【熔池熔炼】
拼译：bath smelting
是向高温熔体层鼓入富氧或工业氧气，使加入的硫化矿物料和熔剂在熔池内部完成氧化和熔炼的火法冶金过程。这种熔炼具有加速气－液－固三相间传质和传热过程的特点，是一种重要的强化、低耗能、污染少的冶金新技术。
为解决炼铜工业燃料成本的不断增加和环保法规日益严格等问题，20世纪70年代后期熔池熔炼技术在炼铜工业中获得长足进步。属于此类熔炼的有：诺兰达炼铜法(Noranda Process)、瓦纽科夫炼铜法(Vanuikov Process)、三菱连续炼铜法(Mitsubishi Process)、特尼恩特改良转炉炼铜系统(T．M．C．Cystem)白银炼铜法和水口山熔炼法等。炼铅的QSL法也属于熔池熔炼。虽然熔池熔炼的工艺较多，但概括起来只有富氧侧吹、富氧顶吹和氧气底吹3大类。1．富氧侧吹。按富氧空气进入的地点不同又可细分为吹冰铜层和吹渣层两种，属于前者的有诺兰达法、白银法和T．M．C系统，后者只有瓦纽可夫法一种。诺兰达法是20世纪90年代在炼铜工业上应用相对较多的一种熔池熔炼。其反应器与卧式转炉相似，为圆筒型。工业标准的反应器外长21．3m，外径5．2m，炉衬为铬镁质耐火材料，在圆筒的一端设加料口，铜精矿与其他炉料可不需深度干燥，由链式抛料机经加料口加到熔池的表面。在加料端与炉口之间的一侧配置60个风眼，正常只开50个。熔炼产出的冰铜或粗铜和炉渣分别经相应的放出口间歇排出。炉体可转动48°，正常操作时炉体基本上固定不动，只有事故时，转动炉子将风眼露出液面，防止堵塞。炉口只作烟气排出通道，密封相对容易。炉子的两端设有燃烧器，向炉内补充热量。1967年在加拿大的诺兰达冶炼厂建成1台转炉炉型的反应器，完成了半工业试验，取得设计数据后，于1971年在霍恩冶炼厂新建了1台工业标准反应器进行工业试验，后来过渡到正式生产。1978年美国犹他炼铜厂引进了此项技术，新建了3座标准反应器，随后澳大利亚也采用此法建厂。在90年代中国也将采纳此法改造两个旧有的炼铜厂或车间。此法的基本特征是富氧空气鼓入冰铜层，并且冰铜、炉渣及烟气等冶炼产物在反应器内水平同向流动，因此鼓风中含氧浓度受到限制，通常不超过40%，而且炉渣含铜难免较高，必需处理以回收铜。该法曾采用过生产粗铜和冰铜两种工艺制度。试验研究与生产都证明，在生产粗铜时，粗铜含硫高达2%，As、Sb、Bc°等有害杂质进入铜相的分配率甚高，给下一步精炼作业带来沉重的负担。此外渣含铜和熔池的温度也比生产冰铜时高得多。后来考虑到产品质量、铜的回收率和炉寿命等因素，普遍推行生产含Cu65%～70%的冰铜工艺制度。在技术发展的过程中对炉内直接贫化炉渣做了大量研究工作，由于此法的熔池具有强烈的反混作用，使各种炉内直接贫化的措施皆未奏效，反而引起炉子结构和操作上的复杂化。在设计标准工业反应器时，放弃了在炉内贫化炉渣的方案，采用炉渣缓冷，选矿法贫化，可从含铜3%～7%的炉渣选出含铜0．30%～0．35%的尾矿。通过由风眼向熔体喷射气体的流动状态可以洞察浸没性熔池熔炼的流体动力学规律，并可为操作制度的制定提供理论依据。针对诺兰达反应器熔池的搅拌动力学曾经做过系统的冷态和热态模拟试验，修正了40年代和50年代描述铜炉熔池中空气流动行为的经典示意图，即喇叭图。70年代末Hoefele等人研究认为喷进冰铜层的气体射流轨迹只有垂直分量而没有水平分量，在大多数Froude准数范围内，气体以大气泡的形式从风眼喷出，然后在熔体的内部很快分散成一大群小气泡而上升到熔池的表面，由于小气泡与熔体间具有非常庞大的气－液界面积和很高的传质系数，从而可以加速熔体中硫化物的氧化反应，导致甚至风眼埋入的深度不大时，也能获得很高的鼓风中氧的利用系数，标准诺兰达反应器此数一般可达95%。为了探明诺兰达反应器中熔池的混合状况，曾经应用过放射性氧化铜做示踪剂，脉冲地加到炉料中。结果探明此反应器的熔池接近完全混流或反混流，熔体在熔池中的混合相当均匀。80年代初提高鼓风中的氧浓到38%，使空气鼓风时日处理800t精矿的反应器生产能力提高到2000t，烟气中SO2浓度达到21%，炉寿延长到400d。瓦纽科夫炼铜法是利用浸没在熔渣层中的侧吹风口，向熔渣层内部鼓入富氧空气，将加到熔池表面未经彻底干燥的铜精矿、块矿、熔剂迅速氧化、熔化并炼成高品位冰铜和弃渣的一种熔池熔炼法。冶金过程接近自然，热量的不足部分由拌入炉料中的块状固体燃料补充。所用设备近似于烟化炉的直立型冶金炉，但熔池较深。冰铜与炉渣向下逆向流动，分别经设于两端的冰铜池和渣池连续排出炉外。熔池宽2～2，5m，长8～20m，高5～6m。此法具有能耗低、炉寿长并可直接得到弃渣的优点，引起炼铜业的重视。瓦纽科夫法具有以下两个显著的特征：其一，风口上方的熔体呈乳浊液状态，即以炉渣为基体，硫化物熔体和固体燃料为分散相，它们在炉渣基体中受到富氧鼓风的氧化作用，属于气－液或气－液－固多相共存的反应体系，故又称为鼓泡熔炼(Foam Smelting)。其二熔池强烈搅拌有利于渣中冰铜小珠的聚合、长大与分相，对于渣中Fe3O4成分的还原也有促进作用。加之冰铜与炉渣在熔池中自上而下逆向流动可进一步改善冰铜与炉相分相，从而可以直接获得弃渣，在现代强化炼铜的各种新工艺中尚不多见。该法的发展方向是强化生产，实现过程自热，提高各项指标、过程自动化和测量仪表的水平。2．富氧顶吹。三菱连续炼铜法是此类中最重要的工艺，它是以干燥铜精矿为原料，采用气－固态混合物喷射冶金技术，在多炉系统中实现连续生产高质量粗铜和弃渣的炼铜法。该法由熔炼炉、炉渣贫化炉和吹炼炉3个功能各异的冶金设备串联组成，中间熔体产物靠3个炉子的位差而自动经溜槽在各炉间连续流动，从而有机地把3个炉子连接起来。熔炼炉为固定式，呈圆型，有内径8．25m和10．3m两种规格，采用顶插送料喷枪是此法的重要特征之一，每炉安有8～10根。干燥精矿借含氧40%的富氧空气喷入熔池，完成造锍熔炼，产出含铜65%～70%的冰铜和炉渣，然后此混合融体自动流入炉渣贫化炉贫化。炉渣贫化炉的功能相当于一座电热前床，呈椭圆型，主要靠提高温度改善炉渣的物理性质，促进冰铜与炉渣的澄清分离，有时还加入还原剂和硫化剂，达到进一步贫化的效果。炉渣含铜可降至0．5%～0．7%，弃去，冰铜流入吹炼炉吹炼。吹炼炉的结构与熔炼炉相似，但尺寸略小，有内径6．65m和8．15m两种规格。也采用顶插喷枪结构，每炉4或6根。所用富氧鼓风的含氧浓度也低于熔炼炉，约为30%。应用Cu2OFe2O3-CaO系炉渣是该法另一个重要特征，可以消除Fe3O4在传统FeO-SiO2系吹炼渣中的诸多缺点，吹炼产出含铜为98．5%的粗铜，炉渣含铜高达15%，经水淬、干燥后返回熔炼炉处理。1968年日本小名滨冶炼厂建成第1套年产粗铜1．8万吨的工业试验设备，1974年在日本的直岛冶炼厂建起1套年产粗铜4．8万吨的工业生产设备，1981年加拿大的奇得－克里克炼铜厂引进此项技术。多炉体系的三菱法遵循理论上的规律性，将不同氧势要求的冶金过程分别安排在单独的炉中完成，借助溜槽将各炉有机联接起来。例如要求中等氧势的造锍熔炼安排在熔炼炉；冰铜与炉渣澄清分离要求低氧势和高温，安排在无燃烧火焰的电炉中实现；而在高氧势的吹炼炉完成冰铜的吹炼过程。这样的安排有利于保持各炉技术操作条件的优化，获得较佳的技术经济指标，从而可以克服单炉连续炼铜的缺点。但是过程要求自动控制的水平较高，手控难于胜任。炼铜工作者惯用提高渣中SiO2含量的办法降低αFeO，使Fe3O
析出氧势提高以消除其有害影响，然而在FeO-SiO2系渣中，SiO2的增加量和αFeO下降幅度都十分有限。日本冶金学者在吹炼炉中选用了添加CaO熔剂取代传统的石英熔剂，造Cu2OFe2O3-CaO系炉渣。此系炉渣在1250～1300℃范围内其熔融区较之Fe2O3-FeO-SiO2系和Fe2O3-Cu2O-SiO2系大得多，粘度也低得多。并且渣的还原性能也较好，有利于在贫化炉中降低渣含铜。但是此系炉渣对耐火材料的侵蚀能力强，影响炉寿，此外渣含铜甚高，必须处理。因此不宜用于低品位冰铜的吹炼过程。3．工业氧底吹。水口山熔炼法、QSL法至1993年仍处于试生产阶段。【参考文献】：1 Makinen J K，et al．J．of Metals 1982，62 Kemori N，et al．Metall．Tans 1989，20：(B)3 Robert Wyllic J M．E，M．J．1989，10(东北大学叶国瑞教授撰)