熔池熔炼

气、液、固相间的熔炼方法

熔池熔炼 (bath smelting),是将炉料直接加入鼓风翻腾的熔池中迅速完成气、液、固相间主要反应的熔炼方法。这种强化熔炼的冶金方法适用于有色金属原料熔化、硫化、氧化、还原、造锍和烟化等冶金过程。

历史沿革

19世纪末和20世纪初，熔池熔炼的最早应用，转炉吹炼铜锍和烟化炉贫化熔炼铅鼓风炉渣先后用于工业生产。由于这种熔炼方法用压缩空气强烈搅动熔池，使发生在熔体中的氧化或还原反应得以迅速进行。然而，这两种熔池熔炼都只局限于处理反射炉、电炉或鼓风炉熔炼所得的液态中间产物(铜锍或炉渣)。处理硫化精矿的反射炉熔炼和电炉熔炼虽然也属于熔池熔炼范畴，液-液或液-固两相问的化学反应也发生在熔池内，但“静态料坡熔炼”的动力学条件决定了传质传热效果差，氧化和熔化速度很慢，不能充分利用精矿中铁和硫的氧化热，燃料消耗大，烟气含SO2 浓度低，严重污染环境。由于世界能源日趋紧张，环境保护要求日益严格，迫使火法冶金技术不断地进行改革。

进入20世纪70年代，富氧的利用相继出现了许多熔池熔炼的新方法。其中包括诺兰达法(1973)、三菱法(1974)、特尼恩特法(1977)、白银炼铜法(1980)、氧气底吹炼铅法(1981)、瓦纽科夫熔炼法(1984)、顶吹旋转转炉法(TBRC)、艾萨熔炼法炼铅和转炉直接炼铜法等。这些熔池熔炼的新方法主要用于铜(镍)精矿造锍熔炼，铜(镍)锍吹炼，硫化精矿直接熔炼(包括连续炼铜和直接炼铅)，以及含铅锌氧化物料和炉渣的还原或烟化。此外，这些方法在锡冶金和多金属原料的综合回收等方面也开展了试验研究工作。

熔炼方法

侧吹

从设于侧墙而埋入熔池的风嘴直接将富氧空气鼓入铜锍-炉渣熔体内，未经干燥的精矿与熔剂加到受鼓风强烈搅动的熔池表面，然后浸没于熔体之中，完成氧化和熔化反应。属于此类的有诺兰达法、瓦纽科夫熔炼法、特尼恩特法和白银炼铜法等炼铜方法。

诺兰达法采用类似于P—S转炉(见铜锍吹炼)的长形卧式圆筒反应器熔炼铜精矿，在炉渣和铜锍的同流过程中完成熔炼和预定的吹炼反应，产出高品位铜锍甚至粗铜。

瓦纽科夫熔炼法采用类似于炉渣烟化炉的熔池熔炼炉熔炼铜精矿，高浓度富氧空气使硫化物在渣层内燃烧，完成熔炼反应；熔体在由上往下垂直运动过程中完成铜锍液滴的聚合、长大，并与炉渣分离，然后从两端虹吸池分别放出铜锍和炉渣。

特尼恩特法采用的转炉又称特尼恩特改良转炉，利用富氧空气吹炼反射炉产出的铜锍，同时自热熔炼铜精矿，产出富铜锍或白铜锍。

中国开发的白银炼铜法的炼铜炉，用隔墙将熔池分成熔炼区和沉降区，在熔炼区采用侧吹熔池富氧熔炼铜精矿，大大提高了熔炼区的熔炼能力，降低了能耗。

顶吹

从炉顶往炉内插入喷枪，喷枪出口距熔池液面一定高度或浸没于熔体之中。根据冶金反应的需要，喷入氧化性或还原性气体，在湍动的熔池内完成氧化或还原反应。属于此类的有三菱法、顶吹旋转转炉法和艾萨熔炼法等炼铜、炼镍和炼铅方法。

三菱法的精矿熔炼炉和铜锍吹炼炉都采用相同的顶吹富氧熔池熔炼方法。在熔炼炉内，顶插喷枪的出口距熔体表面一定的高度，精矿在离开喷枪出口和进入熔体时发生氧化和熔化。由于渣层很薄，熔炼反应主要在铜锍层进行。熔炼炉产出的铜锍熔体经电炉分离炉渣以后，溢流至吹炼炉连续吹炼得粗铜。

顶吹旋转转炉法用卡尔多(Kaldo)炼钢转炉熔炼铜精矿或吹炼铜(镍)锍，这种顶吹自热熔炼还可用来处理硫化铅精矿直接生产粗铅。

艾萨熔炼法通过从炉顶插入熔体的喷枪，喷入富氧空气或夹带还原剂(重油、粉煤等)的空气，浸没喷射产生湍动熔池，使氧化反应或还原反应激烈地进行。用这样两台设计相似而又相连的顶吹炉，完成硫化铅精矿的氧化熔炼和炉渣还原两段冶炼过程，直接产出粗铅。

底吹

氧气底吹炼铅法直接炼铅采用卧式长形圆筒反应器，在用隔墙分开的氧化段和还原段都设有数个底吹喷嘴。在氧化段喷吹氧气，使硫化铅精矿氧化成金属铅和高铅(锌)炉渣；在还原段，喷吹氧气和还原剂(粉煤或天然气)，贫化炉渣，回收铅锌。

工艺特点熔池熔炼能大大强化冶金过程的原理是：(1)鼓入熔池的气体给高温熔体输入了很大的搅拌功，使熔池激烈搅动，从而大大强化了气-液-固之间的传质传热过程，加速了冶金反应；(2)硫化物或燃料都在熔池内燃烧，放出的热量直接给予熔体，熔体与分散的固体颗粒之间的传热系数大，加速了炉料熔化和反应过程，提高了热的利用率。

与闪速熔炼相比，熔池熔炼的优点是：

(1)熔炼强度大，例如，瓦纽科夫熔炼法采用含氧60%～70%的富氧鼓风，熔炼床能力达到60～65t/(m2 ·d)，为一般闪速熔炼的6．6～6．8倍；

(2)炉料准备简单，不象闪速熔炼那样要求粉状和几乎不含水的干燥炉料；侧吹和底吹熔池熔炼对原料的水分和块度一般没有严格要求，因而不需要庞大的备料干燥系统；

(3)烟尘率低；

(4)可利用隔墙将熔池分区，以便根据工艺需要控制不同的氧势位。

缺点是：

(1)熔池熔炼对喷嘴或喷枪和冶金炉等设备的要求严格，且容易损坏，要经常更换和维修；

(2)侧吹和底吹熔池熔炼一般要求转动灵活的炉体结构，顶吹熔池熔炼要求设置独特的顶插喷枪。

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