鼓風爐煉銅(copper smelting in blast furnace)
銅爐料與熔劑、焦炭在鼓風爐內(nèi)熔煉產(chǎn)出銅锍(或粗銅)和爐渣的銅熔煉方法.銅爐料可以是混捏銅精礦、銅精礦燒結(jié)塊或其他含銅塊料.密閉鼓風爐一般處理經(jīng)混捏的銅精礦料,而敞開式鼓風爐只能處理經(jīng)過制團或燒結(jié)的塊料.根據(jù)爐內(nèi)不同的氣相成分,鼓風爐煉銅可分為氧化煉銅和還原煉銅.氧化煉銅用于處理硫化礦,還原煉銅用于處理氧化礦或再生銅料.
鼓風爐煉銅是一種古老的煉銅方法.這種方法的床能力大,熱效率高,在20世紀30年代以前一直是世界上主要的煉銅方法.在中國,20世紀50年代以前,這種方法幾乎是礦銅生產(chǎn)的唯一方法.傳統(tǒng)的鼓風爐爐頂是敞開的,所產(chǎn)煙氣的二氧化硫濃度很低(約0．5％),難以回收,污染環(huán)境.為了克服傳統(tǒng)鼓風爐的這種弊病,人們曾試圖通過制團的途徑,使銅精礦中的硫保留下來,以集中到鼓風爐中進行氧化,再加上爐頂采取密閉措施,使鼓風爐煙氣中的SO2濃度達到能經(jīng)濟而有效地回收的程度.在工業(yè)實踐中,團礦偶然自燃后,出現(xiàn)塊狀硫化物以及鼓風爐爐壁結(jié)塊中也有硫化物等現(xiàn)象表明,銅精礦可在加壓和加熱條件下發(fā)生固結(jié)作用.于是,在20世紀50年代中期,在日本最先出現(xiàn)了爐頂密閉的密閉鼓風爐熔煉銅精礦的方法即百田法.此法的銅精礦只需加水混捏后即可直接加入爐內(nèi),在爐氣加熱和料柱的壓力作用下,固結(jié)成塊,使熔煉得以順利進行.在鼓風爐煉銅的發(fā)展中,雖然也實現(xiàn)了富氧自熱熔煉,強化冶金過程,并能更有效回收煙氣中的SO2,仍也無法改變鼓風爐煉銅被其他更先進煉銅方法所取代的趨勢.
原理 鼓風爐是一種具有垂直作業(yè)空間的冶金設(shè)備,銅爐料、熔劑和焦炭從爐子上部加料口分批加入,靠其自身重力垂直向下移動,在高溫下,與從爐子下部兩側(cè)風口鼓入的空氣或富氧空氣相遇,發(fā)生各種反應,而達到熔煉目的.熔煉產(chǎn)出的混合熔體進入爐底,通過本床咽喉流入設(shè)于爐外的前床(見電熱前床貧化)內(nèi)進行銅锍與爐渣的澄清分離.爐渣連續(xù)排放,銅锍按轉(zhuǎn)爐吹煉的需要間斷放出.產(chǎn)出的高溫煙氣,通過爐內(nèi)料柱的空隙上升,經(jīng)爐頂排煙口進入排煙收塵裝置.鼓風爐煉銅的一般特征有四.(1)燃料在爐內(nèi)燃燒,爐料與高溫爐氣成逆流運動,因而熱交換條件好,熱利用率高達70％以上.(2)鼓風爐的最高溫度帶集中在風口稍上的焦炭或硫化物激烈燃燒的所謂焦點區(qū),焦點區(qū)最高溫度可達1723K.(3)焦點區(qū)的最高溫度取決于爐渣的熔化溫度和粘度等性質(zhì),以及焦點區(qū)的熱平衡；當爐渣成分一定時,強化燃料燃燒只能增加爐料的熔煉量,而不能提高焦點區(qū)的溫度.(4)在鼓風爐熔煉過程中,氣相與爐料之間的化學反應具有重要意義.
煉銅密閉鼓風爐 一種爐頂具有密封裝置的鼓風爐.將傳統(tǒng)敞開式鼓風爐的煙罩取消,于加料臺平面上安設(shè)一個加料斗把爐口封住,爐氣由加料臺平面以下的排煙口進入排煙收塵系統(tǒng).加料斗中經(jīng)常保持有必要數(shù)量的爐料,特別是致密性較好的混捏銅精礦,以保證爐口密閉.爐子結(jié)構(gòu)的其他部位,與傳統(tǒng)敞開式鼓風爐大體相同.
密閉鼓風爐煉銅 銅精礦加水混捏(見銅精礦混捏)后,按規(guī)定比例配入塊狀的熔劑、轉(zhuǎn)爐渣和焦炭等,按焦炭-轉(zhuǎn)爐渣-熔劑-混捏銅精礦,或轉(zhuǎn)爐渣與熔劑顛倒的順序分批經(jīng)由加料斗加入爐內(nèi).當爐料離開加料斗下口時,塊料自然地向兩側(cè)滾動,混捏精礦沿加料斗下口垂直下降到爐子中心形成精礦料柱.于是爐子兩側(cè)便出現(xiàn)以塊料為主而爐子中央則以混捏精礦為主的狀況,使爐內(nèi)爐料分布不均勻.
由于爐料分布不均勻,爐氣通過兩側(cè)較多,而流經(jīng)中心的則很少.如此,就導致爐子兩側(cè)溫度比爐子中心高,越往上部,這種溫差越大,在接近風口水平時,這種溫差變小.這種狀況有利于混捏銅精礦在爐內(nèi)發(fā)生固結(jié)或燒結(jié)作用,為在鼓風爐內(nèi)直接熔煉銅精礦創(chuàng)造了條件.但另一方面,由于物料的偏析和爐氣分布不均,使爐氣與爐料之間以及爐料各組分之間接觸不良,削弱了硫化物氧化和造渣反應,這是密閉鼓風爐煉銅床能力低[40～50t／(m2•d)]和銅锍含銅品位低的根本原因.
根據(jù)熔煉過程的特點,沿爐子高度可分為預備區(qū),焦點區(qū)和本床區(qū).
預備區(qū) 位于爐子上部,溫度為523～873K至1273～1373K.在此區(qū)域中進行爐料的干燥和預熱,并發(fā)生銅和鐵的高價硫化物離解及碳酸鈣的離解反應.預備區(qū)的氣氛屬于氧化性,部分硫化物被氧化.在預備區(qū)下部,于溫度較高的中央銅精礦柱的交界面上發(fā)生燒結(jié)作用.在料柱里面的銅精礦,受到兩側(cè)上升氣流的間接加熱以及料柱重力的壓力作用,而發(fā)生固結(jié),變成具有一定強度的精礦塊.
焦點區(qū) 此區(qū)溫度最高,為1523～1573K,氣氛屬強氧化性,進行半自熱熔煉的主要反應.幾乎所有的焦炭都是在焦點區(qū)依靠鼓風中的氧來燃燒.在焦點區(qū)內(nèi),被氧化的硫化物主要是FeS,其氧化產(chǎn)物隨即與爐料中的SiO2造渣.此外,在SO2存在的條件下,入爐轉(zhuǎn)爐渣中的Fe3O4和預備區(qū)形成的Fe3O4成為FeS的固體氧化劑,對反應(1)而言,1molO2的熱效應為406kJ；而反應(2),1molO2的熱效應為343kJ,即焦炭燃燒的熱效應大于FeS氧化造渣的熱效應.從熱力學觀點看,在焦點區(qū)焦炭優(yōu)先被氧化.而且,焦炭是以灼熱固體狀態(tài)進入焦點區(qū),在被燒盡以前始終保持固態(tài)不變；而FeS則以熔體狀態(tài)通過焦點區(qū),迅速地向下流動.由于液體硫化物在焦點區(qū)停留時間很短,從動力學觀點看,在焦點區(qū)FeS爭奪鼓風中氧的能力遠遠不如焦炭.所以硫化物的氧化主要在預備區(qū)進行,它在焦點區(qū)被氧化的程度,主要取決于該處的焦炭量,亦即取決于焦率.在工廠的生產(chǎn)實踐中,通過調(diào)整焦率,即可有效地調(diào)節(jié)熔煉過程的脫硫率和銅锍品位.在熔煉熱平衡允許的條件下,要力求降低焦率以增加硫化物的氧化程度,達到提高煙氣中SO2濃度和獲得較高品位銅锍的目的.
本床區(qū) 爐子的風口水平以下部分為本床區(qū),溫度達1473～1523K.熔煉的熔煉產(chǎn)物匯集于此,并連續(xù)地通過咽喉口和流槽流入前床,在前床進行熔煉產(chǎn)物的澄清分離.本床在完成熔煉產(chǎn)物匯集、澄清的同時,還起調(diào)整熔體成分的作用.其中最主要的反應是熔解在爐渣中的Cu2O被銅锍中的FeS再硫化.鼓風強度是影響鼓風爐熔煉的一個重要參數(shù),密閉鼓風爐的基本原料銅精礦是以混捏料的形式加入爐內(nèi),從而限制了鼓風強度.爐料中塊料的比例對熔煉的技術(shù)經(jīng)濟指標有著明顯的影響.
展望 由于氧氣在冶金工業(yè)中的廣泛使用,也給鼓風爐煉銅技術(shù)帶來了新的生機.前蘇聯(lián)的一項硫化銅礦鼓風爐富氧自熱熔煉專利,每噸料在供氧量為300～400m.下進行自熱熔煉,脫硫率高達76％～95％,可以很好地回收原料中的硫,用以生產(chǎn)元素硫和硫酸.中國銅陵有色金屬公司第二冶煉廠于1986年在兩座10m.密閉鼓風爐進行富氧鼓風的生產(chǎn)性熔煉試驗,取得了較好效果.當鼓風含氧30．5％時,同空氣鼓風熔煉相比,床能力和脫硫率分別由42．7t／(m•d)和46．8％,提高到62．4t／(m•d)和57．2％,而焦率則由10．2％降到6．46％.
然而,不論敞口鼓風爐煉銅法還是由它發(fā)展而來的密閉鼓風爐煉銅法,由于其煙氣SO2濃度低,不能經(jīng)濟地回收,能源消耗高,難以大型化等,已陸續(xù)停止使用或被先進煉銅方法所取代.中國的幾家主要密閉鼓風爐煉銅廠也準備用比較先進的煉銅方法取代密閉鼓風爐煉銅法.