名称：闪速炼铜工艺与控制
作者:未知
出版社:中南大学出版社
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闪速炼铜工艺与控制内容简介

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闪速炼铜工艺与控制部分内容

0.1 铜的物理化学性质
　　铜是紫红色金属, 密度是8.96 gcm3, 熔点是1083.4℃,沸点是2325℃。其导热性和导电性在所有金属中仅次于银。铜在干燥的空气中不易氧化, 但在含有二氧化碳的潮湿空气中,表面易生成一层有毒的碱式碳酸铜(铜绿), 这层薄膜能保护铜不再被腐蚀。铜在盐酸和稀硫酸中不易溶解,但能溶于有氧?作用的硝酸和含有氧化剂的盐酸中。铜还能溶于氨水。铜易加工, 可制成管、 棒、 线、 带以及箔等型材。
　　铜易与许多元素组成合金, 如青铜(铜锡合金)、 黄铜(铜锌合金)、 白铜(铜镍合金)等。地壳中铜的含量仅占0.01%,铜的常见矿物有黄铜矿、 斑铜矿和孔雀石。前两者属于硫化铜矿, 后者属于氧化铜矿。
　　0.2 铜的重要作用
　　铜是一种重要的有色金属, 也是人类最先发现和最早使用的金属。远在史前时代, 人类就用天然铜及其合金来制造各种劳动工具、兵器及生活用具、装饰品等。现在, 铜及其合金在国民经济各部门仍然起着重要的作用, 其消耗量仅次于钢铁和铝。
　　由于铜具有良好的导电性、 传热性、 延展性、 较强的抗拉和耐腐蚀性, 所以在电力工业、机械制造业、国防工业以及国民经济其他部门都有广泛的用途, 特别是在国防工业和电力工业中尤其突出。
　　在国防工业上, 制造枪弹、 飞机、 大炮、 坦克、 战车、 兵舰都要使用铜。在电气、 电子工业中, 铜可制造电缆、 导线、电机及输电、电讯器材、 精密电器等。
　　0.3 铜冶炼
　　铜一般是以化合物的形式存在于地下的矿藏中, 经过采、 选出来的铜精矿, 除含有一定量的铜元素外, 还伴生有一些其他的元素,如:金、银、 铂、 钯、 铋、 镍、 铁、 铅、 硫、 砷等。相对于铜来说, 这些都是杂质, 都是要除去的。所谓铜冶炼,就是想办法将铜元素以外的其他杂质去掉, 得到纯净铜。
　　在这些杂质中, 金、 银、 铂、 钯等属于贵重金属, 是不能随意扔掉的, 要想法回收; 为了加强资源的再利用,要想法回收这些杂质中的铋、 镍等; 而这些杂质中的铁、 铅、 砷等由于品位不高, 不具备回收价值, 是真正的杂质, 要尽量去掉;硫在燃烧过程中会产生大量的热, 这是铜冶炼的基本能源。
　　0.4铜的生产方法
　　铜的生产方法分为火法炼铜和湿法炼铜两大类。采?的方法主要是根据能否节省能源、 防止公害、 保护环境、矿石成分、矿物组成及当地的交通运输等情况。现在, 硫化铜矿主要是采用火法冶炼处理, 湿法冶炼占15%左右。随着富矿逐渐枯竭、矿石品位下降, 矿物原料综合利用程度的提高, 环境保护标准的日趋严格, 湿法冶炼将会有较大的发展, 但火法冶炼仍然是主流。
　　铜的火法熔炼方法比较多, 以前老的铜冶炼厂都是采用反射炉或密闭鼓风炉等传统熔炼工艺; 现在陆续从国外引进了各种新的铜冶炼工艺,如闪速熔炼、 艾萨熔炼、 诺兰达熔炼等, 还有特尼恩特熔炼、 三菱连续炼铜法、顶吹浸没熔炼法?。尤其是将焙烧、熔炼和部分吹炼合成一个工序的强氧化冶炼——闪速熔炼技术, 正在取代传统的铜冶炼方法,使得火法冶炼具有更大的优势。
　　闪速炼铜是现代火法炼铜的主要方法, 它克服了传统冶炼方法存在的诸多缺点, 大大减少了能源消耗, 提高了硫的利用率,改善了环境。自从1949年第一座闪速炉在芬兰奥托昆普公司诞生以来, 经过60年来的不断改造、 创新, 闪速炼铜技术得到飞速的发展,尤其是近20多年来富氧熔炼技术和新型精矿喷嘴的采用, 使闪速熔炼技术又进入一个更高的发展阶段。目前,最大的闪速炉冶炼年生产能力已达450 kt。闪速炉不?已成为主要的熔炼设备, 而且已经开始取代传统的S转炉,成为连续吹炼设备。
　　0.5 铜冶炼的原理
　　火法处理硫化铜精矿有两种工艺可以选择, 其一是将硫化铜精矿先经过焙烧再还原熔炼得到粗铜; 其二是将硫化铜精矿经过造锍熔炼得到铜锍,再将铜锍送入吹炼炉吹炼成粗铜。目前世界上广泛采用造锍熔炼-铜锍吹炼工艺处理硫化铜精矿。
　　本书主要介绍闪速熔炼炉的原理。现代造锍熔炼是在1150~1250℃的高温下, 使硫化铜精矿和熔剂在熔炼炉内进行熔炼,炉料中的铜、硫与未氧化的铁形成液态铜锍。这种铜锍是以FeS-Cu2S为主, 并溶有Au、Ag?贵金属及少量其他金属硫化物的共熔体。炉料中的SiO2、 Al2O3、 CaO等成分与FeO一起形成液态炉渣,炉渣是以2FeO?SiO2(铁橄榄石)为主的氧化物熔体。铜锍与炉渣互不相溶, 密度不一样,铜锍的密度大于炉渣的密度而沉于炉渣下面。
　　0.6 铜冶炼的主要化学反应
　　闪速熔炼的原料主要是干燥的铜精矿, 还有渣精矿; 为冶炼造渣, 还需要添加一些石英砂熔剂。铜精矿主要有铜和铁的硫化物,如黄铜矿(CuFeS2)、 斑铜矿(Cu3FeS3)、 黄铁矿(FeS2)等; 渣精矿含有硫化铜(Cu2S)、少量金属铜和一些化合物,如铁橄榄石(2FeO?SiO4), 磁铁矿(Fe3O4)等。
　　闪速炉内进行的主要物理化学变化包括燃料的燃烧, 硫化物的离解, 硫和铁的氧化, 烟灰的熔化分解, 造铜锍和造渣。
.　　硫化铜精矿的主要矿物组成是FeS、 CuFeS、 CuS、 ZnS、 bS等。
　　黄铁矿(FeS2)在反应塔内首先离解, 所得的硫蒸气及FeS进一步氧化为SO2和FeO, FeO再与熔剂中的SiO2发生造渣反应,其反应式为:
　　
　　黄铁矿在反应塔内还以下列反应直接氧化:
　　
　　生成的Fe2O3在有硫化物存在时容易转化为磁性氧化铁:
　　
　　Fe3O4在温度低于1000~1100℃时始终不变化, 但在温度达1300~1500℃的?应塔内, 发生下列反应,很快被SiO2和FeS分解:
　　
　　在反应塔内由于氧化反应强烈, 炉料在炉内停留的时间很短促, 各组分之间的接触不良, Fe3O4不能完全被还原, 而溶解于炉渣和铜锍中,一同进入沉淀池。
　　黄铜矿(CuFeS2)在熔炼过程中发生离解反应:
　　
　　生成的FeO与SiO2造渣:
　　
　　少量的硫化亚铜以下列反应被氧化:
　　
　　当有足量的FeS存在时, Cu2O会与FeS反应生成Cu2S进入铜锍。
　　由上述反应可看出, 炉料中FeS的存在能阻止铜进入炉渣, 但正如上述Fe3O4一样, 由于反应塔内氧化反应强烈,仍有少量的Cu2O溶于炉渣。由反应塔降落到沉淀池表面的产物是铜锍与炉渣的混合物, 在沉淀池内进行澄清和分离,分离过程铜锍中的硫化物与炉渣中的金属氧化物还进行如下反应, 从而完成造铜锍和造渣过程。
　　
　　熔炼炉渣的密度比较小, 铜锍的密度比较大, 熔炼炉渣浮在铜锍的上面, 故先将浮在上面的炉渣放掉以后, 再放铜锍。这样,闪速熔炼炉就将混合铜精矿熔炼成含铜2.3%左右的炉渣和含铜70%左右的铜锍。
　　0.7 闪速炼铜的未来趋势
　　闪速冶炼已经成为当今炼铜行业最有竞争力的熔炼技术。目前闪速炉处理的铜精?品位为12%~56%, 生产的铜锍品位为45%~78%,单台闪速炉的冶炼能力可高达450 kta。
　　由于闪速吹炼的诸多优点, 有人预测, 闪速吹炼工艺将完全取代S转炉吹炼工艺, 并为铜冶炼工业开创一个崭新的局面。
　　由于闪速吹炼炉的诞生和吹炼技术的不断提高,粗铜中所含氧、硫等杂质越来越少。闪速吹炼炉在对铜锍进行吹炼的同时还同步完成对粗铜的精炼。在不久的将来,闪速吹炼炉将完全取代阳极炉进行精炼作业, 阳极精炼炉将从炼铜行业中彻底消失。多少年来传统的火法炼铜三大炉(熔炼炉、 吹炼炉、精炼炉)将变为两大炉(熔炼炉、 吹炼炉), 这将是火法炼铜行业的一次彻底革命, 其经济效益是不可估量的。
　　现在, 新建的闪速炉和改造的旧闪速炉, 都是采用高投料量、 高锍品位、 高富氧浓度、 高热强度等“四高”技术,这是闪速炼铜技术发展的总趋势。
　　0.8 闪速熔炼、闪速吹炼工艺流程图
　　闪速熔炼、 闪速吹炼工艺流程参见图0-1,闪速熔炼、 转炉吹炼工艺流程参见图0-2。
　　
　　图0-1 闪速熔炼、闪速吹炼工艺流程图
　　
　　图0-2 闪速熔炼、转炉吹炼工艺流程图
　　第1章 铜冶炼熔炼车间
　　 熔炼车间是铜冶炼的主要生产车间, 主要设备是三大炉(熔炼炉、 吹炼炉、 精炼炉)和其他一些配套设施。
　　与熔炼炉配套的是下列工序: 首先是精矿库, 接着是配料、 蒸汽干燥、 精矿输送,最后是闪速熔炼炉。处理熔炼炉高温烟气的是余热锅炉、电收尘; 处理铜锍的是铜锍水淬。
　　与吹炼炉配套的是下列工序: 首先是铜锍仓系统, 接着是铜锍磨及热风炉系统、 铜锍输送,最后是闪速吹炼炉。处理吹炼炉高温烟气的是余热锅炉、 电收尘、 烟尘处理; 处理吹炼炉渣的是渣水淬系统。
　　与阳极精炼炉配套的是下列工序: 处理阳极炉高温烟气的是余热锅炉、 尾气脱硫系统; 处理阳极铜的是圆盘?铸系统。
　　还有竖炉、 保温炉系统, 主要是处理阳极板电解后的残极。若是用S转炉吹炼粗铜, 这些阳极板电解后的残极就作为冷料直接加到转炉里,不再需要竖炉、 保温炉系统, 这就是用闪速炉吹炼粗铜的弊病。
　　熔炼系统共有22个生产工序, 本文按前述生产工艺顺序进行简单介绍。
　　全车间用一套DCS系统对整个冶炼生产过程进行监控, 为了操作方便, 设置了精矿库、 闪速炉、 阳极炉、 竖炉四个仪表操作室,见图1-1。
　　1.1 精矿库系统
　　1.1.1 精矿库系统工序功能及工艺流程
　　精矿库用于贮存各种铜精矿、 铜锍渣、 渣精矿、 石英砂等物料, 属生产准备系统。工艺流程图见图1-2。
　　1.1.2 精矿库系统工序设备
　　本工序设备都是一般的国产通用设备, 主要是行车、 给料机、 各种运输皮带, 还有袋式除尘器、电磁除铁器、振动筛等。在现场有一个仪表控制室, 配置一套DCS系统, 用于精矿库系统的自动控制。
　　1.1.3 精矿库系统工艺说明
　　 精矿库是一个长方形的水泥结构设施, 中间铺有铁轨,可供装有各种铜精矿、石英砂等物料的火车进出。在铁轨的两边分别构筑成多个容量大小不同的空间(仓), 用以存放不同的铜精矿及铜锍渣、渣精矿、石英砂等物料。在仓的两边有两条较长的皮带运输机(工艺图1-2中是1号皮带运输机和7号皮带运输机),往这两条皮带运输机上加料的共有11台精矿给料机和各自的转运小皮带。在每一条加料皮带上都有一台单机袋式除尘器,用以回收加料过程中飞起的铜精矿粉。在两条长皮带运输机的出口还装有电磁除铁器和振动筛, 电磁除铁器用来除掉物料中的铁;振动筛则是为了去掉混在物料中的各种杂质, 还用于将挤压成堆的铜精矿打散, 以方便运输和冶炼。各种物料经多条皮带倒运,最后经配料仓仓顶卸料皮带送到配料系统。
　　从工艺流程图可以看出, 精矿输送系统共有三条输送线路:
　　(1) 1号皮带→2号皮带→3号皮带→4号皮带→5号皮带→1号换向皮带、 配料仓仓顶卸料皮带。
　　当工艺决定需要右边某仓的一种物料时, 操作工就将该仓(6号~11号仓)的物料用抓斗抓到相应的水泥制料斗里,经6号~11号精矿给料机和相应的转运小皮带, 送到1号皮带运输机上, 经过2号皮带、 3号皮带的倒运,经1号电磁除铁器除铁和1号振动筛除掉杂物后, 再经4号皮带、 5号皮带倒运到1号换向皮带上,最后通过配料仓仓顶卸料皮带送到配料系统。
　　(2) 1号精矿给料机→6号皮带→4号皮带→5号皮带→1号换向皮带、 配料仓仓顶卸料皮带。
　　当工艺决定需要1号精矿仓的物料时, 操作工就将该仓的物料用抓斗抓到该料斗里, 经1号精矿给料机和相应的转运小皮带,送到6号皮带运输机上, 经1号电磁除铁器除铁和1号振动筛除掉杂物后, 再经过4号皮带、 5号皮带倒运到1号换向皮带上,最后经配料仓仓顶卸料皮带送到配料系统。
　　(3) 7号皮带→8号皮带→1号换向皮带、 配料仓仓顶卸料皮带。
　　当工艺决定需要左边某仓的一种物料时, 操作工就将该仓(1号~5号仓)的物料用抓斗抓到相应的水泥制料斗里,经1号~5号精矿给料机和相应的转运小皮带, 送到7号皮带运输机上, 经2号电磁除铁器除铁?2号振动筛除掉杂物后,再经过8号皮带倒运到2号换向皮带上, 最后经配料仓仓顶卸料皮带送到配料系统。
　　说明: 所有运行设备在机旁都有一个“本地远方”转换开关, 当将此开关置于“本地”时, 可以在现场启动该设备,当将此开关置于“远方”时, 可以在中控室启动该设备。正常生产时一般要求将此开关置于“远方”,即在中控室启动该设备。此开关置于“本地”, 只能用于设备维修后检查用。在中控室启动、 停止该设备也有自动和手动两种方式,可以手动启动、 停止该设备, 也可以按预先在DCS系统里编制好的控制逻辑,自动启动、停止该设备。在?后的章节里对这部分不再进行详细说明, 所有的操作都是指在中央控制室进行。
　　1.1.4 精矿库系统联锁逻
　　一般设备的启动和停止都遵循“逆向启动、 顺向停止”这一原则。当运行设备在运行过程中某台设备出故障时,则执行联锁停车逻辑。一般是某台设备因故停止后, 前面的设备马上顺序停止, 当最后一台设备停止了以后, 延迟一段时间,再停止后面的设备。例如, 以刚才输送石英砂为例, 假设突然4号皮带因故障而停止运行, 这时3号皮带、 2号皮带、 1号皮带、11-1号皮带机、 11号精矿给料机都按顺序停止, 过一段时间, 再顺序停止5号皮带、1号换向皮带、配料仓仓顶卸料皮带。一般电磁除铁器、 振动筛和单机袋式除尘器都不参与联锁。若因故按下“紧急停车”按钮,则所有运行设备瞬间全部停止下来。
　　
　　图1-1熔炼车间DCS系统 配置图
　　
　　图1-2 精矿库系统工艺流程图
　　
　　图1-3 配料系统工艺流程图
　　1.2 配料系统
　　1.2.1 配料系统工序功能及工艺流程
　　将精矿库送来的各种铜精矿、 铜锍渣、 渣精矿、 石英砂等, 根据闪速熔炼的需要, 按一定的比例进行混合配比,然后用皮带运输机送到蒸汽干燥系统。配料系统是为闪速熔炼?准备原料的生产准备系统。工艺流程图见图1-3。
　　1.2.2 配料系统工序设备
　　该系统采用一般的通用设备, 全部国产。主要设备有配料仓、 电子配料秤及各种皮带运输机, 还有电磁除铁器、振动筛、袋式除尘器和犁式卸料器等。在现场有一个仪表监视室。
　　根据产量大小不同而设计的配料仓数量是不一样的。年产阴极铜20万t, 一般设计11个配料仓, 每个配料仓的容量是200 t。
　　1.皮带电子秤
　　1)工作原理
　　当被测介质通过称量皮带时, 装在称量皮带下的传感器受力, 传感器内的应变片的桥路电阻值发生改变, 则输出一个“mV”信号,此“mV”信号送到二次仪表进行处理; 在控制皮带的马达上, 有一个测速传感器, 将马达的转速信号转换成脉冲信号, 送到二次仪表,这两个信号相乘, 就得到了皮带上的质量值。
　　
　　图1-4 皮带电子秤的结构
　　2)组成结构
　　从图1-4可以看出, 皮带电子秤由计量称重皮带、 计量秤体、 皮带秤框架、 托辊、 称重传感器(俗称压头)、 测速传感器、 驱动装置,内外清扫装置、 控制仪表等组成。
　　(1)皮带秤框架: 用于安装皮带秤的托辊、 传感器等, 是皮带电子秤的基座。
　　(2)托辊: 三节托辊安装在皮带秤框架上, 框?下面的槽钢内装有传感器, 三节托辊上面运行带有物料的皮带,将被测物料的质量传给传感器。
　　(3)称重传感器(俗称压头): 将被测物料的质量转换成电压信号, 安装在矩形方钢中, 使传感器不受外部条件诸如尘土、水、物料等的影响, 以保证测量系统的精度。
　　传感器有拉式和压式两种, 受力的方向不同, S形拉式传感器是下面受力, 压式传感器是上面受力,但测量原理是一样的。参见图1-5和图1-6。
　　
　　图1-5 S形拉式传感器
　　
　　图1-6 压式传感器
　　
　　图1-7 测速传感器
　　 (4)测速传感器: 检测计量皮带的速度, 一般安装在皮带辊的轴上, 其输出脉冲信号正比于皮带速度,参见图1-7。
　　(5)称重控制器: 称重控制器是一台带微处理器的调节仪表, 当被测介质通过称量皮带时, 装在称量皮带下的传感器受力,传感器内的应变片的桥路电阻值发生改变, 则输出一个“mV”信号, 此“mV”信号送到称重控制器; 在皮带辊的轴上,装有一个测速传感器, 将皮带的转速信号转换成脉冲信号, 也送到称重控制器。这两个信号在称重控制器里进行运算,就得到了测量皮带上单位时间内的质量值。
　　3)仪表的维护
　　定期去现场检查, 看皮带有没?跑偏, 清扫各处灰尘。
　　4)仪表的校验
　　校验要用从厂家买来的专用链码来校, 一般一年一次, 若发现问题则随时校。
　　2.电子自动配料系统
　　配料系统由皮带电子秤、 计量皮带及驱动系统、 整形皮带及驱动系统、 配料仓等组成。
　　(1)皮带电子秤: 用于称量物料的质量。
　　(2)计量皮带: 用于安装电子皮带秤, 该皮带上的物料就是被测量的质量, 皮带由变频器控制的调速电机驱动,变频器的频率是受称重控制器的输出信号控制的。
　　(3)整形皮带: 是靠近配料仓的下料皮带, 作用是保证计量皮带上的物料流动时稳定,则测量准确可靠。该皮带也是由变频器控制的调速电机驱动, 变频器的频率也是受称重控制器的输出信号控制的, 两种皮带同步运行。
　　(4)配料仓: 仓内贮存物料, 供给配料系统。
在这本书中，按照七个生产车间的顺序(包括各车间内部的生产工艺顺序)，也就是根据闪速炉炼铜生产工艺流程的顺序，分章进行介绍。
　　 每个车间的内容为一章，车间内每个工序(也称子项)是一节，每节介绍的内容包括：工序功能、带检测点的工艺流程图(&am;1图)、工序设备、主要设备介绍、工艺描述、控制系统、联锁逻辑等。在文章的附录部分，还介绍了自动控制的一些基础知识。
　　 本书对铜冶炼行业生产一线的操作工人、仪表维修人员都有重要的参考价?，尤其是对刚参加工作的新职工，通过自学将会得到事半功倍的效果，对新建的铜冶炼厂将有更大的好处，会给他们的培训工作提供极大的方便。本书的读者是铜冶炼行业的操作工人及机、电、仪维修人员，也可以作为铜冶炼专业大专院校学生的参考书。
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