李秀軍 摘譯

(山東東營(yíng)方圓有色金屬有限公司， 山東 東營(yíng) 257000)

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國(guó)外工程技術(shù)

Savard-Lee雙重套管?chē)娮煸阡撹F冶金和有色冶金行業(yè)應(yīng)用發(fā)展綜述

李秀軍 摘譯

(山東東營(yíng)方圓有色金屬有限公司， 山東 東營(yíng) 257000)

鋼鐵冶金和有色冶金的主要相似點(diǎn)：都在高溫條件下進(jìn)行，并且都是熔融狀態(tài)，所以冶金學(xué)者堅(jiān)信一些有色冶金技術(shù)可以從鋼鐵冶金技術(shù)改造而來(lái)，反之亦然。薩- 李(Savard-Lee)雙重套管?chē)娮炀褪沁@樣一種技術(shù)。本文對(duì)采用雙重套管?chē)娮斓闹饕苯鸸に囘M(jìn)行了闡述。這些工藝主要包括鉛、銅熔池熔煉工藝(QSL法，SKS法)，銅、鎳熔池吹煉工藝，銅火法精煉工藝(吹入O2/N2/H2)和鉛- 銀灰吹工藝(BBOC)。作者著重強(qiáng)調(diào)了薩- 李雙重套管?chē)娮烊绾螐难鯕獾状典撹F冶金(OBM)應(yīng)用到有色冶金中。

雙重套管?chē)娮欤?有色冶金； 綜述

1992年，Mackey和Brimacombe 在一篇文章中介紹了加拿大的Guy Savard和Robert G.H. Lee在1966年如何利用他們發(fā)明的富氧雙重套管?chē)娮熳V寫(xiě)冶金歷史，這種雙重套管?chē)娮旌髞?lái)被命名為薩- 李(Savard-Lee)噴槍。這個(gè)發(fā)明迎來(lái)了氧氣底吹工藝的應(yīng)用，這對(duì)于70年代鋼鐵冶金是一次革命。薩-李噴槍對(duì)有色冶金有著重要的影響，因?yàn)樗醒鯕獾状倒に嚨娜蹮捄痛禑挾家捎盟_- 李噴槍?zhuān)且苯馉t至關(guān)重要、必需的部件。

1 薩- 李(Savard-Lee)雙重套管?chē)姌尠l(fā)明簡(jiǎn)介

1947年到1966年，薩- 李雙重套管?chē)姌尩难芯砍掷m(xù)了近20年。1947年，年輕的Robert G.H. Lee(加籍華人李甘棠)剛從邁克吉爾大學(xué)畢業(yè)就加入了加拿大液空公司。經(jīng)過(guò)幾年的研究，通過(guò)與法國(guó)液空公司的Etienne Spire先生合作，在加拿大礦業(yè)統(tǒng)計(jì)局前身(現(xiàn)CANMET)的支持下，發(fā)明了多孔塞并且應(yīng)用于鋼包冶金。

1951和1956年，頂部浸沒(méi)式氧槍和底部噴入式氧槍的試驗(yàn)分別在鋼鐵廠和鑄造廠進(jìn)行，并在1954—1955年間取得了重大突破，即氧壓在4 825 kPa條件下，在底部噴槍的頂端發(fā)現(xiàn)了一個(gè)保護(hù)性的蘑菇頭狀增生物。1955年，加拿大渥太華國(guó)際研究委員會(huì)開(kāi)展了水- 氣物理模型，第一臺(tái)底吹反應(yīng)器誕生了，并于1956年在DOSCO冶煉廠運(yùn)行。這個(gè)底吹反應(yīng)器在生產(chǎn)過(guò)程中底部噴槍可生成蘑菇頭，如圖1所示。1958年，針對(duì)氧氣煉鋼，授予Savard和Lee一個(gè)專(zhuān)利。

圖1 (a)第一個(gè)氧氣底吹反應(yīng)器；(b)在噴槍頂端有蘑菇頭生成

1957到1962年間，北美和歐洲對(duì)這個(gè)技術(shù)做了各種論證，但是沒(méi)有得到任何工廠的應(yīng)用。1963年，加拿大液空公司組建了一個(gè)研發(fā)小組，主要致力于氣體噴射的研究，放棄了那些不愿承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的鋼鐵廠和鑄造廠。研發(fā)小組的第一個(gè)創(chuàng)新就是K-反應(yīng)器(以它的設(shè)計(jì)者Bob Kottmeier命名)，一個(gè)可以進(jìn)行底吹、側(cè)吹、頂吹的多功能反應(yīng)器，如圖2所示。

圖2 1964年新建K-反應(yīng)器示意圖

研發(fā)小組的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)可商業(yè)化、可廣泛應(yīng)用的噴槍?zhuān)⒛茉诳尚械难鯄合虏僮?。雙重套管的早期試驗(yàn)始于1964年，試驗(yàn)初期是采用頂部浸沒(méi)式吹氧，取得成功后，采用簡(jiǎn)易安全的噴槍開(kāi)展底部噴入試驗(yàn)，如圖3所示。選擇甲烷和丙烷作為保護(hù)氣體，這樣可以在噴槍頂部產(chǎn)生蘑菇頭。

圖3 1964年為早期底吹試驗(yàn)設(shè)計(jì)的Savard-Lee噴槍

1965年6月，薩- 李型雙重套管氧槍誕生了，并在1966年7月18日，被授予發(fā)明專(zhuān)利。1967年12月17日，一個(gè)改造后的托馬斯轉(zhuǎn)爐第一次工業(yè)化生產(chǎn)試驗(yàn)在德國(guó)Maxhütte進(jìn)行，規(guī)模20 t。薩- 李型雙重套管氧槍給Maxhütte舊托馬斯轉(zhuǎn)爐帶來(lái)了很大改進(jìn)，創(chuàng)造了氧氣底吹冶金工藝，1972年12月19日授予了Maxhütte公司和Air Liquide公司專(zhuān)利。

2 氧氣底吹冶金工藝中薩- 李型雙重套管?chē)姌尩脑O(shè)計(jì)

1965年，Savard和Lee第一次進(jìn)行了同心噴槍的測(cè)試，同心噴槍由內(nèi)徑3.2 mm、外徑8.7 mm的銅管和內(nèi)徑11.9 mm、外徑15.9 mm的不銹鋼管組成，與1966年原始的法國(guó)專(zhuān)利中關(guān)于噴槍的描述和試驗(yàn)設(shè)計(jì)尺寸相近，而1972年Maxhütte專(zhuān)利中噴槍的尺寸更大，以便處理30 t工業(yè)規(guī)模的鋼水。表1列出了兩個(gè)專(zhuān)利的比較。一個(gè)完整的工業(yè)化氧氣底吹冶金反應(yīng)器的典型規(guī)模>200 t。

3 QSL—Savard-Lee噴嘴在有色冶金行業(yè)的第一次使用

直到1981年，新建了一個(gè)處理能力為200 t/d粗鉛的示范性工廠，于1986年投入運(yùn)行。在整個(gè)示范生產(chǎn)過(guò)程中只有一種S-噴槍設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示。在壓力500～1 500 kPa情況下，通過(guò)試驗(yàn)分別確立了最佳的氧氣和氮?dú)饬髁康臉?biāo)準(zhǔn)。在80年代后期與90年代初期，那些詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)成為進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)采用大型S-噴槍的設(shè)計(jì)依據(jù)。最終，將氧氣流區(qū)域切分成很多小孔，并且在管道周邊的環(huán)形邊上設(shè)有很多通道，如圖4(b)所示，保護(hù)氣體通過(guò)通道的外環(huán)噴入。

表1 各種氧氣底吹反應(yīng)器中Savard-Lee噴槍的設(shè)計(jì)

圖4 S噴槍設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：(a) 1981—1986年間德國(guó)杜伊斯堡QSL示范工廠采用的噴槍結(jié)構(gòu)； (b)QSL工業(yè)化反應(yīng)裝置的噴槍結(jié)構(gòu)

在示范生產(chǎn)過(guò)程中，K-噴槍的設(shè)計(jì)從簡(jiǎn)單到精細(xì)有了很大改變。這種新噴槍由3個(gè)同心管組成，煤粉和空氣從中心管道噴入，氧氣從內(nèi)部環(huán)形空間通入，保護(hù)氣體從外部環(huán)形空間噴入。可拆卸的陶瓷管用于最里層管道，可防止固體煤噴射產(chǎn)生的磨損。最終用于工業(yè)化生產(chǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示，氮?dú)?、霧化水、烴類(lèi)氣體的混合物起到冷卻作用。

圖5 QSL工業(yè)化反應(yīng)裝置的K噴槍設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

4 造渣吹煉反應(yīng)裝置與采用液空套管?chē)娮斓幕舨┛限D(zhuǎn)爐

4.1 液化空氣雙重套管(ALSI)技術(shù)

這種薩- 李型噴槍能夠充分利用28%的氧氣濃度操作優(yōu)勢(shì)，并不增加耐火材料磨損，在噴槍頂端形成了一個(gè)保護(hù)性的蘑菇頭(增生物)，消除了打風(fēng)口的操作。雙重套管的內(nèi)部管道通入的是富氧空氣，環(huán)形通道通入氮?dú)?或其他惰性氣體、烴類(lèi)氣體)。

1992—1993年間，在比利時(shí)聯(lián)合礦業(yè)霍博肯冶煉廠進(jìn)行了銅吹煉的首次試驗(yàn)。雖然試驗(yàn)取得了積極成果，但由于1994年生產(chǎn)流程的改造,導(dǎo)致ALSI技術(shù)在霍博肯冶煉廠沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。1995年，艾薩頂吹爐的應(yīng)用取代了焙燒爐、燒結(jié)廠、鼓風(fēng)爐和霍博肯轉(zhuǎn)爐。

1997—1999年間，在加拿大鷹橋公司的冶煉廠進(jìn)行了鎳吹煉的第一次示范性生產(chǎn)，運(yùn)行非常成功，并得出重要結(jié)論，其中一點(diǎn)是，在30%～40%氧濃度條件下雙重套管?chē)姌寣?duì)耐火材料的侵蝕要優(yōu)于或等同于21%～23%氧濃度條件下的傳統(tǒng)噴槍。這次生產(chǎn)取得的結(jié)果促使鷹橋公司將ALSI技術(shù)應(yīng)用到P-S轉(zhuǎn)爐，即造渣吹煉反應(yīng)器(SMC)。

4.2 鎳吹煉過(guò)程采用ALSI技術(shù)進(jìn)行造渣吹煉(SMC)的反應(yīng)裝置

SMC反應(yīng)裝置規(guī)格φ4×17 m，類(lèi)似于PS轉(zhuǎn)爐。SMC的作用是通過(guò)吹風(fēng)氧化大部分鐵和硫，剩余的由PS轉(zhuǎn)爐完成，而吹風(fēng)具有高腐蝕性的性質(zhì)要求噴射技術(shù)能夠減小風(fēng)嘴處耐火材料的侵蝕，確保反應(yīng)裝置的實(shí)用性。ALSI技術(shù)能夠在高富氧條件下操作，并確保風(fēng)嘴所必需的壽命。

4.3 銅吹煉過(guò)程中采用ALSI技術(shù)的霍博肯轉(zhuǎn)爐

泰國(guó)銅冶煉廠設(shè)計(jì)產(chǎn)能為16.5萬(wàn)t陰極銅/年，精礦經(jīng)混合后在特尼恩特爐熔煉，產(chǎn)出高品位的銅锍或白銅锍，白銅锍在霍博肯轉(zhuǎn)爐中吹煉產(chǎn)出粗銅，最后在兩個(gè)陽(yáng)極爐中精煉，再進(jìn)行澆鑄和電解。該廠的三臺(tái)轉(zhuǎn)爐都配備了采用富氧音速?lài)姌尩腁LSI技術(shù)。

5 帶有雙重套管風(fēng)嘴的再生銅火法精煉

根據(jù)歐洲和北美生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，再生銅精煉廠應(yīng)用雙重噴槍是明智的做法。同樣的雙重噴槍用于交替噴入氧氣和氫氣進(jìn)行氧化和還原反應(yīng)。在氧化過(guò)程中，中心管通入的富氧空氣(80%O2)達(dá)到音速，氮?dú)庖惨砸羲偻ㄈ氲江h(huán)形區(qū)域。在還原階段，含有氮?dú)獾臍錃?75%H2)以音速通入到中心管道，而氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體通入到環(huán)形區(qū)域。氣門(mén)結(jié)構(gòu)和流量控制系統(tǒng)安全的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)就是用氮?dú)獯祾咧行墓艿?～2分鐘，這樣可以消除爆炸風(fēng)險(xiǎn)。吹掃結(jié)束后，將進(jìn)行新的氧化精煉周期。

6 BBOC-氧氣底吹分銀爐

80年代初期，為了尋找能夠替代鉛銀灰吹工藝的分銀爐，不列顛精煉金屬有限公司(BRM)研發(fā)了氧氣底吹轉(zhuǎn)爐(BBOC)。1986年，BRM公司安裝了第一臺(tái)商業(yè)規(guī)模反應(yīng)裝置—3 t底吹轉(zhuǎn)爐。類(lèi)似于20年前Savard和Lee開(kāi)展的研究，BBOC研發(fā)最初的原因就是希望使用純氧使灰吹工藝快速進(jìn)行。

7 銅、鉛冶煉的SKS工藝

80年代，中國(guó)水口山礦務(wù)局開(kāi)展了高強(qiáng)度熔池熔煉的初步研究，1991年完成了年產(chǎn)3 000 t粗銅的半工業(yè)試驗(yàn)。并在1994年申請(qǐng)氧氣底吹銅冶煉工藝的專(zhuān)利，這就是現(xiàn)稱(chēng)為水口山(SKS)的煉銅工藝。

1999年湖南省水口山礦務(wù)局第一次進(jìn)行了SKS鉛冶煉技術(shù)半工業(yè)試驗(yàn)，2001年開(kāi)展工業(yè)設(shè)計(jì)和建設(shè)，2002年成功運(yùn)行。SKS鉛冶煉工藝是第一次將氧氣底吹技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，從那以后，中國(guó)有30多家鉛冶煉企業(yè)采用了SKS煉鉛工藝。

圖6 東營(yíng)方圓公司SKS煉銅爐

2001年，SKS煉銅工藝第一次被采用，并于2008年在越南生權(quán)銅聯(lián)合企業(yè)第一次實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。該技術(shù)的第二次(較大規(guī)模)應(yīng)用是在2008年中國(guó)東營(yíng)方圓有色金屬有限公司，生產(chǎn)規(guī)模從年產(chǎn)3 000 t粗銅擴(kuò)展到年產(chǎn)10萬(wàn)t粗銅。第一臺(tái)SKS煉銅爐安裝在越南生權(quán)銅聯(lián)合企業(yè)，尺寸是φ3.1 m×11 m，生產(chǎn)規(guī)模是年產(chǎn)10 000 t粗銅。而東營(yíng)方圓底吹爐規(guī)格是φ4.4 m×16.5 m，年產(chǎn)10萬(wàn)t粗銅。東營(yíng)方圓底吹爐氧槍分兩排布局，一排4支氧槍?zhuān)硪慌?支氧槍?zhuān)?jiàn)圖6。

在1994年中國(guó)專(zhuān)利中，SKS爐子的氧槍有兩種設(shè)計(jì)：①氧氣和空氣預(yù)先混合，由單管?chē)娚?，②同心管結(jié)構(gòu)，中心管道通入氧氣，環(huán)形區(qū)域通入空氣作為保護(hù)氣體，見(jiàn)圖7。1999年，ENFI的李誠(chéng)等人設(shè)計(jì)了噴槍?zhuān)糜赟KS銅冶煉半工業(yè)試驗(yàn)爐，這種噴槍采用同心管，中間通氧氣，環(huán)形區(qū)域通壓縮空氣起到冷卻作用。

圖7 SKS爐的原始噴槍設(shè)計(jì)圖

據(jù)報(bào)道，空氣和氧氣比例可調(diào)節(jié)，富氧空氣濃度高達(dá)50%。氧氣和冷卻氣體壓力分別是0.5～0.7 MPa和0.6～0.8 MPa，使用空氣作為保護(hù)氣體降低了工業(yè)氧氣量的要求(需要供氧量較低的制氧站)，同時(shí)也能在噴槍頂端生成保護(hù)性增生物(蘑菇頭)。

2007年，張振民等人發(fā)明的專(zhuān)利設(shè)計(jì)的噴槍也像齒輪，見(jiàn)圖8。據(jù)專(zhuān)利中描述，圖8中124指示的外環(huán)區(qū)域有著冷卻作用，起到保護(hù)作用的是氮?dú)夂挽F化水而不是壓縮空氣。方圓有色金屬有限公司和ENFI在2013年銅會(huì)的手稿和演示文稿中闡述了SKS工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)行特點(diǎn)。

圖8 SKS爐同心管?chē)姌尳Y(jié)構(gòu)

2009年，ENFI公司蔣繼穆在武漢舉行的ICSG會(huì)議中對(duì)氧氣底吹銅冶煉技術(shù)提出了新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也提出了該技術(shù)的不足之處和未來(lái)發(fā)展的潛力。近來(lái)，尉克儉在2013年他申請(qǐng)的專(zhuān)利中介紹了底吹銅吹煉工藝，其中說(shuō)明采用氮?dú)饪梢岳鋮s噴槍?zhuān)⑶铱梢蕴峁┐禑捜鄢財(cái)嚢璧膭?dòng)力。底吹吹煉工藝將是有色冶金未來(lái)發(fā)展的另一個(gè)領(lǐng)域。

8 結(jié)論

由于薩- 李型套管氧槍可以在富氧條件下運(yùn)行，

它將增強(qiáng)側(cè)吹的諾蘭達(dá)爐,特尼恩特爐和PS轉(zhuǎn)爐的熔煉強(qiáng)度,因此可獲得節(jié)能增效的效果。在當(dāng)今加強(qiáng)環(huán)保意識(shí)、遵守法律法規(guī)的時(shí)代下，減少氣體排放、控制砷等揮發(fā)性雜質(zhì)的產(chǎn)生已使工藝向現(xiàn)代化、集約化發(fā)展。

雙重套管技術(shù)的革新是實(shí)現(xiàn)集約化的必然選擇，并且相比ALSI技術(shù)的管中管設(shè)計(jì)，或QSL型多重管設(shè)計(jì)，這種噴槍更簡(jiǎn)單，選擇連續(xù)的環(huán)形空間還是選擇槽環(huán)設(shè)計(jì)取決于冶金工藝的需求，尤其在特定熔池化學(xué)反應(yīng)中，通過(guò)控制氣體流速和富氧濃度來(lái)獲得期望的工藝強(qiáng)度。噴槍的設(shè)計(jì)，特別是噴槍環(huán)形間隙和凹槽尺寸的大小對(duì)于噴濺情況和使用壽命很關(guān)鍵。在開(kāi)展高強(qiáng)度噴射設(shè)計(jì)中，關(guān)于可壓縮流體流動(dòng)能力、熔融金屬中氣體噴射的知識(shí)和噴槍設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)及運(yùn)行是工程公司要主要考慮的。

雙重套管的設(shè)計(jì)確保了冷卻作用的合理性：但不要冷卻過(guò)度,以免形成保護(hù)性的增生物過(guò)大、孔隙度過(guò)低。每支氧槍的高氧濃和每個(gè)爐子少的氧槍數(shù)量是采用雙重套管技術(shù)的最優(yōu)方案。超達(dá)公司鎳冶煉廠已經(jīng)掌握了實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于熔池熔煉，高富氧濃度等同于高熔煉率，加拿大霍恩冶煉廠的諾蘭達(dá)爐的實(shí)踐證明了這一點(diǎn)。早在1973年初始設(shè)計(jì)中就是采用空氣，每天處理720 t原料。在富氧濃度40%的情況下，處理量可增加至每天2 800 t。進(jìn)一步強(qiáng)化熔煉效率，氧濃度超過(guò)50%，必然會(huì)成為現(xiàn)代冶煉廠的發(fā)展常態(tài)，如SKS工藝。

略)

申殿邦 校閱(摘編)

蘇平 校對(duì)

The Savard-Lee shrouded injector: a review of its adoption and adaptation from ferrous to non-ferrous pyrometallurgy

Translated selectively by LI Xiu-jun

Pyrometallurgical processes for iron and base metals present major similarities since they occur at high temperatures and in molten state. Pyrometallurgists, therefore, have long believed that some technologies from ferrous metallurgy could be beneficially adapted (and transferred) to non-ferrous metallurgy, and vice versa. The Savard-Lee shrouded injector is one such technology. This paper provides a review of key non-ferrous pyrometallurgical processes that have innovatively adapted and implemented the shrouded injector concept. Such processes include bath smelting of lead and copper (QSL, SKS), bath converting of copper and nickel, copper pyro-refining (O2/N2/H2injectors) and lead-silver cupellation (BBOC). The authors highlight how the Savard-Lee injector was adapted from its original steel refining design for oxygen bottom metallurgy (OBM) into new designs for non-ferrous applications. preoccupations.

shrouded injector; non-ferrous pyrometallurgy; review

李秀軍(1983—)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士，從事有色冶金技術(shù)生產(chǎn)工作。

2014-- 12-- 17

TF81

B

1672-- 6103(2015)02-- 0001-- 05