奧圖泰閃速爐直接煉銅
1)方法簡介
奧圖泰閃速爐直接煉銅以硫化銅精礦為原料生產(chǎn)金屬銅，是一個單純的氧化過程，從原理上講，在一座爐內(nèi)一步氧化得到粗銅是可能的，這也是銅冶金工作者長期追求的目標(biāo)。但由于銅精礦含鐵較高，這些鐵在煉銅過程中，會氧化為FeO.(FeO或FeOa)與SiO造渣，一般生產(chǎn)1t銅產(chǎn)出2~5t爐渣。在爐內(nèi)氧化生成金屬銅的高氧勢下，CuO和FeO的活度急劇增大，會造成渣含銅高、爐渣熔點高、黏度大、Fe、O過飽和析出等問題發(fā)生。因此，在實際工藝中，將過程分為熔煉和吹煉2個工序，分別在2座爐內(nèi)進行;傳統(tǒng)的P-S轉(zhuǎn)爐吹煉，又分為造渣期、造銅期間斷操作。這種方法對火法煉銅的主要原料————黃銅礦型銅精礦合理。但也有一些特殊類型的銅礦，如輝銅礦(CuS)型和斑銅礦(CuFeS)型，這些礦山產(chǎn)出的銅精礦具有高銅低鐵的特點，類似較高品位的銅锍，冶煉中產(chǎn)出的渣量少，采用一步直接氧化得到粗銅更為合理。針對這類銅精礦，奧圖泰公司自20世紀(jì)60年代開始發(fā)展了閃速爐一步直接生產(chǎn)粗銅的方法(Direct to blister copper process，DB process)，截至目前，已在波蘭 Glogow Ⅱ(1978年)、澳大利亞Olympic Dam(1998年)、贊比亞KCM Nchanga(2008年)3家煉銅廠得到工業(yè)應(yīng)用。
用于直接煉銅的閃速爐結(jié)構(gòu)與一般奧圖泰閃速熔煉爐大致相同，但由于爐內(nèi)直接生成粗銅，其比重高、滲透性強，在側(cè)墻、爐底、水冷元件、放銅口結(jié)構(gòu)及配置上有多方面改進，其與閃速吹煉爐應(yīng)有很多相互借鑒之處。
圖3-35為閃速爐直接煉銅工藝流程圖。銅精礦干燥至含水0.3%，與熔劑(SiO、CaO)、返回的煙塵配料混合后，通過中央噴射型噴嘴與富氧空氣(O80%左右)一起噴灑到閃速爐反應(yīng)塔中，在1400℃高溫下發(fā)生生成粗銅及爐渣的物理化學(xué)反應(yīng)。熔融產(chǎn)物下落到沉淀池中分離為粗銅和爐渣，分別從排渣口和排銅口定期排出。粗銅通過流槽排入陽極爐精煉，爐渣經(jīng)流槽排入電爐貧化。SO煙氣及煙塵通過直升煙道進入余熱鍋爐、電收塵，回收余熱和煙塵，再經(jīng)動力波洗滌、電除霧后制酸。爐渣含銅高，根據(jù)渣型不同，在14.4%和22.5%之間，主要以CuO存在，少量為金屬銅。爐渣貧化電爐中有一層0.25m厚的焦炭，在高溫還原性條件下，CuO得以還原。此外，F(xiàn)eO么也會部分還原，使得爐渣性能改善，有利于粗銅顆粒從渣中沉淀分離。貧化電爐產(chǎn)出的粗銅，定期通過流槽加入陽極爐。貧化后的爐渣，依據(jù)渣含銅高低直接棄去或進一步選礦處理。
圖3-35 閃速爐直接煉銅工藝流程圖
由于3家直接煉銅廠銅精礦含鐵量及脈石成分存在差異，它們所采用的爐渣體系并不一致，如表3-12所示。由于精礦中含SiO較高，因此，直接煉銅不能像連續(xù)吹煉一樣，以Ca0為主要熔劑，造鐵酸鈣爐渣。Olympic Dam(OD)銅精礦Fe含量在6%~12%，爐渣m(Fe)/m(SiO)為2，因而使得渣量較小，在該爐渣體系中，鐵尖晶石接近飽和。Glogow Ⅱ(KGHM)精礦Fe含量約為3%，但其SiO、CaO、MgO、Al，O等脈石總含量高達42%~50%，熔煉中未添加任何熔劑，而采用高SiO、CaO的自熔渣型，因此爐渣量較少。
由表3-12可見，Glogow Ⅱ爐渣的m(Fe)/m(SiO)僅為0.2，含 CaO 高達14%，還含有9.4%的AlO和6.2%的MgO，鈣硅石(wollastonite)有可能從爐渣熔體中過飽和析出。該渣型中Cu0活度系數(shù)較大，因而渣含銅較低。贊比亞KCM礦鐵含量較波蘭Glogow Ⅱ高得多，且含有較高的SiO和MgO，為降低爐渣熔點，必須添加一定量的CaO。
表3-12 幾家閃速爐直接煉銅及連續(xù)吹煉廠爐渣組成爐渣
2)技術(shù)特點
①高效環(huán)保。將熔煉、吹煉合并在一座冶金爐內(nèi)進行，在生產(chǎn)效率、能耗和環(huán)保等幾個方面，都有明顯優(yōu)勢。銅冶煉能耗在150kgce/t以下。SO排放量應(yīng)比雙閃法工藝更低，小于2kg/t銅。
②投資及運行費用低。據(jù)測算，投資及運行費用均比傳統(tǒng)工藝低20%左右。③通過精確控制料/O比，控制爐內(nèi)只有爐渣和粗銅2個熔體相，無CuS相存在，不易生成泡沫渣。粗銅含硫低于1%，即可確保不會生成Cu，S相。奧圖泰閃速爐利用銅精礦失重加料器、中央擴散精礦噴嘴等裝置，對料/O比實現(xiàn)實時精準(zhǔn)控制，這是其與熔池熔煉技術(shù)相比較，較為突出的優(yōu)點。熔池熔煉一般通過加料皮帶從加料口將爐料加入熔池中，而富氧空氣則通過風(fēng)口或噴槍噴射至熔體內(nèi)，由于爐料水分和粒度波動，其在一個時間段內(nèi)從統(tǒng)計平均的角度，可精準(zhǔn)控制料/O比，但要實現(xiàn)瞬時精準(zhǔn)控制，從原理上有難度。
④僅適用于輝銅礦(CuS)型和斑銅礦(CuFeS)型銅精礦。以黃銅礦(CuFeS)型銅精礦為原料，銅直收率僅略高于50%，目前經(jīng)濟上不合理。但目前國內(nèi)外部分冶金工作者，仍在致力于黃銅礦型銅精礦閃速爐直接煉銅的研究，部分工作已有一定進展。根據(jù)閃速爐結(jié)構(gòu)特征及其工作原理，在反應(yīng)塔內(nèi)控制高氧勢，完成造銅及造渣反應(yīng)，在沉淀池中加入一定量焦炭，控制還原性條件，使CuO和FeO部分還原，可降低渣含銅。
3)技術(shù)指標(biāo)
①富氧空氣：常溫，080%;
②煙氣SO濃度：30%～40%;
③煙塵率：5%～8%;
④粗銅溫度：1230~1270℃。
4)國內(nèi)外應(yīng)用情況
閃速爐直接煉銅僅適用于特殊類型低鐵銅精礦，目前僅在國外3家煉銅廠得到應(yīng)用。第1家為波蘭GlogowⅡ冶煉廠，1978年建成投產(chǎn)，后經(jīng)幾次改擴建，產(chǎn)能已從最初的6.5萬t/a發(fā)展至27萬t/a。第2家為澳大利亞Olympic Dam冶煉廠，1988年建成投產(chǎn)，初期產(chǎn)能5.5萬t/a，目前已發(fā)展至20萬t/a。第3家為贊比亞KCM Nchanga冶煉廠，2008年建成投產(chǎn)，產(chǎn)能為20萬t/a。KCM公司銅精礦含鈷較高，因此，Nchanga 冶煉廠爐渣經(jīng)2段電爐貧化，第1段貧化回收銅，產(chǎn)出粗銅送陽極爐精煉，第2段電爐貧化產(chǎn)出鐵鈷銅合金，使原料中所含鈷得到回收。
5)總體評價
閃速爐直接煉銅把銅冶金技術(shù)推向了一個新的高度。其技術(shù)上的成就一是爐渣化學(xué)方面，擴展了煉銅爐渣渣型。英國國家物理實驗室(NPL)在國際上多家礦冶公司資助下，聯(lián)合國際上多家知名大學(xué)和研究機構(gòu)，經(jīng)過近30年的研究，建立多元高溫熔體熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(Mtox Data Base)，目前，多元復(fù)雜爐渣體系性質(zhì)，如熔點、黏度等，已可用熱力學(xué)方法計算，推進了研發(fā)工作的開展;二是在閃速爐結(jié)構(gòu)上，進行了多方面的改進，以適應(yīng)單座閃速爐內(nèi)直接產(chǎn)出粗銅的要求。
閃速爐直接煉銅技術(shù)僅適用于特殊低鐵類型的銅精礦，而我國目前未發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)出這類銅礦的大型礦山，因此，引進這一技術(shù)在國內(nèi)建廠的可能性很小。中國有色礦業(yè)集團在贊比亞的謙比西銅礦，其含銅礦物為斑銅礦，銅精礦品位在40%以上，而且銅礦中含鈷，適合采用閃速爐直接煉銅技術(shù)冶煉。
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