ISA炉反应及操作原理1、工艺简介 艾萨炼铜法是一种浸没式富氧顶吹 熔池熔炼法，通过喷枪把富氧空气强制 鼓入熔池，使熔池产生强烈搅动状态加 快了化学反应的速度，充分利用了精矿 中的硫、铁氧化放出的热量进行熔炼， 同时产出高品位冰铜，烟气中高浓度的 SO2经收尘后送往硫酸分厂制酸。熔炼 过程中不足的热量由燃煤、燃油和燃气 等提供。图1艾萨炉模型 艾萨炉的核心技术为一支特制喷枪。富氧空气 通过喷枪强制鼓入炉内，由于喷枪内有一漩流器给 气体增加了动能，这些具有强大动能的气体使熔池 剧烈地搅动，新进炉的物料在瞬间即被高温熔体所 包围，同时还随熔体的强制流动发生上下、左右的 翻腾，鼓入炉内的氧气大量分散在熔体的各处，在 高温下精矿迅速发生化学反应。图 2 喷 枪 漩 流 器2、艾萨炉的炉内结构炉底：艾萨炉炉底为反拱形（即锅底形），采用长 425mm左右的耐火砖竖直砌筑，最靠近钢壳处以两 层拱角砖进行固定。 炉身：全部为450mm长的耐火砖水平砌筑，耐火砖 与钢壳之间竖直砌一层保温砖。烟气区：较复杂。钢壳与耐火砖之间为保温砖；在 扩张口处即东向为450mm的耐火砖；东南与东北向 为400mm的耐火砖；其余各处为350mm的耐火砖 ；不同长度的砖之间会有一个交叉过渡区，停产时 我们可从加料口和喷枪口看出这些交叉区（主要为 南向和北向）的错台。 阻溅板镶嵌于6970层的东向。喷枪口电 炉烟气加料口保温 烧嘴排放阻溅板云铜艾萨炉简图炉底炉身烟气区3、铜火法熔炼原理铜精矿传统熔炼：反射炉、电炉、鼓风炉强氧化熔炼：闪烁炉、诺兰达炉、三菱 法、瓦纽科夫法、白银法、澳斯麦特/ISA烟气弃渣铜锍铜锍烟气炉渣吹炼：PS转炉、连续吹炼、闪烁吹炼粗铜火法精炼浇铸阳极板电解精炼阴极铜炉渣贫化贫化渣弃去烟气放空贫化铜锍制酸烟气图3铜火法冶炼流程阳极泥贵金属硫酸铜 现代造锍熔炼是在11501250的高温下，使 硫化铜精矿和熔剂在熔炼炉内进行熔炼。利用铜对 硫的亲和力大于铁和其他金属，而铁对氧的亲和力 大于铜的特性，炉料中的铜、硫与未氧化的铁形成 液态冰铜。这种冰铜以Cu2S-FeS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2FeOSiO2为主的氧化物熔体。 冰铜与炉渣互不相溶，且密度不同（冰铜的密度大 于炉渣的密度），从而分离。 火法处理硫化铜精矿优点：能耗低、单位设备 生产速度高、贵金属回收率高；缺点：产生大量烟 气，污染环境。造锍反应:Cu2SO2 Cu2OSO2FeS+Cu2OFeOCu2SG014475013.05T Ka（FeO） aCu2S/ aFeS a（Cu2O）该反应的平衡常数K值很大（在1250时，lgK为 9.86），表面反应显著地向右进行。一般来 说，体系中只要有FeS存在，Cu2O将变成 Cu2S，进而与FeS形成铜锍Cu2S-FeS。造渣反应：炉内产生的FeO在SiO2存在的情况下，将生 成铁橄榄石炉渣。FeO SiO2（2 FeO SiO2）G03226015.27T同时，炉内的Fe3O4在高温下能够与石英沙生 产炉渣，反应如下：FeS3 Fe3O4 5 SiO25（2 FeO SiO2）SO2艾萨炉熔炼化学热平衡A、各物质化学性质 a、燃煤要求固定炭含量65，挥发分15 ，灰份22，发热值6500kcal/kg。b、燃油化学性质发热值为40000 KJ/kg，密度0.8232Kg/L。c、SO2=SO2 (反应生成热11286.09 KJ/kg)d、FeS+O2=FeO+SO2 (5377.74KJ/kg)e、FeS2+O2=FeS+SO2 (1917.74KJ/kg) B、热收入C、热支出物质燃煤 燃油化学反 应放热物料潜 热各种风 显热 所占百分比306811物质还原反 应吸 热炉壳 散热水蒸发 吸热冰铜和炉 渣热焓烟气烟尘 带走热百分 比82203040熔炼过程的主要化学反应类型：熔炼物料中主要的化合物是硫化物、氧化物和碳酸 盐。可能的硫化物组成分有：CuFeS2、CuS、 Cu2S、FeS2、FeS、ZnS、PbS、NiS等等。氧化 物有：Fe2O3、Fe3O4、Cu2O、CuO、ZnO、NiO、 MeOFe2O3、SiO2、Al2O3、CaO、MgO碳酸盐有 ：CaCO3、MgCO3等等。这些组分在熔炼过程中将 会发生以下化学反应：一、热分解反应在熔炼过程中处理生精矿或者是干精矿时，炉料中 含有较多高价硫化物，在熔炼炉内被加热后，离解 成低价化合物，主要的反应有： FeS2=FeS+1/2S2 300开始，560激烈进行CuFeS2=Cu2S+2FeS+1/2S2 550开始2CuS=Cu2S+1/2S2 400开始，600激烈进行 。上面反应的分解产物是稳定物质。在较高的温度下，炉料中铜的高价氧化物也发生分 解反应：2CuO=Cu2O+1/2O2 在1105开始，产物Cu2O是较为稳定的化合物 ，在冶炼温度下（13001500）是不分解的。另一类热分解反应是碳酸盐的分解：CaCO3=CaO+CO2 在910开始MgCO3=MgO+CO2 在640开始二、硫化物的氧化反应 硫化物的氧化反应是熔炼过程中脱硫的重要反应。由于 这一类反应的进行，炉料中部分硫被氧化，呈二氧化硫 形态脱出，从而保证获得一定品位的冰铜。炉内的氧势 强弱控制着脱硫程度，也就控制了产出的冰铜品位。在 熔炼温度（大于1300）下，硫化物氧化反应的吉布斯 自由能变化为较大的负值，所以产生MeO。 主要的氧化反应有： （1）高价硫化物的直接氧化： 2FeS2+11/2O2=Fe2O3+4SO2 FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2 2CuFeS2+5/2O2=CuSFeS+2SO2+FeO 2CuS+O2=Cu2S+SO2 （2）低价化合物的氧化反应 FeS+3/2O2=FeO+SO2 3FeS+5O2=Fe3O4+SO2 Cu2S+3/2O2=Cu2O+SO2其他有色金属硫化物（NiS、PbS、ZnS等）也会被 氧化成相应的氧化物。 在强氧化气氛下、还会发生反应： 3FeO+1/2O2=Fe3O4 当体系SiO2的量充足时，生产Fe3O4将被还原成 FeO 2CuFeS2+3Fe3O4+5SiO2=（Cu2SFeS）+5（ 2FeOSiO2）+2SO2+热量 随之熔炼炉型的不同，上述氧化反应所占的比重也 不同。在艾萨炉内，直接进行氧化的比重大； 而在 矿热电炉中则很小，炉料中FeS数量最多，而且氧 化反应吉布斯自由能变化负值较大，所以它比其他 硫化物优先氧化，而后则是Cu2S。铁硫化物生成是 Fe3O4的趋势是不可避免地，只是随炉型，程度不 同。在强氧势及良好的气氛接触时，Fe3O4生成量 较多。艾萨炉渣中Fe3O4的量为10%左右。三、交互反应 冰铜熔炼中另一类型反应是硫化物以氧化物的交互 反应，它是最重要的一类反应。因为这类反应决定 着冰铜以及其他有价金属在冰铜中的回收程度，决 定着Fe3O4还原造渣的顺利和完全程度。来自于热 分解和氧化反应生成的Fe3O4、FeS、FeO、Cu2S 、Cu2O以及炉料中的二氧化硅在高温相互接触条 件下将进行交互反应。这里反应又可以分成两类反 应： 一是Fe3O4和FeS的反应，反应式为： Fe3O4+FeS=FeO+SO2； 二是金属硫化物与氧化物之间的MeSFeO的反应 ，以及相同金属硫化物与氧化物之间的反应。 艾萨熔炼法中的主要化学反应与一般的冰铜熔炼过 程的化学反应基本上是一样的，总的反应式为： 4CuFeS2+5O2+SiO2=2（Cu2SFeS）+（ 2FeOSiO2）+4SO2+热量4、Fe3O4在ISA熔炼中的作用 需要掌握最重要之处就是喷枪中的氧并 不直接就和精矿或者是燃煤发生化学反应。 相反，它首先和炉渣中的氧化亚铁发生化学 反应形成磁铁矿，然后，磁铁矿和精矿发生 化学反应并燃烧煤。少量的磁铁矿在化学反 应中是必需的；太多的磁铁矿会造成操作熔 炼炉比较危险 。加入艾萨炉内的燃煤并不直 接就和来自喷枪的空气一同燃烧，而是随着 精矿的熔炼，煤和磁铁矿中的氧发生反应而 燃烧。 加入熔炼炉内的燃煤由大多数可以燃烧的碳 以及不能燃烧灰份组成。通常情况下，燃煤 含有可以在熔炼炉内燃烧的固定碳。也就是 这类碳和磁铁矿发生化学反应并最终形成了 二氧化碳（CO2）。化学反应式如下： C + 2Fe3O4 CO2 + 6FeO（燃煤碳）（磁性铁）（二氧化碳） （氧化亚铁） 由于每个碳原子需要两个氧原子来形成二氧 化碳，所以每个碳原子燃烧时就需要消耗两 个磁铁矿分子。因此，如果没有磁铁矿，燃 煤就无法燃烧。大多数人都认为燃煤的燃烧会产生热量。但是 ，事实上燃煤和磁铁矿之间的化学反应冷却了熔池 。热量是由首先形成磁铁矿的化学反应所产生的。 向熔炼炉加入燃煤会使熔炼炉升温的原因在于同时 也加入了额外的燃烧空气。燃烧空气产生更多的磁 铁矿，而这些磁铁矿产生的热量超过了燃煤和磁铁 矿之间的化学反应的冷却程度，因而产生了额外的 热量，熔炼炉的温度就升高了。这就解释了为什么 只加燃煤而不添加额外的燃烧空气（在需要降低磁 铁矿的浓度时，采取的就是这种方法）会使熔池的 温度降低以及为什么只加燃烧空气而不添加燃煤却 能使炉子温度迅速上升。 但是，炉内的磁性铁如果过多，就会大大加快 反应速度，短时间内生成大量的气体产物（SO2为 主）；同时因磁性铁数量大，使炉渣的粘度增大， 大量的气体要逸散出来很困难；炉内温度上升很快 。渣中包含的气体越积越多，就造成了炉渣发泡， 熔池面也急速上升。当炉渣里的气体量累积到一定 程度，其气体压力大于炉渣的表面张力，气体就冲 破炉渣表面逸散出来，并夹带着很多炉渣和冰铜， 这就形成了爆炸式喷溅。如果炉内产生的大量气体 不能及时从烟道流出，就会从加料口喷出，如果这 还不能缓解炉内的气体压力，炉顶就有可能被气体 掀开，造成严重后果。 所以，维持正常生产的磁性铁量是必要的，但 必须控制磁性铁的总量不能超过15。5、熔池温度的控制艾萨炉温度控制是通过燃料（燃煤、燃 油、天然气等）补加来达到熔炼温度的平衡 ，其中精矿中的铁、硫自身氧化放热量达到 熔炼所需总热量的70左右，补煤和燃油将 补充剩余30的热量。目前云铜艾萨炉的控 温主要是通过燃煤补加来调节热平衡。以一 次换料为例：首先根据备料工区最新的理论 物料成分、小时物料量及所要得到冰铜品位 进行计算，得出理论所需补煤量；以配煤系 数来控制一次补煤的量，一次补煤的量以温 度平稳、二次补煤的频次和量都要少为依据 。由于同一批次原料成分存在波动，并且 我们的小时处理量和目标冰铜品位也存在一 定的变化，故我们的一、二次补煤量会不断 地进行调整。正常生产时，如果温度低于控 制温度，操作员开3煤仓，设定给煤圆盘转 速来调整二次燃煤补入量，由于我们燃煤仓 离加料口太远，燃煤从煤仓进入炉内大概需 要34分钟，当系统检测到运煤皮带上的数 值后，对应煤的给氧量就由喷枪进入炉内， 此时燃煤还没有进炉内，给氧是提前给入的 ；相反，停煤仓后运煤皮带停止，燃煤数值 为0，给氧停止，实际上此时还有几分钟皮带 上的燃煤才完全进到炉内。如果遇到掉渣等原因造成温度急剧下降，这 时就需要启用燃油来迅速提温。燃油设定值 400L/h时，喷枪跳出端压自动控制状态，必 须手动来提升和下插喷枪；由于燃油提温迅 速，当温度上升到接近温控中心时关闭