CN105349799A - 一种旋浮冶炼喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋浮冶炼喷嘴，本发明通过控制第一旋流器的种类和结构，使得在旋转式第一富氧空气中形成位于其内部的能够卷吸气体回流的中心回流区和/或位于其外侧的能够卷吸气体回流的外回流区，中心回流区和/或外回流区提高了物料的升温速度和反应速度，较强的旋流强度提高了物料与富氧空气的混合均匀性和物料在反应塔内悬浮的时间，显著促进了冶金反应进行和反应完全，提高了旋浮炉的生产能力，较好地实现了对高杂质精矿的旋浮冶炼。

Description

一种旋浮冶炼喷嘴

技术领域

本发明涉及有色金属冶炼技术领域，尤其是涉及一种旋浮冶炼喷嘴。

背景技术

在有色金属冶炼行业内，尤其是铜冶炼行业，悬浮闪速冶炼技术是最主要的冶炼技术之一，其工艺原理是：首先将冶金反应所需的气体，通常是富氧空气，由冶炼喷嘴喷入闪速炉的反应塔内；然后将干燥后的冶金反应所需的固态粉状物料，通常包括精矿、熔剂以及返料，由冶炼喷嘴喷入闪速炉的反应塔内；固态粉状物料与富氧空气从喷嘴喷出后，相互混合形成气料混合流体，固态粉状物料悬浮在充满富氧空气且具有较高氧势的反应塔内的空间内，使物料粒子与富氧空气中的氧气充分混匀接触，由于固态粉状物料的粒径很小，具有巨大的表面积，使得固态粉状物料与氧气在瞬间(2～3秒)内完成冶金反应，产出相应的冶金产物，达到脱硫脱铁的冶炼目的。由于冶金反应在很短的时间内完成，反应速度很快，故名悬浮闪速冶炼，实现上述悬浮闪速冶炼工艺的冶金炉称作闪速炉。

近年来由于铜冶炼能力剧烈扩张，优质铜精矿的供应变得越来越紧张，铜精矿逐渐变得“低品位”和/或“高杂质”。低品位，指铜精矿中的目标金属铜元素的含量较低；高杂质，主要是指铜精矿中的铅、锌、砷、锑、铋和/或锡等杂质元素的含量较高。

而众所周知，悬浮闪速冶炼中的闪速炉结构、喷嘴结构以及冶炼方法等等均是为处理优质精矿而设计的，其并不适合处理低品位和/或高杂质的精矿：当悬浮闪速冶炼低品位的铜精矿时，铜精矿中的目标金属铜元素的含量较低，意味着铜精矿中的低价态硫元素含量更高，低价态硫元素相当于冶金反应中的燃料，相同铜精矿投料量下会产生更多的热量，造成炉温过高，炉体承受更高的热负荷，降低了炉体的使用寿命，从而限制了悬浮闪速冶炼处理低品位铜精矿的能力；当悬浮闪速冶炼高杂质的铜精矿时，铜精矿中的铅、锌、砷、锑、铋和/或锡等杂质元素的含量较高，这些杂质会降低铜精矿的升温速度，升高铜精矿的反应温度，降低铜精矿的反应速度，容易造成冶金反应不完全，降低了闪速炉的生产能力，从而限制了悬浮闪速冶炼处理高杂质铜精矿的能力。实际生产中，目前的悬浮闪速冶炼方法及悬浮闪速冶炼喷嘴还不能较好地实现对低品位和/或高杂质精矿的冶炼。

因此，如何利用现有的闪速炉，较好地实现对高杂质精矿的冶炼是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

基于上述说明，本发明的目的在于提供一种旋浮冶炼喷嘴，该旋浮冶炼喷嘴能够利用现有的闪速炉，较好地实现对高杂质精矿的冶炼。

为解决上述的技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种旋浮冶炼喷嘴，包括用于向反应塔供给旋转式第一富氧空气的第一供气装置和用于向所述反应塔供给冶金反应所需固态粉状物料的供料装置；

所述供料装置包括供料管，所述第一供气装置包括第一供气管以及用于产生所述旋转式第一富氧空气的第一旋流器；

所述第一供气管套装于所述供料管的外部，所述供料管内的空腔形成物料通道，所述第一供气管与所述供料管之间的空腔形成第一富氧空气通道；

所述第一旋流器设置于所述第一富氧空气通道内，所述第一旋流器为用于产生中心回流区和/或外回流区的蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器。

优选的，还包括设置于所述旋浮冶炼喷嘴内、用于产生热量引发冶金反应的点火器，所述点火器的下点火端位于所述旋浮冶炼喷嘴的轴向中心线上。

优选的，所述供料管的底部出口为直管式出口，所述第一供气管的底部出口为从上到下逐渐向外扩张的渐扩口；所述第一供气管的底部出口位于所述供料管底部出口的下方。

优选的，所述第一供气装置还包括若干个与所述第一供气管外壁周向面相切的切向进气管，所述第一供气管上的若干个所述切向进气管的进气方向为同一个旋转方向。

优选的，所述第一供气管包括外径大于所述第一供气管剩余部分的外径且设置于所述第一供气管进气口处的宽径部。

优选的，还包括用于向所述反应塔供应第二富氧空气的第二供气装置，所述第二供气装置包括第二供气管，所述第二供气管套装于所述供料管的内部；所述供料管与所述第二供气管之间的环形通道为物料通道，所述第二供气管内的空腔形成第二富氧空气通道。

优选的，所述第二供气管的底部出口为直管式出口；所述供料管的底部出口位于所述第二供气管底部出口的下方。

优选的，还包括用于向所述反应塔供给第三富氧空气的第三供气装置，所述第三供气装置包括第三供气管，所述第三供气管套装于所述第一供气管的外部，所述第三供气管与所述第一供气管之间的空腔形成第三富氧空气通道。

优选的，所述第三供气装置还包括设置于所述第三富氧空气通道内，且用于产生旋转式第三富氧空气的第二旋流器，所述第二旋流器为用于产生中心回流区和/或外回流区的蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器。

优选的，所述第三供气管的底部出口为从上到下逐渐向外扩张的渐扩口；所述第三供气管的底部出口位于所述第一供气管底部出口的下方。

与现有技术相比，本发明提供了一种旋浮冶炼喷嘴，包括第一供气装置和供料装置；所述供料装置包括供料管，所述第一供气装置包括第一供气管以及第一旋流器；所述第一供气管套装于所述供料管的外部；所述第一旋流器设置于所述第一富氧空气通道内，所述第一旋流器为用于产生中心回流区和/或外回流区的蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器。本发明通过控制上述第一旋流器的种类和结构，选择上述第一旋流器为可以产生中心回流区和/或外回流区的蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器，使得管道输送来的第一富氧空气经由上述第一旋流器后转化为具有轴向速度、径向速度以及切向速度的旋转式第一富氧空气，继而在旋转式第一富氧空气中形成位于其内部的能够卷吸气体回流的中心回流区和/或位于其外侧的能够卷吸气体回流的外回流区。

一个稳定存在、大小形状合理、在反应塔内分布位置合理的中心回流区和/或外回流区，可以相应地将反应塔内中下部和/或外围的大量高温气体卷吸回流至反应塔中心的柱状区域，尤其是喷嘴出口处，大量回流的高温气体与刚出喷嘴的物料直接接触，利用其所含的大量热量对物料进行快速加热升温，提高了物料的升温速度；上述大量回流的高温气体还提高了喷嘴出口处及其下方的环境温度，提高了物料与富氧空气的反应速度。

本发明选用的蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器均为强旋流器，使得旋转式第一富氧空气具有较强的旋流强度；较高的旋流强度使得粉状物料与上述旋转式第一富氧空气混合的更快速、更均匀，提高了物料在反应塔空间内悬浮滞留的时间，提高了物料与富氧空气中氧气的接触几率和接触时间，利于冶金反应进行和反应完全，提高了闪速炉的生产能力。

综上，中心回流区和/或外回流区的存在提高了物料的升温速度和反应速度，针对性地减弱了高杂质精矿中铅、锌、砷、锑、铋和/或锡等元素对冶炼过程中物料升温速度和反应速度的消极影响，再者较强的旋流强度提高了物料与旋转式第一富氧空气的混合速度以及混合均匀性，提高了物料在反应塔内悬浮的时间，从而提高了物料与富氧空气中氧气的接触几率和接触时间，上述多个有利因素相互结合，相互促进，显著促进了冶金反应进行和反应完全，提高了闪速炉的生产能力，较好地实现了对高杂质精矿的旋浮冶炼。

中心回流区和/或外回流区对应地将反应塔内中下部和/或外围的高温气流回流至反应塔中心区域，将反应塔内的热量强制性地向反应塔中心区域集中，降低了炉壁附近的温度，降低了炉壁承受的热负荷，减少了高温的熔融体和烟气对炉壁的高温腐蚀和冲刷，针对性地减弱了低品位精矿中较高含量的硫元素对闪速炉炉体造成的消极影响，提高了炉体的使用寿命，较好地实现了对低品位精矿的旋浮冶炼。本发明所提供的技术方案在针对性地减弱了高杂质精矿中铅、锌、砷、锑、铋和/或锡等元素对冶炼过程中物料升温速度和反应速度的消极影响，较好地实现了对高杂质精矿的旋浮冶炼的同时，还取得了意料不到的技术效果：针对性地减弱了低品位精矿中较高含量的硫元素对闪速炉炉体造成的消极影响，较好地实现了对低品位精矿的旋浮冶炼，从而使得本发明提供的旋浮冶炼方法既能处理高杂质精矿，又能处理低品位精矿。

中心回流区和/或外回流区对应地将反应塔内中下部和/或外围的高温气流回流至反应塔中心区域，将反应塔内中下部和/或外围的热量强制性地向反应塔中心区域集中，充分利用反应塔内既有的富余热量来加热喷入反应塔内的物料，使其达到反应温度后，发生冶金反应，同时放出大量的化学热，即先吸收环境中的热量，再向环境中释放热量，控制物料的性质和冶炼工艺参数，完全可以实现热量收支平衡，将冶金反应引发后不用再燃烧燃料向喷嘴出口处附近补充热量，从而降低了能耗及生产成本，保护了环境，实现了自热式冶炼。

本发明中，由第一旋流器产生的旋转式第一富氧空气具有两项基本的且相互矛盾的作用：一项作用是：为物料提供冶金反应所需的氧气，提供较高的氧势利于冶金反应进行；另外一项作用是：为粉状物料在反应塔空间内的运动提供动力，带动粉状物料做旋转运动。为了发挥上述基本且矛盾的两项作用，可以控制旋转式第一富氧空气中氧气的体积百分比为50％～65％。本发明中，通过控制第一旋流器的结构和种类，使得形成上述的中心回流区和/或外回流区，提高了物料的升温速度和反应速度，较强的旋流强度提高了物料与富氧空气的混合均匀性和物料在反应塔内悬浮的时间，以上几点均强化了冶金反应，可以弥补旋转式第一富氧空气中含氧量适当降低给冶金反应所带来的消极影响。同时，也使得制氧车间无需再生产70％～85％(体积百分比)的高富氧空气或工业纯氧，直接生产氧气的体积百分比为50％～65％的富氧空气即可，从而显著降低了制氧车间的能耗和生产成本，显著降低了冶炼企业的能耗和生产成本。本发明在解决上述所要解决的技术问题的同时，取得了意料不到的技术效果——实现了低富氧冶炼，显著降低了冶炼企业的能耗和生产成本，也克服了有色金属冶炼技术领域内的技术偏见——富氧浓度越高，冶金反应越好。

附图说明

图1是本发明实施例提供的旋浮冶炼喷嘴的工作原理示意图；

图2是图1中的旋浮冶炼喷嘴的流场示意图。

图中：1供料管，101物料，2第一供气管，201旋转式第一富氧空气，202第一旋流器，3第二供气管，301第二富氧空气，4宽径部，5锥状部，6渐扩口，7中心回流区，8外回流区。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“轴向”、“径向”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“水平”、“竖直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征的的正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征的正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1至图2所示，图1是本发明实施例提供的旋浮冶炼喷嘴的工作原理示意图；图2是图1中的旋浮冶炼喷嘴的流场示意图。图1中所示的第一旋流器为轴向叶片式旋流器。

本发明提供了一种旋浮冶炼喷嘴，包括用于向反应塔供给旋转式第一富氧空气201的第一供气装置和用于向反应塔供给冶金反应所需固态粉状物料101的供料装置；供料装置包括供料管1，第一供气装置包括第一供气管2以及用于产生旋转式第一富氧空气201的第一旋流器202；第一供气管2套装于供料管1的外部，供料管1内的空腔形成物料通道，第一供气管2与供料管1之间的空腔形成第一富氧空气通道；第一旋流器202设置于第一富氧空气通道内，第一旋流器202为用于产生中心回流区7和/或外回流区8的蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器。

本发明提供的旋浮冶炼喷嘴包括旋浮熔炼喷嘴和旋浮吹炼喷嘴。对于旋浮熔炼喷嘴，上述物料101为精矿、返料以及熔剂等的混匀料，精矿为铜、镍、铅或锌的硫化精矿，例如硫化铜精矿，返料包括渣精矿、吹炼渣或烟灰，熔剂为石英，冶金反应得到的产物为金属锍和渣的混合物，例如冰铜和熔炼渣。对于旋浮吹炼喷嘴，上述物料101为精矿、返料以及熔剂等的混匀料，精矿为铜、镍、铅或锌的金属锍，例如冰铜，返料包括烟灰，熔剂为石英和/或石灰，冶金反应得到的产物为金属和渣的混合物，例如粗铜和吹炼渣。

供料管1为用于向反应塔供给物料101，其包括满足用于向反应塔供给物料101的所有必须的结构，包括进料口，以及其它必需结构。第一供气管2为用于向反应塔供给旋转式第一富氧空气201，其包括满足用于向反应塔供给旋转式第一富氧空气201的所有必须的结构，包括第一富氧空气的进气口，以及其它必需结构。物料通道为柱状，第一富氧空气通道的水平截面为环状；两个通道的上端互不相通，相互封闭隔离。优选的，供料管1以及第一供气管2均为圆管。第一供气管2的进气口与富氧空气气源相连通；供料管1与储存物料的料仓相连通，中间通常还有给料机，优选为螺旋给料机。供料管1以及第一供气管2之间通过法兰连接。上述的第一富氧空气中的氧气的体积浓度为21％～95％。

第一旋流器202可以是蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器，但不能是最原始的切向进气管，因为其气体阻力大，产生的旋转气流的旋流强度较弱，轴向速度、切向速度以及径向速度大小及方向不合理，无法形成具有实际意义的中心回流区7和/或外回流区8。蜗壳式旋流器和切向叶片式旋流器通常设置在第一供气管2的进气口处；轴向叶片式旋流器通常设置在第一供气管2的内部，偏中下部。上述第一旋流器202设置于第一富氧空气通道内，此处的第一富氧空气通道应做广义的理解，为第一富氧空气流通的路径，从输送第一富氧空气的管道与冶炼喷嘴的连接处开始到最终从喷嘴的底端喷出之间第一富氧空气所流经的路径均为第一富氧空气通道，包括上述的第一供气管2的进气口处，也包括第一供气管2的内部。

蜗壳式旋流器的型线近似对数螺线，气流以一定的速度切向偏心进入蜗壳，以螺旋线状由圆柱形或环形通道流出，在空间形成旋转式第一富氧空气201。切向叶片式旋流器利用设在进气口处的切向叶片使气流沿切向方向进入圆柱形风道，从而产生旋转运动，有的切向叶片的开度是可以调节的，调节叶片的开度，即调节叶片的倾斜角，可以改变旋转气流的旋流强度。轴向叶片式旋流器包括轴向叶片，轴向叶片的型式多样，常用的有螺旋扭曲叶片、弯曲叶片和直叶片三种。轴向叶片式旋流器可以是固定式旋流器，一经设计加工制作完成，便固定在供料管1的外壁上，在使用过程中，不变动位置；也可以是上下移动可调式旋流器，优选为可调式叶轮，沿供料管1的外壁上下滑动以调节旋转式第一富氧空气201的旋流强度。轴向叶片式旋流器通常由若干个轴向叶片固定在一个叶盘上构成，然后通过叶盘套设在相应的供料管1的外壁上以实现将轴向叶片式旋流器固定，叶盘与相应的管壁之间连接可以是固定连接，也可以是滑动连接。

本发明通过控制上述第一旋流器202的种类和结构，选择上述第一旋流器202为可以产生中心回流区7和/或外回流区8的蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器，使得管道输送来的第一富氧空气经由上述第一旋流器202后转化为具有轴向速度、径向速度以及切向速度的旋转式第一富氧空气201，继而在旋转式第一富氧空气201中形成位于其内部的能够卷吸气体回流的中心回流区7和/或位于其外侧的能够卷吸气体回流的外回流区8。

中心回流区7或外回流区8的形成不是所有的旋转气流都具有的，其主要由旋转气流的旋流强度决定，通常其只在强旋流强度下才会生成。而单股富氧空气的旋流强度仅与旋流器的结构参数有关，因此，中心回流区7或外回流区8的形成由旋流器的类型和结构决定。本发明选用的第一旋流器202为蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器，三者均可以产生强旋流强度的旋转气流，能够形成具有实际意义的中心回流区7和/或外回流区8。优选的，控制第一旋流器202的旋流强度为大于0.6。

中心回流区7和外回流区8不一定同时形成存在，这与上述旋转式第一富氧空气201的流体性质有关，主要是旋转式第一富氧空气201的旋流强度。实际生产中，可以根据生产需要控制旋转式第一富氧空气201的流体性质，使得中心回流区7和外回流区8同时存在，或者只有中心回流区7，或者只有外回流区8。

中心回流区7主要是将反应塔内中下部的、主要由已经完成的冶金反应生成的高温气体卷吸回流至与喷嘴外径对应的反应塔内的轴向柱状空间，主要是回流喷嘴出口处。中心回流区7的大小表征了其能卷吸多少体积的高温气体回流喷嘴出口处，体积太小，回流的高温气体量较少，对物料的升温及冶金反应作用不明显；体积太大，回流的高温气体会加快喷嘴以及反应塔塔顶的热损耗。中心回流区7的位置是指其相对于喷嘴出口处的位置，理想的位置是中心回流区7的轴向中心线与喷嘴出口处的轴向中心线重合，以利于对从喷嘴出口处喷出的物料进行均匀快速加热。中心回流区7的形状是指在空间中呈现的形状，理想的形状是关于喷嘴出口处的轴向中心线对称，以利于对从喷嘴出口处喷出的物料进行均匀快速加热。

外回流区8主要是将反应塔内外围的、主要由已经完成的冶金反应生成的高温气体卷吸回流至与喷嘴外径对应的反应塔内的轴向柱状空间，主要是回流喷嘴出口处。外回流区8的形成也不是所有的旋转气流都具有的，其主要由旋转气流的旋流强度决定。外回流区8与中心回流区7的作用类似，将反应塔内外围的热量卷吸到喷嘴出口处或者反应塔中心区域，将反应塔内的热量进行再次分配，强制性地向中间集中，利于冶金反应进行和反应完全。外回流区8也存在大小、分布位置以及形状的问题。

一个稳定存在、大小形状合理、在反应塔内分布位置合理的中心回流区7和/或外回流区8，可以相应地将反应塔内中下部和/或外围的大量高温气体卷吸回流至反应塔中心的柱状区域，尤其是喷嘴出口处，大量回流的高温气体与刚出喷嘴的物料直接接触，利用其所含的大量热量对物料进行快速加热升温，提高了物料的升温速度；上述大量回流的高温气体还提高了喷嘴出口处及其下方的环境温度，提高了物料与富氧空气的反应速度。

本发明选用的蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器均为强旋流器，使得旋转式第一富氧空气201具有较强的旋流强度；较高的旋流强度使得粉状物料101与上述旋转式第一富氧空气201混合的更快速、更均匀，提高了物料在反应塔空间内悬浮滞留的时间，提高了物料与富氧空气中氧气的接触几率和接触时间，利于冶金反应进行和反应完全，提高了闪速炉的生产能力。

本发明中，将物料101在旋转式第一富氧空气201所围成的空腔通道落入反应塔，为“风包粉”模式，原因有两点：一是“粉包风”模式(物料以环绕旋转式第一富氧空气201的形式喷入反应塔)下，此时外侧的物料101形成一个物料帷幕，将旋转式第一富氧空气201圈禁在里面，减弱了旋转式第一富氧空气201的径向速度和切向速度，导致其无法形成一个具有实际意义的中心回流区7和/或外回流区8，使得无法充分发挥中心回流区7和/或外回流区8的优点；二是“风包粉”模式下，物料101可以直接进入中心回流区7，被快速加热着火，若“粉包风”模式，会使得物料远离中心回流区7，不能充分被回流的高温气体加热。

旋转式第一富氧空气201与物料101混合形成气料混合流体，同时气料混合流体吸收叠加后的中心回流区7和/或外回流区8中的热气体的热量至冶金反应所需温度。热气体即反应塔内既有的高温气体。对于冷态开炉，需在反应塔内燃烧大量燃料，优选的为天然气，将反应塔内预热至900℃～1100℃，产生大量高温气体，可以满足引发冶金反应的热量需要；对于热态停炉点检，需要燃烧燃料对反应塔进行保温，也会产生大量高温气体，可以满足引发冶金反应的热量需要。上述的燃料燃烧可以由反应塔烧枪实现。

综上，中心回流区7和/或外回流区8的存在提高了物料的升温速度和反应速度，针对性地减弱了高杂质精矿中铅、锌、砷、锑、铋和/或锡等元素对冶炼过程中物料升温速度和反应速度的消极影响，再者较强的旋流强度提高了物料与混合气流的混合速度以及混合均匀性，提高了物料在反应塔内悬浮的时间，从而提高了物料与混合气流中氧气的接触几率和接触时间，上述多个有利因素相互结合，相互促进，显著促进了冶金反应进行和反应完全，提高了闪速炉的生产能力，较好地实现了对高杂质精矿的旋浮冶炼。

中心回流区7和/或外回流区8对应地将反应塔内中下部和/或外围的高温气流回流至反应塔中心区域，将反应塔内的热量强制性地向反应塔中心区域集中，降低了炉壁附近的温度，降低了炉壁承受的热负荷，减少了高温的熔融体和烟气对炉壁的高温腐蚀和冲刷，针对性地减弱了低品位精矿中较高含量的硫元素对闪速炉炉体造成的消极影响，提高了炉体的使用寿命，较好地实现了对低品位精矿的旋浮冶炼。本发明所提供的技术方案在针对性地减弱了高杂质精矿中铅、锌、砷、锑、铋和/或锡等元素对冶炼过程中物料升温速度和反应速度的消极影响，较好地实现了对高杂质精矿的旋浮冶炼的同时，还取得了意料不到的技术效果：针对性地减弱了低品位精矿中较高含量的硫元素对闪速炉炉体造成的消极影响，较好地实现了对低品位精矿的旋浮冶炼，从而使得本发明提供的旋浮冶炼方法既能处理高杂质精矿，又能处理低品位精矿。

中心回流区7和/或外回流区8对应地将反应塔内中下部和/或外围的高温气流回流至反应塔中心区域，将反应塔内中下部和/或外围的热量强制性地向反应塔中心区域集中，充分利用反应塔内既有的富余热量来加热喷入反应塔内的物料，使其达到反应温度后，发生冶金反应，同时放出大量的化学热，即先吸收环境中的热量，再向环境中释放热量，控制物料的性质和冶炼工艺参数，完全可以实现热量收支平衡，将冶金反应引发后不用再燃烧燃料向喷嘴出口处附近补充热量，从而降低了能耗及生产成本，保护了环境，实现了自热式冶炼。

根据上述，在本发明中，由第一旋流器202产生的旋转式第一富氧空气201具有两项基本作用：一项作用是：为冶金物料提供冶金反应所需的氧气，提供较高的氧势利于冶金反应进行；另外一项作用是：为粉状物料在反应塔空间内的运动提供动力，带动粉状物料101做旋转运动。显而易见地，旋转式第一富氧空气201为充分发挥上述的两个作用本身是自相矛盾的：为物料101提供氧气，则旋转式第一富氧空气201的富氧浓度越高越好，甚至是工业纯氧；为物料101运动提供气体动力，则富氧浓度越低越好，因为富氧空气中氧气参与冶金反应，在冶金反应完成后即被消耗，旋转式第一富氧空气201的风量和能量都会被消耗一部分，减弱了带动物料运动的气体动力。为了兼顾上述的两项基本且相互矛盾的作用，需要控制旋转式第一富氧空气201中氧气的体积百分比为50％～65％，优选的，为52％～63％，更优选的，为55％～60％。

旋浮冶炼过程中，物料101与氧气的冶金反应主要集中在反应塔内中心且竖直方向上的一段柱状空间内，通常称作反应塔的反应区。在本发明中，当氧气的体积百分比为50％～65％的旋转式第一富氧空气201从上往下运动经过反应区时，混合气流中的氧气与物料发生冶金反应，即50％～65％(体积百分比)的混合气流被消耗掉，剩余35％～50％(体积百分比)的混合气流带动物料继续运动，剩余的风量能够满足需要；混合气流中50％～65％的能量被消耗掉，剩余35％～50％的能量带动物料继续运动，剩余的能量能够满足需要。充足的风量及能量，使得物料后半程运动不会偏离原运动轨迹，继续旋转，利于物料与富氧空气的充分接触，利于冶金反应进行和反应完全。

冶金反应是个多工艺参数控制的反应，多个工艺参数相互配合，相互促进，以最终优化冶金反应，当其中的某个参数发生调整时，例如减小，可以通过调整其它的参数来进行弥补，以使得冶金反应保持原有状态。本发明中，中心回流区7和/或外回流区8的存在提高了物料的升温速度和反应速度，较强的旋流强度提高了物料与富氧空气的混合均匀性和物料在反应塔内悬浮的时间，以上几点均强化了冶金反应，可以弥补旋转式第一富氧空气201中含氧量适当降低给冶金反应所带来的消极影响。

另一方面，目前的悬浮闪速冶炼均是富氧冶炼，富氧空气中氧气的体积百分比一般为70％～85％，为高富氧冶炼。为了提高冶炼低品位和/或高杂质精矿的能力，冶炼企业的普遍做法是进一步提高富氧空气中的富氧浓度。闪速冶炼企业通常设置专门的制氧车间制取高富氧空气，产品通常有两种，一种是将富氧空气的含氧量作为目标产品的含氧量，例如：含氧量(体积百分比)为70％～85％的富氧空气，产出的富氧空气直接送入反应塔，不经空气配风稀释；一种是生产工业纯氧，其含氧量(体积百分比)一般为90％～95％，然后配入一定量的空气，降低含氧量，制成富氧空气。高富氧冶炼造成制氧成本居高不下，占据了总生产成本的较大比例，提高了冶炼企业的生产成本。而本发明中，控制旋转式第一富氧空气201与旋转式第二富氧空气301中氧气的体积百分比为50％～65％，使得制氧车间无需再生产70％～85％(体积百分比)的高富氧空气或工业纯氧，直接生产氧气的体积百分比为50％～65％的富氧空气即可，从而显著降低了制氧车间的能耗和生产成本，显著降低了冶炼企业的能耗和生产成本。本发明在解决上述所要解决的技术问题的同时，取得了意料不到的技术效果——实现了低富氧冶炼，显著降低了冶炼企业的能耗和生产成本，也克服了有色冶炼技术领域内的技术偏见——富氧浓度越高，冶金反应越好。

综上，本发明提供的旋浮冶炼喷嘴在实现了对高杂质精矿的冶炼的同时，取得了多个预料不到的技术效果：实现了对低品位精矿的冶炼，实现了自热式冶炼，实现了低富氧冶炼。

实际生产中，闪速炉开炉之前，要燃烧大量燃料将闪速炉预热至900℃～1100℃，名为热态开炉；日常停炉点检时，要持续燃烧大量燃料将闪速炉内的温度始终维持在900℃～1100℃，名为热态停炉点检，浪费大量能源。为此，在本发明的一个实施例中，本发明提供的旋浮冶炼喷嘴还包括设置于旋浮冶炼喷嘴内、用于产生热量引发冶金反应的点火器，点火器的下点火端位于旋浮冶炼喷嘴的轴向中心线上使得点火器的下点火端位于刚出喷嘴的物料101的内部，被物料流所包裹，产生的热量能够全部地且集中地对刚出喷嘴的物料进行快速加热、点火。

点火器为任何可产生热量，并将热量输送入反应塔的装置。

点火器可以竖直布置，也可以穿过多个管状件倾斜布置。

优选的，上述点火器呈竖直布置且设置于旋浮冶炼喷嘴的最内侧的管状件的内部。

该点火器在冶金反应之初点火，短时间内产生大量热量将冶金反应引发，产生大量高温气体，待冶金反应稳定后，就不再点火，由上述的中心回流区7和/外回流区8卷吸冶金反应产生的高温气体维持冶金反应的持续进行，从而可以减少采用其它烧枪燃烧燃料对闪速炉进行加热升温或保温，甚至是完全避免其它烧枪燃烧燃料，实现冷态开炉；采用其它烧枪燃烧燃料将整个闪速炉加热或保温在900℃～1100℃，大量热量散布在巨大的闪速炉内的空间内，不集中，多数属于无用功，而采用点火器后，产生的热量全部地且集中地对刚出喷嘴的物料进行加热，没有多余的浪费，具有较高的热量利用率，节省了大量能源。

在本发明的一个实施例中，供料管1的底部出口为直管式出口，第一供气管2的底部出口为从上到下逐渐向外扩张的渐扩口6；第一供气管2的底部出口位于供料管1底部出口的下方。

此处的直管式出口和渐扩口6，以及相邻管道的底部出口之间的位置关系均为每一个相应管道的出口特征，进而多个管道的出口特征相互配合，构成了上述旋浮冶炼喷嘴的出口特征。

渐扩口6可以适度增大旋转气流的扩展角，有利于改善气流形状、射程及冲刷炉壁情况；进一步提高旋转气流的旋流强度；改善中心回流区7和/或外回流区8，使冶金反应更加稳定；增大气流混合，有利于传热、传质。

外侧管道的底部出口位于相邻内侧管道底部出口的下方，位于内侧的管道被位于外侧的相邻管道所包裹，能够使得内侧管道所输送的流体与外侧管道所输送的流体在旋浮冶炼喷嘴内预混合，提高了多股流体之间的混合均匀性；使得外侧管道所输送的流体能够对内侧管道所输送的流体的形状、位置和大小等性质进行控制，避免内侧管道所输送的流体过早扩散。

直管式出口或渐扩口6，根据每股流体所具有的流体性质，采用与流体性质相适应的出口形状，不同的流体性质，采用不同的出口形状，以更好地发挥每股流体的作用和优势；进而在优化每股流体的作用和优势的基础上，通过控制相邻管道的底部出口之间的位置关系，使得外侧管道的底部出口位于相邻内侧管道底部出口的下方，从内到外管道的底部出口逐个偏下，位于内侧的管道被位于外侧的相邻管道所包裹，形成一个从上到下的类金字塔结构，将每个管道的出口特征结合起来，构成旋浮冶炼喷嘴的出口特征，使得多股流体混合后得到的混合流体具有更好的形状、位置以及大小等流体性质，能够更好地发挥其作用和优势。上述的多个管道的出口特征相互配合，构成一个整体，缺一不可，且任何一个管道出口特征的改变都会影响混合流体的流体性质，进而影响其作用和优势的发挥，影响冶金反应的进行和反应完全。

在本发明的一个实施例中，第一供气装置还包括若干个与第一供气管2外壁周向面相切的切向进气管，第一供气管2上的若干个切向进气管的进气方向为同一个旋转方向。优选的，控制第一供气管2上的切向进气管的旋转方向与第一旋流器202的旋转方向相同。采用切向进气管进风，第一富氧空气先后经过切向进气管和第一旋流器202两级旋流发生装置，产生的旋流强度叠加，进一步提高了最终从喷嘴喷出的旋转式第一富氧空气201的旋流强度，利于冶金反应进行和反应完全，利于实现对高杂质和/或低品位精矿的旋浮冶炼。另外，切向进气管与第一供气管2的外壁圆周面相切连接，使得由管道输送来的第一富氧空气可以沿平滑的轨迹进入喷嘴，气体阻力小，气体能量损耗小，提高了气体在圆环状第一富氧空气通道内的均匀分布性。优选的，若干个切向进气管在第一供气管2的顶部沿外壁的圆周向均匀布置。

在本发明的一个实施例中，第一供气管2包括外径大于第一供气管2剩余部分的外径且设置于第一供气管2进气口处的宽径部4。宽径部4使得从管道输送来的第一富氧空气进入喷嘴后首先进入一个较大的空间，得到缓冲以及稳压，有利于减小气体流动阻力，减少气体能量损耗，使得第一富氧空气在圆环状截面上各处的性质更趋于一致，进而最终利于产生性质优良的中心回流区7和/或外回流区8。

进一步的，第一供气管2上外径较大的宽径部4与外径较小的下部通过锥状部5连接，以实现第一富氧空气的平滑流动，减少第一富氧空气的能量损耗。

在本发明的一个实施例中，本发明提供的旋浮冶炼喷嘴还包括用于向反应塔供应第二富氧空气301的第二供气装置，第二供气装置包括第二供气管3，第二供气管3套装于供料管1的内部；供料管1与第二供气管3之间的环形通道为物料通道，第二供气管3内的空腔形成第二富氧空气301通道。

第二富氧空气301可以为高温中心回流区7的生成提供更合理的压力梯度分布条件，有利于中心回流区7的形成、保持较好的形状、大小以及位置，并稳定存在，增加风粉气流与高温回流烟气接触和换热的周界，强化稳燃效果；可以为气料混合流体中的内侧物料提供氧化反应所需氧气；第二富氧空气301通过风量、风压以及风速调节中心回流区7的大小、形状及位置。优选的，第二富氧空气301为直流式。第二富氧空气301占冶金反应所需富氧空气总量的配比较小，其气压也较小，有时甚至是不通第二富氧空气301，第二供气管3的设置更多地是从空气动力学角度考虑，而不是简简单单地为气料混合流体中的内侧物料提供氧化反应所需氧气。优选的，第二供气管3为圆管。上述的第二富氧空气301中的氧气的体积浓度为21％～95％。

在本发明的一个实施例中，第二供气管3的底部出口为直管式出口；供料管1的底部出口位于第二供气管3底部出口的下方，与上述的供料管1和第一供气管2的底部出口特征相互配合，构成了新的旋浮冶炼喷嘴的出口特征，以优化设置第二供气管3后的气料混合流体的性质和作用，利于冶金反应进行和反应完全。

在本发明的一个实施例中，本发明提供的旋浮冶炼喷嘴还包括用于向反应塔供给第三富氧空气的第三供气装置，第三供气装置包括第三供气管，第三供气管套装于第一供气管2的外部，第三供气管与第一供气管2之间的空腔形成第三富氧空气通道。此处的第三富氧空气通道也应作广义的理解，与上述的第一富氧空气通道一样。

本发明在旋转式第一富氧空气201的外侧设置了第三富氧空气，第三富氧空气可以是旋转式，也可以是直流式，作用不同，效果不同，侧重点也不同。上述的第三富氧空气中的氧气的体积浓度为21％～95％。

在本发明的一个实施例中，第三供气装置还包括设置于第三富氧空气通道内，且用于产生旋转式第三富氧空气的第二旋流器，第二旋流器为用于产生中心回流区7和/或外回流区8的蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器。在将第三富氧空气喷入反应塔前，先将第三富氧空气经由第二旋流器转化成旋转式第三富氧空气，第二旋流器为用于产生中心回流区7和/或外回流区8的蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器，喷入反应塔后，旋转式第三富氧空气中形成位于其内部的能够卷吸气流回流的中心回流区7和/或位于其外侧的能够卷吸气流回流的外回流区8。

本发明通过设置旋转式第三富氧空气，使其与旋转式第一富氧空气201共同作用实现了类似于燃烧学中分级燃烧的分级冶金反应，利于物料的着火和稳定反应；二者共同作用形成了混合共轴旋转气流，各自形成的中心回流区7和/或外回流区8相互叠加成为一个，可以产生更大、更稳定的中心回流区7和/或外回流区8，卷吸更多的高温气体回流，进一步提高了物料的升温速度和反应速度，利于冶金反应进行和反应完全，提高了闪速炉的生产能力。本发明为从内到外分布的粉—风—风模式，为“风包粉”模式，旋转式第一富氧空气201与旋转式第三富氧空气紧挨，中间没有其它物质隔阂，有利于上述分级冶金反应的发生与持续进行。

本发明中第二旋流器选用的蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器均为强旋流器，使得旋转式第三富氧空气均具有较强的旋流强度；旋转式第一富氧空气201和旋转式第三富氧空气混合后，所形成的混合气流具有比单独旋转式第一富氧空气201或单独旋转式第三富氧空气更高的旋流强度；较高的旋流强度使得粉状物料与上述混合气流混合的更快速、更均匀，提高了物料在反应塔空间内悬浮滞留的时间，提高了物料与富氧空气中氧气的接触几率和接触时间，利于冶金反应进行和反应完全，提高了闪速炉的生产能力。

本发明中旋转式第三富氧空气的作用是与旋转式第一富氧空气201形成类似于燃烧学中分级燃烧的分级冶金反应，而不是形成一个类似于冷却隔离幕的风幕，分级冶金反应有利于精矿的着火和稳燃，利于冶金反应进行和反应完全。在上述的“风包粉”模式下，在旋转式第一富氧空气201的基础上，添加旋转式第三富氧空气，最终形成从内到外分布的粉—风—风模式，旋转式第一富氧空气201与旋转式第三富氧空气紧挨，中间没有其它物质隔阂，能够形成上述的分级冶金反应。如果在“粉包风”模式下，添加旋转式第三富氧空气后，最终形成从内到外分布的风—粉—风模式，旋转式第一富氧空气201与旋转式第三富氧空气之间隔着物料，二者无法形成上述的分级冶金反应效应。

旋转式第三富氧空气和旋转式第一富氧空气201的旋转方向可以相同，也可以不同。本发明中，优选的，二者的旋转方向相同。第一旋流器202与第二旋流器的种类可以相同，也可以不同。第二旋流器设置于第三富氧空气通道内，也应作与上述第一旋流器设置于第一富氧空气通道内相同的广义理解。

在本发明的一个实施例中，当从第三供气管底端喷出的气体为旋转式第三富氧空气时，第三供气管的底部出口为从上到下逐渐向外扩张的渐扩口6；第三供气管的底部出口位于第一供气管2底部出口的下方，与上述的供料管1、第一供气管2或第二供气管3的底部出口特征相互配合，构成了新的旋浮冶炼喷嘴的出口特征，以优化设置第三供气管后的气料混合流体的性质和作用，利于冶金反应进行和反应完全。

当第三富氧空气通道内不设置旋流器时，从第三供气管底端喷出的第三富氧空气为直流式时，直流式第二富氧空气301在气粒混合气流的外侧以较高的风速或超音速喷入冶金炉内，扩大和增强中心回流区7，利于冶金反应进行和反应完全；控制整个高温混合气流的形状、分布以及大小，与炉壁保持适当距离，减少高温烟气流对反应塔内壁的冲刷腐蚀；可以为气料混合流体中的外围物料提供氧化反应所需氧气。

在本发明的一个实施例中，当从第三供气管底端喷出的气体为直流式第三富氧空气时，第三供气管的底部出口为直管式出口；第三供气管的底部出口位于第一供气管2底部出口的下方，与上述的供料管1、第一供气管2或第二供气管3的底部出口特征相互配合，构成了新的旋浮冶炼喷嘴的出口特征，以优化设置第三供气管后的气料混合流体的性质和作用，利于冶金反应进行和反应完全。

本发明针对想要解决的技术问题，提供了多个递进式的技术方案，多个递进式的技术方案相互组合叠加，相互配合，相互促进，形成一个整体方案，尤其是从空气动力学角度出发，通过多种富氧空气以及多种供气装置相互配合形成特定性质的气料混合流体以解决上述的技术问题，取得的技术效果远好于上述任何一个技术方案的技术效果，叠加效应显著。

本发明未详尽描述的方法和装置均为现有技术，不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，每个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对于这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种旋浮冶炼喷嘴，其特征在于，包括用于向反应塔供给旋转式第一富氧空气的第一供气装置和用于向所述反应塔供给冶金反应所需固态粉状物料的供料装置；

所述供料装置包括供料管，所述第一供气装置包括第一供气管以及用于产生所述旋转式第一富氧空气的第一旋流器；

所述第一供气管套装于所述供料管的外部，所述供料管内的空腔形成物料通道，所述第一供气管与所述供料管之间的空腔形成第一富氧空气通道；

所述第一旋流器设置于所述第一富氧空气通道内，所述第一旋流器为用于产生中心回流区和/或外回流区的蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器。

2.根据权利要求1所述的旋浮冶炼喷嘴，其特征在于，还包括设置于所述旋浮冶炼喷嘴内、用于产生热量引发冶金反应的点火器，所述点火器的下点火端位于所述旋浮冶炼喷嘴的轴向中心线上。

3.根据权利要求1所述的旋浮冶炼喷嘴，其特征在于，所述供料管的底部出口为直管式出口，所述第一供气管的底部出口为从上到下逐渐向外扩张的渐扩口；所述第一供气管的底部出口位于所述供料管底部出口的下方。

4.根据权利要求1所述的旋浮冶炼喷嘴，其特征在于，所述第一供气装置还包括若干个与所述第一供气管外壁周向面相切的切向进气管，所述第一供气管上的若干个所述切向进气管的进气方向为同一个旋转方向。

5.根据权利要求1所述的旋浮冶炼喷嘴，其特征在于，所述第一供气管包括外径大于所述第一供气管剩余部分的外径且设置于所述第一供气管进气口处的宽径部。

6.根据权利要求1所述的旋浮冶炼喷嘴，其特征在于，还包括用于向所述反应塔供应第二富氧空气的第二供气装置，所述第二供气装置包括第二供气管，所述第二供气管套装于所述供料管的内部；所述供料管与所述第二供气管之间的环形通道为物料通道，所述第二供气管内的空腔形成第二富氧空气通道。

7.根据权利要求6所述的旋浮冶炼喷嘴，其特征在于，所述第二供气管的底部出口为直管式出口；所述供料管的底部出口位于所述第二供气管底部出口的下方。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的旋浮冶炼喷嘴，其特征在于，还包括用于向所述反应塔供给第三富氧空气的第三供气装置，所述第三供气装置包括第三供气管，所述第三供气管套装于所述第一供气管的外部，所述第三供气管与所述第一供气管之间的空腔形成第三富氧空气通道。

9.根据权利要求8所述的旋浮冶炼喷嘴，其特征在于，所述第三供气装置还包括设置于所述第三富氧空气通道内，且用于产生旋转式第三富氧空气的第二旋流器，所述第二旋流器为用于产生中心回流区和/或外回流区的蜗壳式旋流器、切向叶片式旋流器或轴向叶片式旋流器。

10.根据权利要求9所述的旋浮冶炼喷嘴，其特征在于，所述第三供气管的底部出口为从上到下逐渐向外扩张的渐扩口；所述第三供气管的底部出口位于所述第一供气管底部出口的下方。