富氧底吹炉熔池炼铜新工艺探讨

富氧底吹炉熔池炼铜新工艺探讨

赵登奇

青海省西宁市青海铜业有限责任公司810000

摘要：本文围绕富氧底吹炉熔池炼铜工艺的相关议题进行了探讨，概述了富氧底吹炉熔池炼铜工艺的特点，分析了富氧底吹炉熔池炼铜的基本原理，论述了富氧底吹炉熔池炼铜原料的配料情况、富氧底吹炉熔池炼铜的热量收入及支出以及富氧底吹炉熔池炼铜工艺参数的控制，旨在不断提升富氧底吹炉熔池炼铜工艺技术水平。

关键词：富氧底吹炉熔池、炼铜、工艺参数

1引言

自上世纪70年代起，我国的炼铜技术也开始从传统的高能耗高排放的工艺逐渐走向节能化环保化的生产工艺。其中之一就是富氧底吹炉熔池炼铜工艺，由于具有节能环保的优势，因而受到冶炼生产企业的青睐，得到越来越普遍的应用。

2富氧底吹炉熔池炼铜工艺的特点

富氧底吹炉熔池炼铜工艺具有诸多的优势，除了具有热量损失少和能源消耗低的优势外，在炼铜的效率和生产成本降低方面也表现突出。如对于冶炼原料具有更强的适应性，像高硫铜精矿、低硫铜精矿、氧化矿等多类型的矿种都能够进行生产，一些在其他炼铜工艺技术中处理效果不好的矿种或矿料在富氧底吹炉熔池炼铜工艺中也有较高的回收率。富氧浓度和高压强度条件下，铜的冶炼效率不但没有收到影响，而且也不容易产生灌枪现象，可以很好地保护氧枪，提高了设备使用寿命，降低了企业成本。此外，由于富氧底吹炉熔池的工艺操作更为简便，整套系统在采用了自动化系统控制之后更利于工作人员掌握和操作，减少了人为造成的偏差和出错率。

3富氧底吹炉熔池炼铜的基本原理

富氧底吹炉熔池炼铜的工艺原理是先将硫化铜或其他含铜矿料混合加入炉内，物料在经过高温加热熔化以及富氧环境下发生理化反应将铜矿料中的铜等有价金属元素富集到液态的冰铜中，之后将冰铜与炉渣进行分离，对炉渣进行再处理进一步收集其中的金属元素。富氧底吹炉熔池炼铜涉及到的主要化学反应为：

2CuFeS2+O2=Cu2S+2FeS+SO2(1)

2FeS2=2FeS+S2(2)

2FeS+3O2=2FeO+2O2(3)

2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2(4)

FeS+Cu2O=FeO+Cu2S(5)

2FeO+SiO2=2FeO·SiO2(6)

FeS+3Fe3O4+5SiO2=5(2FeO·SiO2)+SO2(7)

4富氧底吹炉熔池炼铜原料配料情况

富氧底吹炉熔池炼铜的原料配料根据各企业生产实际情况各有不同，如国外铜精矿、自产铜精矿、国内采购铜矿等。在实际生产中需要针对不同的炼铜原料进行成分的化验之后进行合理配料。

5富氧底吹炉熔池炼铜的热量收入及支出

富氧底吹炉熔池炼铜的热量收入主要以铜矿原料中分解反应中放出的热量为主，而热量的支出一方面被大量的烟气携带走，另一方面炉渣中也会携带较多的热量。此外，水变为蒸气的过程也会吸收一定的热量。

6富氧底吹炉熔池炼铜工艺参数的控制

（一）富氧底吹炉熔池的长径比

由于富氧底吹炉熔池是在炉内完成金属元素的熔炼并实现炉渣的分离，因此可以分为反应区和沉降区。在反应区内为保证反应速率必须保持良好的物料搅拌状态，在沉降区正好相反。为此必须寻找到一个优化的长径比使两个区域能够协同发挥出最大的效能。对于普通的富氧底吹炉熔池，在长径比设置上以4～5范围内为宜。

（二）氧枪的使用寿命

富氧底吹炉熔池炼铜工艺中，氧枪是十分重要的设备部件，不仅为炼铜反应过程提供氧气来源，同时在炉内原料的搅拌过程中也发挥着重要的作用。工艺设计时既要考虑到使氧枪的工作效率提升，而且还要考虑到尽可能延长氧枪的使用寿命，以此来实现提效降本的目标。富氧底吹炉熔池炼铜工艺中氧枪寿命缩减主要是受到长期高温灼烧的影响。在富氧底吹炉熔池炼铜过程中，靠近炉壳位置的氧枪外壁温度仅在100℃附近，而在靠近熔池物料一端的氧枪其外壁温度通常高达1000℃以上。氧枪自身材质在高温富氧环境下会发生反应，一旦缺乏有效的喷嘴冷却措施，氧枪的烧损速率将大大加快。在实际生产中，通过选用耐热性能强的材质来减少烧损，如采用06Cr25Ni20耐热高铬镍不锈钢材质的氧枪来延长设备寿命，保障生产安全和效率。在氧枪的结构方面，行业中主要以槽缝式或套管的形式为主。采用套管式的结构较好地实现了气体在喷管中的快速流动，气体停留时间较短，因此可有效提高生产效率。氧枪气体的喷吹速度不同会影响到气体的温度变化。当氧枪内气体的喷吹速度越高时，气体在流经氧枪的过程中温度降低越快，当氧枪内气体的喷出速度与音速接近或一致时，气体在流经氧枪的过程中温度大约降低50℃。虽然喷吹速度越高会更有利于气体温度的下降，但是考虑到过高的喷吹速度会加剧氧枪喷头的损耗，因此在参数设计时通常将气体喷吹速度设置为音速以下或与音速一致。有人对底吹炉熔池炼铅工艺研究过，当气体在喷枪喷管中的流动速度达到277m/s时，喷枪仅为2天即出现明显的磨损；当气体在喷枪喷管中的流动速度设置为100m/s时，喷枪的磨损情况有明显的改善。说明气体在喷管中流速参数在100m/s～277m/s范围内时喷枪更易加剧磨损。

（三）氧枪的喷口流态

在富氧底吹炉熔池炼铜工艺中，气体的喷口流射状态主要有四种，分别为气泡喷出、射流喷出、射流击穿以及蘑菇头喷出。这几种不同的喷口射流状态在氧枪的喷口处会造成不同的压力。氧枪喷口的压力P2可参考

P2=P0+ρ冰铜H冰铜g+ρ渣H渣g+△P(8)

其中P2、P0分别代表表氧枪出口、进口压力；△P代表偏差，通常情况下取45kPa。

此外，在氧枪喷口以射流喷出时，高速气体会在进入到富氧底吹炉熔池内产生不同的状态，一部分冲击性不强的气体会在氧枪的喷口端区域形成气泡带，这部分气泡带形成4～8Hz的震动频率，对底吹炉熔池底部造成冲击，长期的震动冲击会加速底吹炉熔池底部的损坏，缩减设备寿命，因此在参数设计优化的过程中，工作人员应将氧枪气体喷口流态和底吹炉熔池设备综合考虑，尽量避免出现气泡带震动冲击炉底的情况发生，在提高生产效率的同时尽量延长设备寿命。

（四）氧气在炉内的流动状态

近年来，针对氧枪在富氧底吹炉熔池内的流动状态研究有了很大进展，尤其是随着大型化生产工艺的发展，在很多企业中使用的氧枪数量明显增加，针对这一现状，如何布置氧枪的位置和排列形式成为企业和研究人员集中的焦点。有人对氧枪的双排布置形式和氧枪的单排布置形式作了对比，发现氧枪在双排布置时极易加剧炉体内熔料的沸腾，虽然提高了气体和物料的混合效率，但是在另一方面也增加了对设备的损耗，降低了炉子的寿命。最终结论为在氧枪单排布置的情况下可适当增加氧枪的数量，同时降低每支氧枪送风量，延长氧枪的使用寿命，实现综合效益最大化。

7结语

综上所述，富氧底吹炉熔池炼铜新工艺具有节能环保等诸多的优势。随着该工艺的普及应用，生产企业的技术人员在实际的工艺参数设计中，应该尽可能对相关因素进行全面化和系统化的考虑，使该工艺技术能够不断优化升级，为铜冶炼企业生产效率的提升和运维成本的降低提供有力的基础保障。

参考文献

[1]高富氧底吹池炼铜新工艺，崔志祥，申殿邦，王智，等，《有色金属》，2010（3）

[2]铜冶炼工艺，许并社，李明照，北京：化学工业出版社，2007

[3]铜冶炼，彭秋蓉，长沙：中南大学出版社，2004