1、托昆普閃速爐摘要 閃速熔煉是當今銅冶金中最具有競爭力的熔煉技術，被認為是標準的清潔煉銅工藝。閃速爐是 閃速熔煉的主體設備，本文以銅冶金為例，結合金隆工程詳細介紹了閃速爐的結構特點、技術參數，并對 其發展趨勢做了展望。關鍵詞閃速爐；銅冶金一、產生與發展隨著環境保護的日益嚴格，銅冶金工業面臨著嚴峻挑戰。當今世界銅冶金方 法主要有火法和濕法兩種，其中火法占主導地位。火法冶金種類較多，目前國際 上存在的主要火法煉銅設備有閃速爐、反射爐、鼓風爐、諾蘭達爐、艾薩爐(奧 斯麥特爐)、瓦紐可夫爐、三菱爐、特尼恩特爐、電爐、白銀爐等十幾種冶煉設 備。大部分工藝存在能力低、成本高、能耗大、污染嚴重等問題，嚴重制約

2、著銅 冶金工業的發展。20世紀60年代前，反射爐和鼓風爐占統治地位。70年代，發 達國家的環保運動對銅冶金工業沖擊很大。美國1970年頒布了空氣凈化法令， 迫使美國銅冶煉企業在較短時間內將傳統的反射爐熔煉改造成閃速熔煉。日本在 70年代，幾乎是一夜之間將國內的十幾臺鼓風爐全部改為7座閃速爐，僅留下1 座三菱爐。閃速熔煉自1949年芬蘭奧托昆普問世以來，經過不斷改進、完善和 發展，逐步取代了反射爐和鼓風爐的地位。今天它已成為當今銅冶金所采用最具 有競爭力的熔煉技術，被普遍認為是標準的清潔煉銅工藝。目前，全球粗銅產量 的50%以上是采用這項技術生產的。中國80年代至今，引進開發了貴冶、金隆 兩座煉

3、銅閃速爐。由于閃速熔煉工藝成熟，自動化程度高，生產能力大，能源消 耗低，環境保護好，目前世界上大部分新建或改擴建的銅冶煉企業均采用閃速熔 煉工藝。二、閃速爐的結構奧托昆普閃速熔煉是采用富氧空氣或723-1273K的熱風作為氧化氣體。在反 應塔頂部設置了下噴型精礦噴嘴。干燥的精礦和熔劑與富氧空氣或熱風高速噴入 反應塔內，在塔內呈懸浮狀態。物料在向下運動過程中，與氣流中的氧發生氧化 反應，放出大量的熱，使反應塔中的溫度維持在1673K以上。在高溫下物料迅 速反應(23s)，產生的熔體沉降到沉淀池內，完成造冰銅和造渣反應，并進行澄 清分離。奧托昆普閃速熔煉設備糟礦圖1芬蘭奧托昆普閃速爐奧托昆普閃速熔

4、煉爐的自動控制：主要用計算機來控制閃速爐產出的冰銅品 位、冰銅溫度和爐渣中Fe/SiO2比。它們分別由控制反應塔送風量、重油量和爐 料中石英溶劑的比率來實現。奧托昆普閃速爐由精礦噴嘴、反應塔、沉淀池及上升煙道等四個主要部分組 成，在此結合金隆工程對閃速爐的結構進行了詳細介紹，結構如圖2所示。1.精礦噴嘴目前閃速爐上使用的精礦噴嘴一般有兩種：一是文丘里式；一是中央噴射擴 散式。文丘里式精礦噴嘴煙塵發生率較高、容易產生生料，而且單個噴嘴的能力 較低，需安裝多個精礦噴嘴，由于安裝位置距反應塔內壁較近，造成反應塔內壁 沖刷嚴重。而中央噴射擴散式精礦噴嘴由于它特有的結構，不但能適應高投人量、 高富氧熔煉

5、的要求，而且由于其中央有氧管，提高了中央氧量，增加了與精礦的 接觸面積，使化學反應更加徹底，因此生料不容易生成，另外，在反應塔頂中心 部位只需安裝一臺精礦噴嘴，因此對反應塔內壁沖刷較小。在設計時充分考慮了1265018386199749624-圖2閃速爐總圖規模擴大的需要，選用的是變量中央噴射擴散式精礦噴嘴。該種精礦噴嘴空氣腔 采用內、外環雙層結構，可根據風量的大小分別選擇內環、外環或內外環同時使 用，達到最佳噴出速度。反應塔反應塔為豎式圓筒形，由塔頂和塔身構成。塔頂為球拱型結構，由厚度為 400mm耐火磚和3圈水冷H型梁組成，水冷H型梁一方面固定爐頂，另一方面冷 卻耐火材料，由于塔頂承受高溫

6、熱輻射和含塵煙氣的沖刷，但無精礦沖刷，選用 抗化學侵蝕、耐沖刷性好的半熔融再結合鎂銘磚較為經濟合理。塔身由外殼鋼板、 吊掛機構、磚體、鋼板水套、銅水套組成。外殼鋼板在吊掛機構區域厚度為50mm， 其它部位厚度為28mm，主要用來通過磚體內托板支承耐火材料。吊掛機構為反 應塔重要的受力構件，其內部必須進行水冷，反應塔整個重量通過它懸吊在反應 塔框架上。由于主要的化學反應在反應塔內進行，反應塔容積熱強度非常大，為 了保護耐火材料，沿反應塔高度方向布置了7層銅水套，為了進一步加強冷卻， 在外層搗打料中還布置了冷卻銅管。反應塔上部筒體沖刷較輕，用的是半熔融再 結合鎂銘磚，下部沖刷嚴重，用的是荷重軟化溫

7、度高、顯氣孔率低、抗氧化還原 以及抗化學侵蝕性能好的電鑄磚。反應塔整個重量都懸吊在反應塔框架上，并與 沉淀池是完全分開的，這樣保證了塔體在高度方向的自由膨脹。沉淀池沉淀池是用來使冰銅、爐渣澄清分離、并適應轉爐操作儲存冰銅的部位。由 爐頂、池墻、爐底構成。爐頂主要承受高溫含塵煙氣的沖刷和渣面的熱輻射，選 用荷重軟化溫度高、耐沖刷較好的高溫燒成鎂銘磚，厚度為400mm，并采用拱形 和吊掛相結合的砌筑方式。為了防止拱頂在長度方向上發生位移，在爐頂布置了 多根水冷H型梁，為了吸收、調節拱頂在跨度方向的膨脹，在拱腳梁處安裝了彈 簧壓緊裝置。沉淀池四面池墻均向內傾斜10C，以防耐火磚受損嚴重后池墻倒 塌，

8、沉淀池最容易損壞的地方是渣線區、反應塔下面的三面池墻、排渣口側池墻， 前者是由于閃速爐爐渣的侵蝕，后二者是由于煙氣的沖刷，這幾部份均選用半熔 融再結合鎂銘磚，厚度為450mm。為了保證耐火材料的使用強度和提高耐火材料 對爐渣的抗侵蝕能力，在池墻四周設置了一圈傾斜銅水套和二層水平銅水套。沉 淀池爐底厚度為1825mm，上面采用反拱結構，下面用搗打料找平后采用平砌， 其反拱上面二層為工作層，由于接觸的是冰銅，選用高溫燒成鎂銘磚就可滿足要 求，二層厚度共為685mm，下面一層拱底工作條件較好，選用直接結合鎂銘磚。 反拱下面則選用強度高、容重小的高強輕質保溫磚，這樣可大幅度降低爐底鋼梁 的載荷，并減少

9、蓄熱損失，有利于節約能源。為了補充沉淀池的散熱損失和生成 渣時吸收的熱量，維持爐渣溫度，促進冰銅和渣。分離，保持爐渣的良好的流動 性，在沉淀池四周布置了 13個重油燒嘴，其中出渣口對側2個，鍋爐側5個， 出銅口側6個，這樣合理的布置有利于加熱爐渣，使排渣順暢。為了使冰銅排出 順暢，不至于產生死角，需經常變換放出位置，因此，冰銅排出口設置了 4個， 并采用銅水套和保護水套的結構，以延長冰銅排出口的使用壽命。爐渣排出口在 后端墻設置了 2個，以滿足交替使用的需要。由于爐渣的粘性較大，設計成水套 的形式時，會造成排渣困難，因此，爐渣排出口采用磚砌結構。上升煙道上升煙道是煙氣排出的通道，有垂直圓筒形及

10、斷面為長方形兩種形式。前者 設計、施工較為簡單，并且爐墻不易倒塌。后者加工制造簡單，設計、施工較為 困難，因爐墻為直形，容易倒塌，以需設置托板及工字鋼。斷面為矩形結構，由 側墻、斜頂、平頂構成。側墻長約8400mm，最高處達7500mm，厚度為460mm， 沿其高度方向上設置了多層托板，以承擔耐火磚的重量。為了提高整個側墻的穩 定性，側墻在長度方向設計成弧形。由于上升煙道出渣口側下部側墻、后端墻煙 氣沖刷嚴重，選用半熔融再結合鎂銘磚，其它側墻選用高溫燒成鎂銘磚就可滿足 要求。斜頂和平頂均采用吊掛方式，厚度均為375mm，在平頂內還設置了水冷H 型梁，以提高平頂的穩定性。斜頂和平頂沖刷較輕，因此

11、均選用高溫燒成鎂銘磚。 上升煙道的整個重量都坐在上升煙道框架上，同樣，上升煙道與沉淀池也是完全 脫開的。為了防止熔融物在上升煙道出口處粘結，造成上升煙道阻塞，在其斜頂 上布置了一個燒嘴，兩側墻分別布置了2個燒嘴孔，每側共用一個燒嘴。三、技術參數結構參數反應塔的內徑和高度在確定反應塔反應塔內徑和高度時，一般是參考運轉中閃速爐的生產實踐， 以反應塔內煙氣平均速度和煙氣停留時間為基準，再校核反應塔容積熱強度，容 積熱強度計算見下式：q=Q/V式中:q-反應塔容積熱強度MJ/m3h； Q-反應塔在單位時間內所產生的總熱量 MJ/h； V-反應塔有效容積m3。根據世界現有閃速爐的操作實踐，容積熱強度一般

12、在1240-175OMJ/m3.h比較 合適，過大影響閃速爐的使用壽命。反應塔內徑在確定時，應考慮精礦處理量為了保證規模擴大的需要，適當考 慮今后的增加量，處理量大，內徑也大。操作方法包括反應塔送風溫度和含氧濃 度以及冰銅品位。送風溫度和含氧濃度越高，所產生的煙氣量越小，因此，內徑 越小；而冰銅品位越高，反應塔送風量越多，自然，所產生的煙氣量越多，內徑 則越大。沉淀池的上部內寬和內長沉淀池的上部內寬是根據反應塔的內徑確定的，一般為反應塔內徑加上 1000-2000mm，因為反應塔內徑為5000mm，所以沉淀池上部內寬定為6700mm。沉 淀池的上部內長在確定時，除需考慮適應轉爐操作具有一定的貯

13、存容積外，還需 考慮沉淀池由于長期生產后爐底結瘤而上升造成容積減小，爐底上升后，最小貯 存容積應能滿足轉爐造渣I期所需要的冰銅生產能力，因此沉淀池上部內長定為 23200mm。上升煙道的出口寬度和高度上升煙道出口面積是根據出口的煙氣量和出口煙氣流速來確定的，煙氣流速 不能過大，因為當煙氣流速過大時，不但會由于氣流中帶有熔融物造成煙道阻塞， 而且由于煙塵在余熱鍋爐內不能擴散開來，將集中堆積在余熱鍋爐的某個部位， 造成余熱鍋爐故障。因此，煙氣流速定為4.85m/s，考慮到與余熱鍋爐接口的關 系，出口寬度定為2700mm，出口高度定為4000mm。控制參數閃速爐三個基本控制參數是Fe/SiO2比、冰

14、銅品位和冰銅溫度。Fe3O4的生 成量隨著Fe/SiO2比值的增加而增多，而Fe3O4的產生，不但使渣含銅升高，而 且容易造成沉淀池爐底上升，減小沉淀池的有效容積，嚴重時造成沉淀池貯存容 積不足，不能滿足轉爐的生產需要Fe/SiO2的設計比值為1.2，操作時通過調節 石英比率控制在1.1-1.2之間。冰銅品位的高低取決于精礦的氧化程度。在選定 冰銅品位時，應綜合考慮精礦的處理量、原料組成、轉爐的冰銅處理能力、重油 的消耗量等因素。當采用高品位冰銅時，反應放熱較多，可降低反應塔重油消耗 量，同時煙氣中的SO2的濃度增加，并可減少轉爐的冰銅處理量，一般認為精礦 投人量大，應采用較高的冰銅品位。但冰

15、銅品位不能太高，因為冰銅品位越高， 生成的Fe3O4越多。選用冰銅品位52%作為目標冰銅品位較為合適，操作時通過 控制反應塔送風量來達到。冰銅溫度取決于冰銅層從渣層吸收的熱量，熱量來源于化學反應熱和反應塔 重油燃燒所產生的熱量。冰銅的溫度選用1210C作為目標溫度較為合適，冰銅 溫度過低，渣含銅升高，并造成排渣困難；冰銅溫度過高，不但浪費能源，而且 對沉淀池內襯磚造成過多的熱侵蝕，冰銅溫度可通過反應塔的重油消耗量來控 制。四、閃速爐的發展趨勢近期閃速爐的發展趨勢是：設備大型化與操作自動化；采用富氧空氣進一步 強化熔煉過程；采用雙接觸法制酸，可是排放尾氣中SO2含量在300X10-6以下， 硫的

16、回收率可達95%；進一步強化脫硫，直接產出粗銅。另一趨勢是利用閃速爐 的原理，對閃速爐的結構及其附屬系統進行改造，使之適合直接煉鉛熔煉，如基 夫賽特爐就是其中之一。設備大型化與操作自動化世界上最大閃速爐的反應塔內徑已達7米（土耳其薩姆松廠），處理能力最 大已達3480td-i（美國圣馬紐爾冶煉廠）。日本佐賀關廠，東予廠，澳大利亞卡爾 古力廠及中國貴溪冶煉廠，金川有色金屬公司等均采用計算機在線控制生產，以 提高質量，穩定爐況降低能耗。改進計算機控制模型，以適應富氧高生產率，高 品位冰銅的新情況是研究的重點。采用富氧熔煉和強化生產過程以我國貴溪冶煉廠為例，通過采用富氧熔煉，并配用精礦噴嘴的改進，使

17、閃 速煉銅爐的生產能力有設計的90kta-i提高到現在的4000kta-i，同時還取消了熱 風作業。改進耐火材料和加強爐體冷卻改進耐火材料和加強爐體冷卻可延長爐子的壽命和提高爐子的強度。在反應塔中下部，沉淀池渣線部位，以及放渣口，放銃口等處采用電鑄銘鎂 磚，沉淀池上部采用高溫燒成的銘鎂磚，在反應塔與沉淀池與上升煙道的連接部 采用銘鎂磚不定性耐火材料，并在高溫部位安裝冷卻水套，使閃速爐的的熱負荷 大大增加，為提高閃速爐的生產率創造了條件。加強預熱回收利用閃速爐的煙凄氣量大且溫度高，一般與轉爐煙氣合并后通過余熱鍋爐產生飽 和蒸汽來加熱空氣，發電及用做精礦干燥的熱源。采用其他燃料作為熱源博茨瓦諾皮克威冶煉廠在處理銅精礦閃速爐的反應塔和沉淀池中用粉煤代 替重油。每單位發熱量的成本下降90%左右。日本玉野廠和東予廠用粉煤代油， 并應用富氧熱風，耗油下降約70%，產能提高約340%。東予廠曾采用不同燃料 方案進行閃速熔煉，最后按富氧-粉煤-重油燃燒方案組織生產，粗銅產量較單純 用油方案增加30%。雖然我國的銅冶煉技術近幾年有很大進步，但有些方面與國外相比仍有一定 差距。從目前國外銅冶煉技術的發展趨勢看，我國銅冶金工業要適應未來激烈市 場和環保競爭，保持可持續發展，就必須走產量擴大化、資源全球化、生產規模 化、設備國