圖2 氧氣底吹爐連續(xù)煉銅工藝裝置圖

 

 

    目前,中國已引進世界上最先進的煉銅新工藝有:閃速爐熔煉、艾薩熔煉、奧斯麥特熔煉、諾蘭達熔煉等。國內(nèi)自主創(chuàng)新的有白銀法熔煉、金川合成爐熔煉、東營方圓的氧氣底吹熔煉。后3種都是中國人自己研制的,都具有自主知識產(chǎn)權(quán)。這7種也算世界上較先進的煉銅法。通過多年的實踐,國外的先進技術(shù)尚存不足之處,分述如下:
      1、雙閃速爐熔煉法:
      投資大,專利費昂貴,熔劑和原料先進行磨細(xì)再進行深度干燥,需額外消耗能源這不盡合理。熔爐產(chǎn)出的銅硫需要水碎再干燥再細(xì)磨,工序繁雜。每道工序均難以保證100%回收率,會產(chǎn)生部分機械損失;熱態(tài)高溫銅锍水碎物理熱幾乎全部損失,水碎后再干燥,再加上爐內(nèi)大量水套由冷卻水帶走熱量,熱能利用也不盡合理。銅锍水碎需要大量的水沖,增加動力消耗。破碎、干燥要增加人力和動力的消耗。這些都是多年來該工藝沒有得到大量推廣的重要原因。
      2、艾薩法和澳斯麥特法均屬于頂吹冶煉系列:
      頂吹都要建立高層廠房,噪音大、高氧濃度低煙氣量大、頂吹的氧槍12米長,3天至一周要更換一次,不銹鋼消耗量大、投資大、操作不方便。都用電爐做貧化爐,渣含銅一般大于0.6%不合國情。
      3、三菱法的不足
      4個爐子(熔煉爐、貧化電爐、吹煉爐、陽極爐)自流配置,第一道工序的熔煉爐需要配置在較高的樓層位置,建筑成本相對較高,爐渣采用電爐貧化,棄渣含銅量達0.6%~0.7%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國多數(shù)大型銅礦開采的礦石平均品位,資源沒有得到充分的利用。
      4、諾蘭達和特尼恩特連續(xù)吹煉法,尚在工業(yè)試驗階段。
      諾蘭達是側(cè)吹、要人工打風(fēng)眼、勞動強度很大、風(fēng)眼漏風(fēng)率達10%~15%。有很大噪音、操作條件不好、冶煉環(huán)境不理想。如果掌握不好容易引起泡沫渣噴爐事故。
      綜上所述,讓我們來尋求新的冶煉工藝,在不斷的探索中發(fā)現(xiàn)新途徑。
      氧氣底吹爐煉鉛、煉銅最早是湖南水口山和中國有色工程設(shè)計研究總院共同研發(fā)在水口山進行過半工業(yè)試驗。首先用于煉鉛,產(chǎn)業(yè)化取得成功,繼這之后,中國有色工程設(shè)計研究總院原副院長、總工程師、全國設(shè)計大師蔣繼穆,用在煉銅上,曾找過多家合作,可是誰都不想吃第一只螃蟹。時隔多年,在中國和國際銅市場最好的時候,山東東營方圓銅業(yè)集團董事長崔志祥找到蔣繼穆,提出要搞20萬噸銅、金冶煉,分兩期實施。經(jīng)過多方研討和論證,崔志祥和蔣大師達成協(xié)議,共同開發(fā)“氧氣底吹造锍捕金”熔池熔煉新工藝,產(chǎn)業(yè)化示范工程。
      蔣大師從這項工程設(shè)計開始到投產(chǎn),曾多次到現(xiàn)場進行細(xì)致的調(diào)研,落實科學(xué)發(fā)展觀,對設(shè)計中的每一個參數(shù)和設(shè)備運行數(shù)據(jù)都一一推敲,對“氧氣底吹這項新技術(shù)”,他嘔心歷血,夜以繼日地工作,在嚴(yán)細(xì)上下功夫,不說大話,不說虛話,尊重事實。從點火烤爐,到投料試車,真是令人捏把汗。氧氣底吹爐投料試車一次成功,說明了從設(shè)計、施工到投產(chǎn)、所有工程技術(shù)人員和工廠員工尊重科學(xué),尊重實踐,是百戰(zhàn)百勝的基礎(chǔ),是發(fā)展的源動力。
      在氧氣底吹爐開車時,全流程暢通,蔣大師高興地說:“這是創(chuàng)新第一步,還有很多問題需要逐步去解決,任重而道遠(yuǎn)。”
      目前采用的較為先進的熔煉工藝是可行的,沒有煙氣外逸。就銅的轉(zhuǎn)爐吹煉而言,當(dāng)今世界上90%以上都是采用PS轉(zhuǎn)爐,間斷作業(yè),熔煉產(chǎn)出的銅锍需用銅锍包在車間內(nèi)進行倒運,造成二氧化硫煙氣低空逸散,加上轉(zhuǎn)爐加料及吹煉過程,煙氣難以完全密封,存在不同程度的逸散現(xiàn)象,使PS轉(zhuǎn)爐吹煉作業(yè)的操作環(huán)境很差。這是當(dāng)今銅冶煉面臨的一道世界性難題,各國都在力圖解決這一大問題。我們要想法從源頭上來解決,從取消轉(zhuǎn)爐上下功夫,需在吹煉爐上做文章。
      目前國外有兩種用于工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)吹煉工藝,解決了銅銃在車間內(nèi)倒運等問題。硫的捕集率大于99.8%,較好地解決了銅锍吹煉的低空污染。
      其中,日本研發(fā)的三菱法,采用頂吹爐熔煉,電爐沉降銅锍并對渣進行貧化,再用頂吹爐連續(xù)將銅锍吹煉至粗銅。3個爐子用兩個溜槽連接,實現(xiàn)了連續(xù)煉銅。世界上已有5家這樣的工廠在進行生產(chǎn),是一種投資較少、成本較低的連續(xù)煉銅工藝。
      另一種是美國猶他Kennecott冶煉廠的煉銅工藝,采用閃速爐熔煉、爐渣選礦、銅锍水碎、干燥、磨礦再用閃速爐吹煉成粗銅。
      上述兩種連續(xù)煉銅工藝,雖然解決了吹煉作業(yè)的環(huán)保問題,但還都有不足之外,需要進一步改進提高。
      三菱法由4個爐子(熔煉爐、貧化電爐、吹煉爐、陽極爐)自流配置,第一道工序的熔煉爐需要配置在較高的樓層位置,建筑成本相對較高,另外三菱法的爐渣采用電爐貧化,棄渣含銅量達0.6%~0.8%,遠(yuǎn)高于我國多數(shù)大型銅礦開采礦石的平均品位,資源沒有獲得充分利用。
      閃速連續(xù)吹煉,其缺點是銅锍需要先水碎,再干燥、磨細(xì)后,才能進行吹煉作業(yè),工序繁雜,且每道工序均難以保證100%的回收率,都有少量的機械損失。再者液態(tài)高溫銅锍水碎,其物理熱幾乎全部損失,水碎固態(tài)銅锍的干燥和吹煉過程需要外供熱源,熱能利用不盡合理。銅锍水碎需用大量水沖,加上干燥、破碎,額外增加了人工及動力消耗,致使吹煉成本增加,這也許是多年來該工藝沒有得到大量推廣的重要原因。
      另外還有諾蘭達和特尼恩特連續(xù)吹煉法,尚處于工業(yè)試驗階段。
      通過搞氧氣底吹爐的試驗,找到一種有效方法,解決目前銅冶煉PS轉(zhuǎn)爐吹煉的低空二氧化硫污染問題,同時提供比世界上現(xiàn)有的三菱法、閃速吹煉法等連續(xù)煉銅工藝更先進、流程更短、投資更省、成本更低、回收率更高、綜合利用更好的新的煉銅工藝,是我們面臨的重任。
      蔣繼穆發(fā)明的“氧氣底吹連續(xù)煉銅”法的精髓在于借鑒三菱法的自流配置,利用氧氣底吹的冶煉機理與優(yōu)越性,將熔煉、吹煉、火法精煉三過程,用3個不同的底吹爐連成一體,克服了轉(zhuǎn)爐吹煉的缺點。這樣就可徹底解決世界上目前仍有90%采用轉(zhuǎn)爐吹煉銅锍需在車間吊運的問題。在車間內(nèi)有效根冶了二氧化硫的逸散,和操作中的污染,車間內(nèi)的低空煙害得以消除。這不僅節(jié)省為轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)用的吊車,也取消了多臺轉(zhuǎn)爐占用的大面積廠房,建設(shè)投資,同等條件下省去1/3費用。
      其特征在于,利用氧氣底吹爐熔煉高品位銅锍,高品位銅锍再用底吹爐或我國開發(fā)的連續(xù)吹煉爐吹成粗銅。熔煉過程造高鐵渣,爐渣經(jīng)選礦選出銅精礦返回熔煉,選出鐵精礦出售,渣尾礦出售。吹煉過程造鈣渣,返回熔煉,煙氣經(jīng)凈化后送去生產(chǎn)硫酸。
      這種粗銅冶煉方法,包括以下步驟:
      1、將硫化銅精礦、其他含銅物料和熔劑配料制粒后,加入氧氣底吹熔煉爐中進行熔煉,產(chǎn)出高品位銅锍和熔煉渣,煙氣經(jīng)余熱鍋爐冷卻回收余熱后送至電除塵器凈化除塵,然后送制酸車間生產(chǎn)硫酸。
      其特點在于:
      (1)調(diào)節(jié)氧料比,生產(chǎn)高品位銅锍。銅锍品位控制在68%~70%,以減少后續(xù)銅锍吹煉作業(yè)的負(fù)荷量,同時產(chǎn)出小于70%的銅锍,熔煉渣含銅處于較低水準(zhǔn),可獲得較高的熔煉直收率。
      2)熔煉采用高鐵渣型。通過熔劑配入量,熔煉渣的氧化鐵/二氧化硅(以重量計)控制在2.0~2.2之間,高于三菱法的1.4~1.6的水平,也高于閃速爐的1.6~1.8(用于渣選礦的渣型)。之所以能采用高的鐵硅比造渣,是由于底吹熔煉的反應(yīng)機理是氧氣直接作用于銅锍,銅锍作為氧的載體,生成氧化亞銅與精礦中的硫化鐵反應(yīng)生成氧化鐵,造渣反應(yīng)的氧勢低,不易生成四氧化三鐵,因而爐渣可以采用更高的鐵硅比。反之,三菱法或閃速熔煉法,其反應(yīng)機理是氧氣直接作用于精礦,硫化鐵直接與氧氣反應(yīng),氧勢較高,生成四氧化三鐵的趨勢大,比例高,爐渣發(fā)粘,氧化亞銅在渣中的熔解度增加,不利于渣銅分離。尤其是三菱法,過高的鐵硅比,渣中四氧化三鐵增加,除渣含銅升高外,還有產(chǎn)生泡沫渣的危險。由于氧氣底吹熔煉爐渣四氧化三鐵含量低,可以采用高的鐵硅比造渣,因此,熔煉加入的石英熔劑量相對較少,熔煉物料量減少,渣率低,渣選礦的物料量少,能耗也相應(yīng)下降,隨渣損失的銅量也相應(yīng)減少。
      2、熔煉爐渣選礦
      底吹爐產(chǎn)出的熔煉渣,通過渣包或渣坑,經(jīng)緩冷后送選礦處理,選礦過程包括將渣破碎、磨細(xì)后,浮選選出渣銅精礦、再遴選選出鐵精礦和尾礦。銅熔煉爐渣選礦,國內(nèi)外有成熟技術(shù)。底吹爐渣與諾蘭達熔煉渣類似。大冶處理諾蘭達熔煉渣,可選出渣銅精礦、鐵精礦,產(chǎn)出的尾礦可供水泥配料或制磚,實現(xiàn)了冶煉廠無廢渣。尾礦含銅小于0.35%,較電爐貧化工藝,可提高銅的總回收率0.6%~0.7%。電爐貧化棄渣含銅較好指標(biāo)為0.6%~0.7%,我國銅資源奇缺,原礦含銅0.42%左右的資源仍在開采。該技術(shù)爐渣采用選礦工藝回收殘留銅,銅回收率高,資源得以充分利用,是符合國情的。更何況,采用選礦方法處理每噸渣的單位基建投資和運營成本,與電爐貧化基本持平,因此,從經(jīng)濟角度看,渣選礦也更為有利。
      3、銅锍吹煉
      產(chǎn)自底吹熔煉爐的液態(tài)高溫銅锍,經(jīng)溜槽連續(xù)注入氧氣底吹吹煉爐,從吹煉爐底部連續(xù)送入富氧空氣對高品位銅锍進行連續(xù)吹煉。與此同時,通過料倉,計量皮帶給料機,按計算要求量從爐頂開口連續(xù)加入熔劑石灰石造渣。(也可爐頂不開口,將熔劑石灰或石灰石磨成粉狀,通過料倉、計量皮帶給料機從氧槍與氧氣一起送入爐內(nèi)造渣。)在爐子一端較上部開孔,排放熔煉渣,較下部開孔,設(shè)置虹吸裝置排放粗銅,見圖2。實現(xiàn)連續(xù)加入銅锍、連續(xù)吹煉、連續(xù)加入熔劑、連續(xù)造渣、排渣,并連續(xù)放出粗銅,實現(xiàn)吹煉過程連續(xù)化。其特點有:
      (1)采用底吹爐吹煉。在粗銅、銅锍、爐渣三相共存情況下連續(xù)吹煉,氧通過粗銅傳遞,因此,粗銅的氧勢最高,可確保獲得比其他連續(xù)吹煉含硫量更低的粗銅,并有利于As、Sb、Bi等V族元素的脫除,提高粗銅質(zhì)量。同時底吹吹煉可降低四氧化三鐵的生成量,防止四氧化三鐵沉淀和泡沫渣的生成,爐渣中四氧化三鐵含量低,渣的粘度就低,可降低吹煉渣中氧化亞銅的夾雜量,使渣含銅低于閃速吹煉和三菱法吹煉的渣含銅量,可降到銅小于10%。
      (2)采用高品位銅锍(銅68%~70%)吹煉,吹煉負(fù)荷小,吹煉渣量相對較少。通過調(diào)節(jié)氧槍供氧的氧氮比和供氧壓力(氧氮體積比調(diào)節(jié)范圍為5:5至8:2,供氧壓力調(diào)節(jié)范圍為0.4MPa~0.8MPa)來控制吹煉的反應(yīng)速度,從而可控制吹煉溫度在1220℃~1250℃。
      (3)根據(jù)精礦成分確定吹煉渣型:一般情況下銅精礦脈石含鐵高、含鈣、鎂等堿性元素少,熔煉時需添加熔劑氧化鈣。采用鐵鈣渣型,吹煉渣水碎后返熔煉爐,替代熔煉所需添加的石灰石熔劑。當(dāng)特殊情況下處理含鈣量高的銅精礦(熔煉時不需要添加石灰石熔劑)時,亦可在吹煉爐加石英石造硅鐵渣,經(jīng)緩冷后送渣選礦車間處理。
      (4)底吹吹煉爐,根據(jù)爐子大小,在配制上保持1%~3%的傾斜度,使之銅锍入口端的粗銅層較薄,從噴槍送入的富氧空氣可直接送入銅锍層,進行吹煉反應(yīng),防止產(chǎn)生過量的氧化亞銅。粗銅放出口一端又可保持較厚的粗銅層,為防止與銅锍逆向平衡反應(yīng)而提高粗銅的硫含量,在該端設(shè)置部分爐底透氣磚,送人少量富氧空氣,緩慢進入粗銅層,提高其氧勢,控制粗銅量達標(biāo),避免了三菱法和閃速連續(xù)吹煉法在陽極爐中需要再脫硫,造成陽極爐煙氣需要特殊處理以解決環(huán)保問題。
      (5)底吹爐連續(xù)吹煉,爐溫穩(wěn)定,克服了轉(zhuǎn)爐周期作業(yè)溫度波動過大的缺點,有利于大幅度提高吹煉爐的壽命,降低耐火材料消耗和維修工作量,從而降低煉銅成本。連續(xù)吹煉,煙氣量和煙氣成分(二氧化硫含量)穩(wěn)定均衡,爐體不用經(jīng)常轉(zhuǎn)動,從而降低煉銅成本。連續(xù)吹煉,克服了轉(zhuǎn)爐周期作業(yè)煙氣量和煙氣成分波動大的缺點,有利用制酸,降低酸廠投資。
      (6)熔煉爐至吹煉爐設(shè)置銅锍溜槽,銅锍直接從熔煉爐通過溜槽流入吹煉爐。在聯(lián)接溜槽上設(shè)置保溫?zé)旒訜岜?防止銅锍在溜槽中凍結(jié)。在溜槽一端設(shè)置通風(fēng)煙罩,排除保溫?zé)旌土锊壑秀~锍逸散的煙氣,煙氣經(jīng)脫硫處理后排空?？朔宿D(zhuǎn)爐周期作業(yè)時,用吊包車在車間內(nèi)倒運銅锍,銅锍中二氧化硫大量無組織逸散,造成嚴(yán)重的二氧化硫低空污染,惡化車間操作環(huán)境。采用底吹爐連續(xù)吹煉銅锍,全系統(tǒng)硫的捕集率大于99.8%,可確保全廠清潔生產(chǎn)。
      冶煉車間配置
      熔煉采用自高至低的流水線布置法,避免高溫熔體在車間內(nèi)倒運,這有利于連續(xù)生產(chǎn),有利于過程自動化控制和提高勞動生產(chǎn)率。
      混合料經(jīng)圓盤制粒后,用加料皮帶送至底吹熔煉爐,銅锍經(jīng)溜槽自流至底吹吹煉爐、粗銅由吹煉爐經(jīng)溜槽自流至陽極爐,陽極銅經(jīng)溜槽自澆鑄成陽極,完成粗銅冶煉全過程液態(tài)熔體全部自流的配制布局,其主體工藝設(shè)備布局示意圖如圖2。
      由于采用底吹噴槍而不是頂吹噴槍,另外沒有沉降電爐,沒有很高的電爐電極,因此大大降低了廠房高度,比三菱法的廠房高度要低10米左右。
      總之,該工藝具有以下顯著的特點:
      (1)底吹熔煉能采用高鐵硅比渣型,同等規(guī)模的工廠熔煉物料量及渣量相對較少;
      (2)爐渣采用選礦處理,銅總回收率高,爐渣全部綜合利用,實現(xiàn)無廢渣冶煉;
      (3)采用底吹連續(xù)吹煉,粗銅質(zhì)量高、含硫低,陽極爐煙氣不用脫流;
      (4)采用自流配置,避免了銅锍倒運,車間布局緊湊,能實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。
      上述特點保證了工廠建設(shè)投資省、金屬回收率高、產(chǎn)品成本低、資源綜合利用水平高,綜合能耗低、作業(yè)環(huán)境優(yōu)良等優(yōu)點,為世界最先進的煉銅工藝。