【飘悬熔炼】
拼译：suspending smelting
是在高速预热空气、氧气、富氧空气等气流喷射作用下，使深度干燥的粉状硫化精矿在飘悬状态中完成氧化和熔炼的火法冶金过程。此法具有加速气－固、气－液两相间的传质和传热过程的特点，是一种强化生产的冶金技术。当前有色金属火法冶金面临两大难题：能耗高和环境污染大。而飘悬熔炼却具有降低能耗和消除污染两大优点，故在20世纪60年代后，此法在铜、镍冶金生产中得到广泛应用，在铅冶金和锌蒸馏渣的处理中也受到重视。此类熔炼包括下列方法：铜、镍冶金的闪速熔炼、旋涡熔炼、喷洒熔炼、康托普熔炼及铅冶金中的基普赛特法等。
早在19世纪末，冶金学者就纷纷提出粉状硫化精矿在飘悬状态下熔炼的构思和各种实施方案，以便充分利用细粒精矿的巨大表面积，改善气－固、气－液之间反应的动力学条件，最大限度地挖掘硫化精矿本身潜在的热能，提高冶金过程自热的程度，以节约能耗。1897年别列德曼首先提出将硫化精矿喷进炽热的反射炉炉膛空间内完成冶金反应的方案。随后克来平格、克列吉和库泽鲁等分别提出高速喷入预热空气使铜精矿呈飘悬状态完成熔炼，以改善热平衡的方案。弗列曼提出细粒炉料在竖式炉内向下运行，而气流向上流动的逆向流方案。这些方案都未能工业化。二次世界大战后，由于领土的变化，芬兰的电力供应困难，迫使该国的奥托昆普公司寻找一种代替电炉熔炼的节能技术。起初在一台反射炉的炉顶增设了一个竖炉进行闪速熔炼试验，干燥炉料从竖炉的顶部加入，然后在炽热的气流中自上而下垂直运动，试验获得良好结果。1949年在哈里亚伐尔塔冶炼厂建成日处理300t铜精矿的闪速炉并投入生产。1949年推广应用到处理硫化镍精矿，1962年用之处理黄铁矿生产元素硫，不久，处理硫化铅精矿的工业试验也获得成功。1956年日本古河矿业公司从芬兰引进闪速熔炼技术后，该国冶金工作者在闪速熔炼技术的提高和计算机在线控制方面作了大量工作。使这种熔炼法逐渐发展成为一种大型的现代炼铜设备。随着60年代后世界铜的需求量大幅度提高、世界性能源危机的加剧及各国环保法规的日益严格，这些都为闪速熔炼创造了用武之地。自70年代后闪速熔炼在铜生产中发展迅速，到90年代初，世界上已有35座各种类型的芬兰奥托昆普型闪速炉。其中炼铜的29座，炼镍的5座。其生产能力已占世界原生铜产量的
，成为最重要的炼铜方法。70年代中国开展类似奥托昆普闪速炉炼冰铜的工业试验，1985年末中国第1个采用奥式闪速炉的炼铜厂在江西省建成投产，贵溪冶炼厂成为中国最现代化和规模最大的炼铜厂，接着在1992年第2座内电极式的闪速炉在金川有色金属公司建成投产，以处理硫化镍精矿，产出镍低锍。加拿大国际镍公司于1945年也开展闪速熔炼的开发工作，在此种熔炼中，炉料借工业氧气流水平喷入卧式炉内，在炽热的炉膛下落的过程中完成熔炼。试验也获得成功，并于1952年在加拿大铜崖冶炼厂建成日处理500t铜精矿的英科闪速炉并投产。1953年1台日处理精矿1000t的工业炉建成投产。起初铜精矿从炉子一头喷入，而在相对的一头喷入磁黄铁矿以洗涤炉渣进行渣贫化。1957年最大磁黄铁矿用量达到入炉铜精矿的20%。由于炉子的处理能力受到限制和添加磁黄铁矿对炉渣的贫化效果欠佳等原因，自1965年便停止使用磁黄铁矿，而两头都喷入铜精矿，使炉子的处理能力增加到每日1200t。目前世界上已有4座此种类型的闪速炉投入生产，分布于加拿大、美国和前苏联。闪速炉冶金设备正在原有基础上不断改进和完善。与其他冶炼工艺的技术进步一样，自1949年投产以来，奥式闪速炉也在不断完善。概括起来，它的技术发展大致可分为3个阶段。20世纪50年代最主要的技术课题是提高反应塔的寿命和增大单炉的处理能力。芬兰和日本两国冶金工作者在闪速炉结构、铜水套和反应塔立体冷却的应用等方面做了大量研究工作，使其寿命大幅度提高，同时在烧嘴结构、增加烧嘴个数及其布置的优化、烟气冷却系统和反应空气的预热技术等方面也做了许多工作。在这段期间内，闪速炉的处理能力成倍增加，已经发展成为一种大型冶金设备。60年代末和70年代初最重要的技术进步是富氧技术的试验和应用。1971年哈里亚伐尔塔冶炼厂在闪速炉中应用富氧鼓风，可以认为是该法技术发展史上的一个里程碑。1968年芬兰波尔冶金研究中心就开始进行工业试验炉中富氧和直接炼粗铜的研究，找出了直接炼铜的一些冶金规律，主要有：1．增大氧系数，使冰铜品位提高的同时，冰铜－炉渣体系中的氧势也随之增高，于是渣中Fe3O4和Cu含量提高。冰铜品位接近白冰铜时，硫在烟气中的回收率显著提高；反之铜在金属相中的回收率却急剧降低。有冰铜中间层生产粗铜时(3层)，铜的回收率比没有中间层时(2层)高得多。2．冰铜品位对有害杂质元素在产物间的分布有影响。生产高品位冰铜乃至粗铜使杂质气体挥发与随渣除去困难，因此直接生产粗铜不易得到满意的铜回收率和高质量的产物。所以闪速炉直接生产粗铜是有条件的，即精矿中有害杂质和脉石的含量应该低。上述规律对于所有炼铜过程都有普遍指导意义。1978年在波兰的格沃哥夫冶炼厂建成世界第一座直接生产粗铜的闪速炉。闪速炉送风的富氧浓度为45%～80%，预热到200C，可使冶金过程达到自热。80年代研究的重点是降低生产成本，熔炼、炉渣贫化与制酸的互联系统及其优化。主要有以煤、焦代油及炉内贫化炉渣技术等。在此期间，日本的玉野冶炼厂和佐贺关冶炼厂使用煤、焦粉部分代替闪速炉反应塔的重油以节约能耗。据报道，佐贺关冶炼厂焦粉用量已达闪速炉燃料使用量的25%，玉野冶炼厂在应用含氧28%的富氧鼓风时，焦粉和煤粉的用量达到代油率80%以上。采用焦粉代油后，均取得降低渣中Fe3+含量和渣含铜的良好效果，但对Pb、Zn、As、Sb、Bi等杂质在炉渣与冰铜间的分配有不利的影响，将增加后序工序除杂的负担。精矿烧嘴是闪速熔炼炉的核心设备，一直是各国研究工作的重点。至80年代后期烧嘴的结构都是基于文丘里原理设计的，该种类型烧嘴已有20余种型式。文氏型烧嘴适用于热风和低浓度富氧送风的炉子。只有当新式中心喷射分布型烧嘴(CJD)研制出来后，才有可能在高的氧利用率条件下应用高浓度富氧送风技术。现时CJD烧嘴已成为标准设计，为多家工厂改造原有文氏型烧嘴所采用。此种烧嘴只需一个便能完成大吨位的生产任务，使炉子自动控制和反应塔的寿命都得到较大改善。可见烧嘴结构的发展是由1个到3或4个，又回归到一个的螺旋式上升途径。80年代以来，澳大利亚和日本的研究工作者应用固体电解质电池直接测量反应塔内不同高度的冰铜和炉渣的氧势，并用直接取样水淬分析法研究试样的物相组成，企图深入揭示精矿在闪速炉反应塔内反应的机理，为改善工艺制度、确定反应塔的合理高度和烧嘴的合理结构提供理论依据。日本Kemori等人根据测定的研究成果对反应塔内铜精矿、熔剂和氧气间的反应机理提出以下论点：1．入炉炉料中的精矿颗粒包含有反应快的和反应慢的两部分。2．反应气体中的氧绝大部分在反应塔的上部便消耗在燃料的燃烧和反应快的那部分精矿的氧化上，即在离塔顶约2．7m处，烟气的含氧量降至0．2%，往下基本保持定值。反应快的精矿靠自身反应热和外热而熔化，其规范化氧势比出炉的冰铜高出许多。反应快的精矿熔融体在下降的过程中与反应慢的固态精矿间发生相互碰撞、聚合，前者将热量传给后者，使之熔化的同时发生Fe3O4还原反应，结果碰撞后形成的大颗粒新熔融物的氧势降低，此种氧势逐渐减小的现象一直维持到熔融体与固体之间反应完全为止。90年代冶金学者越来越重视对闪速炉反应塔内三传现象的冶金反应工程研究，这些研究一方面在理论上可对飘悬熔炼过程反应机理有更符合客观实际的认识，另一方面，更重要的是可从冶金反应速率上和热工制度上分析现存反应塔高度和烧嘴结构的合理性，为其改进提供可靠的定量依据。在闪速炉普遍应用富氧鼓风技术后，有朝向应用更高富氧浓度鼓风以强化冶金过程达到自热熔炼的趋势。例如美国马格玛公司的闪速炉应用高达60%～73%O2的富氧鼓风，使单炉日处理能力实际上超过3400t精矿，为世界单炉产量之冠。另外，在保证冶金反应完成所需的时间前提下，力求降低反应塔高度，以节约燃料和基建费用。例如上述马格玛冶炼厂的反应塔高只有6．68m。虽然70年代后期在炼铜工业中出现熔池熔炼新炼铜方法，但由于闪速炉有利于充分利用精矿的巨大反应表面和强化生产的特点，加之技术和设备结构上也比较成熟，在炼铜工业中仍占据主导地位，而且有向吹炼方面发展以取代转炉的倾向。【参考文献】：1 自热熔炼法——在重有色金属生产中运用，北京有色冶金设计研究总院，19902 诺兰达法富氧熔池炼铜，北京有色冶金设计研究总院等，1993(东北大学叶国瑞教授撰)