年产15万吨冰铜的转炉车间设计Word文档格式.docx
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6.3冰铜转炉吹炼主要技术经济指标……………………………28
7铜锍转炉吹炼冶金计算……………………………………………29
7.1铜锍转炉吹炼物料平衡计算…………………………………29
7.2铜锍转炉吹炼热平衡计算……………………………………31
7.3铜锍转炉设备计算……………………………………………36
8铜锍转炉吹炼车间环境保护………………………………………37
8.1铜锍转炉吹炼炉渣及处理……………………………………37
8.2铜锍吹炼烟尘和烟气机处理…………………………………37
结论
总结与体会
谢辞
参考文献
摘要
铜锍是铜冶金生产的中间产物，是生产粗铜的原料，又名冰铜。
铜锍吹炼过程是火法冶炼生产粗铜的最后一道工序。
除了脱铁脱硫外，还通过造渣和挥发，进一步降低铜锍中的其他有害杂质，以防止减少这些杂质进入粗铜。
再就是使贵金属（金、银及铂族元素）和镍等有价金属尽量富集于粗铜之中，以便在后来的电解精炼中国以回收。
现在吹炼铜锍的方法很多，有卧式转炉、虹吸式（霍博肯）转炉、连续吹炼炉。
当今世界铜冶金是一个发展的趋势，随着国民经济的发展，対铜的需求量逐渐增加，本设计通过卧式转炉吹炼，从车间的布置、物料衡算、工艺选择与论证到转炉结构图的绘制的过程。
关键词
铜锍转炉吹炼冶金
前言
现代铜冶金是一个很热门的行业，我国的铜资源丰富，并拥有先进的技术。
据统计，2010年中国铜消费量达到713万吨，环比增加11.7%，占全球消费的比重达38.6%，未来依然要重点关注。
有色冶金是一个很大的行业，各种金属的冶炼有不同的方法。
而对于铜冶金是一个很复杂的过程。
有色冶金中，转炉用于吹炼铜锍成粗铜，采用的大多数是卧式转炉，有很高的处理量，反应速度快，氧利用率高，可自热熔炼，并处理大量冷料，是铜冶必不可少的关键设备。
本设计根据卧式转炉吹炼，从铜的概述，进一步论述了转炉工艺，转炉吹炼物料平衡与热平衡计算，厂址选择，车间布置，转炉设备的选择与论证，最后绘制转炉炉型图。
并把各设备连接起来，组成一个整体。
卧式转炉吹炼是利用硫化亚铁比硫化亚铜易于氧化的特点，在卧式转炉中，往熔融的冰铜中鼓入空气，使硫化亚铁氧化成氧化亚铁,并与加入的石英熔剂造渣除去,同时部分脱除其他杂质，而后继续鼓风，使硫化亚铜中的硫氧化进入烟气，得到含铜98～99％的粗铜，贵金属也进入粗铜中。
本设计分作8章，依次叙述了铜的基本情况，铜锍吹炼，车间厂址选择设计，冶金计算，环境要求等。
1绪论
1.1铜的性质和用途
铜是重有色冶金中一个很常见的元素，有着特殊的性质，这也决定了它广泛的用途。
1.1.1铜的性质
铜是紫红色金属，密度8.96克/厘米3,熔点1083.4℃。
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，但能溶于有氧化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）等等。
地壳中铜的含量仅占0.01%，但常形成富集的矿床，便于工作于开采和利用。
铜的矿物常见有黄铜矿、斑铜矿和孔雀石。
前二者属于硫化铜矿，后者属于氧化铜矿。
铜的用途铜是人类最早发现和使用的金属之一。
铜的化学性质不活泼，在干燥空气和水中无反应；
与含有二氧化碳湿空气接触时表面逐渐形成绿色的铜锈。
铜在空气中加热时表面形成黑色氧化铜CuO；
在氧气不足的情况下，形成红色氧化亚铜Cu2O。
化合物中铜的主要氧化态是+1、+2，极少数是+3。
在高温和干态时，一价铜化合物是稳定的。
莫氏硬度：
3声音在其中的传播速率：
（m/S）3810铜密度8.92克/立方厘米。
熔点1083.4±
0.2℃，沸点2567℃。
导热和导电性能较好。
1.1.2铜的用途
铜是一种红色金属，同时也是一种绿色金属。
说它是绿色金属，主要是因为它耐用，容易再溶化、再冶炼，因而回收利用相当地便宜。
在二十世纪60年代，铜最大的使用市场是电器和电子市场，约占总数的28%。
1997年，这两个市场成为铜消耗的第二大终端用户，拥有25%的股份。
在许多电器产品中，（例如：
电线、母线、变压器绕组、重型马达、电话线和电话电缆）铜的使用寿命都相当地长，只有经过20到50年以后，里面的铜才可以进行回收利用。
其他含铜的电器和电子产品（比如：
小型电器和消费电子产品）使用寿命则比较短，一般是5-10年。
商业性电子产品和大型电器产品通常要回收的，因为它们除含有铜以外，还有其他珍贵的金属。
尽管如此，小型的电子消费产品的回收率还是相当低的，因为它们里面几乎没有多少铜元素。
随着电子领域科学技术的快速发展，一些陈旧的含铜产品越来越过时了。
比如，在二十世纪80年代，电话转换站和中央营业所是铜和铜合金碎屑的主要来源，但是数字转换的出现使得这些笨重的、金属密集的东西变得越来越过时了。
交通设备是铜的第三大市场，约占总数的13%，与二十世纪60年代基本相同。
尽管交通的重要性没有改变，但是铜的使用形式却发生了很大的变化。
许多年来，自动散热器是这方面最重要的终端用户；
然而，铜在自动电器和电子产品中的使用飞速增长，而在热交换器市场中的使用则有所下降。
小轿车的平均使用寿命是10-15年，几乎所有的铜（包括散热器和配线）都是在它的整体拆卸和回收前来进行回收的。
工业机器和设备是另外一个主要的应用市场，在当中铜往往有比较长的使用寿命。
然而，铜在这一市场中的使用并没有增长，现在只占总使用量的12%，而60年代则是21%。
消费产品和一般性产品的相对重要性也从60年代的13%降到70年代的9%。
硬币和军火是这方面主要的终端用户。
子弹很少回收，一些硬币可以熔化，而还有许多则由收藏者或储蓄者保存，不可以进行回收。
1.2铜资源概况
铜工业是国民经济中的重要行业。
在我国现有124个产业中，有113个部门使用铜产品，占91%。
铜工业和其他行业的关联程度也较高。
世界铜资源主要集中在智利、美国、赞比亚、俄罗斯和秘鲁等国。
其中智利是世界上铜资源最丰富的国家，其铜金属储量约占世界总储量的1/3。
而在产量方面，智利是全球最大铜产国，2009年其产量约占全球产量的37%。
在消费方面，2000年前在铜消费市场唱主角的是西方欧美国家，但在2000年后铜消费市场的主角换成了中国、俄罗斯、印度和巴西。
虽然铜的使用在我国有悠久的历史，但在近50年铜工业才得到发展。
建国以来经过60年
的建设，我国铜工业取得辉煌成就，建成了比较完整的铜工业生产体系，步入世界上重要铜生产国行列。
中国铜矿分布广泛，在已查明的矿产地除天津以外的所有省、自治区、直辖市，均有不同程度的分布。
其中，江西、西藏和云南等３个省区的储量占全国铜矿储量的４７.１％铜储量较多的还有甘肃、安徽、内蒙古、山西、湖北、黑龙江等６省区，储量合计２０１９.８万t，占全国铜矿储量的３２.３％。
以上９省区的储量合计占全国铜矿总储量的８０％.贫矿多，富矿少中国铜矿平均品位为０.８７％，品位＞１％的铜储量约占全国铜矿总储量的３５.９％。
在大型铜矿中，品位＞１％的铜储量仅占１３.２％。
2010年，我国精炼铜产量继续保持稳步增长的趋势，各月产量均高于往年同期水平，特别是下半年以来，由于铜价持续回升，冶炼厂开工率维持高位水平，月度产量屡创出纪录新高。
中国2010年精炼铜进口创下319万吨的纪录高位，较2008年锐升118.7%，2011年由于需求的增加，全球铜供给将出现4.4万吨的缺口，并且在2012年有扩大趋势。
从全球铜需求地区看，中国依旧占据全球铜第一消费大国地位，需求量约占全球总需求的30%，国内需求一直是市场关注的焦点。
未来我国铜工业向以下三个方向发展：
加快重组步伐，建立大型铜业集团；
加速矿产资源勘探与开发，提高原料自给率；
铜加工业必须走技术创新之路。
1.3铜冶金现状及发展
1.3.1铜冶金现状
当前,全球矿铜产量的75～80%来自以硫化物形态存在的矿床,经开采,浮选得到的铜精矿为原料,采用火法冶炼工艺提炼铜.经造锍熔炼获得铜锍（俗称冰铜）,铜锍经吹炼产出粗铜.粗铜火法精炼后浇铸成阳极板,再经电解精炼获得品位99.95%以上的电解铜.浸出,萃取,电积的湿法冶炼工艺适用于氧化铜矿,低品位矿石或适于浸出的硫化矿,近年获得较大发展,全球2010年生产能力已超过200万t.造锍熔炼的传统方法如鼓风炉熔炼,反射炉熔炼和电炉熔炼,由于效率低,能耗高,环境污染严重而逐渐被新的强化熔炼所代替,但目前在中小型冶炼企业尚未全部淘汰.新的强化熔炼有闪速熔炼和熔池熔炼两大类,前者包括奥托昆普型闪速熔炼和加拿大国际镍公司闪速熔炼等,后者包括诺兰达法,特尼恩特法,三菱法,艾萨法,奥斯麦特法,瓦纽可夫法和白银法等.火法炼铜技术走向连续化,自动化,金属和硫的回收率提高,环境状况获得很大改善,特别是SO2污染得到有效的控制.吹炼是将含Cu,Fe,S的铜锍经吹炼作业获得含铜98～99.5%的粗铜.铜锍吹炼方法有传统的卧式转炉,连续吹炼炉,虹吸式转炉.近年来,吹炼技术又有创新,如ISA吹炼炉,三菱吹炼炉和闪速吹炼炉等.粗铜的火法精炼在阳极炉内进行,对转炉产出的液态粗铜采用回转式阳极炉或固定反射炉精炼,经氧化,还原等作业进一步脱除粗铜中的Fe,Pb,Zn,As,Sb,Bi等杂质,并浇铸成含铜99.2～99.7%的阳极板.对冷态粗铜或回收的紫杂铜等则在固定式反射炉和倾动炉中进行熔化的精炼作业.铜电解工艺有传统电解法,永久阴极电解法和周期反向电流电解法三种.目前大多数电解铜厂都使用传统电解法,永久阴极电解法（ISA法和KiDD法）和周期反向电流电解法（PRC法）是20世纪70年代以来发展的新技术。
1.3.2铜冶金发展方向
在今后精炼铜的生产中,二次铜的回收会有很大的增加,矿山产铜量的增长速度将低于电解铜生产的增长速度,火法炼铜仍将是主要的工艺,原矿浸出萃取电积工艺会有较大的发展.
由于环保的要求越来越高,因此,要求硫的总捕集率要达到98%以上.但硫酸的销售是一个比较大的问题.对火法强化熔炼工艺,今后若干年内闪速熔炼还会保持比较大的比例,各种熔池熔炼会有更大的发展.废杂铜在熔池熔炼炉料中的比重会增加.发展中会遇到很多的问题，如下：
国内铜资源严重不足，国内铜冶炼厂将长期进口铜原料大型铜矿少。
我国现有铜矿山747座，这些矿山中，铜金属储量超过500万t的巨型矿山只有德兴、玉龙两座，金属储量超过50万t的大型矿山22座，这22座矿山占我国铜金属总储量的60%。
这些矿山中，规模开采的6座，局部开采的4座，尚未正式开采的14座。
富矿少，贫矿多，矿山平均品位低。
我国铜矿的平均品位为0.78%，含铜品位大于1%的仅占铜储量36%，与美国、加拿大、菲律宾大体接近，低于智利、印尼、澳大利亚，基本属于贫铜国家。
矿山开采条件差，资源大幅度减少。
目前开发的铜矿山大多是地下开采的铜矿，开采条件差。
我国目前生产的铜矿山大多已经过几十年的开采，资源大幅减少，生产转入深部开采，生产成本上升。
在2001~2005年将有一些铜矿山由于资源消失而被关闭。
接替矿山建设条件差。
目前能提供新接替资源的矿山大多地处目前经济较落后中西部地区，因外部建设条件较差，规模开采将需要一定的时间，近期矿山铜产量难以增加。
湿法铜产量增长缓慢。
与国外铜资源比，我国目前拥有的铜储量中，斑岩铜矿资源少，限制了溶剂萃取技术的大规模的发展，湿法炼铜产量的增长速度缓慢。
因此“十五”期间甚至更长时间，我国的矿山铜产量将维持在现有水平，我国铜熔炼厂今后处理进口铜原料的比例还将进一步提高。
1.4铜在国民经济中的地位
铜金属是国民经济、人民日常生活及国防工业、科学技术发展必不可少的基础材料和重要的战略物资。
农业现代化、工业现代化、国防和科学技术现代化都离不开铜金属。
例如飞机、导弹、火箭、卫星、核潜艇等尖端武器以及原子能、电视、通讯、雷达、电子计算机等尖端技术所需的构件或部件大都是由有色金属中的轻金属和烯有金属制成的；
此外，没有镍、钴、钨、钼、钒、铌等有色金属也就没有合金钢的生产。
有色金属在某些用途（如电力工业等）上，使用量也是相当可观的。
现在世界上许多国家，尤其是工业发达国家，竞相发展有色金属工业，增加有色金属的战略储备。
铜工业的发展给国家的进步带入了一个时代。
铜工业是属于大型工业中的重点工业，把这个行业做大做强属于国家的重点项目，对国家的GDP会带来一定的涨幅，给国家创造一定的价值。
2铜锍转炉吹原料及辅助原材料
转炉吹炼的原料主要有熔融的冰铜，固体冷料及石英溶剂。
2.1冰铜
多数冶炼厂生产的冰铜，品味在20-50%内，只有少数工厂低于20%或高于60%。
但是，国内外转炉生产实践表明，冰铜品味一般以30-50%为好。
下表为冰铜成分实例
实际生产的冰铜成分与理论计算的冰铜成分有一些偏差。
当冰铜品味相同时，实际冰铜含硫偏低，含铁接近或略高。
上表也表明了这一点。
2.2冷料
冰铜转炉吹炼过程往往容易过热，须加入冷料降低炉温。
第一周期处理的冷料有：
包子和溜槽的冰铜壳，冰铜块、转炉喷溅物、精炼炉炉渣及富铜块矿等。
第二周期温度若超过1200摄氏度，对于炉衬寿命影响很大，也应添加冷料。
有的工厂将一部分粗铜浇铸成块作冷料回炉；
有的工厂将电解残极当作冷料。
冷料应保持干燥，块度一般不宜大于400-500毫米。
在第一周期冰铜品味与冷料率的关系见图
目前国内转炉的冷料率较低，特别是第二周期加冷料很少。
如下
2.3石英溶剂
吹炼过程中为了使Feo造渣，应加入石英溶剂。
目前过呢工厂采用的石英溶剂SiO2含量为90-95%，国外工厂多采用SiO2为65-80%的溶剂。
下表为国外转炉溶剂成分实例
由于转炉炉衬均为碱性耐火砖，溶剂含SiO2较高时，队炉衬寿命有影响，故转炉溶剂的SiO2含量宜控制在75%以下。
当溶剂含SiO2较高时，有的工厂将溶剂和矿石混合在一起入炉，从而降低其SiO2含量。
也有的工厂采用含金、银的石英石或含SiO2较高的氧化铜矿作为转炉溶剂。
溶剂中含有10%左右的Al2O3时，对保护炉衬有一定好处。
转炉溶剂的块度一般为5-35毫米；
当溶剂的热裂性很好时，最大块度可达200-300毫米。
块度太大熔化渣速度慢，对转炉的操作和耐火砖的磨损有影响；
块度太小。
容易被烟气带走，因此宜将细粉筛去。
溶剂应保持干燥，水分应低于5%。
下表为不同冰铜品味溶剂消耗量
3铜锍转炉吹炼
3.1概述
用火法处理硫化铜矿或精矿可用两种工艺。
其一，硫化铜精矿先经过死焙烧再还原熔
炼得到粗铜。
其二，硫化铜精矿经过造锍熔炼得到铜锍，将铜锍送入吹炼炉吹炼成粗铜。
第
一种流程虽然简单，但产出的粗铜杂质含量高，且随炉渣损失的铜量大，显然不经济。
第二
种工艺虽然流程复杂，但优点甚多。
因此，世界上广泛采用造锍熔炼一铜锍吹炼的工艺来处
理硫化铜精矿。
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等贵金属及少量其他金属硫化物的共熔体。
炉料中的Si02、Al203、Ca0等成分与
Fe0一起形成液态炉渣。
炉渣是以2Fe0．Si02（铁橄榄石）为主的氧化物熔体。
铜锍与炉
渣互不相溶，且密度各异（铜锍的密度大于炉渣的密度），从而分离。
用火法处理硫化铜精矿的优点是能耗低，单位设备生产速度高，贵金属回收率高且简
捷。
主要缺点是要产生大量含S02的气体，对环境造成危害。
随着科学技术的进步，现在
已使含S02的烟气得到有效控制。
图2.1表示出了用火法处理硫化铜精矿和S02利月率
的发展简况。
冰铜吹炼的目的是除去其中的铁和硫及部分其他有害杂质，以便获得粗铜。
吹炼过程中金和银富集于粗铜中。
吹炼作业是将压缩空气在有石英熔剂存在的情况下，吹过炉内熔融的冰铜，过程所需的热主要由吹炼过程中发生的放热反应供给。
吹炼过程由两个阶段组成。
第一阶段中，FeS强烈氧化，生成Fe0并放出S02气体。
Fe0与加入炉内的石英熔剂造渣，冰铜逐渐被铜富集。
冰铜和炉渣由于密度不同及相互溶解度有限，在转炉停风时分层，炉渣定期倒出。
第一阶段进行到得到含铜75%以上和含铁千分之几的富冰铜为止。
其产物是白冰铜、炉渣、炉气和烟尘。
这一阶段以生成大量炉渣为特征，故又叫造渣期。
第二阶段中，白冰铜继续吹炼至获得粗铜，不需加入熔剂。
这一阶段中，Cu2S氧化成Cu0，并与未氧化的Cu2S相互反应生成金属铜和S02，直至与铜结合的硫全部除去为止。
这一阶段以不生成或生成极少量炉渣为特征，故又叫造粗铜期。
转炉的吹炼过程是一系列复杂的化学和物理过程的综合，这些过程是将气体吹入熔池内进行的。
在转炉内进行的许多过程中，主要过程如下。
①原料的物理化学变化。
②气体、炉料和产物的运动。
③热交换。
转炉在正常操作时，风口浸入熔体的深度即风口深度一般为200～700mm，正常风压为80～125kPa，大大超过风口深度的熔体层静压力，鼓入的空气从风口流出的速度为100～160m／s。
因此，空气流可穿入离开风口壁某一距离的冰铜层，由于熔融冰铜密度大，对气流有大的穿击阻力。
当气流离开风口后，迫使它立即向上转弯，分散成小股流束，上升到熔池表面。
故吹炼仅发生在风口附近的熔池有限区域内，即转炉熔池宽度的1／3内有空气激烈的搅拌，其余213内没有受到空气的直接吹炼。
由于熔池的温度较高，为1473～1573K，炉料呈熔融状态，大量上升的小气泡和熔体之间的接触表面很大，加速了硫化物的氧化过程。
尽管空气在熔池内停留时间极短，只有’0.1～0.13s，但氧的利用率很高，为9026～95%以上。
转炉吹炼主要反应是铁、硫及某些杂质的氧化，所有这些氧化反应均伴随有大量热放出，使吹炼过程不需消耗额外的燃料或电能。
吹炼第一阶段，铁氧化形成的氧化物立即溶解于熔体内，并随着熔体的沸腾与浮在熔池表面的固体或溶解的石英熔剂接触造渣。
第二阶段，发生铜的氧化物与硫化物之间的激烈相互反应，最终获得粗铜。
吹炼过程中，由于从风口沆出的空气对熔体的作用，及许多气泡的迅速上浮，使液体和固体炉料及熔炼产物不停地运动，特别在风口附近的熔池内，运动最为强烈，犹如喷泉。
转炉正常操作时，大部分喷溅物不能到达炉口而返回落人熔池中，只有极细的喷溅物由于惯性或气流的携带被吹出炉外。
转炉的热制度与其他有色冶金炉不同。
首先，不需要外加热源，仅靠吹炼本身的化学反应热就足以抵偿全部热消耗，且在吹炼第一阶段还有多余热量。
为防止转炉砖衬里过度受热而损坏，通常冷料以调节炉温。
转炉是个发热器，其次，转炉的热交换直接发生在熔池内部。
由于熔池内部的熔体处于强烈沸腾状态，熔池内部热交换是用熔体强制对流的方式来传热的，故热交换过程进行得非常迅速，使整个熔池内各处熔体的温度均匀一致。
综上所述可看出，转炉中气体的流动发生在风口附近，炉内一切过程都是由于空气通过风口进入熔融冰铜中而引起的，故鼓入空气是转炉最重要的特征，它直接决定着转炉吹炼的各项技术经济指标。
冰铜吹炼的实质，是熔融冰铜在鼓风和石英熔剂作用下，FeS氧化与Si02造渣，部分CuzS氧化形成Cuz0，Cuz0与未氧化的C\12S起交互反应得到金属铜。
3.1.1铜锍的化学组成
铜锍是重金属硫化物的共熔体。
从工业生产产出的铜锍看，其中除主要成分Cu、Fe
和S外，还含有少量Ni、Co、Pb、Zn、As、Sb、Bi、Ag、Au、Se和微量脉石成分，此外还含有2%～4%的氧。
一般认为熔融铜锍中的Cu、Pb、Zn、Ni等重金属是以硫化物形态存在（Cu2S，PbS，ZnS，Ni3S2）。
而Fe除以FeS形态存在外，还以氧化物（Fe0或Fea04）形态存在。
表2.3列出了国内外某些工厂所产铜锍的化学组成。
统计表明，铜锍中Cu+Fe+S+Pb+Zn+Ni的总量一般达95%～98．%。
铜锍中的氧含量与熔炼炉的氧势或铜锍品位有关。
3.1.2铜锍的物相组成
熔融铜锍在冷却过程中将发生一系列复杂的相变过程。
今井秀喜等曾对合成铜锍中
的固态物相作过研究，如下表：
铜锍物相组成
从表2.4可知，固相铜锍中主要物相有斑铜矿、斑铜矿固溶体、磁硫铁矿固溶体及少量游离态的羽毛铜，在含Cu30Y6～60%的铜锍中往往可以看到这种微细的金属铜。
下图示出了上述矿物相在Cu-Fe-S系中所处的位置。
对各种不同品位的熔锍凝固后的矿相组成变化进行过研究，结果表明：
在工厂铜锍的固体中含有由CuzS和FeS结合成的斑铜矿（Cu4FeS3），而且当铜锍中的铜含量低于此复硫化物化学计量（Cu62,7~6）时，除斑铜矿外还存在着过剩的FeS固溶体；
相反，当铜锍中的铜量超过62.7%时，则过剩的CuzS将单独分离出来。
这种情况与CLI2S-FeS二元系相图所示情况一致（详见CuzS-FeS相图），当铜锍冷凝速度不同时Cu。
FeS。
还可以按下式发生离解：
4Cu4FeS3—2（Cu2S）3.Fe203+4Cu
可见铜锍中的金属铜是铜锍冷凝时由斑铜矿分解而产生的。
3.1.3铜锍的物理化学性质
铜锍的密度是铜锍最主要的物理化学性质之一。
在工业实践中铜锍和熔渣的密度差
是两者进行良好分离的首要条件；
同时铜锍的比容对于冶炼炉容积设计和液面操
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