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铜镍矿富氧侧吹熔池熔炼工艺

刘军1，刘燕庭2，陈文1

(1．中国铝业公司，北京 100082；2．长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410011)

摘 要：介绍了铜镍矿富氧侧吹熔池熔炼工艺、主要技术经济指标以及富氧侧吹熔池熔炼炉的结构。实践表明，采用富氧侧吹熔炼铜镍矿具有流程短、能耗低、环境好等特点。

关 键 词：富氧侧吹炉；铜镍矿；熔池熔炼；低冰镍

1 引言

铜镍矿传统熔炼工艺主要有电炉熔炼、反射炉以及鼓风炉熔炼，由于这些熔炼工艺能耗高、自动化水平低、环境污染严重，属于国家明确淘汰工艺。目前铜镍主要熔炼工艺有瓦纽科夫熔池熔炼、奥托昆普闪速熔炼、奥斯麦特熔炼以及我国自主开发的富氧侧吹熔池熔炼工艺，这些熔炼工艺均可以满足目前环保要求，但同样各具有优缺点，闪速熔炼备料复杂，奥斯麦特熔炼喷枪易受损，闪速熔炼与奥斯麦特熔炼属于国外引进技术，投资较高。

新疆新鑫矿业股份有限公司喀拉通克铜镍矿地处新疆北部的富蕴县，当地拥有丰富的硫化铜镍矿资源，是一家集采、选、冶为一体的大型有色企业。

1988年建厂以来一直采用密闭鼓风炉熔炼，前床沉降分离，熔炼渣水淬，低冰镍转炉吹炼，吹炼渣返回密闭鼓风炉熔炼。由于此工艺能耗高、环境污染严重，属于国家淘汰工艺。2008年，公司对目前铜镍矿主要熔炼工艺及技术经济指标进行考察对比后决定采用具有我国自主知识产权的富氧侧吹熔池熔炼技术改造老系统的密闭鼓风炉工艺。

2 富氧侧吹熔炼铜镍矿技术概述

2．1 工艺流程

富氧侧吹炉熔炼铜镍矿工艺流程见图1。

铜镍特富矿、铜镍精矿、熔剂、块煤、烟尘经计量皮带连续从炉顶加料口加入炉内，富氧空气从炉身两侧下部喷嘴鼓入炉内熔体中，富氧空气强烈搅拌熔体，物料在炉内快速熔化、反应生成低冰镍、熔炼渣以及高温烟气。低冰镍和熔炼渣流入虹吸室进一步分离，渣从放渣口放出经溜槽流入贫化电炉，低冰镍从虹吸口虹吸连续放出送转炉吹炼。熔炼产生的高温烟气从炉顶排烟口进入余热锅炉，余热锅炉产饱和蒸汽送发电车间，余热锅炉出口烟气经电收尘后送制酸系统。贫化电炉渣连续放出水淬，电炉放出低冰镍经包子送转炉吹炼。转炉产出高冰镍水淬后送阜康冶炼厂湿法处理，液态转炉渣返回富氧侧吹炉熔炼。

2．2 工艺特点

熔池熔炼根据富氧空气鼓入方式不同可以分为顶吹、侧吹、底吹。顶吹有艾莎、奥斯麦特、三菱炉，底吹有水口山法，侧吹有前苏联的瓦纽科夫炉、白银炉以及由长沙有色冶金设计研究院自主研发的富氧气侧吹熔池熔炼炉。新疆喀拉通克项目熔炼采用的是由长沙有色冶金设计研究院自主研发的富氧气侧吹熔池熔炼炉，从投产至今取得了很好的实践效果。

富氧侧吹熔池熔炼是通过将富氧空气从炉身两侧一次风口鼓入渣层，渣层形成强烈搅动、翻滚。强烈搅拌为物料迅速而均匀地分布在熔体中提供了条件，从而发生高速率的化学反应。炉子上部的熔体为炉渣－镍锍乳化层，金属或硫化物微粒聚集形成稳定的粒子；风口以下的区域为一个湍动较弱的区域。反应生成的炉渣与低冰镍流入虹吸室进一步分离。与国内的白银炉相比，富氧侧吹熔池熔炼炉熔池深，达2000mm左右，渣与低冰镍在炉内分离完全，渣含铜、镍低。富氧浓度高，可达85%甚至是纯氧，富氧浓度达到80%时可以实现完全自热熔炼。炉身采用铜水套结构，生产过程中铜水套内壁形成10～30mm厚的渣层，渣层对铜水套起到保护作用。

铜镍矿加入炉内快速熔化反应，在反应过程中不可避免会产生单体硫的析出，单体硫进入烟气中，很容易影响制酸系统。为避免单体的产生，在熔炼过程中通过富氧侧吹炉上部风嘴鼓入一定浓度的富氧空气，使烟气中的可燃组分，尤其是单体硫在进入余热锅炉前完全燃烧。生产实践表明，通过炉身上部风嘴鼓入一定浓度的富氧空气可以避免单体硫析出。

2．3 富氧侧吹熔池熔炼机理

富氧侧吹熔池熔炼过程的实质，在于将物料连续加入到1200～1500℃强烈搅拌的熔融炉渣的熔池中，物料在强烈搅拌的熔体作用下快速熔化，在炉渣中生成冰铜(冰镍)或金属液滴。由于相界面积很大，气体给予熔池很高的搅拌能，富氧侧吹炉内的传质和传热均很快，各相的组成均趋于平衡。相的分离过程大为加快。

富氧侧吹熔池熔炼显著特点在于通过炉身两侧的一次风嘴向炉内熔体一定高度鼓入富氧空气，熔体在富氧空气作用下强烈搅动，风嘴以上部分形成絮流运动。向炉内加入的物料在强烈搅拌的熔体作用下快速分散，并实现了很好的传热和传质过程：一方面是熔体与加入的物料之间；另一方面是熔体与鼓入的富氧空气之间。另一个重要特点是当熔体絮流搅拌的比能量达到40～100kW/m3时，可使按现实体系的相图产生的新的液、固和气相的成核变得更加容易。在此种情况下，不要求原始的熔体有很大的饱和度，新相的生长加速，靠凝聚作用使新的液态夹杂物长大至2～4mm。这样的夹杂物，如炉渣中的金属或冰铜，已能靠密度差迅速从炉渣中分离出来。一次风嘴以下区域是一个与上层相比搅拌程度很小的下层熔体。在此下部平静的区域内，在上层因强制长大的不同液相珠滴(冰铜、金属)，会按比重的差别发生迅速分离。

2．4 富氧侧吹炉结构

富氧侧吹熔池熔炼炉是富氧侧吹熔池熔炼工艺的核心设备，炉子呈长方形立式结构，主要由炉缸、炉身、炉顶、钢架等部分组成。炉缸由耐火材料砌筑而成，炉缸以上部分为炉身，炉身由具有高导热性的铜质冷却件组成。富氧侧吹炉最大特点是在炉身两侧下部铜质冷却件上设有数个一次喷嘴，用于向炉内鼓入富氧空气。在炉身两侧上部铜质冷却件上开有数个二次喷嘴，用于向炉内鼓入空气或富氧空气，使烟气中的可燃组分燃烧完全。炉顶是由钢质冷却件组成。炉顶设有固态加料口、液态加料口以及排烟口。

3 生产实践

3．1 操作参数

生产过程中主要控制参数见表1。

3．2 生产指标

喀拉通克铜镍矿熔炼的原料主要是当地的硫化铜镍矿。根据现场所采的铜镍矿品位高低，品位高的特富铜镍矿经过破碎后直接进料库，品位低的经过选矿工序，选矿车间出来的为铜镍精矿。配料车间基本采用特富矿与精矿按1：1比例配料，熔剂为石英石。特富矿与精矿成分见表2，由于是同一矿带，原矿成分变化较小。

富氧侧吹熔池熔炼炉所产低冰镍、炉渣在虹吸室进一步分离，低冰镍从虹吸室下部的虹吸口连续放出，炉渣从虹吸室渣口连续放出。炉渣及低冰镍成分见表3。

4 富氧侧吹熔池熔炼工艺主要特点

生产实践表明，富氧侧吹熔池熔炼具有以下特点：

⑴原料适应性强。对入炉物料的粒度、水分要求不高，粒度可达40mm、物料含水14%可直接入炉，省去了前期对物料的深度磨细与干燥。

⑵燃料适应性广。富氧侧吹炉内补充的少量燃料可以是天然气、烟煤、无烟煤、焦粉等，用煤作燃料无须处理，块煤可直接入炉。

⑶流程短。采用富氧侧吹熔池熔炼工艺，省去了物料深度磨细及干燥，可直接入炉，燃料也无须处理。

⑷环境好、劳动强度低。生产过程中无须捅风眼，低冰镍、渣均采用连续放出，降低了劳动强度，炉子密闭性好，无SO2溢出，现场工作环境好。

⑸床能率高。富氧侧吹熔池熔炼，熔池搅动激烈，化学反应快，床能率可以达85t/m2 d。

⑹烟尘率低。由于烟气出口采用高竖直烟道，物料在熔池内反应，烟尘率仅为0．8%左右。

⑺能耗低。富氧侧吹熔池熔炼的热源主要是硫化铜镍矿反应放出热，生产过程中只要补充少量块煤即可，燃料率为3%左右。

⑻渣含铜镍金属低。富氧侧吹熔池熔炼渣含金属铜镍之和为0．5%左右，远低于其它熔炼方法。

5 结语

生产实践表明，富氧侧吹熔池熔炼技术优于闪速熔炼、奥斯麦特熔炼以及电炉熔炼，具有投资省、能耗低、工艺流程短、劳动强度低、环境好等优点。富氧侧吹熔池熔炼同样适用于铜冶炼、铅冶炼以及有色金属资源综合回收等领域。由于富氧侧吹熔池熔炼与其它冶炼工艺相比具有绝对优势，必将在有色金属冶金领域获得长足发展。