緒論 銅及銅冶煉的有關知識

第1章 熔煉車間

  1.1 精礦庫繫統

  1.2 配料繫統

  1.3 蒸汽干燥繫統

  1.4 精礦輸送繫統

  1.5 閃速熔煉繫統

  1.6 閃速熔煉爐餘熱鍋爐繫統

  1.7 熔煉電收塵繫統

  1.8 銅锍水淬繫統

  1.9 銅锍倉繫統

  1.10 銅锍磨繫統

  1.11 銅锍輸送繫統

  1.12 閃速吹煉繫統

  1.13 吹煉爐餘熱鍋爐繫統

  1.14 吹煉爐電收塵繫統

  1.15 轉爐繫統

  1.16 煙塵處理繫統

  1.17 吹煉渣水淬繫統

  1.18 陽極爐精煉繫統

  1.19 陽極爐餘熱鍋爐繫統

  1.20 陽極爐尾氣脫硫繫統

  1.21 圓盤澆鑄繫統

  1.22 豎爐、保溫爐繫統

第2章 硫酸車間

  2.1 淨化繫統

  2.2 干燥吸收繫統

  2.3 轉化繫統

  2.4 廢酸處理繫統

  2.5 石灰乳制備繫統

  2.6 電石渣漿化繫統

  2.7 廢水處理繫統

  2.8 酸庫繫統

第3章 選礦車間

  3.1 緩冷繫統

  3.2 磨浮繫統

第4章 電解車間

  4.1 電解繫統

  4.2 淨液繫統

第5章 金銀車間

  5.1 銅浸出繫統

  5.2 卡爾多爐熔煉繫統

  5.3 煙氣處理繫統

  5.4 硒回收繫統

  5.5 銀電解精煉繫統

  5.6 金精煉繫統

  5.7 廢水處理繫統

第6章 制氧車間

  6.1 空氣壓縮繫統

  6.2 空氣預冷繫統

  6.3 分子篩純化繫統

  6.4 空氣膨脹繫統

  6.5 空氣分餾繫統

  6.6 液氧及氮、氬繫統

第7章 動力車間

  7.1 總降壓站

  7.2 餘熱發電繫統

  7.3 事故柴油發電機

  7.4 壓縮空氣繫統

  7.5 水處理繫統

  7.6 供水繫統

附錄

  附錄1 儀表基礎知識

  附錄2 DCS、PLC繫統的有關知識

  附錄3 執行機構有關知識

  附錄4 控制繫統有關知識

參考文獻

0.1 銅的物理化學性質

銅是紫紅色金屬, 密度是8.96 g/cm3, 熔點是1083.4℃,
沸點是2325℃。其導熱性和導電性在所有金屬中僅次於銀。銅在干燥的空氣中不易氧化, 但在含有二氧化碳的潮濕空氣中,
表面易生成一層有毒的堿式碳酸銅(銅綠), 這層薄膜能保護銅不再被腐蝕。銅在鹽酸和稀硫酸中不易溶解,
但能溶於有氧化作用的硝酸和含有氧化劑的鹽酸中。銅還能溶於氨水。銅易加工, 可制成管、 棒、 線、 帶以及箔等型材。

銅易素組成合金, 如青銅(銅錫合金)、 黃銅(銅鋅合金)、 白銅(銅鎳合金)等。地殼中銅的含量僅占0.01%,
銅的常見礦物有黃銅礦、 斑銅礦和孔雀石。前兩者屬於硫化銅礦, 後者屬於氧化銅礦。

0.2 銅的重要作用

銅是一種重要的有色金屬, 也是人類先發現和早使用的金屬。遠在史前時代, 人類就用天然銅及其合金來制造各種勞動工具、兵器及生活用具、
裝飾品等。現在, 銅及其合金在國民經濟各部門仍然起著重要的作用, 其消耗量僅次於鋼鐵和鋁。

由於銅具有良好的導電性、 傳熱性、 延展性、 較強的抗拉和耐腐蝕性, 所以在電力工業、
機械制造業、國防工業以及國民經濟其他部門都有廣泛的用途, 特別是在國防工業和電力工業中尤其突出。

在國防工業上, 制造槍彈、 飛機、 大炮、 坦克、 戰車、 兵艦都要使用銅。在電氣、 電子工業中, 銅可制造電纜、 導線、電機及輸電、
電訊器材、 精密電器等。

0.3 銅冶煉

銅一般是以化合物的形式存在於地下的礦藏中, 經過采、 選出來的銅精礦, 除含有一定素外, 還伴生有一些素,
如:金、銀、 鉑、 鈀、 鉍、 鎳、 鐵、 鉛、 硫、 砷等。相對於銅來說, 這些都是雜質, 都是要除去的。所謂銅冶煉,
就是想辦素以外的其他雜質去掉, 得到純淨銅。

在這些雜質中, 金、 銀、 鉑、 鈀等屬於貴重金屬, 是不能隨意扔掉的, 要想法回收; 為了加強資源的再利用,
要想法回收這些雜質中的鉍、 鎳等; 而這些雜質中的鐵、 鉛、 砷等由於品位不高, 不具備回收價值, 是真正的雜質, 要盡量去掉;
硫在燃燒過程中會產生大量的熱, 這是銅冶煉的基本能源。

0.4銅的生產方法

銅的生產方法分為火法煉銅和濕法煉銅兩大類。采用的方法主要是根據能否能源、 防止公害、 保護環境、
礦石成分、礦物組成及當地的交通運輸等情況。現在, 硫化銅礦主要是采用火法冶煉處理, 濕法冶煉占15%左右。隨著富礦逐漸枯竭、
礦石品位下降, 礦物原料綜合利用程度的提高, 環境保護標準的日趨嚴格, 濕法冶煉將會有較大的發展, 但火法冶煉仍然是主流。

銅的火法熔煉方法比較多, 以前老的銅冶煉廠都是采用反射爐或密閉鼓風爐等傳統熔煉工藝; 現在陸續從國外引進了各種新的銅冶煉工藝,
如閃速熔煉、 艾薩熔煉、 諾蘭達熔煉等, 還有特尼恩特熔煉、 三菱連續煉銅法、
頂吹浸沒熔煉法等。尤其是將焙燒、熔煉和部分吹煉合成一個工序的強氧化冶煉——閃速熔煉技術, 正在取代傳統的銅冶煉方法,
使得火法冶煉具有更大的優勢。

閃速煉銅是現代火法煉銅的主要方法, 它克服了傳統冶煉方法存在的諸多缺點, 大大減少了能源消耗, 提高了硫的利用率,
改善了環境。自從1949年座閃速爐在芬蘭奧托昆普公司誕生以來, 經過60年來的不斷改造、 創新, 閃速煉銅技術得到飛速的發展,
尤其是近20多年來富氧熔煉技術和新型精礦噴嘴的采用, 使閃速熔煉技術又進入一個更高的發展階段。目前,
的閃速爐冶煉年生產能力已達450 kt。閃速爐不僅已成為主要的熔煉設備, 而且已經開始取代傳統的PS轉爐,
成為連續吹煉設備。

0.5 銅冶煉的原理

火法處理硫化銅精礦有兩種工藝可以選擇, 其一是將硫化銅精礦先經過焙燒再還原熔煉得到粗銅; 其二是將硫化銅精礦經過造锍熔煉得到銅锍,
再將銅锍送入吹煉爐吹煉成粗銅。目前世界上廣泛采用造锍熔煉-銅锍吹煉工藝處理硫化銅精礦。

本書主要介紹閃速熔煉爐的原理。現代造锍熔煉是在1150~1250℃的高溫下, 使硫化銅精礦和熔劑在熔煉爐內進行熔煉,
爐料中的銅、硫與未氧化的鐵形成液態銅锍。這種銅锍是以FeS-Cu2S為主, 並溶有Au、
Ag等貴金屬及少量其他金屬硫化物的共熔體。爐料中的SiO2、 Al2O3、 CaO等成分與FeO一起形成液態爐渣,
爐渣是以2FeO?SiO2(鐵橄欖石)為主的氧化物熔體。銅锍與爐渣互不相溶, 密度不一樣,
銅锍的密度大於爐渣的密度而沉於爐渣下面。

0.6 銅冶煉的主要化學反應

閃速熔煉的原料主要是干燥的銅精礦, 還有渣精礦; 為冶煉造渣, 還需要添加一些石英砂熔劑。銅精礦主要有銅和鐵的硫化物,
如黃銅礦(CuFeS2)、 斑銅礦(Cu3FeS3)、 黃鐵礦(FeS2)等; 渣精礦含有硫化銅(Cu2S)、少量金屬銅和一些化合物,
如鐵橄欖石(2FeO?SiO4), 磁鐵礦(Fe3O4)等。

閃速爐內進行的主要物理化學變化包括燃料的燃燒, 硫化物的離解, 硫和鐵的氧化, 煙灰的熔化分解, 造銅锍和造渣。

硫化銅精礦的主要礦物組成是FeS、 CuFeS、 CuS、 ZnS、 PbS等。

黃鐵礦(FeS2)在反應塔內首先離解, 所得的硫蒸氣及FeS進一步氧化為SO2和FeO, FeO再與熔劑中的SiO2發生造渣反應,
其反應式為:

 

黃鐵礦在反應塔內還以下列反應直接氧化:

 

生成的Fe2O3在有硫化物存在時容易轉化為磁性氧化鐵:

 

Fe3O4在溫度低於1000~1100℃時始終不變化, 但在溫度達1300~1500℃的反應塔內, 發生下列反應,
很快被SiO2和FeS分解:

 

在反應塔內由於氧化反應強烈, 爐料在爐內停留的時間很短促, 各組分之間的接觸不良, Fe3O4不能完全被還原, 而溶解於爐渣和銅锍中,
一同進入沉澱池。

黃銅礦(CuFeS2)在熔煉過程中發生離解反應:

 

生成的FeO與SiO2造渣:

 

少量的硫化亞銅以下列反應被氧化:

 

當有足量的FeS存在時, Cu2O會與FeS反應生成Cu2S進入銅锍。

由上述反應可看出, 爐料中FeS的存在能阻止銅進入爐渣, 但正如上述Fe3O4一樣, 由於反應塔內氧化反應強烈,
仍有少量的Cu2O溶於爐渣。由反應塔降落到沉澱池表面的產物是銅锍與爐渣的混合物, 在沉澱池內進行澄清和分離,
分離過程銅锍中的硫化物與爐渣中的金屬氧化物還進行如下反應, 從而完成造銅锍和造渣過程。

 

熔煉爐渣的密度比較小, 銅锍的密度比較大, 熔煉爐渣浮在銅锍的上面, 故先將浮在上面的爐渣放掉以後, 再放銅锍。這樣,
閃速熔煉爐就將混合銅精礦熔煉成含銅2.3%左右的爐渣和含銅70%左右的銅锍。

0.7 閃速煉銅的未來趨勢

閃速冶煉已經成為當今煉銅行業有競爭力的熔煉技術。目前閃速爐處理的銅精礦品位為12%~56%, 生產的銅锍品位為45%~78%,
單臺閃速爐的冶煉能力可高達450 kt/a。

由於閃速吹煉的諸多優點, 有人預測, 閃速吹煉工藝將完全取代PS轉爐吹煉工藝, 並為銅冶煉工業開創一個嶄新的局面。

由於閃速吹煉爐的誕生和吹煉技術的不斷提高,
粗銅中所含氧、硫等雜質越來越少。閃速吹煉爐在對銅锍進行吹煉的同時還同步完成對粗銅的精煉。在不久的將來,
閃速吹煉爐將完全取代陽極爐進行精煉作業, 陽極精煉爐將從煉銅行業中徹底消失。多少年來傳統的火法煉銅三大爐(熔煉爐、 吹煉爐、
精煉爐)將變為兩大爐(熔煉爐、 吹煉爐), 這將是火法煉銅行業的一次徹底革命, 其經濟效益是不可估量的。

現在, 新建的閃速爐和改造的舊閃速爐, 都是采用高投料量、 高锍品位、 高富氧濃度、 高熱強度等“四高”技術,
這是閃速煉銅技術發展的總趨勢。

0.8 閃速熔煉、閃速吹煉工藝流程圖

閃速熔煉、 閃速吹煉工藝流程參見圖0-1,閃速熔煉、 轉爐吹煉工藝流程參見圖0-2。

 

圖0-1 閃速熔煉、閃速吹煉工藝流程圖

 

圖0-2 閃速熔煉、轉爐吹煉工藝流程圖

第1章 銅冶煉熔煉車間

  熔煉車間是銅冶煉的主要生產車間, 主要設備是三大爐(熔煉爐、 吹煉爐、 精煉爐)和其他一些配套設施。

與熔煉爐配套的是下列工序: 首先是精礦庫, 接著是配料、 蒸汽干燥、 精礦輸送,
後是閃速熔煉爐。處理熔煉爐高溫煙氣的是餘熱鍋爐、電收塵; 處理銅锍的是銅锍水淬。

與吹煉爐配套的是下列工序: 首先是銅锍倉繫統, 接著是銅锍磨及熱風爐繫統、 銅锍輸送,
後是閃速吹煉爐。處理吹煉爐高溫煙氣的是餘熱鍋爐、 電收塵、 煙塵處理; 處理吹煉爐渣的是渣水淬繫統。

與陽極精煉爐配套的是下列工序: 處理陽極爐高溫煙氣的是餘熱鍋爐、 尾氣脫硫繫統; 處理陽極銅的是圓盤澆鑄繫統。

還有豎爐、 保溫爐繫統, 主要是處理陽極板電解後的殘極。若是用PS轉爐吹煉粗銅, 這些陽極板電解後的殘極就作為冷料直接加到轉爐裡,
不再需要豎爐、 保溫爐繫統, 這就是用閃速爐吹煉粗銅的弊病。

熔煉繫統共有22個生產工序, 本文按前述生產工藝順序進行簡單介紹。

全車間用一套DCS繫統對整個冶煉生產過程進行監控, 為了操作方便, 設置了精礦庫、 閃速爐、 陽極爐、 豎爐四個儀表操作室,
見圖1-1。

1.1 精礦庫繫統

1.1.1 精礦庫繫統工序功能及工藝流程

精礦庫用於貯存各種銅精礦、 銅锍渣、 渣精礦、 石英砂等物料, 屬生產準備繫統。工藝流程圖見圖1-2。

1.1.2 精礦庫繫統工序設備

本工序設備都是一般的國產通用設備, 主要是行車、 給料機、 各種運輸皮帶, 還有袋式除塵器、
電磁除鐵器、振動篩等。在現場有一個儀表控制室, 配置一套DCS繫統, 用於精礦庫繫統的自動控制。

1.1.3 精礦庫繫統工藝說明

  精礦庫是一個長方形的水泥結構設施, 中間鋪有鐵軌,
可供裝有各種銅精礦、石英砂等物料的火車進出。在鐵軌的兩邊分別構築成多個容量大小不同的空間(倉), 用以存放不同的銅精礦及銅锍渣、
渣精礦、石英砂等物料。在倉的兩邊有兩條較長的皮帶運輸機(工藝圖1-2中是1號皮帶運輸機和7號皮帶運輸機),
往這兩條皮帶運輸機上加料的共有11臺精礦給料機和各自的轉運小皮帶。在每一條加料皮帶上都有一臺單機袋式除塵器,
用以回收加料過程中飛起的銅精礦粉。在兩條長皮帶運輸機的出口還裝有電磁除鐵器和振動篩, 電磁除鐵器用來除掉物料中的鐵;
振動篩則是為了去掉混在物料中的各種雜質, 還用於將擠壓成堆的銅精礦打散, 以方便運輸和冶煉。各種物料經多條皮帶倒運,
後經配料倉倉頂卸料皮帶送到配料繫統。

從工藝流程圖可以看出, 精礦輸送繫統共有三條輸送線路:

(1) 1號皮帶→2號皮帶→3號皮帶→4號皮帶→5號皮帶→1號換向皮帶、 配料倉倉頂卸料皮帶。

當工藝決定需要右邊某倉的一種物料時, 操作工就將該倉(6號~11號倉)的物料用抓鬥抓到相應的水泥制料鬥裡,
經6號~11號精礦給料機和相應的轉運小皮帶, 送到1號皮帶運輸機上, 經過2號皮帶、 3號皮帶的倒運,
經1號電磁除鐵器除鐵和1號振動篩除掉雜物後, 再經4號皮帶、 5號皮帶倒運到1號換向皮帶上,
後通過配料倉倉頂卸料皮帶送到配料繫統。

(2) 1號精礦給料機→6號皮帶→4號皮帶→5號皮帶→1號換向皮帶、 配料倉倉頂卸料皮帶。

當工藝決定需要1號精礦倉的物料時, 操作工就將該倉的物料用抓鬥抓到該料鬥裡, 經1號精礦給料機和相應的轉運小皮帶,
送到6號皮帶運輸機上, 經1號電磁除鐵器除鐵和1號振動篩除掉雜物後, 再經過4號皮帶、 5號皮帶倒運到1號換向皮帶上,
後經配料倉倉頂卸料皮帶送到配料繫統。

(3) 7號皮帶→8號皮帶→1號換向皮帶、 配料倉倉頂卸料皮帶。

當工藝決定需要左邊某倉的一種物料時, 操作工就將該倉(1號~5號倉)的物料用抓鬥抓到相應的水泥制料鬥裡,
經1號~5號精礦給料機和相應的轉運小皮帶, 送到7號皮帶運輸機上, 經2號電磁除鐵器除鐵和2號振動篩除掉雜物後,
再經過8號皮帶倒運到2號換向皮帶上, 後經配料倉倉頂卸料皮帶送到配料繫統。

說明: 所有運行設備在機旁都有一個“本地/遠方”轉換開關, 當將此開關置於“本地”時, 可以在現場啟動該設備,
當將此開關置於“遠方”時, 可以在中控室啟動該設備。正常生產時一般要求將此開關置於“遠方”,
即在中控室啟動該設備。此開關置於“本地”, 隻能用於設備維修後檢查用。在中控室啟動、 停止該設備也有自動和手動兩種方式,
可以手動啟動、 停止該設備, 也可以按預先在DCS繫統裡編制好的控制邏輯,
自動啟動、停止該設備。在以後的章節裡對這部分不再進行詳細說明, 所有的操作都是指在中央控制室進行。

1.1.4 精礦庫繫統聯鎖邏

一般設備的啟動和停止都遵循“逆向啟動、 順向停止”這一原則。當運行設備在運行過程中某臺設備出故障時,
則執行聯鎖停車邏輯。一般是某臺設備因故停止後, 前面的設備馬上順序停止, 當後一臺設備停止了以後, 延遲一段時間,
再停止後面的設備。例如, 以剛纔輸送石英砂為例, 假設突然4號皮帶因故障而停止運行, 這時3號皮帶、 2號皮帶、 1號皮帶、
11-1號皮帶機、 11號精礦給料機都按順序停止, 過一段時間, 再順序停止5號皮帶、
1號換向皮帶、配料倉倉頂卸料皮帶。一般電磁除鐵器、 振動篩和單機袋式除塵器都不參與聯鎖。若因故按下“緊急停車”按鈕,
則所有運行設備瞬間全部停止下來。

 

圖1-1熔煉車間DCS繫統 配置圖

 

圖1-2 精礦庫繫統工藝流程圖

 

圖1-3 配料繫統工藝流程圖

1.2 配料繫統

1.2.1 配料繫統工序功能及工藝流程

將精礦庫送來的各種銅精礦、 銅锍渣、 渣精礦、 石英砂等, 根據閃速熔煉的需要, 按一定的比例進行混合配比,
然後用皮帶運輸機送到蒸汽干燥繫統。配料繫統是為閃速熔煉爐準備原料的生產準備繫統。工藝流程圖見圖1-3。

1.2.2 配料繫統工序設備

該繫統采用一般的通用設備, 全部國產。主要設備有配料倉、 電子配料秤及各種皮帶運輸機, 還有電磁除鐵器、
振動篩、袋式除塵器和犁式卸料器等。在現場有一個儀表監視室。

根據產量大小不同而設計的配料倉數量是不一樣的。年產陰極銅20萬t, 一般設計11個配料倉, 每個配料倉的容量是200 t。

1.皮帶電子秤

1)工作原理

當被測介質通過稱量皮帶時, 裝在稱量皮帶下的傳感器受力, 傳感器內的應變片的橋路電阻值發生改變, 則輸出一個“mV”信號,
此“mV”信號送到二次儀表進行處理; 在控制皮帶的馬達上, 有一個測速傳感器, 將馬達的轉速信號轉換成脈衝信號, 送到二次儀表,
這兩個信號相乘, 就得到了皮帶上的質量值。

 

圖1-4 皮帶電子秤的結構

2)組成結構

從圖1-4可以看出, 皮帶電子秤由計量稱重皮帶、 計量秤體、 皮帶秤框架、 托輥、 稱重傳感器(俗稱壓頭)、 測速傳感器、 驅動裝置,
內外清掃裝置、 控制儀表等組成。

(1)皮帶秤框架: 用於安裝皮帶秤的托輥、 傳感器等, 是皮帶電子秤的基座。

(2)托輥: 三節托輥安裝在皮帶秤框架上, 框架下面的槽鋼內裝有傳感器, 三節托輥上面運行帶有物料的皮帶,
將被測物料的質量傳給傳感器。

(3)稱重傳感器(俗稱壓頭): 將被測物料的質量轉換成電壓信號, 安裝在矩形方鋼中, 使傳感器不受外部條件諸如塵土、
水、物料等的影響, 以保證測量繫統的精度。

傳感器有拉式和壓式兩種, 受力的方向不同, S形拉式傳感器是下面受力, 壓式傳感器是上面受力,
但測量原理是一樣的。參見圖1-5和圖1-6。

 

圖1-5 S形拉式傳感器

 

圖1-6 壓式傳感器

 

圖1-7 測速傳感器

  (4)測速傳感器: 檢測計量皮帶的速度, 一般安裝在皮帶輥的軸上, 其輸出脈衝信號正比於皮帶速度,
參見圖1-7。

(5)稱重控制器: 稱重控制器是一臺帶微處理器的調節儀表, 當被測介質通過稱量皮帶時, 裝在稱量皮帶下的傳感器受力,
傳感器內的應變片的橋路電阻值發生改變, 則輸出一個“mV”信號, 此“mV”信號送到稱重控制器; 在皮帶輥的軸上,
裝有一個測速傳感器, 將皮帶的轉速信號轉換成脈衝信號, 也送到稱重控制器。這兩個信號在稱重控制器裡進行運算,
就得到了測量皮帶上單位時間內的質量值。

3)儀表的維護

定期去現場檢查, 看皮帶有沒有跑偏, 清掃各處灰塵。

4)儀表的校驗

校驗要用從廠家買來的專用鏈碼來校, 一般一年一次, 若發現問題則隨時校。

2.電子自動配料繫統

配料繫統由皮帶電子秤、 計量皮帶及驅動繫統、 整形皮帶及驅動繫統、 配料倉等組成。

(1)皮帶電子秤: 用於稱量物料的質量。

(2)計量皮帶: 用於安裝電子皮帶秤, 該皮帶上的物料就是被測量的質量, 皮帶由變頻器控制的調速電機驅動,
變頻器的頻率是受稱重控制器的輸出信號控制的。

(3)整形皮帶: 是靠近配料倉的下料皮帶, 作用是保證計量皮帶上的物料流動時穩定,
則測量準確可靠。該皮帶也是由變頻器控制的調速電機驅動, 變頻器的頻率也是受稱重控制器的輸出信號控制的, 兩種皮帶同步運行。

(4)配料倉: 倉內貯存物料, 供給配料繫統。