羅 燦

（中銅東南銅業(yè)有限公司，福建 寧德 352100）

閃速吹煉術(shù)的概念起源于一九七九年，但它到了20世紀(jì)80年代中期與奧托昆普技術(shù)公司合并后，又得到了進(jìn)一步的發(fā)展[1]。閃速吹煉是將熔煉爐中產(chǎn)生的冰銅經(jīng)熔融液水淬，磨細(xì)、晾干后在閃速電爐內(nèi)以富氧空氣或工業(yè)氧氣進(jìn)行吹煉，經(jīng)改變工藝流程后可連續(xù)地、自熱地產(chǎn)出粗銅。與傳統(tǒng)的熱旋轉(zhuǎn)高爐生產(chǎn)方式相比，閃速吹煉高爐既能連續(xù)產(chǎn)出，且該工藝操作在密閉空間中完成，減少了周期性的開風(fēng)、停風(fēng)、進(jìn)料、出渣作業(yè)，互不干擾，完美的避開了熔體在熔煉爐和吹煉爐之間的輸送。這不僅能大幅度提高設(shè)備的作業(yè)率，而且還能有效地控制SO2的逸出，達(dá)到嚴(yán)格的環(huán)保要求。

1 閃速吹煉的基本原理

閃速吹煉法與閃速熔煉在工藝上十分相似，其目的均是為除鐵并脫磺酸基。由于在閃速吹煉中，所處理的主要是粉末狀的銅锍，而極少含有脈石成分，再加上閃速吹煉的氧化程度遠(yuǎn)比閃速風(fēng)量所控制得要快，使得整個(gè)工藝反應(yīng)大部分都在反應(yīng)塔和下面的沉淀罐中進(jìn)行。

反應(yīng)塔的氧化反應(yīng)方程式為：

原料銅锍粉末在進(jìn)入反應(yīng)塔后，利用對(duì)流和輻射在爐中的高溫中獲得了大量熱量，也因此而迅速地增加了金屬粒子的自身高溫，并使金屬微粒在達(dá)到交火點(diǎn)后，與空氣中很快地進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生了大量的高溫，并因此而將自身融化并向周圍環(huán)境放出了巨大的熱量。因?yàn)樵系牧Ｗ映叨群突瘜W(xué)成分均不相同，在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，顆粒較小的冰銅很易被空氣加熱，先著火后進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，但只要保證粒子附近始終有空氣的存在，化學(xué)反應(yīng)就繼續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)物主要為過(guò)氧化物；而粒徑較大的顆粒由于升溫過(guò)程較長(zhǎng)，所以首先著火再進(jìn)行反應(yīng)的時(shí)間相對(duì)落后，而且往往剛著火，周圍的空氣溫度或許就已不足以保證順利反應(yīng)，又或是原先反應(yīng)的熔融物料已經(jīng)包裹隔絕了空氣，或原料已掉落沉淀罐中，導(dǎo)致物質(zhì)主要是欠氧化性而尚未完全發(fā)生氧化，最后掉落沉淀罐中的金屬過(guò)氧化物與欠氧化劑產(chǎn)生交換反應(yīng)，得到了金屬銅，并同時(shí)與造渣的熔劑進(jìn)行了造渣化學(xué)反應(yīng)。

沉淀池的造銅、造渣反應(yīng)方程式為：

沉淀罐的反應(yīng)區(qū)主要集中在反應(yīng)塔下，方爐渣的反應(yīng)層中，距反應(yīng)塔出口大約一米以內(nèi)，當(dāng)反應(yīng)區(qū)完成后，最后階段的沉淀罐仍處于渣銅分離狀態(tài)下，但只有在空氣中的沉淀產(chǎn)物仍會(huì)產(chǎn)生少量的造銅或造渣反應(yīng)。

2 閃速吹煉的優(yōu)點(diǎn)

2.1 投資建設(shè)小，單爐處理能力大

1臺(tái)小尺寸反應(yīng)塔閃速吹煉爐可達(dá)到3～8臺(tái)大尺寸PS轉(zhuǎn)爐的處理量。與此同時(shí)，由于閃速吹煉煙氣小，故制酸設(shè)備及煙氣處理尺寸都比較小。

2.2 生產(chǎn)成本低、生產(chǎn)產(chǎn)率高

閃速爐吹煉高品位冷冰銅，用高濃度富氧通氣，仍能達(dá)到吹煉過(guò)程的自熱。如果閃速吹煉是低壓鼓風(fēng)（10～15kPa），則產(chǎn)生的煙氣量可大幅減低且可減少耐火材料的消耗量，與PS轉(zhuǎn)爐相比，生產(chǎn)成本約可降低10%～20%。隨著閃速熔煉技術(shù)的發(fā)展，采用閃速吹煉工藝，1臺(tái)閃速熔煉爐，產(chǎn)出的銅量可達(dá)30～50萬(wàn)t/a，產(chǎn)率大幅度提升。被公認(rèn)為世界上最清潔的冶煉廠猶他冶煉廠，其年處理銅精礦量高達(dá)110萬(wàn)t/a[2]。

2.3 整個(gè)工藝環(huán)保效果好

有效地避免轉(zhuǎn)爐出口泄露SO2和吊車在輸送冰銅和粗銅的過(guò)程中有煙氣的問(wèn)題，制酸過(guò)程中煙氣量穩(wěn)定，猶他冶煉廠設(shè)計(jì)硫總回收率99.8%，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可以達(dá)到99.9%。山東陽(yáng)谷祥光銅業(yè)有限公司的硫回收率達(dá)到97%，硫的固化率達(dá)到99.18%[3]。

2.4 對(duì)熔煉爐要求低

閃速吹煉爐處理的原料冰銅，熔煉爐均可為艾薩爐、閃速爐、電爐、鼓風(fēng)爐、諾蘭達(dá)爐及澳斯麥特爐等。不比與傳統(tǒng)的三菱法吹煉爐，對(duì)熔煉爐或保溫爐流入的冰銅流量有較高的要求。當(dāng)然，閃速吹煉和其它連續(xù)吹煉一樣，也存在含S偏高(S：0.3%～0.5%)的問(wèn)題，而PS轉(zhuǎn)爐吹煉粗銅一般S的含量在0.05%以下，故陽(yáng)極精煉時(shí)需要有效地增強(qiáng)氧化強(qiáng)度或增加氧化時(shí)間[4]。

3 閃速吹煉技術(shù)的進(jìn)展

世界上第一臺(tái)閃速吹煉爐于1995年在美國(guó)猶他州的肯尼科特銅業(yè)公司投料生產(chǎn)，經(jīng)歷6個(gè)爐期后，爐閃吹爐的壽命延長(zhǎng)到了5年多，第七次爐期的壽命估計(jì)可以達(dá)到7年，很有可能可以達(dá)到10年以上。于2007年9月，第二臺(tái)閃速吹煉爐在我國(guó)的山東省陽(yáng)谷祥光銅業(yè)投產(chǎn)，其第一爐期達(dá)到了3年多?？夏峥铺氐拈W速吹煉自1995年投產(chǎn)以來(lái)，在工藝控制和爐體結(jié)構(gòu)方面的進(jìn)行了多次的整改，其主要整改的部分是冷卻元件的設(shè)計(jì)及耐火磚砌筑方面。

3.1 爐體砌筑結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

肯尼科特閃速熔煉爐的結(jié)構(gòu)和水冷元件的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于奧林匹克達(dá)姆和波蘭KHGM一步銅熔煉爐。但一步法煉銅閃速爐產(chǎn)生的爐渣SiO2含量較高，而閃速爐爐渣主要為鐵氧體、銅鹽和鈣鹽，對(duì)耐火磚具有很強(qiáng)的腐蝕性，流動(dòng)性好。開始投料數(shù)個(gè)月后，沉淀池發(fā)生決口事故，主要是由于操作失誤造成粗銅口的水套燒壞。1999年，由于反應(yīng)塔下端壁下磚浮起，造成銅端壁破口。為了提高爐體的穩(wěn)定性和保護(hù)冷卻元件，2001年進(jìn)行了冷修，對(duì)爐體進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的改進(jìn)[5]：①對(duì)反應(yīng)塔頂部墻體砌筑進(jìn)行了改進(jìn)，降低了耐火磚在頂部墻體上漂浮的風(fēng)險(xiǎn)；②對(duì)側(cè)壁砌筑進(jìn)行改進(jìn)，將拱角砌筑成臺(tái)階狀，并采用爐底耐火磚保護(hù)側(cè)壁水套，防止與熔體接觸。③反應(yīng)器側(cè)爐底結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為“體育場(chǎng)”形式。在爐底側(cè)壁和端壁附近使用長(zhǎng)度為650 mm的耐火磚，使?fàn)t底更高，并將爐底耐火磚壓緊，使磚體穩(wěn)定；④多加了兩個(gè)粗銅排放口，延長(zhǎng)了排放口的停爐檢修時(shí)間。

2004年初，Hatch開始使用底部檢測(cè)技術(shù)，能夠快速檢測(cè)出底部狀況，特別是異常熔體損壞或泄漏[6]。

3.2 改進(jìn)爐體冷卻系統(tǒng)

肯尼科特最開始用的冷卻元件是平板銅水套，在水平面上很難保持掛渣的保護(hù)層，受不住高溫，所以它不能與熔體中的粗銅直接接觸。在1997年的一次大修中，冷卻元件被嵌有蒙乃爾銅鎳合金的Hatch銅水套所取代。耐熱表面設(shè)計(jì)成華夫餅的形狀，罐體內(nèi)部?jī)?nèi)襯耐火磚。冷卻元件耐高溫，可與粗銅熔體直接接觸。在2001年，我們對(duì)冷卻系統(tǒng)作了以下改進(jìn)[7]：①在反應(yīng)塔周圍的沉淀池邊加BIC水套；②加強(qiáng)爐體冷卻的檢測(cè)設(shè)備，在沉淀池側(cè)墻和煙氣區(qū)的水套邊上都安裝水溫差的檢測(cè)器；在反應(yīng)塔和沉淀池的水套上裝嵌入式的熱電偶；在每一個(gè)排放口都裝有流量檢測(cè)器和熱電偶，設(shè)備運(yùn)行前設(shè)定好水溫升溫速度和冷卻水的流速，若出現(xiàn)報(bào)警，則應(yīng)立即停料或降料，停止熔體排放。③將側(cè)墻兩塊水套組合成一整個(gè)大的水套，把水平接縫去掉，以防水套接縫漏銅。通過(guò)完善爐體結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)，穩(wěn)定閃速吹爐的爐體結(jié)構(gòu)，正常運(yùn)轉(zhuǎn)了5年多后，于2006年9月進(jìn)行停爐檢修。在檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，冷卻元件和底爐的耐火磚完好無(wú)損，說(shuō)明實(shí)際的閃速吹煉爐的壽命遠(yuǎn)大于5年。根據(jù)肯尼科特的經(jīng)驗(yàn)，身體顏色的磚和冷卻的設(shè)計(jì)元素陽(yáng)谷祥光和冶煉廠和銅陵也學(xué)會(huì)采用“球場(chǎng)”形狀和加強(qiáng)爐底結(jié)構(gòu)，和冷卻水套采用耐熱鋼和熱表面襯套，可直接接觸。

4 改進(jìn)影響閃速吹煉工藝的因素

4.1 入爐原料的控制

入閃速爐的原料有：冰銅粉、CaO、SiO2、吹煉爐的ESP、燃料、工業(yè)氧氣和鼓風(fēng)等。

閃速吹煉爐對(duì)冰銅的要求比PS的要求高，主要控制的兩個(gè)指標(biāo)為品位和SiO2的含量。①品位。閃速爐對(duì)冰銅的含量要求應(yīng)控制在67%～72%，品位太低，含F(xiàn)eS的含量太高，反應(yīng)放熱大，且造渣量會(huì)變大，渣中含銅量也會(huì)隨之增多。但是冰銅的品位過(guò)高，會(huì)對(duì)爐況和銅的回收率有較大的影響，也會(huì)加大冰銅氣流輸送的難度。②SiO2的含量。冰銅中SiO2的含量需要控制在0.5%以下，若冰銅中SiO2的含量達(dá)到0.6%以上，則渣中SiO2的含量會(huì)高于3%以上，隨之會(huì)形成較多的CaSiO4，造成渣粘，影響渣的流動(dòng)性。入爐的物料對(duì)爐況的影響較大，并且校正周期長(zhǎng)，所以嚴(yán)格控制好爐況是穩(wěn)定運(yùn)行閃速吹煉爐的前提。③粒度。原料冰銅的粒度對(duì)吹煉過(guò)程很重要，一般需要把粒度控制在：+150μm的占比為1%，-150～+75μm占比為9%，-75～+45μm占比為26%，-44μm占比達(dá)到60%～65%。④生石灰熔劑。猶他銅冶煉廠開始用石灰石作溶劑，但由于碳酸鈣分解過(guò)程是吸熱，燃料消耗加大，且生石灰造渣產(chǎn)生的煙量大，后來(lái)就氧化鈣代替了生石灰。⑤石英熔劑。加SiO2是為了將渣中的四氧化三鐵控制在一定的范圍內(nèi)，為了控制渣量，要求石英中SiO2的含量在90%以上。⑥煙灰。加入的煙灰主要為CuSO4，由于分解CuSO4是吸熱反應(yīng)，所以通過(guò)控制煙灰的加入量來(lái)調(diào)節(jié)吹煉爐的熱平衡。

4.2 控制渣型的影響

與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐不同，閃速爐在適宜的溫度下可生產(chǎn)低銅低粘渣。閃速熔煉爐渣相一般為Cao-FeO-Fe2O3-Cu2O四元系，比三元系渣相復(fù)雜。其重要組份為SiO2，如果參數(shù)控制不好，會(huì)導(dǎo)致工藝更加復(fù)雜。閃速吹煉是在強(qiáng)氧化條件下完成的，過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的Fe3O4。與PS轉(zhuǎn)爐不同，閃吹采用的是鐵氧體鈣渣。與硅鐵渣相比，F(xiàn)e3O4的溶解能力更強(qiáng)，可達(dá)20%，且渣中含有大量的Cu2O，大大提高了Fe3O4的溶解能力，雖然反應(yīng)產(chǎn)物中有大量的Fe3O4，但不會(huì)引起Fe3O4的析出。在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)控制閃吹爐渣的主要成分：Cu：18～20、S：0.2～0.3、SiO2：1.5～2.5、Fe：35～42、CaO：16～18、Fe3O4：24～36、CaO/Fe：0.32～0.42。肯尼科特通過(guò)調(diào)節(jié)原料中SiO2的量來(lái)控制爐渣的CaO/Fe比，有效地減低SiO2的影響?？梢约尤肷倭康氖⑹瘉?lái)維持爐子結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定，有效地調(diào)節(jié)物料平衡和熱平衡，加強(qiáng)工藝對(duì)爐結(jié)變化的適應(yīng)能力。為了解決SiO2的問(wèn)題，一般調(diào)節(jié)爐渣的組分和操作的溫度。通過(guò)控制冰銅的配料，有效地降低冰銅夾渣的影響。

4.3 控制爐內(nèi)熔體溫度的影響

通常，沉淀池溫度應(yīng)控制在1250℃，控制范圍為±15℃，但根據(jù)爐結(jié)狀況及渣中As的含量，需要適當(dāng)?shù)靥岣邷囟取t溫可以通過(guò)控制燃料的量和富氧濃度來(lái)達(dá)到，控制溫度最佳的手段是富氧的濃度。使用熱電偶，放在渣和粗銅排放口或沉淀池頂部，可以檢測(cè)溫度，也可通過(guò)液位檢測(cè)桿進(jìn)行目測(cè)觀察。反應(yīng)塔冷卻水帶著的熱量代表反應(yīng)塔熱的變化。

4.4 控制上升煙道和鍋爐爐結(jié)的影響

在閃速爐的運(yùn)行過(guò)程中，上升煙道和爐結(jié)受控起到非常重要的作用。需要嚴(yán)格地把控好熱平衡，還要及時(shí)清理爐體內(nèi)殘留的垃圾，肯尼科特在爐結(jié)控制方面取得了很大的進(jìn)展。實(shí)際上，上升煙道爐結(jié)是可控的，鍋爐根本沒有結(jié)；上升煙道出口爐接口處的爆破可與熔體出口襯里更換同時(shí)進(jìn)行，每周一次。

4.5 控制熔體面的影響

吹渣對(duì)耐火磚有較強(qiáng)的腐蝕作用。耐火磚的內(nèi)襯僅用幾個(gè)月的時(shí)間就基本被腐蝕，導(dǎo)致銅水套與熔體直接接觸。擔(dān)心爐壁上的銅水套與粗銅熔體接觸，造成漏水。操作過(guò)程中，應(yīng)保證拱角磚下方粗銅液面。為防止渣從銅口溢出，必須將銅的最低液位保持在銅口標(biāo)志以上。

4.6 控制粗銅及渣口的影響

粗銅口和出渣口設(shè)有銅水夾套冷卻裝置。銅水套與粗銅熔體接觸，可能發(fā)生漏水。如果經(jīng)常使用氧氣燃燒器，容易燒壞銅水套而發(fā)生事故。由于使用氧氣燃燒器，1995年肯尼科特銅泄漏事故和2010年陽(yáng)谷祥光銅泄漏事故被釀造出來(lái)。為了防止事故再次發(fā)生，兩家冶煉廠制定了嚴(yán)格的操作程序。

4.7 陽(yáng)極精煉

許多冶煉廠最關(guān)心的是用閃速吹爐連續(xù)產(chǎn)出的粗銅，氧化過(guò)程等流程周期長(zhǎng)。肯尼科特于1997年開始使用透氣磚，通過(guò)攪動(dòng)透氣磚，在加料過(guò)程中粗銅里的S大部分已脫除，故還原前的氧化段通常只需10min～30min，有時(shí)都不需要氧化。雖然粗銅中S的含量達(dá)0.4%以上，但是也不會(huì)影響作業(yè)時(shí)間?？夏峥铺夭捎锰烊粴饣煺羝€原，其主要取決于粗銅成分和操作控制，總的還原率可達(dá)到70%～90%以上，600t粗銅還原只需一個(gè)多小時(shí)，大概只要60min～90min，總作業(yè)周期，即氧化→倒渣→還原，用時(shí)不到2.5h。

5 閃速吹煉技術(shù)應(yīng)用的前景

隨著對(duì)環(huán)保的意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，目前對(duì)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求制定越來(lái)越嚴(yán)格，使很多冶煉廠受到了很大的影響。隨著時(shí)代的發(fā)展，銅冶煉廠之間的競(jìng)爭(zhēng)壓力大，各廠不斷引進(jìn)先進(jìn)的工藝、降低生產(chǎn)成本。

5.1 閃速吹煉技術(shù)可以達(dá)到環(huán)保要求，替代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐

閃速吹煉爐可連續(xù)生產(chǎn)，且該工藝操作在密閉空間中完成，減少了周期性的開風(fēng)、停風(fēng)、進(jìn)料、出渣作業(yè)，互不干擾，完美的避開了熔體在熔煉爐和吹煉爐之間的輸送。因而生產(chǎn)過(guò)程中很少有SO2逸出，煙氣量較穩(wěn)定，過(guò)程容易控制，制酸工藝穩(wěn)定。閃速吹煉的煙氣小，產(chǎn)出的SO2量高，可達(dá)到30%～40%，不僅制酸高，而且可以提高S的回收率，有效地降低生產(chǎn)成本?？夏峥铺亻_始用閃速吹煉后，硫的回收率達(dá)到了99.95%，SO2排放量低于800 t/a。

PS吹煉工藝S的回收率要達(dá)到99.9%是很難的，隨著環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)，采用傳統(tǒng)的PS吹煉工藝的難度增加。而閃速吹煉工藝可以滿足環(huán)保要求，讓冶煉廠在環(huán)保方面可以減小壓力。所以從環(huán)保角度出發(fā)，目前，替代PS吹煉工藝的最佳選擇為閃速吹煉工藝。

5.2 閃速吹煉工藝經(jīng)濟(jì)效益明顯

使用傳統(tǒng)的吹煉工藝的冶煉廠，如果想要增加產(chǎn)量，只能增加轉(zhuǎn)爐的數(shù)量。閃速吹煉輸送的冰銅是固態(tài)，所以新建的閃速吹煉工藝在空間上有明顯的優(yōu)勢(shì)，老廠要進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)，最佳的方案是用閃速吹煉工藝替代傳統(tǒng)的PS轉(zhuǎn)爐，這樣不僅有效地提高生產(chǎn)能力，而且還能改善環(huán)境。

5.3 閃速吹煉可以進(jìn)行精礦的直接煉銅及外購(gòu)冰銅的吹煉，優(yōu)化銅生產(chǎn)鏈

隨著選礦工藝的不斷優(yōu)化，銅精礦品位也越來(lái)越高。希望在不久的將來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)礦山中高檔銅精礦的直接銷售。而把低品位的銅礦在小冶煉廠里加工成冰銅后再外售。

相信過(guò)不了多久，高品位的精礦和冰銅可以支撐起一個(gè)很大的市場(chǎng)。目前最經(jīng)濟(jì)的工藝方案為，原料用高品位精礦和冰銅，工藝用閃速吹煉，產(chǎn)出粗銅。近年來(lái)，冶煉廠可以實(shí)現(xiàn)的方案有單獨(dú)把高品位的銅精礦煉成粗銅，有的把高品位的精礦和冰銅混合熔煉成粗銅，還有的把冰銅吹煉成粗銅。工藝改用閃速吹煉，不僅可以提高生產(chǎn)總值，而且可以增加生產(chǎn)組織的靈活性。

5.4 閃速吹煉為銅精礦直接煉銅開辟了新的道路

銅精礦閃速爐直接熔煉與冰銅閃速爐熔煉在工藝上有相似之處。隨著流程的不斷優(yōu)化，對(duì)直接煉銅的銅精礦品位要求越來(lái)越低。由于環(huán)保要求的力度增大，以后傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐的使用越來(lái)越少，但是許多冶煉廠又沒有多余的資金進(jìn)行大規(guī)模的整改，閃速吹煉爐成為了最佳的選擇。