CN101638724B - 一种采用氮气搅拌和富氧气体精炼废杂铜的工艺及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用氮气搅拌和富氧气体精炼废杂铜的工艺及其设备，尤其是在对固体废杂铜进行火法精炼的过程中，通过采用富氧空气提高对废杂铜中杂质的脱除效率，采用氮气搅拌熔融铜液的方法来改善和强化整个精炼过程的冶金反应传热传质条件，从而大幅度缩短废杂铜火法精炼时间，提高废杂铜的杂质脱除率和产品品质，同时提高燃料、氧化剂以及还原剂利用率。本发明是具有低能耗、高效率、操作安全、保护环境好等优点的固体废杂铜处理方法，特别适合大中型废杂铜精炼厂使用。

Description

一种采用氮气搅拌和富氧气体精炼废杂铜的工艺及其设备

技术领域

本发明属于再生铜冶金技术领域，涉及一种废杂铜精炼工艺及其设备。在固体废杂铜精炼过程中采用氮气搅拌和富氧空气氧化精炼的方法最终得到高品质火法精炼铜或阳极铜。

背景技术

废杂铜精炼过程有别于从铜矿料-熔炼-吹炼产出液态粗铜的精炼过程，其差别主要是由于进入精炼工序的废杂铜是固体冷料，含杂质量高，一般在4-20％，且成分复杂，而液态粗铜含杂质一般在0.5-2％，所以废杂铜精炼过程具有熔化、氧化时间长，造渣次数多，渣量大等特点。

目前国内大多数废杂铜精炼厂都是采用固定式反射炉精炼工艺。这种炉型炉体固定不动，整个精炼过程炉内，除氧化还原吹入介质时对熔体发生搅动外，熔体基本处于静止状态；在氧化还原期间，采用人工手持风管的操作方式，向炉内喷吹空气和还原剂，存在搅动范围小、气体停留时间短，传热传质效果差，氧和还原剂利用率低、自动化程度不高、工人劳动强度大、操作环境恶劣、人工操作安全隐患、黑烟污染以及环保不达标等诸多问题。

国外大都采用倾动炉技术处理废杂铜。倾动炉炉子本体能够根据作业需要在一定范围内倾转，具有节能、环保、安全、自动化程度高等特点。从炉型结构上来说，倾动炉断面类同固定式反射炉型，即炉顶、炉底均为拱形，两侧为垂线或斜线。但是，由于倾动炉没有装配熔体搅动装置，熔体在精炼过程中传热传质能力较低；再则，由于采用普通空气作为氧化剂，对杂质的氧化脱除效果差，所以对炉料的适应性差，只能处理杂质含量低的废杂铜。

发明内容

该发明是提供一种采用氮气搅拌和富氧气体精炼废杂铜的工艺及其设备，可强化精炼过程反应的传热传质动力学条件，并对废杂铜中杂质进行高强度的氧化，最终得到高品质的火法精炼铜或阳极铜。该发明具有精炼效率高、节能、无黑烟污染、环保效果好、操作安全的特点。

本发明技术方案为：一种采用氮气搅拌和富氧气体精炼废杂铜的工艺，其步骤为：a装料：用加料设备将固体废杂铜物料从侧开炉门添加装入到可转动冶金炉内；b熔化：采用燃料燃烧来供热，加热熔化物料；当熔化了五分之一物料时，可在炉位角度+30°～-30°之间缓慢转动炉体，使炉料受热均匀；c氧化：当物料量80％～100％熔化后，将21～50％氧气浓度的富氧空气作为氧化剂，通过“氧化还原炉前控制阀组”来调节和控制炉体受气接口处压力为0.15～0.4MPa(表压)、富氧空气总流量为1800～3500Nm³/h，最终经炉体上的氧化还原口送入炉内铜液中，对废杂铜中的杂质进行氧化，并加入造渣剂反复造渣；d排渣：将氧化过程产出的渣(氧化渣)可一次或多次地从炉内排出；e还原：将天然气或液化石油气作为还原剂，通过“氧化还原炉前控制阀组”来调节和控制炉体受气接口处压力为0.15～0.4MPa(表压)、还原剂总流量为1500～3000Nm³/h，最终经炉体上的氧化还原口送入炉内铜液中，进行还原作业；f铸型：最后将精炼铜液浇铸成型，氮气搅拌：在前述的几个步骤中，除a装料外，均伴随进行氮气搅拌的过程，将工业氮气(含氮量＞95％)作为熔融体系的搅拌介质，当供气压力为0.8～1.0MPa的氮气经炉前氮气控制装置来控制氮气供给流量和稳定压力、再经过连接管线和设置在炉体上的微孔装置连续地向炉内熔体中鼓入氮气，对炉内熔体实施搅拌。每一个微孔装置对应一条供气支路，其流量可独立控制，流量范围为0.6～25Nm³/h。

一种采用氮气搅拌和富氧气体精炼废杂铜的设备，该设备采用的可转动的精炼炉，在炉体水平方向的一侧设有1～2个加料口，通过该口可采用加料车向炉内装入固体废杂铜和固体粗铜等物料；在与进料口同侧的炉体上开有出渣口；在与加料口相对应的另一侧开有一个出铜口和4-8个氧化还原口；氧化还原口连接有氧化还原炉前控制阀组，在炉体底部沿轴线设置6-12个微孔装置；在炉顶端部向上沿径向开有一个圆形排烟口；炉体下部设有支撑及传动和驱动机构，作业过程中炉体可在+30度～-30度的范围内进行倾转。

在熔化后固体废杂铜的精炼过程中采用氮气搅拌炉内熔体，在固体废杂铜熔化后期，在氧化、还原及浇铸(保温)等作业期间，通过设置在炉体底部的微孔装置，向炉内熔融废铜液中鼓入氮气。其作用和效果有：氮气进入熔体中将形成大量微小气泡，且呈弥散低速向上流动状态，造成对废杂铜液的搅拌作用，极大地加快了鼓入的氧和还原气体在废杂铜熔融液体中的扩散速度，从而强化传热传质过程。

向熔融的废杂铜液加入富氧气体。在氧化作业期，将含氧浓度为21～50％气体(或称富氧空气，或称为稀释氧气，亦称“稀氧”)作为氧化剂，经氧化还原炉前控制装置及连接管线送入炉内废杂铜液中。其效果是：提高废杂铜液中的氧势，强化氧与废杂铜的杂质元素的氧化和造渣。

本发明的优点在于：由于采用了微孔装置鼓入氮气来搅拌炉内废杂铜熔体，强化了炉内熔体传热传质过程，为精炼过程冶金反应提供了良好的动力学条件，致使废杂铜精炼反应速度加快，由此带来了多项相互关联的优点。首先，废杂铜精炼工序生产效率得以提高、能耗指标相应降低；由于反应条件得以强化，使氧化剂和还原剂的利用率得以提高，减少能源消耗量，初步实践经验表明氧化剂和还原剂的有效利用率分别将提高15～50％以上。所以该项发明具有节能显著的特点。采用富氧(O₂含量21～50％)空气作为氧化剂，增加了废杂铜液中的氧势，加速氧与废杂铜的杂质元素的氧化和造渣，强化了冶金反应过程，提高了废杂铜杂质的脱除率。采用该工艺后，废杂铜精炼时的杂质含量可由一般小于10％提高到20％。处理低品位的废杂铜经济效益好。由于采用富氧(O₂含量21～50％)空气作为氧化剂，精炼过程烟气中的N₂总量相对减少。在同样的杂质脱除条件下，烟气量也较小，这不仅减少废烟气带走热量所造成的损失，节省能源消耗，也减少废烟中NOx的发生总量，有利于环境保护。

本氮气搅拌作用机理说明：在火法精炼废杂铜的熔化、氧化和还原等作业过程中，通过微孔装置持续不断地向炉内熔体中鼓入氮气，在熔体中形成持续的微小气泡群带。由于气泡浮力以及气泡受热膨胀的双重作用，气泡群带动部分熔体从炉子底部微孔装置区域不断向上浮起，而其周边熔体则趋于向下沉降，造成炉内熔体围绕微孔装置形成多个环流形态的扰动，对废杂铜液产生搅拌作用，强化了传热传质效果，促进熔体温度和介质的均衡，极大地加快了鼓入的氧和还原气体在废杂铜熔融液体中的扩散速度，提高了氧和还原剂的利用率，提高了废杂铜精炼效率。

采用含氧浓度在21～50％的富氧空气作为氧化剂鼓入炉内，增加了废杂铜液中的氧势，借助于微孔装置鼓入氮气的搅动作用，强化传热传质效果，促进氧与废杂铜的杂质元素的氧化和造渣，提高冶金反应速率。最终结果是缩短氧化作业时间，提高废杂铜杂质的脱除率。

附图说明

图1为本发明一种采用氮气搅拌和富氧气体精炼废杂铜的工艺流程图；

图2为本发明一种采用氮气搅拌和富氧气体精炼废杂铜的设备--可转动的处理固体废杂铜精炼炉主视图；

图3为本发明一种可转动的处理固体废杂铜精炼炉俯视图；

图4为本发明A-A剖视图；

图5为本发明B-B剖视图，本图为图1剖面，炉体处于加料位置；

图6本发明A-A剖视图，本图为图1剖面图，炉位在氧化还原作业位置；

图7为本发明一种采用氮气搅拌和富氧气体精炼废杂铜的设备的微孔装置结构示意图。

1、排烟口；2、排渣口；3、加料口；4、微孔装置；5、烧嘴；6、氧化还原口7、出铜口；4-1微孔耐火砖；4-2套砖；4-3炉体内衬材料；4-4氮气入口

实施方式

作为工艺实施案例之一：设备可采用一种能转动的圆筒型炉子，炉体轴线呈水平布置。该炉体上开有2个水平设置的加料口3；在炉体上开有1个出渣口2；1个出铜口7；在炉体端盖上设有1或2个燃烧器孔4；在燃烧器端的另一侧顶部开有将烟气排走的排气孔1；在炉体上，开有若干个(根据需要确定其数量)可以快速更换的氧化还原口5；炉底设有若干个供氮气进入的微孔装置4。炉体上有滚圈、齿圈，托轮支撑及驱动装置，端盖上设置可燃烧重油、天然气等燃料和能够采用富氧风助燃的燃烧器。

该工艺处理固体废杂铜步骤：

a装料：用加料设备将废杂铜从侧开炉门添加装入到可转动炉内；

b熔化：采用燃料燃烧来加热熔化物料，当熔化了五分之一左右的物料后，开始从炉底的微孔装置供入氮气，并可在炉位角度+30度～-30度之间缓慢倾转炉体，使炉料受热均匀；

c氧化：当物料量80％～100％熔化后，即可采用富氧空气(21～50％氧气浓度)作为氧化剂，经氧化还原口送入炉内铜液中，进行氧化作业；

d排渣：将氧化过程产出的渣(氧化渣)可一次或多次地从炉内排出；杂质氧化、造渣和撇渣需进行多次。

e还原：采用天然气或液化石油气作为还原剂经氧化还原口送入炉内铜液中，进行还原作业；

f除a装料外，一直持续稳定的经微孔装置地向炉内熔体中鼓入氮气，对熔体进行搅拌。

g铸型：最后将精炼铜液浇铸成型。

由工厂公用工程的气源系统引入或外购氮气(供气压力0.8～1.0MPa表压)；用氧气和空气配成富氧空气(含氧浓度21～50％，供气压力0.7MPa表压)。

氮气经输送管线，进入微孔用炉前供气控制装置，该控制装置对每一路输出端口均具有单独的气体流量调控和输出压力指示功能。从炉前控制装置到精炼炉本体上的微孔装置入口之间系由柔性管路和刚性管路组成，构成多个各自独立的氮气输送支路。每一个微孔装置有一个单独的输气支路。在熔化、(氧化、还原)以及浇铸保温等各个作业期间，惰性气体被依据不同的要求定量地不间断地鼓入炉内熔体，其流量范围在0.6～25Nm³/h。在氧化和还原期间，也可通过微孔装置分别鼓入氧化用气体和还原用气体。

含氧浓度范围为21～50％的富氧空气(压力0.7MPa)经输送管线，进入氧化还原气体炉前供气控制装置，从炉前控制装置到精炼炉炉体氧化还原口之间由柔性管路和刚性管路组成。炉前供气控制装置具有压力流量的调节和控制功能(也应具备与精炼系统DCS系统进行数据通讯的功能)。在氧化作业期间，炉前供气控制装置可依据要求定量地输送氧化还原介质连续鼓入炉内熔体。

作为典型案例数据如下：

炉体形式：水平放置圆筒体炉型

能力：每炉产精炼铜250t/炉；

-微孔装置及氮气炉前供气控制装置主要参数：

氮气组成：N₂～95％，其余为其它；

氮气炉前供气装置入口压力：   0.8～1.0MPa(表压)；

氮气炉前供气装置出口压力：   0.6MPa(表压)；

氮气流量(每条支路)：         0.6～25Nm³/h；

氮气温度：                   常温；

-富氧空气和还原剂气体炉前供气控制装置主要参数：

富氧空气含氧(O₂)浓度35％，其余组分为氮气；

炉前供气装置入口压力：      0.7MPa(表压)；

炉前供气装置出口处压力：    0.45MPa(表压)；

氧化剂流量：                1800～3500Nm³/h；

氧化剂温度：                常温；

天然气流量：                1500～3000Nm3/h；

天然气温度：                常温。

Claims (4)

1.一种采用氮气搅拌和富氧气体精炼废杂铜的工艺，其步骤为：(a)装料：用加料设备将固体废杂铜物料从侧开炉门添加装入到可转动冶金炉内；(b)熔化：采用燃料燃烧来供热，加热熔化物料；当熔化了五分之一物料时，可在炉位角度+30°～-30°之间缓慢转动炉体，使炉料受热均匀；(c)氧化：当物料量80％～100％熔化后，将21～50％氧气浓度的富氧空气作为氧化剂，富氧空气压力为0.15～0.4MPa、富氧空气总流量为1800～3500Nm³/h，经炉体上的氧化还原口送入炉内铜液中，对废杂铜中的杂质进行氧化，并加入造渣剂反复造渣；(d)排渣：将氧化过程产出的渣可一次或多次地从炉内排出；(e)还原：将天然气或液化石油气作为还原剂，天然气或液化石油气压力为0.15～0.4MPa、还原剂总流量为1500～3000Nm³/h，经炉体上的氧化还原口送入炉内铜液中，进行还原作业；(f)铸型：最后将精炼铜液浇铸成型；氮气搅拌：在前述的几个步骤中，除(a)装料外，均伴随进行氮气搅拌的过程，将氮量＞95％的工业氮气作为熔融体系的搅拌介质，当供气压力为0.8～1.0MPa的氮气经炉前氮气控制装置来控制氮气供给流量和稳定压力、再经过连接管线和设置在炉体上的微孔装置连续地向炉内熔体中鼓入氮气，对炉内熔体实施搅拌；每一个微孔装置对应一条供气支路，其流量可独立控制，流量范围为0.6～25Nm³/h。

2.一种采用氮气搅拌和富氧气体精炼废杂铜的设备，其特征在于：该设备为一种火法精炼处理固体废杂铜料的专用工业炉具，该炉具的炉体下部设有支撑及传动和驱动机构，作业过程中炉体可在+30度～-30度的范围内进行倾转；在炉体底部沿轴线间隔设置6-12个能够通入氮气的微孔装置(4)；沿炉体水平方向的一侧设有1～2个加料口(3)，通过该口可采用加料车向炉内装入固体废杂铜和固体粗铜物料；在与进料口同侧的炉体上开有出渣口(2)；在与加料口相对应的另一侧开有一个出铜口(7)和4-8个能够通入氧化剂或还原剂的氧化还原口(6)；在靠近出渣口一端的炉顶部向上沿径向开有一个圆形排烟口(1)；在与出渣口端相对应的另一端筒体端盖上部装置有1～2个燃烧器(5)；炉体内衬耐火材料厚度450～500毫米。

3.根据权利要求1所述的采用氮气搅拌和富氧气体精炼废杂铜的工艺，其特征在于：在熔化后固体废杂铜的精炼过程中采用氮气搅拌炉内熔体，在固体废杂铜熔化后期和氧化、还原及浇铸作业期间，氮气经氮气炉前控制装置、连接管线以及设置在炉体底部的微孔装置(4)，向炉内熔融废铜液中鼓入氮气。

4.根据权利要求1所述的采用氮气搅拌和富氧气体精炼废杂铜的工艺：其特征在于：在氧化作业期，向熔融的废杂铜液加入富氧气体；将含氧浓度为21～50％富氧空气作为氧化剂，经氧化还原炉前控制装置、连接管线及炉体上的氧化还原口送入炉内废杂铜液中。

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