冰铜水淬系统的生产实践

熊银宝， 李成学， 吴云坤， 杨 光， 杨奎林

(云南锡业股份有限公司铜业分公司， 云南 个旧 661000)

冰铜水淬系统的生产实践

熊银宝， 李成学， 吴云坤， 杨 光， 杨奎林

(云南锡业股份有限公司铜业分公司， 云南 个旧 661000)

介绍了云锡铜业分公司冰铜水淬系统的生产实践，对该工艺在实际生产中出现的问题进行分析总结，从而制定出相应的技术解决措施。

水淬粒化； 冰铜； 粒度； 爆炸； 温度

1 工艺概况

云锡铜业分公司沉降电炉冰铜的处理采用的是卢森堡保尔沃特(PAULWURTH)公司的水淬粒化脱水法，该工艺是用带压的冷水对高温熔融冰铜进行水淬粒化，水淬后的冰铜经脱水系统脱水后由皮带运输至料仓。处理后的冰铜呈颗粒砂石状，含水5%～8%，粒度3～5 mm。

冰铜水淬粒化的工艺过程为：高温熔融冰铜由沉降电炉放铜口排出后经出铜溜槽导入粒化塔内，粒化喷头喷出的带压水流对其进行快速淬冷和粒化，从而得到颗粒状冰铜。粒化产生的渣(颗粒状冰铜)水混合物，从粒化塔经连接件流进能够自动调整转速的脱水转鼓内进行渣水分离。脱水后的颗粒状冰铜通过转鼓内的可移动式皮带运输至转鼓外，再经皮带运输至脱水仓进行二次脱水，当水分<8%(一般脱水2～3 h)后由皮带运输至料仓；水和细目冰铜则透过转鼓滤网进入底部热水池，沉淀后经底流再循环泵泵入粒化塔，随水流进入转鼓再次分离，水和小部分细目冰铜则通过热水槽溢流进入热水池，经热水泵提升至沉淀池进行澄清分离。细目冰铜沉淀到沉淀池底部，循环水经自吸泵提升到冷却塔进行冷却，再由粒化泵送至粒化塔继续水淬，循环使用。在粒化过程中粒化塔内产生的烟气则进入环保脱硫系统脱硫后排放。

2 实际生产中存在的问题及处理方法

2.1 水淬过程中产生爆炸

水淬过程中，熔融冰铜遇水爆炸现象严重，不利于安全生产。由于粒化水量不足，容易造成粒化塔爆炸堵塞，严重影响正常生产。

2.1.1 爆炸原因

熔融冰铜在水淬过程中会出现爆炸现象(习惯称为冰铜放炮)，这是因为水与高温熔融冰铜接触，在急速汽化膨胀的同时还发生如下化学反应：

ΔG=354 343-315 106T

(1)

ΔG=912 111 2-123 16T

(2)

ΔG=247 777-454 11T

(3)

由于粒化塔内部与大气相通，且在粒化塔顶部设有排烟管道，粒化塔内的空气流动很快，有充足的氧气，反应产生的H2和H2S与空气中的氧气反应也会引起爆炸：

ΔG=112 516 113+389 15T

(4)

ΔG=-503 921+117 136T

(5)

以上为放热增容反应，在高温状态下反应速度极快，由于反应剧烈，释放热能的速度极快，体系不能在有效的时间内将热量散发出去，造成局部升温剧烈；汽化膨胀和反应中瞬间产生的高压气体来不及扩散，在压缩过程中会产生巨大的压力，当这种压力使气体以极快的速度扩散时，就会产生爆炸现象。

2.1.2 影响爆炸强度的因素

在生产过程中，允许少量轻微的爆炸现象存在，而较大的爆炸不利于连续安全生产，所以要对影响爆炸强度的因素进行控制。

熔融冰铜温度。由(1)～ (3)反应式中的ΔG可以看出，冰铜温度对反应的方向和速率影响极大，随着温度的升高，ΔG减小，从热力学角度看，温度升高有利于反应的进行，从动力学角度看，温度升高会加快反应，缩短反应时间。冰铜温度越高，反应越剧烈，反应产物越多，产生的可燃气体就越多，反应(4)、(5)的反应机率越高，爆炸的频率越高、威力越大。

相对水量。粒化水流量/冰铜流量即相对水量。当冰铜温度一定时，相对水量越大，带走的热量越快速，不利于反应(1)～ (3)的进行，减少了H2和H2S气体的产生，从而减少反应(4)、(5)的反应机率，使爆炸频率减少，威力减弱。由于粒化喷头孔板面积不变，当相对水量较小时，水流压力较低，无法冲散淬化熔融冰铜，冰铜大量成块状集结在粒化塔内，造成粒化塔堵塞。

冰铜品位。冰铜是在熔炼过程中产生的以重金属硫化物为主的共熔体，是熔炼过程中的主要产物之一，以Cu2S—FeS系为主并溶解少量其它金属硫化物。冰铜品位越高，冰铜中Cu2S的含量越高，相对应FeS的含量降低，反应(2)、(3)的反应机率降低，从而降低反应(4)、(5)的反应机率，所以过高的冰铜品位会增加爆炸的频率和分贝。

水淬水压。熔融冰铜从溜槽末端流入粒化塔，在落入粒化塔水中前，受到安装在溜槽末端底部粒化头喷射出的带压水流的冲击，分散为小液滴，同时快速冷却为固态颗粒。水压越高，分散的效果越好，相应的冰铜粒度越小，反之粒度就会越大。当水淬水压较低时，较大粒度的冰铜落入水中后会带入大量的热量，使周围的水迅速汽化，汽化膨胀同样会引起爆炸，而且只要冰铜还在高温状态下，同样会发生化学反应引起爆炸。

溜槽末端几何形状和末端结瘤挂胡。溜槽末端使用的耐火材料为石墨碳砖，长期使用后会氧化缺损变形，而冰铜流的分布状况受溜槽末端的几何形状支配。溜槽末端横截面底部呈弧形(如图1)会造成冰铜流分布不均，中间冰铜流量大，两侧流量较小。粒化喷头喷射出的水为均压分布，造成两侧的冰铜流相对水量较大，水压较高，产生较多的细目颗粒冰铜，过多的细目冰铜不利于生产；而中间的冰铜流量大，至使相对水量、水压较小，不能有效分散和急速冷却熔融冰铜，造成爆炸机率增加，威力增大。

图1 溜槽末端被冲刷腐蚀后的截面图

冰铜在溜槽内处于降温状态，难免形成粘结，尤其在溜槽末端初露出粘结悬挂(习惯称为挂胡)，挂胡会在冰铜流和粒化水之间形成隔墙，阻碍水淬的进行。大量熔融冰铜未经粒化涌入水中，会引起汽化膨胀爆炸，产生的大块状冰铜堵塞粒化塔，破碎清理后才可继续生产，影响生产的连续性，增加生产成本，造成经济损失。

2.1.3 控制水淬爆炸强度的措施

(1)控制合理的冰铜温度。铜业分公司冰铜水淬生产实践中，设备完好、水压水量合适时，当冰铜温度低于1 200 ℃，水淬现场只有间断、微弱的爆炸声；当冰铜温度高于1 240 ℃，水淬现场爆炸声连续；当冰铜温度高于1 260 ℃，爆炸非常剧烈，粒化塔有明显的爆炸震动感。冰铜温度不仅影响水淬爆炸的程度，同时对冰铜的粘度，水淬粒化的粒度，炉子耐火材料使用周期等都有一定的影响。综合考虑，控制冰铜的温度一般在1 180～1 220 ℃之间最为合适。

(2)选择合适的相对水量。熔融冰铜小液滴固化的速度取决冰铜由熔融状态温度下降到熔点的时间。冰铜在水淬过程中，水为主要的换热介质。相对水量越大，换热过程时间就越短，固化的速度越快，小液滴相互之间及小液滴与固态颗粒间再结合的机会大大降低，保证粒化效果；同时快速冷却固化也阻止了化学反应的进行，水汽化膨胀引起爆炸机率也会同样减小。为了快速带走高温冰铜带入的大量热，减少颗粒冰铜周围汽化膨胀而发生的化学反应爆炸，需要大量的水。当相对水量不能满足以上所需时，就会出现严重的爆炸现象。在实际生产中，在粒化水量不足条件下进行开口排放粒化作业，会造成粒化塔发生严重爆炸和堵塞，损毁设备，影响生产。当相对水量过大时，会产生较多的细目冰铜，细目冰铜无法全部由转鼓进行分离，随着水流进入沉淀池，加大物料回收的难度和成本。对各种因素综合考虑，生产粒化水的相对水量一般控制在14～15∶1，实际生产中根据冰铜的流量，粒化水的量控制在1 200～1 350 m3/h即可满足生产需求。

(3)选择合理的冰铜品位。在实际生产过程中综合入炉物料品位，根据顶吹熔炼炉及沉降电炉水淬系统生产工艺要求，一般冰铜品位控制在50%～60%之间较为合适。

(4)选择合适的生产水压。粒化水压直接影响熔融冰铜的分散效果，水压越高，分散效果越好，颗粒越小，产生的细目冰铜量就越多，但压力过小的水流不能有效地将冰铜流分散，增加爆炸的机率。考虑到安全连续生产和冰铜粒度的工艺要求，生产中水淬水压控制在0.8～1.0 MPa较为合适。

(5)改进溜槽末端的几何形状，及时处理挂胡。为保证冰铜流均匀分布，一般采用横截面底部为水平形的溜槽(如图2)，为使溜槽末端长期使用不变形，以后应考虑更换耐冲刷能力更强的水冷合金溜槽，以保证粒化效果。

图2 平整完好的溜槽末端截面图

溜槽末端挂胡严重时，可以：①适当提高冰铜温度，并通过盖板保温等方式，使冰铜流经溜槽后温度不要降低太多；②及时清理溜槽末端挂胡，防止其增大后影响水淬和落入堵塞粒化塔。

2.2 产生的细目冰铜颗粒较多

冰铜水淬系统连续使用已四年多时间，虽然生产过程中不断摸索与总结，但熔融冰铜水淬粒化后的粒度一直达不到工艺设计要求，产生的细目冰铜颗粒较多，对生产造成影响。

2.2.1 细目冰铜引发的问题

(1)细目冰铜堵塞转鼓过滤筛网。堵塞后转鼓脱水效果变差，大量水流带着颗粒冰铜从转鼓两侧溢流，直接进入底部热水池，增加再循环泵的工作负荷。筛网被细目冰铜颗粒堵塞后，皮带上水量增加，延长了脱水仓二次脱水的时间。

(2)造成再循环水泵管道堵塞。大量的细目冰铜不能被转鼓收集，透过筛网进入热水池参与水系统的循环，增加再循环泵的负荷，负荷过大时，再循环泵自动保护停机，致使管道堵塞。

(3)过多的颗粒状冰铜进入水循环系统，加大对水泵和管道的磨损，缩短了设备的使用周期，增加了生产成本。

(4)大量的淤泥状极细冰铜沉积于沉淀池，影响水系统的正常循环，细目冰铜的回收也比较费时费力。

2.2.2 消除细目冰铜影响的措施

消除细目冰铜对生产的影响，最根本的解决办法就是从源头上减少细目冰铜的产生。而加大再循环泵的功率，更换耐磨的不锈钢管道，加装细目冰铜收集的板框压滤设备等，只是单方面强化和完善系统性能。今后的生产中，应该进一步加强试验与研究，从粒化喷头的结构、溜槽末端流入角度、冰铜与水接触所发生的物理化学反应等入手，增大粒化后冰铜的粒度，减少细目冰铜产生。

2.3 水淬水质变酸

2.3.1 水质变酸的原因

熔融冰铜与水会发生反应(1)～ (5)，其中反应(1)、(4)的产物中有SO2，反应(2) 、(3)的产物中有H2S； SO2与水反应生成亚硫酸(反应(6))，亚硫酸水溶液在冷却塔冷却时会和空气中的O2接触发生反应生成硫酸(反应(7))，H2S遇空气后燃烧产物的水溶液为氢硫酸(反应(8))，这两种物质的生成都会使水淬水质变酸性。随着水淬的不断进行，水淬水的pH值逐渐减小，酸性增强，腐蚀生产设备。在初期的试车生产过程中，就出现过因水淬水质变酸而严重腐蚀水泵叶轮和管道的情况。

(6)

(7)

(8)

2.3.2 消除水质变酸的措施

在生产中采取往沉淀池中加入石灰水的办法中和变酸的水质，该方法可以有效控制水淬的水质，减小变酸水质对设备的腐蚀。但石灰水在中和酸性粒化水时会产生沉淀物质和结晶物，这种沉淀和结晶物在水中的溶解度会随着粒化水温度的升高而增加，粒化水在水系统的不同区域温度不同，粒化水温度低时会有沉淀物析出集结在管道和筛网上，造成管道内径变小，水流量减小，筛网堵塞，影响转鼓的脱水分离效果。

3 结语

冰铜水淬粒化是铜冶炼过程中不可缺少的生产环节，粒化脱水法处理高温炉渣已经是成熟工艺，国内有多家炼钢企业引进采用，目前也有公司用作炼铅炉渣的水淬处理，但应用在冰铜粒化处理上还处于实践阶段。细目冰铜产生的控制和收集，粒化水中结晶物对设备的影响等问题还有待进一步的试验和研究。在以后的生产实践中还可能遇到一些新的问题，还会有新的技术难题需要研究探讨。

[1] 邱竹贤.有色金属冶金学[M].北京：冶金工业出版社，1988.

[2] 傅崇说.有色冶金原理[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[3] 彭容秋.铜冶金[M].长沙：中南大学出版社，2004.12.

废电池收集处置政策有变化

环境保护部发布《关于征求<废电池污染防治技术政策>(征求意见稿)意见的函》，废电池收集、处置政策有新的变化：

变化一，范围扩增，废电池范围增加了太阳能电池和燃料电池等。

变化二， 废一次性电池收集要求更明确。

1、鼓励废电池的分类存放，避免和生活垃圾混合；收集过程中禁止将废镉镍、氢镍、铅蓄、锂离子和含汞电池混入生活垃圾中。

2、尚不具备废电池处理能力的地区，对已收集的一次性废电池，由地方主管部门(市、县级以上)在垃圾处理区划分单独区域，做好安全处理和防渗，进行独立贮存或填埋，达到一定数量后再转移到具备废电池处理能力的地区妥善进行资源再生。

3、增加铅蓄电池的生产者责任延伸制。

铅蓄电池生产企业不得采购不符合环保要求的再生铅企业生产的产品作为原料。鼓励铅蓄电池生产企业利用销售渠道建立废旧铅蓄电池回收机制，并与符合有关产业政策要求的再生铅企业共同建立废旧电池回收处理系统。

全球首个无钕稀土宽温区镍氢动力电池项目在成都动工

全球首个无钕稀土宽温区镍氢动力电池项目在成都市节能环保产业基地——四川金堂工业园正式动工开建。该项目由四川宝生新能源动力电池制造有限公司倾力打造。项目分三期建设，总投资50亿元，总占地2 000亩，预计投产后将实现总产值200亿元。其中首期投资3.5亿元，占地200亩，将于2016年三季度投产，建成后产能将达到2.4亿Wh，实现产值8亿元。到2018年三期全部完工，建成后将改变世界新能源电池格局。

Practice of copper matte granulation system

XIONG Yin-bao，Li Cheng-xue，WU Yun-kun，YANG Guang，YANG Kui-lin

This paper introduces the production practice of matte granulation system in the copper branch of Yunnan Tin Ltd. and summarizes the problems encountered in commercial production so as to provide effective and corresponding technical measures.

granulation； matte; particle size； explosion； temperature

熊银宝(1986—)，男，云南罗平人，冶炼技术员，主要从事有色冶炼技术工作。

2015-12-25

TF811

B

1672-6103(2016)02-0017-04