闪速炼铜工艺与控制

　　在这本书中，按照七个生产车间的顺序(包括各车间内部的生产工艺顺序)，也就是根据闪速炉炼铜生产工艺流程的顺序，分章进行介绍。

   
每个车间的内容为一章，车间内每个工序(也称子项)是一节，每节介绍的内容包括：工序功能、带检测点的工艺流程图(P&1图)、工序设备、主要设备介绍、工艺描述、控制系统、联锁逻辑等。在文章的附录部分，还介绍了自动控制的一些基础知识。

   
本书对铜冶炼行业生产一线的操作工人、仪表维修人员都有重要的参考价值，尤其是对刚参加工作的新职工，通过自学将会得到事半功倍的效果，对新建的铜冶炼厂将有更大的好处，会给他们的培训工作提供极大的方便。本书的读者是铜冶炼行业的操作工人及机、电、仪维修人员，也可以作为铜冶炼专业大专院校学生的参考书。

绪论 铜及铜冶炼的有关知识
第1章 熔炼车间
  1.1 精矿库系统
  1.2 配料系统
  1.3 蒸汽干燥系统
  1.4 精矿输送系统
  1.5 闪速熔炼系统
  1.6 闪速熔炼炉余热锅炉系统
  1.7 熔炼电收尘系统
  1.8 铜锍水淬系统
  1.9 铜锍仓系统
  1.10 铜锍磨系统
  1.11 铜锍输送系统
  1.12 闪速吹炼系统
  1.13 吹炼炉余热锅炉系统
  1.14 吹炼炉电收尘系统
  1.15 转炉系统
  1.16 烟尘处理系统
  1.17 吹炼渣水淬系统
  1.18 阳极炉精炼系统
  1.19 阳极炉余热锅炉系统
  1.20 阳极炉尾气脱硫系统
  1.21 圆盘浇铸系统
  1.22 竖炉、保温炉系统
第2章 硫酸车间
  2.1 净化系统
  2.2 干燥吸收系统
  2.3 转化系统
  2.4 废酸处理系统
  2.5 石灰乳制备系统
  2.6 电石渣浆化系统
  2.7 废水处理系统
  2.8 酸库系统
第3章 选矿车间
  3.1 缓冷系统
  3.2 磨浮系统
第4章 电解车间
  4.1 电解系统
  4.2 净液系统
第5章 金银车间
  5.1 铜浸出系统
  5.2 卡尔多炉熔炼系统
  5.3 烟气处理系统
  5.4 硒回收系统
  5.5 银电解精炼系统
  5.6 金精炼系统
  5.7 废水处理系统
第6章 制氧车间
  6.1 空气压缩系统
  6.2 空气预冷系统
  6.3 分子筛纯化系统
  6.4 空气膨胀系统
  6.5 空气分馏系统
  6.6 液氧及氮、氩系统
第7章 动力车间
  7.1 总降压站
  7.2 余热发电系统
  7.3 事故柴油发电机
  7.4 压缩空气系统
  7.5 水处理系统
  7.6 供水系统
附录
  附录1 仪表基础知识
  附录2 DCS、PLC系统的有关知识
  附录3 执行机构有关知识
  附录4 控制系统有关知识
参考文献

0.1 铜的物理化学性质
铜是紫红色金属, 密度是8.96 g/cm3, 熔点是1083.4℃,
沸点是2325℃。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。地壳中铜的含量仅占0.01%,
铜的常见矿物有黄铜矿、 斑铜矿和孔雀石。前两者属于硫化铜矿, 后者属于氧化铜矿。
0.2 铜的重要作用
铜是一种重要的有色金属, 也是人类最先发现和最早使用的金属。远在史前时代, 人类就用天然铜及其合金来制造各种劳动工具、兵器及生活用具、
装饰品等。现在, 铜及其合金在国民经济各部门仍然起着重要的作用, 其消耗量仅次于钢铁和铝。
由于铜具有良好的导电性、 传热性、 延展性、 较强的抗拉和耐腐蚀性, 所以在电力工业、
机械制造业、国防工业以及国民经济其他部门都有广泛的用途, 特别是在国防工业和电力工业中尤其突出。
在国防工业上, 制造枪弹、 飞机、 大炮、 坦克、 战车、 兵舰都要使用铜。在电气、 电子工业中, 铜可制造电缆、 导线、电机及输电、
电讯器材、 精密电器等。
0.3 铜冶炼
铜一般是以化合物的形式存在于地下的矿藏中, 经过采、 选出来的铜精矿, 除含有一定量的铜元素外, 还伴生有一些其他的元素,
如:金、银、 铂、 钯、 铋、 镍、 铁、 铅、 硫、 砷等。相对于铜来说, 这些都是杂质, 都是要除去的。所谓铜冶炼,
就是想办法将铜元素以外的其他杂质去掉, 得到纯净铜。
在这些杂质中, 金、 银、 铂、 钯等属于贵重金属, 是不能随意扔掉的, 要想法回收; 为了加强资源的再利用,
要想法回收这些杂质中的铋、 镍等; 而这些杂质中的铁、 铅、 砷等由于品位不高, 不具备回收价值, 是真正的杂质, 要尽量去掉;
硫在燃烧过程中会产生大量的热, 这是铜冶炼的基本能源。
0.4铜的生产方法
铜的生产方法分为火法炼铜和湿法炼铜两大类。采用的方法主要是根据能否节省能源、 防止公害、 保护环境、
矿石成分、矿物组成及当地的交通运输等情况。现在, 硫化铜矿主要是采用火法冶炼处理, 湿法冶炼占15%左右。随着富矿逐渐枯竭、
矿石品位下降, 矿物原料综合利用程度的提高, 环境保护标准的日趋严格, 湿法冶炼将会有较大的发展, 但火法冶炼仍然是主流。
铜的火法熔炼方法比较多, 以前老的铜冶炼厂都是采用反射炉或密闭鼓风炉等传统熔炼工艺; 现在陆续从国外引进了各种新的铜冶炼工艺,
如闪速熔炼、 艾萨熔炼、 诺兰达熔炼等, 还有特尼恩特熔炼、 三菱连续炼铜法、
顶吹浸没熔炼法等。尤其是将焙烧、熔炼和部分吹炼合成一个工序的强氧化冶炼——闪速熔炼技术, 正在取代传统的铜冶炼方法,
使得火法冶炼具有更大的优势。
闪速炼铜是现代火法炼铜的主要方法, 它克服了传统冶炼方法存在的诸多缺点, 大大减少了能源消耗, 提高了硫的利用率,
改善了环境。自从1949年第一座闪速炉在芬兰奥托昆普公司诞生以来, 经过60年来的不断改造、 创新, 闪速炼铜技术得到飞速的发展,
尤其是近20多年来富氧熔炼技术和新型精矿喷嘴的采用, 使闪速熔炼技术又进入一个更高的发展阶段。目前,
最大的闪速炉冶炼年生产能力已达450 kt。闪速炉不仅已成为主要的熔炼设备, 而且已经开始取代传统的PS转炉,
成为连续吹炼设备。
0.5 铜冶炼的原理
火法处理硫化铜精矿有两种工艺可以选择, 其一是将硫化铜精矿先经过焙烧再还原熔炼得到粗铜; 其二是将硫化铜精矿经过造锍熔炼得到铜锍,
再将铜锍送入吹炼炉吹炼成粗铜。目前世界上广泛采用造锍熔炼-铜锍吹炼工艺处理硫化铜精矿。
本书主要介绍闪速熔炼炉的原理。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SiO2、 Al2O3、 CaO等成分与FeO一起形成液态炉渣,
炉渣是以2FeO?SiO2(铁橄榄石)为主的氧化物熔体。铜锍与炉渣互不相溶, 密度不一样,
铜锍的密度大于炉渣的密度而沉于炉渣下面。
0.6 铜冶炼的主要化学反应
闪速熔炼的原料主要是干燥的铜精矿, 还有渣精矿; 为冶炼造渣, 还需要添加一些石英砂熔剂。铜精矿主要有铜和铁的硫化物,
如黄铜矿(CuFeS2)、 斑铜矿(Cu3FeS3)、 黄铁矿(FeS2)等; 渣精矿含有硫化铜(Cu2S)、少量金属铜和一些化合物,
如铁橄榄石(2FeO?SiO4), 磁铁矿(Fe3O4)等。
闪速炉内进行的主要物理化学变化包括燃料的燃烧, 硫化物的离解, 硫和铁的氧化, 烟灰的熔化分解, 造铜锍和造渣。
硫化铜精矿的主要矿物组成是FeS、 CuFeS、 CuS、 ZnS、 PbS等。
黄铁矿(FeS2)在反应塔内首先离解, 所得的硫蒸气及FeS进一步氧化为SO2和FeO, FeO再与熔剂中的SiO2发生造渣反应,
其反应式为:
 
黄铁矿在反应塔内还以下列反应直接氧化:
 
生成的Fe2O3在有硫化物存在时容易转化为磁性氧化铁:
 
Fe3O4在温度低于1000~1100℃时始终不变化, 但在温度达1300~1500℃的反应塔内, 发生下列反应,
很快被SiO2和FeS分解:
 
在反应塔内由于氧化反应强烈, 炉料在炉内停留的时间很短促, 各组分之间的接触不良, Fe3O4不能完全被还原, 而溶解于炉渣和铜锍中,
一同进入沉淀池。
黄铜矿(CuFeS2)在熔炼过程中发生离解反应:
 
生成的FeO与SiO2造渣:
 
少量的硫化亚铜以下列反应被氧化:
 
当有足量的FeS存在时, Cu2O会与FeS反应生成Cu2S进入铜锍。
由上述反应可看出, 炉料中FeS的存在能阻止铜进入炉渣, 但正如上述Fe3O4一样, 由于反应塔内氧化反应强烈,
仍有少量的Cu2O溶于炉渣。由反应塔降落到沉淀池表面的产物是铜锍与炉渣的混合物, 在沉淀池内进行澄清和分离,
分离过程铜锍中的硫化物与炉渣中的金属氧化物还进行如下反应, 从而完成造铜锍和造渣过程。
 
熔炼炉渣的密度比较小, 铜锍的密度比较大, 熔炼炉渣浮在铜锍的上面, 故先将浮在上面的炉渣放掉以后, 再放铜锍。这样,
闪速熔炼炉就将混合铜精矿熔炼成含铜2.3%左右的炉渣和含铜70%左右的铜锍。
0.7 闪速炼铜的未来趋势
闪速冶炼已经成为当今炼铜行业最有竞争力的熔炼技术。目前闪速炉处理的铜精矿品位为12%~56%, 生产的铜锍品位为45%~78%,
单台闪速炉的冶炼能力可高达450 kt/a。
由于闪速吹炼的诸多优点, 有人预测, 闪速吹炼工艺将完全取代PS转炉吹炼工艺, 并为铜冶炼工业开创一个崭新的局面。
由于闪速吹炼炉的诞生和吹炼技术的不断提高,
粗铜中所含氧、硫等杂质越来越少。闪速吹炼炉在对铜锍进行吹炼的同时还同步完成对粗铜的精炼。在不久的将来,
闪速吹炼炉将完全取代阳极炉进行精炼作业, 阳极精炼炉将从炼铜行业中彻底消失。多少年来传统的火法炼铜三大炉(熔炼炉、 吹炼炉、
精炼炉)将变为两大炉(熔炼炉、 吹炼炉), 这将是火法炼铜行业的一次彻底革命, 其经济效益是不可估量的。
现在, 新建的闪速炉和改造的旧闪速炉, 都是采用高投料量、 高锍品位、 高富氧浓度、 高热强度等“四高”技术,
这是闪速炼铜技术发展的总趋势。
0.8 闪速熔炼、闪速吹炼工艺流程图
闪速熔炼、 闪速吹炼工艺流程参见图0-1,闪速熔炼、 转炉吹炼工艺流程参见图0-2。
 
图0-1 闪速熔炼、闪速吹炼工艺流程图
 
图0-2 闪速熔炼、转炉吹炼工艺流程图
第1章 铜冶炼熔炼车间
  熔炼车间是铜冶炼的主要生产车间, 主要设备是三大炉(熔炼炉、 吹炼炉、 精炼炉)和其他一些配套设施。
与熔炼炉配套的是下列工序: 首先是精矿库, 接着是配料、 蒸汽干燥、 精矿输送,
最后是闪速熔炼炉。处理熔炼炉高温烟气的是余热锅炉、电收尘; 处理铜锍的是铜锍水淬。
与吹炼炉配套的是下列工序: 首先是铜锍仓系统, 接着是铜锍磨及热风炉系统、 铜锍输送,
最后是闪速吹炼炉。处理吹炼炉高温烟气的是余热锅炉、 电收尘、 烟尘处理; 处理吹炼炉渣的是渣水淬系统。
与阳极精炼炉配套的是下列工序: 处理阳极炉高温烟气的是余热锅炉、 尾气脱硫系统; 处理阳极铜的是圆盘浇铸系统。
还有竖炉、 保温炉系统, 主要是处理阳极板电解后的残极。若是用PS转炉吹炼粗铜, 这些阳极板电解后的残极就作为冷料直接加到转炉里,
不再需要竖炉、 保温炉系统, 这就是用闪速炉吹炼粗铜的弊病。
熔炼系统共有22个生产工序, 本文按前述生产工艺顺序进行简单介绍。
全车间用一套DCS系统对整个冶炼生产过程进行监控, 为了操作方便, 设置了精矿库、 闪速炉、 阳极炉、 竖炉四个仪表操作室,
见图1-1。
1.1 精矿库系统
1.1.1 精矿库系统工序功能及工艺流程
精矿库用于贮存各种铜精矿、 铜锍渣、 渣精矿、 石英砂等物料, 属生产准备系统。工艺流程图见图1-2。
1.1.2 精矿库系统工序设备
本工序设备都是一般的国产通用设备, 主要是行车、 给料机、 各种运输皮带, 还有袋式除尘器、
电磁除铁器、振动筛等。在现场有一个仪表控制室, 配置一套DCS系统, 用于精矿库系统的自动控制。
1.1.3 精矿库系统工艺说明
  精矿库是一个长方形的水泥结构设施, 中间铺有铁轨,
可供装有各种铜精矿、石英砂等物料的火车进出。在铁轨的两边分别构筑成多个容量大小不同的空间(仓), 用以存放不同的铜精矿及铜锍渣、
渣精矿、石英砂等物料。在仓的两边有两条较长的皮带运输机(工艺图1-2中是1号皮带运输机和7号皮带运输机),
往这两条皮带运输机上加料的共有11台精矿给料机和各自的转运小皮带。在每一条加料皮带上都有一台单机袋式除尘器,
用以回收加料过程中飞起的铜精矿粉。在两条长皮带运输机的出口还装有电磁除铁器和振动筛, 电磁除铁器用来除掉物料中的铁;
振动筛则是为了去掉混在物料中的各种杂质, 还用于将挤压成堆的铜精矿打散, 以方便运输和冶炼。各种物料经多条皮带倒运,
最后经配料仓仓顶卸料皮带送到配料系统。
从工艺流程图可以看出, 精矿输送系统共有三条输送线路:
(1) 1号皮带→2号皮带→3号皮带→4号皮带→5号皮带→1号换向皮带、 配料仓仓顶卸料皮带。
当工艺决定需要右边某仓的一种物料时, 操作工就将该仓(6号~11号仓)的物料用抓斗抓到相应的水泥制料斗里,
经6号~11号精矿给料机和相应的转运小皮带, 送到1号皮带运输机上, 经过2号皮带、 3号皮带的倒运,
经1号电磁除铁器除铁和1号振动筛除掉杂物后, 再经4号皮带、 5号皮带倒运到1号换向皮带上,
最后通过配料仓仓顶卸料皮带送到配料系统。
(2) 1号精矿给料机→6号皮带→4号皮带→5号皮带→1号换向皮带、 配料仓仓顶卸料皮带。
当工艺决定需要1号精矿仓的物料时, 操作工就将该仓的物料用抓斗抓到该料斗里, 经1号精矿给料机和相应的转运小皮带,
送到6号皮带运输机上, 经1号电磁除铁器除铁和1号振动筛除掉杂物后, 再经过4号皮带、 5号皮带倒运到1号换向皮带上,
最后经配料仓仓顶卸料皮带送到配料系统。
(3) 7号皮带→8号皮带→1号换向皮带、 配料仓仓顶卸料皮带。
当工艺决定需要左边某仓的一种物料时, 操作工就将该仓(1号~5号仓)的物料用抓斗抓到相应的水泥制料斗里,
经1号~5号精矿给料机和相应的转运小皮带, 送到7号皮带运输机上, 经2号电磁除铁器除铁和2号振动筛除掉杂物后,
再经过8号皮带倒运到2号换向皮带上, 最后经配料仓仓顶卸料皮带送到配料系统。
说明: 所有运行设备在机旁都有一个“本地/远方”转换开关, 当将此开关置于“本地”时, 可以在现场启动该设备,
当将此开关置于“远方”时, 可以在中控室启动该设备。正常生产时一般要求将此开关置于“远方”,
即在中控室启动该设备。此开关置于“本地”, 只能用于设备维修后检查用。在中控室启动、 停止该设备也有自动和手动两种方式,
可以手动启动、 停止该设备, 也可以按预先在DCS系统里编制好的控制逻辑,
自动启动、停止该设备。在以后的章节里对这部分不再进行详细说明, 所有的操作都是指在中央控制室进行。
1.1.4 精矿库系统联锁逻
一般设备的启动和停止都遵循“逆向启动、 顺向停止”这一原则。当运行设备在运行过程中某台设备出故障时,
则执行联锁停车逻辑。一般是某台设备因故停止后, 前面的设备马上顺序停止, 当最后一台设备停止了以后, 延迟一段时间,
再停止后面的设备。例如, 以刚才输送石英砂为例, 假设突然4号皮带因故障而停止运行, 这时3号皮带、 2号皮带、 1号皮带、
11-1号皮带机、 11号精矿给料机都按顺序停止, 过一段时间, 再顺序停止5号皮带、
1号换向皮带、配料仓仓顶卸料皮带。一般电磁除铁器、 振动筛和单机袋式除尘器都不参与联锁。若因故按下“紧急停车”按钮,
则所有运行设备瞬间全部停止下来。
 
图1-1熔炼车间DCS系统 配置图
 
图1-2 精矿库系统工艺流程图
 
图1-3 配料系统工艺流程图
1.2 配料系统
1.2.1 配料系统工序功能及工艺流程
将精矿库送来的各种铜精矿、 铜锍渣、 渣精矿、 石英砂等, 根据闪速熔炼的需要, 按一定的比例进行混合配比,
然后用皮带运输机送到蒸汽干燥系统。配料系统是为闪速熔炼炉准备原料的生产准备系统。工艺流程图见图1-3。
1.2.2 配料系统工序设备
该系统采用一般的通用设备, 全部国产。主要设备有配料仓、 电子配料秤及各种皮带运输机, 还有电磁除铁器、
振动筛、袋式除尘器和犁式卸料器等。在现场有一个仪表监视室。
根据产量大小不同而设计的配料仓数量是不一样的。年产阴极铜20万t, 一般设计11个配料仓, 每个配料仓的容量是200 t。
1.皮带电子秤
1)工作原理
当被测介质通过称量皮带时, 装在称量皮带下的传感器受力, 传感器内的应变片的桥路电阻值发生改变, 则输出一个“mV”信号,
此“mV”信号送到二次仪表进行处理; 在控制皮带的马达上, 有一个测速传感器, 将马达的转速信号转换成脉冲信号, 送到二次仪表,
这两个信号相乘, 就得到了皮带上的质量值。
 
图1-4 皮带电子秤的结构
2)组成结构
从图1-4可以看出, 皮带电子秤由计量称重皮带、 计量秤体、 皮带秤框架、 托辊、 称重传感器(俗称压头)、 测速传感器、 驱动装置,
内外清扫装置、 控制仪表等组成。
(1)皮带秤框架: 用于安装皮带秤的托辊、 传感器等, 是皮带电子秤的基座。
(2)托辊: 三节托辊安装在皮带秤框架上, 框架下面的槽钢内装有传感器, 三节托辊上面运行带有物料的皮带,
将被测物料的质量传给传感器。
(3)称重传感器(俗称压头): 将被测物料的质量转换成电压信号, 安装在矩形方钢中, 使传感器不受外部条件诸如尘土、
水、物料等的影响, 以保证测量系统的精度。
传感器有拉式和压式两种, 受力的方向不同, S形拉式传感器是下面受力, 压式传感器是上面受力,
但测量原理是一样的。参见图1-5和图1-6。
 
图1-5 S形拉式传感器
 
图1-6 压式传感器
 
图1-7 测速传感器
  (4)测速传感器: 检测计量皮带的速度, 一般安装在皮带辊的轴上, 其输出脉冲信号正比于皮带速度,
参见图1-7。
(5)称重控制器: 称重控制器是一台带微处理器的调节仪表, 当被测介质通过称量皮带时, 装在称量皮带下的传感器受力,
传感器内的应变片的桥路电阻值发生改变, 则输出一个“mV”信号, 此“mV”信号送到称重控制器; 在皮带辊的轴上,
装有一个测速传感器, 将皮带的转速信号转换成脉冲信号, 也送到称重控制器。这两个信号在称重控制器里进行运算,
就得到了测量皮带上单位时间内的质量值。
3)仪表的维护
定期去现场检查, 看皮带有没有跑偏, 清扫各处灰尘。
4)仪表的校验
校验要用从厂家买来的专用链码来校, 一般一年一次, 若发现问题则随时校。
2.电子自动配料系统
配料系统由皮带电子秤、 计量皮带及驱动系统、 整形皮带及驱动系统、 配料仓等组成。
(1)皮带电子秤: 用于称量物料的质量。
(2)计量皮带: 用于安装电子皮带秤, 该皮带上的物料就是被测量的质量, 皮带由变频器控制的调速电机驱动,
变频器的频率是受称重控制器的输出信号控制的。
(3)整形皮带: 是靠近配料仓的下料皮带, 作用是保证计量皮带上的物料流动时稳定,
则测量准确可靠。该皮带也是由变频器控制的调速电机驱动, 变频器的频率也是受称重控制器的输出信号控制的, 两种皮带同步运行。
(4)配料仓: 仓内贮存物料, 供给配料系统。