砖与钢壳之间竖直砌一层保温砖。烟气区：较复杂。钢壳与耐火砖之间为保温砖；在扩张口处即东向为450mm的耐火砖；东南与东北向为400mm的耐火砖；其余各处为350mm的耐火砖；不同长度的砖之间会有一个交叉过渡区，停产时我们可从加料口和喷枪口看出这些交叉区（主要为南向和北向）的错台。阻溅板镶嵌于69～70层的东向。喷枪口电炉烟气加料口保温烧嘴排放阻溅板云铜艾萨炉简图炉底炉身烟气区3、铜火法熔炼原理铜精矿传统熔炼：反射炉、电炉、鼓风炉强氧化熔炼：闪烁炉、诺兰达炉、三菱法、瓦纽科夫法、白银法、澳斯麦特/ISA烟气弃渣铜锍铜锍烟气炉渣吹炼：PS转炉、连续吹炼、闪烁吹炼粗铜火法精炼浇铸阳极板电解精炼阴极铜炉渣贫化贫化渣弃去烟气放空贫化铜锍制酸烟气图3－铜火法冶炼流程阳极泥贵金属硫酸铜现代造锍熔炼是在1150～1250℃的高温下，使硫化铜精矿和熔剂在熔炼炉内进行熔炼。利用铜对硫的亲和力大于铁和其他金属，而铁对氧的亲和力大于铜的特性，炉料中的铜、硫与未氧化的铁形成液态冰铜。这种冰铜以Cu2S-FeS为主，并溶有Au、Ag等贵金属及少量其他金属硫化物的共熔体。炉料中的SiO2、Al2O3、CaO等成分与FeO一起形成液态炉渣。炉渣是以2FeO·SiO2为主的氧化物熔体。冰铜与炉渣互不相溶，且密度不同（冰铜的密度大于炉渣的密度），从而分离。火法处理硫化铜精矿优点：能耗低、单位设备生产速度高、贵金属回收率高；缺点：产生大量烟气，污染环境。造锍反应:Cu2S＋O2＝Cu2O＋SO2FeS+Cu2O＝FeO＋Cu2S△G0＝－144750＋13.05TK＝a（FeO）·a[Cu2S]/a[FeS]·a（Cu2O）该反应的平衡常数K值很大（在1250℃时，lgK为9.86），表面反应显著地向右进行。一般来说，体系中只要有FeS存在，Cu2O将变成Cu2S，进而与FeS形成铜锍Cu2S-FeS。造渣反应：炉内产生的FeO在SiO2存在的情况下，将生成铁橄榄石炉渣。FeO＋SiO2＝（2FeO·SiO2）△G0＝－32260＋15.27T同时，炉内的Fe3O4在高温下能够与石英沙生产炉渣，反应如下：FeS＋3Fe3O4＋5SiO2＝5（2FeO·SiO2）＋SO2艾萨炉熔炼化学热平衡A、各物质化学性质a、燃煤要求固定炭含量≥65％，挥发分≤15％，灰份≤22％，发热值≥6500kcal/kg。b、燃油化学性质发热值为40000KJ/kg，密度0.8232Kg/L。c、S＋O2=SO2(反应生成热11286.09KJ/kg)d、FeS+O2=FeO+SO2(5377.74KJ/kg)e、FeS2+O2=FeS+SO2(1917.74KJ/kg)B、热收入C、热支出物质燃煤燃油化学反应放热物料潜热各种风显热所占百分比3068＜1＜1物质还原反应吸热炉壳散热水蒸发吸热冰铜和炉渣热焓烟气烟尘带走热百分比82203040熔炼过程的主要化学反应类型：熔炼物料中主要的化合物是硫化物、氧化物和碳酸盐。可能的硫化物组成分有：CuFeS2、CuS、Cu2S、FeS2、FeS、ZnS、PbS、NiS等等。氧化物有：Fe2O3、Fe3O4、Cu2O、CuO、ZnO、NiO、MeO·Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaO、MgO碳酸盐有：CaCO3、MgCO3等等。这些组分在熔炼过程中将会发生以下化学反应：一、热分解反应在熔炼过程中处理生精矿或者是干精矿时，炉料中含有较多高价硫化物，在熔炼炉内被加热后，离解成低价化合物，主要的反应有：FeS2=FeS+1/2S2300℃开始，560℃激烈进行CuFeS2=Cu2S+2FeS+1/2S2550℃开始2CuS=Cu2S+1/2S2400℃开始，600℃激烈进行。上面反应的分解产物是稳定物质。在较高的温度下，炉料中铜的高价氧化物也发生分解反应：2CuO=Cu2O+1/2O2在1105℃开始，产物Cu2O是较为稳定的化合物，在冶炼温度下（1300—1500℃）是不分解的。另一类热分解反应是碳酸盐的分解：CaCO3=CaO+CO2在910℃开始MgCO3=MgO+CO2在640℃开始二、硫化物的氧化反应硫化物的氧化反应是熔炼过程中脱硫的重要反应。由于这一类反应的进行，炉料中部分硫被氧化，呈二氧化硫形态脱出，从而保证获得一定品位的冰铜。炉内的氧势强弱控制着脱硫程度，也就控制了产出的冰铜品位。在熔炼温度（大于1300℃）下，硫化物氧化反应的吉布斯自由能变化为较大的负值，所以产生MeO。主要的氧化反应有：（1）高价硫化物的直接氧化：2FeS2+11/2O2=Fe2O3+4SO2FeS2+8O2=Fe3O4+6SO22CuFeS2+5/2O2=CuS·FeS+2SO2+FeO2CuS+O2=Cu2S+SO2（2）低价化合物的氧化反应FeS+3/2O2=FeO+SO23FeS+5O2=Fe3O4+SO2Cu2S+3/2O2=Cu2O+SO2其他有色金属硫化物（NiS、PbS、ZnS等）也会被氧化成相应的氧化物。在强氧化气氛下、还会发生反应：3FeO+1/2O2=Fe3O4当体系SiO2的量充足时，生产Fe3O4将被还原成FeO2CuFeS2+3Fe3O4+5SiO2=（Cu2S·FeS）+5（2FeO·SiO2）+2SO2+热量随之熔炼炉型的不同，上述氧化反应所占的比重也不同。在艾萨炉内，直接进行氧化的比重大；而在矿热电炉中则很小，炉料中FeS数量最多，而且氧化反应吉布斯自由能变化负值较大，所以它比其他硫化物优先氧化，而后则是Cu2S。铁硫化物生成是Fe3O4的趋势是不可避免地，只是随炉型，程度不同。在强氧势及良好的气氛接触时，Fe3O4生成量较多。艾萨炉渣中Fe3O4的量为10%左右。三、交互反应冰铜熔炼中另一类型反应是硫化物以氧化物的交互反应，它是最重要的一类反应。因为这类反应决定着冰铜以及其他有价金属在冰铜中的回收程度，决定着Fe3O4还原造渣的顺利和完全程度。来自于热分解和氧化反应生成的Fe3O4、FeS、FeO、Cu2S、Cu2O以及炉料中的二氧化硅在高温相互接触条件下将进行交互反应。这里反应又可以分成两类反应：一是Fe3O4和FeS的反应，反应式为：Fe3O4+FeS=FeO+SO2；二是金属硫化物与氧化物之间的MeS—FeO的反应，以及相同金属硫化物与氧化物之间的反应。艾萨熔炼法中的主要化学反应与一般的冰铜熔炼过程的化学反应基本上是一样的，总的反应式为：4CuFeS2+5O2+SiO2=2（Cu2S·FeS）+（2FeO·SiO2）+4SO2+热量4、Fe3O4在ISA熔炼中的作用需要掌握最重要之处就是喷枪中的氧并不直接就和精矿或者是燃煤发生化学反应。相反，它首先和炉渣中的氧化亚铁发生化学反应形成磁铁矿，然后，磁铁矿和精矿发生化学反应并燃烧煤。少量的磁铁矿在化学反应中是必需的；太多的磁铁矿会造成操作熔炼炉比较危险。加入艾萨炉内的燃煤并不直接就和来自喷枪的空气一同燃烧，而是随着精矿的熔炼，煤和磁铁矿中的氧发生反应而燃烧。加入熔炼炉内的燃煤由大多数可以燃烧的碳以及不能燃烧灰份组成。通常情况下，燃煤含有可以在熔炼炉内燃烧的固定碳。也就是这类碳和磁铁矿发生化学反应并最终形成了二氧化碳（CO2）。化学反应式如下：C+2Fe3O4＝CO2+6FeO（燃煤碳）（磁性铁）（二氧化碳）（氧化亚铁）由于每个碳原子需要两个氧原子来形成二氧化碳，所以每个碳原子燃烧时就需要消耗两个磁铁矿分子。因此，如果没有磁铁矿，燃煤就无法燃烧。大多数人都认为燃煤的燃烧会产生热量。但是，事实上燃煤和磁铁矿之间的化学反应冷却了熔池。热量是由首先形成磁铁矿的化学反应所产生的。向熔炼炉加入燃煤会使熔炼炉升温的原因在于同时也加入了额外的燃烧空气。燃烧空气产生更多的磁铁矿，而这些磁铁矿产生的热量超过了燃煤和磁铁矿之间的化学反应的冷却程度，因而产生了额外的热量，熔炼炉的温度就升高了。这就解释了为什么只加燃煤而不添加额外的燃烧空气（在需要降低磁铁矿的浓度时，采取的就是这种方法）会使熔池的温度降低以及为什么只加燃烧空气而不添加燃煤却能使炉子温度迅速上升。但是，炉内的磁性铁如果过多，就会大大加快反应速度，短时间内生成大量的气体产物（SO2为主）；同时因磁性铁数量大，使炉渣的粘度增大，大量的气体要逸散出来很困难；炉内温度上升很快。渣中包含的气体越积越多，就造成了炉渣发泡，熔池面也急速上升。当炉渣里的气体量累积到一定程度，其气体压力大于炉渣的表面张力，气体就冲破炉渣表面逸散出来，并夹带着很多炉渣和冰铜，这就形成了爆炸式喷溅。如果炉内产生的大量气体不能及时从烟道流出，就会从加料口喷出，如果这还不能缓解炉内的气体压力，炉顶就有可能被气体掀开，造成严重后果。所以，维持正常生产的磁性铁量是必要的，但必须控制磁性铁的总量不能超过15％。5、熔池温度的控制艾萨炉温度控制是通过燃料（燃煤、燃油、天然气等）补加来达到熔炼温度的平衡，其中精矿中的铁、硫自身氧化放热量达到熔炼所需总热量的70％左右，补煤和燃油将补充剩余30％的热量。目前云铜艾萨炉的控温主要是通过燃煤补加来调节热平衡。以一次换料为例：首先根据备料工区最新的理论物料成分、小时物料量及所要得到冰铜品位进行计算，得出理论所需补煤量；以配煤系数来控制一次补煤的量，一次补煤的量以温度平稳、二次补煤的频次和量都要少为依据。由于同一批次原料成分存在波动，并且我们的小时处理量和目标冰铜品位也存在一定的变化，故我们的一、二次补煤量会不断地进行调整。正常生产时，如果温度低于控制温度，操作员开3＃煤仓，设定给煤圆盘转速来调整二次燃煤补入量，由于我们燃煤仓离加料口太远，燃煤从煤仓进入炉内大概需要3～4分钟，当系统检测到运煤皮带上的数值后，对应煤的给氧量就由喷枪进入炉内，此时燃煤还没有进炉内，给氧是提前给入的；相反，停煤仓后运煤皮带停止，燃煤数值为0，给氧停止，实际上此时还有几分钟皮带上的燃煤才完全进到炉内。如果遇到掉渣等原因造成温度急剧下降，这时就需要启用燃油来迅速提温。燃油设定值≥400L/h时，喷枪跳出端压自动控制状态，必须手动来提升和下插喷枪；由于燃油提温迅速，当温度上升到接近温控中心时关闭燃油，防止温度瞬间过高。在使用燃油时，相对应的燃油需要空气同时通过喷枪供给，燃油燃烧的同时产生的CO2和H2O气体，造成炉内短时间的烟气量突然增大，给炉顶和烟道带来较大的冲击，使其掉渣的可能性显著增加。由于喷枪喷出燃油燃烧，给喷枪端部带来高温高热和强烈的气流冲刷，所以燃油使用频次多的喷枪端部烧损会更严重些。喷枪使用燃油导致强制鼓入炉内的富氧空气量增加，同时燃烧反应还生成更多的气体，此时对熔池的搅动将更加激烈，加快了传质传热速度，生成的磁性铁数量也逐步增多，加上燃油燃烧本身放出的热，熔池温度上升很快。如果由于一次配煤量的问题造成熔池温度偏高或者偏低，在冰铜品位许可的情况下可以调整品位（如一次补煤过多，导致大部分时间要压着氧气，此