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第4章熔池熔炼4.1概述现代铜熔炼的共同特点是：提高铜锍品位，加大过程的热强度，增加炉子的单位熔炼能力。这些方法可以分为两大类：一、闪速熔炼二、熔池熔炼。熔池熔炼包括:诺兰达法、澳斯麦特/艾萨法、三菱法、瓦纽柯夫法、特尼恩特法、卡尔多炉熔炼法、白银法、水口山法旋涡顶吹法等4.1.1熔池熔炼炉内的流体流动现象熔池熔炼与闪速熔炼完全不同。后者是精矿颗粒在富氧气流中瞬间氧化后落入熔池完成冶金过程。熔池熔炼则是在气体-液体-固体三相形成的卷流运动中进行化学反应和熔化过程。液-气流卷流运动裹携着从熔池面浸没下来的炉料，形成了液-气-固三相流，在三相流内发生剧烈的氧化脱硫与造渣反应，使三相流区成为热量集中的高温区域，高温与反应产生的气体又加剧了三相流的形成与搅动。依靠三相卷流，实现熔池内的传质、传热与物理化学过程。在侧吹式和垂直吹炼熔池炉内的三相卷流的形成过程分别如图４.1中的（a）与图４.2中的（b）所示。（a）垂直吹炼图4.1熔池熔炼炉内的三相卷流运动示意图（b）侧吹式吹炼图4.２熔池熔炼炉内的三相卷流运动示意图熔池的三相卷流区不但是热量集中，熔体混合能量很大。而且，是一个气泡充分发展和滞留的区域。这个区域为炉料的物理化变化、热量与质量传递创造了非常良好的条件。4.1.2熔池熔炼炉内强化过程的条件在熔池熔炼炉熔内，完成强化传热与强化传质的条件是要建立起一个良好与合理的三相流动区。这个区域的形成条件主要是由以下的因素构成的：气体与熔体之间的界面面积决定气—液界面积的因素有单位熔体鼓风量，气泡在熔体内停留时间、气泡直径以及熔体温度等。熔池熔炼炉内，液体与全部气泡在任何瞬间的的界面面积是在理想气体定律的基础上按球形气泡计算的：在尺寸为Φ4.35m×20.58m的诺兰达炉内，单个风口的平均气体流量为0.4m3/s，风口浸没熔体深度为1m，卷流速度为5.9m／s时，气泡在熔体中的滞留时间为0.17s。计算出不同直径的气泡之气一液界面面积为如下值：气泡直径(cm)2.5510全部气泡一熔体界面面积，(m2)38201910955实际过程中，气泡直径为5cm。气体在熔体中停留仅0.17秒的时间内，就造成了大到1910m2的界面面积。诺兰达反应炉内的熔化与化学反应具有良好的动力学条件。气泡在熔体中的滞留体积Vhol可用下面公式表示：Vhol=Vtuy(Tm/273)(1/Pvc)对上述的同一炉子，计算得到气体的滞留体积为15.9m3。其体积占熔池总体积的19％。熔炼过程的炉气以如此大的体积从卷流中分离出来，无论从动量、能量和质量传递来说，都完全具备了强化熔炼的条件。由于气体鼓入的冲击力及气泡上升和膨胀，给熔体带来了很大的搅动能量。向密度为ρm的熔体鼓人气体时，此能量Pm可以用下列方程式表示：Pm=0.74QTln（1＋ρmZ／Pa）式中,Q为喷入气体的流量(m3／s)；T为熔体温度(K)；ρm为熔体密度(g／cm3)；Z为风口浸没深度(cm)；Pa为大气压力(101.3kPa)；Pm为搅动能量，或称混合能(W)。4.1.3熔池中的混合能量及熔体的流动状况Pm值也可以表达为单位熔体质量的搅动功率：ε=Pm／Wm式中，ε为单位质量熔体所接受的混合能(kW／t)；Wm为熔体的质量（t）。设在熔体深度为1m处鼓入的气体总流量为21m3／s，熔体平均密度为4700kg／m3按上式计算，大型诺兰达反应炉内的混合能为21kW/t。在铜锍吹炼P-S转炉中，该能量为20kW/t～30kW／t。可见，诺兰达内的搅动强度不比P-S转炉吹炼铜锍时的强度弱。诺兰达炉内的搅动状况已被用含银高的精矿进行跟踪实验研究过。整个炉内的熔体包含着三种流动状态，如表4.1所示。区域体积百分率%单向流动良好搅动“死水”铜锍流动区（跟踪实验）14554炉渣流动区（跟踪实验）215326表4.1诺兰达反应炉内的流体状况由于熔池中鼓入气体带进的高混合能，造成了气体一铜锍一炉渣液体之间的巨大反应表面积，因而产生非常高的反应速率。假设氧化反应速率以混合熔体中硫燃烧产生的SO2速率来表示（不考虑锍中铁的氧化，在生产高品位锍时这种氧化仅消耗鼓入氧气20％）。4.1.4气体与混合液体之间的传质速率在诺兰达炉中，氧的最大反应速率可按下式求得：m0=NsAi=kdAiρm（x1一x2）式中,m0为单位时间内已经反应了的氧摩尔数（mol/s）；Ns为已反应了的硫摩尔数（mol/s）；Ai为液-气界面总面积（m2)；k为在液-气界面上硫的传质系数（m／s）；ρm为锍密度（kg/m3)；x1为整个熔池内铜锍中硫的质量浓度分数；x2为与氧平衡的铜锍中的硫的质量浓度分数。取k值为0.0002m／s，当Ai为1.9m2，铜锍密度为6×103kg／m3，x1为0.18，x2近似于0时，得到m0=12.9（kg·mol）/s,即290m3/s。实际上，氧鼓入量大约只有8m3/s。计算表明了熔池具有的传质能力存在着相当大的潜力。过程的质量传递是非常快的。气泡在熔体中的停留时间非常短暂（1s），但氧的利用率高达98%以上。在相对静止的熔池内，当精矿或其它炉料加到熔池熔炼炉内的熔体表面上时，在冷炉料的周围首先生成一层硬壳或外皮，它们在颗粒上逐渐变大，并很快达到最大的厚度。当从熔体到硬壳的对流给热比颗粒内传导出的热大时，颗粒就开始熔化。在通过风口鼓入富氧空气使熔池得到激烈搅动的情况下，固体颗粒的传热率比自然对流时的传热率大四倍。4.1.5固体颗粒与混合熔体之间的传热粗略计算指出，当气体鼓入反应炉熔池内，5cm的颗粒将在约90s内完成熔化。2cm的颗粒将仅仅在35s内熔化，而10cm的颗粒在210s内熔化。实际生产条件下，对生产率限制的因素还有其它的因素，如卷流条件下的熔炼烟气流量及其带出粉尘的能力，炉子内衬的冲刷与腐蚀等。4.２诺兰达熔炼诺兰达熔炼炉炉的物料处理量大,按精矿量为9～10t／(m3·d)。热强度高，约为970～1100MJ/（m3·h），炉体能够转动，灵活便捷，是熔池熔炼炉中颇具特点的炉型。4.２.1诺兰达熔炼炉诺兰达反应炉是一个卧式圆筒形可转动的炉子，钢壳内衬镁铬质高级耐火材料。炉体支承在托轮上，驱动装置使炉体可在一定范围内正、反向转动。整个炉子沿炉长分为反应区和沉淀区。反应区一侧装设一排风眼。加料口设在炉头端墙上，并设有气封装置，此墙上还安装有燃烧器。沉淀区设有铜锍放出口、排烟用的炉口和熔体液面测量口。渣口开设在炉尾端墙上，此处一般还装有备用的渣端燃烧器。在炉子外壁某些部位如炉口，放渣口等处装有局部冷却设施，一般采用外部送风冷却。反应炉炉体基本结构见图4.４。图4.４诺兰达反应炉示意图4.2.2工艺流程大冶冶炼厂采用的诺兰达熔炼工艺流程如图4.5。图4.5大冶冶炼厂诺兰达熔炼工艺流程诺兰达熔炼对物料粒度和含水要求不严（含水一般为7～9%），不必深度干燥。来源不同的各种铜精矿，与返回的烟尘和炉炉渣浮选所得渣精矿用抓斗进行初步配料。在炉前设有的多个料仓内精细配料，以保证入炉的混合炉料能满足反应炉顺利生产的要求。为了补充熔炼过程热量的不足，在炉料中加入了少量的固体燃料。4.2.3诺兰达熔炼操作数据与技术经济指标序号项目名称单位参数（均值）序号项目名称单位参数（均值）1精矿处理量t/d24949渣产量t/d16929（52包）2风口平均鼓风量m3/h7600010炉渣Fe/SiO21.7～1.83平均富氧浓度O2%36.811渣含SiO2%21～224风口鼓风压力kPa21512烟尘率%4～5①5加煤量t/d4913炉口烟气速度m/s10～176溶剂SiO2含量%65～8014操作温度℃1230～12507溶剂Al2O3含量%1～215锍面高度Mm最低970最高11708铜锍产量t/d806（44包）16渣层厚度mm最低200最高3304.３澳斯麦特熔炼与艾萨熔炼澳斯麦特熔炼法（图4.6A）与艾萨熔炼法（图4.6B）是20世纪70年代由澳大利亚J·M·Floyd领导的研究小组发明，起初以赛洛（该组织的缩写CSIRO）命名的熔炼技术的发展。澳斯麦特/艾萨技术在提取冶金中具有较广泛的应用。锡精矿熔炼、硫化铅精矿、铜精矿熔炼、炉渣烟化、阳极泥熔炼，铅锌渣、镍浸出渣的处理，炼铁以至垃圾焚烧等方面。4.３.1概述澳斯麦特/艾萨法与其它熔池熔炼一样，都是使熔池内熔体-炉料-气体之间造成的强烈搅拌与混合，大大强化热量传递、质量传递和化学反应的速率。澳斯麦特/艾萨法的喷枪是竖直浸没在熔渣层内，喷枪结构较为特殊；炉子尺寸比较紧凑，整体设备简单；工艺流程和操作不复杂；投资与操作费用相对低。图４.６A.澳斯麦特熔炼炉示意图图４.６B.艾萨炉示意图三相卷流运动虽然给炉料的熔化，硫化物氧化和造渣反应创造了很好的动力学条件，但同时也给炉子寿命带来了很大的不利影响。高温和纵横断面同时剧烈搅动的熔体冲刷，加速了炉衬耐火材料损蚀。最短的炉衬寿命只有3～4个月。4.3.2澳斯麦特熔炼炉与艾萨熔炼炉的炉寿命问题当在炉子内创造出合适的温度梯度与流动速度梯度时，就能够比较好地解决炉寿问题。影响炉寿命的关键因素有：1.炉子的内部直径2.影响流动的炉渣物理化学本性3.喷吹特性（风口气流速度、压力及其脉冲频率和喷枪插入深度）4.搅动能量场等。可以通过炉子的几何设计和喷吹过程参数的优化控制来实现减轻炉衬受到的熔体冲刷与腐蚀，从而达到强烈的搅动下获得高生产率与耐火材料寿命延长的统一。云南铜业公司创造了全球艾萨炉第1炉期炉寿命的最高纪录的实践表明了这一点。4.３.3赛洛喷枪的特点与结构澳斯麦特/艾萨熔炼工艺的基础是一种直立浸没式喷枪，称为赛洛喷枪。两种炉型的喷枪构造基本相同。图４.７与图４.８是喷枪的结构示意图。1.燃油2.氧气3.枪空气4.护罩空气5.护罩空气6.氧气7.燃油管8.燃烧空气管图４.7赛洛喷枪与澳斯麦特喷枪结构示意图图４.8澳斯麦特喷枪外型尺寸（单位：mm）喷枪吊挂在喷枪提升装置架上，便于在炉内下降或提升。它采用不锈钢制成，由两根同心内管组成，内管支撑着一组旋流片。一根较小的输油管穿过内管。在部分构造上，澳斯麦特烧煤的喷枪与艾萨喷枪有不同之处。澳斯麦特喷枪有四层，最内层是粉煤和空气，第二层是氧气，第三层是空气，最外层是用于保护第三层套筒壁的套筒空气，同时供燃烧烟气中的硫及其它可燃组分之用，最外层在熔体之上，不插入熔体。艾萨喷枪无第四层套筒。燃料（煤、天然气或油）通过喷枪中心的管子向下供给熔池，并在浸没于熔池中的喷枪头部燃烧，而空气或氧气则通过两根管子形成的环形通道输入，将气体喷射与浸没燃烧结合起来。这个过程中，流过环形通道的气体使喷枪外壁保持较低温度，以使靠近枪壁的液态熔渣冷却而凝结，在喷枪外壁上形成一层固态凝渣保护层。固态凝渣层防止了液态炉渣到达枪表面，使喷枪免受熔池中高温液体的烧损和侵蚀。基于赛洛喷枪的工作原理，该喷枪系统必须满足两个重要条件才能正常运行。一是必需使喷枪的外壁随时保持一层固态凝渣层以免枪壁熔化；二是喷枪壁必需足够冷却。这两个条件是紧密相连的，因为只有喷枪壁面保持低温才能使其外面形成固态凝渣层，使喷枪寿命延长。控制喷枪传热，使喷枪壁传给反应空气的热量足够大，以至枪壁外侧形成一层稳定的固态凝渣层是最有效的措施。为了强化喷枪壁的传热，利用旋流衰减的原理，在枪管内设置了旋流片。4.３.4澳斯麦特/艾萨熔炼工艺流程芒特.艾萨冶炼厂的工艺流程芒特.艾萨冶炼厂的工艺流程如图４.９所示。精矿和大部份熔剂在配料车间混合后，用铲车运往中间储料仓。按需要控制从各中间料仓下来的精矿、熔剂、煤和返料的料流量。这些物料经过一个叶片混合器（搅拌机）混合后，送到制粒机中进行制粒，制好的粒料加入艾萨熔炼炉。粒料的优点是可以大幅度地降低烟尘量。图４.９艾萨冶炼厂的工艺流程从艾萨熔炼炉上部出口出来的烟气经上升烟道通过余热锅炉后进入静电除尘器。从艾萨熔炼炉流出的铜锍和炉渣混合熔体，进入回转式沉清炉分离渣与锍，铜锍送转炉进行吹炼。除尘后的艾萨熔炉烟气和转炉烟气混合在一起，SO2浓度为7.5％，送往酸厂制酸。酸厂尾气经过苏打灰洗涤器后排放。澳斯麦特/艾萨炉的特点之