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1、第3章 閃速熔煉3.1概述閃速熔煉是現(xiàn)代火法煉銅的主要方法。它克服了傳統(tǒng)方法未能充分利用粉狀精礦的巨大表面積,將焙燒和熔煉分階段進行的缺點。大大減少了能源消耗,提高了硫利用率,改善了環(huán)境。閃速熔煉是將經(jīng)過深度脫水（含水小于0.3%）的粉狀精礦，在噴嘴中與空氣或氧氣混合后，以高速度（60～70m/s）從反應(yīng)塔頂部噴入高溫（1450～1550℃）的反應(yīng)塔內(nèi)。精礦顆粒被氣體包圍，處于懸浮狀態(tài)，在2～3s內(nèi)就基本上完成了硫化物的分解、氧化和熔化等過程。 熔融硫化物和氧化物的混合熔體落下到反應(yīng)塔底部的沉淀池中匯集起來，繼續(xù)完成冰銅與爐渣最終形成過程，并進行沉清分離。
2、 爐渣在單獨貧化爐或閃速爐內(nèi)貧化區(qū)處理后再棄去。閃速熔煉有以下的特點：1.焙燒與熔煉結(jié)合成一個過程；2.爐料與氣體密切接觸，在懸浮狀態(tài)下與氣相進行傳熱和傳質(zhì)；3.FeS與Fe3O4、FeS與Cu2O(NiO)、以及其它硫化物與氧化物的交互反應(yīng)主要在沉淀池中以液—液接觸的方式進行。 閃速熔煉有兩種基本形式：1.精礦從反應(yīng)塔頂垂直噴入爐內(nèi)的奧托昆普閃速爐（圖3.1）；2.精礦從爐子端墻上的噴嘴水平噴入爐內(nèi)的因科閃速爐（圖3.2）。圖圖3.1奧托昆普閃速爐圖3.2INCO閃速爐閃速爐的主要熔煉過程發(fā)生在反應(yīng)塔內(nèi)。氣流中的精礦顆粒在離開反應(yīng)塔底部進入沉淀池之前順利
3、地完成氧化和熔化等過程。 發(fā)生在反應(yīng)塔內(nèi)的是一個由熱量傳遞、質(zhì)量傳遞、流體流動和多相多組分間的化學(xué)反應(yīng)綜合而成的復(fù)雜過程。 研究反應(yīng)塔內(nèi)的傳輸現(xiàn)象，對獲得高的生產(chǎn)率與金屬回收率、長的爐壽命和低的能源消耗的具有理論指導(dǎo)意義，也為噴嘴和爐型設(shè)計的改進提供基礎(chǔ)。3.2閃速熔煉理論基礎(chǔ)3.2.1反應(yīng)塔內(nèi)的傳輸現(xiàn)象從反應(yīng)塔頂部噴嘴噴出的氣-固（精礦）混合流，離開噴嘴后，在塔內(nèi)形成了兩個區(qū)域：1.噴嘴口附近的噴射區(qū)（或稱入口區(qū)）；2.擴張氣流區(qū)(如圖3.3中的截面A-A以下)。 擴張區(qū)延續(xù)到熔池面上時流體形狀改變。此時的氣流速度稱為終點氣流速度。3.2.1.1精礦顆粒
4、和氣體的運動規(guī)律圖3.3反應(yīng)塔內(nèi)的氣體-精礦流散布示意圖（中央噴嘴）等溫氣體噴射時的速度衰減由下式表達:式中,Ux為從入口點開始的x距離上的中心噴射速度(m/s)；U0為入口初始速度(m/s)；r0為入口噴嘴半徑(m)。式(3-1)說明,氣流的終點速度乃由入口初始速度決定，入口初始速度對氣體在塔內(nèi)的停留時間起著決定性的作用。Ux=12.4U0r0/x(3-1)公式(3.1)是在等溫情況下得出的。 由于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱使塔內(nèi)的氣體瞬間被加熱到高溫（1300℃以上），氣體體積膨脹擴張了噴射錐空間，因而真實速度將大大減少。 對高為9m,直徑為6m的反應(yīng)塔，當入口
5、初速度為30m/s時，氣流在塔內(nèi)的停留時間約為2s。從反應(yīng)塔頂落下的顆粒是與氣體處在同樣重力作用下的流股中。因此,顆粒的速度等于氣流速度加上顆粒的下落速度。 在實際條件下,混合流中的顆粒分散度是很大的,相鄰兩顆粒間的平均距離大約等于20個顆粒的直徑,甚至更多。 顆粒的終點速度就可以用斯托克斯公式來描述: up=gc(ρp-ρg)d2p/18η(3-2)式中,up為顆粒的終點速度（m/s）；gc為重力加速度(m/s2)；ρp和ρg分別為顆粒與氣體的密度（kg/m3）,dp為顆粒的直徑(m)；η為氣體的粘度[kg/(m·s)]。按式(3-2)的計算,10μm顆
6、粒的終點速度僅為0.04m/s,而200μm顆粒的終點速度為1.6m/s。因此,細顆粒流經(jīng)反應(yīng)塔的速度幾乎與氣流速度相等。而其停留時間也約為2s。較大顆粒通過反應(yīng)塔的速度約2倍于氣流速度(2m/s+1.6m/s),停留時間更短。對某些工廠反應(yīng)塔操作數(shù)據(jù)的統(tǒng)計表明：在不同的反應(yīng)塔的高度下，平均氣流速度為1.4～4.7m/s時，相應(yīng)的氣體停留時間如圖３.4所示。圖3.4不同高度的反應(yīng)塔中的平均氣流速度與其停留時間(按N.J.Themelis數(shù)據(jù)繪出)3.2.1.2精礦顆粒與氣流之間的熱和質(zhì)傳遞除了顆粒與氣流運動的特性外,反應(yīng)塔內(nèi)的傳熱與傳質(zhì)也是閃速熔煉過程進行
7、的重要基礎(chǔ)。在精礦粒子和氣體流之間的傳熱與傳質(zhì)速率是由無量綱因子聯(lián)系起來的努塞爾數(shù)（Nnu）和謝伍德數(shù)（Nsh）來描述的，如下面等式所表達:由該二公式可見，影響顆粒與氣體之間的熱和質(zhì)傳遞的因素有顆粒直徑、流體熱傳導(dǎo)率、顆粒與流體的相對速度和流體的性質(zhì)（密度、粘度與比熱）。表3.1顆粒尺寸對其終點速度、傳熱和傳質(zhì)系數(shù)的影響顆粒直徑，μm1050100200終點速度，cm/s0.399.9439.8158熱傳遞系數(shù)，j/cm·s·℃1.770.360.190.12質(zhì)傳遞系數(shù)，o，g/cm·s在純氧中1.1760.2460.130.081在空氣中0.2440.0
8、510.0280.07表3.5列出了按式（3-4）計算的在平均膜層
