專利名稱：銅陽(yáng)極精煉系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用工藝氣體(process gas)(例如氧化和還原工藝氣體)對(duì)含銅材料的火法冶金處理，以便將此類(lèi)材料轉(zhuǎn)化成更高價(jià)值的含銅材料。更具體地，本發(fā)明涉及熔化的粗銅的陽(yáng)極精煉，以便通過(guò)用氧化和還原工藝氣體的集束氣流對(duì)熔化的粗銅進(jìn)行選擇性處理而除去硫、氧和其它雜質(zhì)。
背景技術(shù)：
銅的制造通常涉及多步驟工序，包括濃縮、熔煉、吹煉、精煉、陽(yáng)極鑄造和電解精煉工序。典型地，從包含一種或更多種銅硫化物的礦石或銅-鐵-硫化物礦(例如輝銅礦、黃銅礦和斑銅礦)開(kāi)始，把該礦石轉(zhuǎn)化成通常含有25至35重量百分率(重量％)的銅的濃縮物。然后，首先用熱和氧氣把該濃縮物轉(zhuǎn)化成冰銅、再轉(zhuǎn)化成粗銅。經(jīng)常把額外的固體廢銅加到粗銅中。粗銅的進(jìn)一步精煉減少粗銅中氧和硫雜質(zhì)，典型地分別從高達(dá)O. 80%和I. 0%減小 到低至O. 05%和O. 002%，所述精煉通常是在約10900C (2000 0F )至1300°C (2400 T)的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行并且包括氧化過(guò)程以便將硫氧化成二氧化硫(所述二氧化硫從浴中析出)以及還原過(guò)程以除去在氧化步驟后存在的溶解氧。粗銅精煉成陽(yáng)極銅可作為分批過(guò)程或半連續(xù)過(guò)程來(lái)進(jìn)行。在任一種情況下，典型地利用高速浸入式吹風(fēng)管嘴將氧化劑氣流和還原劑氣流注入銅熔體中。然而，常規(guī)銅陽(yáng)極火法精煉法以及經(jīng)由浸入式吹風(fēng)管嘴注入氧化劑和還原劑氣流與許多操作上的困難和高成本相關(guān)聯(lián)。此類(lèi)困難包括吹風(fēng)管嘴維護(hù)和可靠性問(wèn)題；由于氧化劑氣體和還原氣體的腐蝕作用所導(dǎo)致的爐耐火材料的高度磨損；過(guò)量的NOx形成和精煉工藝的變化。需要一種改進(jìn)的銅陽(yáng)極精煉方法，該方法消除了對(duì)浸入式吹風(fēng)管嘴的需要并且實(shí)現(xiàn)高精煉效率和生產(chǎn)量，同時(shí)降低操作成本并降低與銅陽(yáng)極精煉法相關(guān)的NOx的水平。本發(fā)明公開(kāi)的利用集束氣流的銅精煉系統(tǒng)和方法包括多個(gè)特征和方面，從生產(chǎn)率和環(huán)境的觀點(diǎn)來(lái)看，這些特征和方面單獨(dú)地和共同地提高了銅精煉法。在下面的各部分中將更詳細(xì)地介紹本發(fā)明的這些方面和特征。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于陽(yáng)極銅精煉的方法，該方法包括以下步驟(i)向爐中提供熔化的粗銅；(ii)把廢銅加入爐中的熔化粗銅中使用由頂吹的多功能集束射流噴管產(chǎn)生的熔化火焰來(lái)熔化所述廢銅或者加熱熔化的粗銅；(iv)使用從集束射流噴管?chē)姵龅捻敶?、集束含氧氣流在爐中氧化熔化的粗銅中的硫雜質(zhì)，所述集束射流噴管與含氧氣體來(lái)源和燃料源連接；以及(V)使用從集束射流噴管中噴出的含有還原劑和惰性氣體的頂吹、集束還原氣流在爐中還原熔化的粗銅中的氧。在另一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于用于銅陽(yáng)極精煉的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有耐火壁的銅火法冶金爐，該爐適合于容納具有上表面的熔化的銅浴并且所述爐限定在銅浴的上表面上方的頂部空間；至少一個(gè)與含氧氣體、惰性氣體、還原劑和燃料的來(lái)源相連的多功能集束射流噴管，所述集束射流噴管安裝在所述爐耐火壁中銅浴的上表面以上的位置處；以及控制器，該控制器操作性地控制到至少一個(gè)集束射流噴管的含氧氣體、惰性氣體、還原劑和燃料的流量。該多功能集束射流噴管適合于提供熔化火焰以加熱熔化的銅或者熔化提供給爐的任何廢銅裝料；集束含氧氣流以氧化銅浴中的硫；以及含有還原劑和惰性氣體的集束還原氣流以還原銅浴中的氧。在另一個(gè)方面，本發(fā)明的特征在于用于在陽(yáng)極爐中銅的連續(xù)精煉的方法的改進(jìn)。該改進(jìn)包括以下步驟(i)向陽(yáng)極爐提供熔化的粗銅并且任選地將廢銅加到陽(yáng)極爐中的熔化的粗銅中；(ii)使用從安裝在陽(yáng)極爐的耐火壁中在熔化的粗銅的上表面以上的位置處的集束射流噴管中噴出的頂吹的集束含氧氣流在陽(yáng)極爐中氧化熔化的粗銅中的硫雜質(zhì)；和
(iii)使用從集束射流噴管中噴出的含有還原劑和惰性氣體的頂吹的集束還原氣流在陽(yáng)極爐中還原熔化的粗銅中的氧。
附圖
簡(jiǎn)述
從結(jié)合以下附圖所呈現(xiàn)的以下更詳細(xì)的說(shuō)明中，本發(fā)明的以上及其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將更明顯，其中
圖I是在Kennecott Utah Copper設(shè)備中所使用的銅陽(yáng)極精煉法的一部分的示意圖，包括陽(yáng)極爐。圖2A是設(shè)置在水冷卻的外殼內(nèi)的現(xiàn)有技術(shù)的集束射流噴管組件的等尺寸視圖，而圖2B和圖2C是根據(jù)本發(fā)明的更簡(jiǎn)單、更小且更輕重量的集束射流噴管組件的圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的集束射流噴管組件的橫截面?zhèn)纫晥D。圖4是圖3的集束射流噴管組件的橫截面縱向視圖。圖5是集束射流噴管組件的一個(gè)替代實(shí)施方式的橫截面?zhèn)纫晥D。圖6是圖5的集束射流噴管組件的替代實(shí)施方式的橫截面縱向視圖。詳述
如本文中使用的，術(shù)語(yǔ)“集束氣流”或者“集束射流”表示在徑向上射流直徑增加很小或者無(wú)增加并且在至少20個(gè)噴嘴直徑的距離上保持其軸向速度(當(dāng)從噴嘴的表面測(cè)量時(shí))的氣流。通過(guò)如下方式形成此類(lèi)射流經(jīng)過(guò)會(huì)聚/發(fā)散噴嘴噴出氣體射流并且用延伸達(dá)射流長(zhǎng)度的至少一部分、優(yōu)選地射流的整個(gè)長(zhǎng)度的火焰的包圍物包圍該氣體射流。類(lèi)似地，術(shù)語(yǔ)“火焰包圍物”表示由燃料和氧化劑的燃燒而形成的沿一個(gè)或更多個(gè)氣流延伸的燃燒流。在廣義上，本發(fā)明公開(kāi)的精煉系統(tǒng)和方法總體上涉及集束射流技術(shù)在非鐵金屬的火法冶金精煉中的應(yīng)用。雖然本發(fā)明在其優(yōu)選的實(shí)施方式中具體涉及熔化的銅的陽(yáng)極精煉，但是本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的某些方面和特征同樣可應(yīng)用于其它非鐵金屬(例如鎳、鉛、鋅和錫)的精煉。應(yīng)理解，在利用本文中公開(kāi)的技術(shù)精煉的非鐵金屬的熔體中可存在各種量的鐵金屬。然而，本公開(kāi)的系統(tǒng)和方法特別用于銅的陽(yáng)極精煉和特別地以下類(lèi)型的銅的陽(yáng)極精煉工序其中將銅裝料加熱并且/或者熔化，然后使其相繼地與來(lái)自相同噴管組件的氧化和還原工藝氣體接觸以減小其中硫和氧雜質(zhì)的量。集束射流技術(shù)包括將集束氣體射流形式的氣體以超音速噴射入熔化的金屬浴中以達(dá)到與常規(guī)氣體噴射技術(shù)相比更優(yōu)的工藝益處。特別設(shè)計(jì)的氣體噴嘴使氣流射流保持集束。集束表示保持射流的直徑和速度。當(dāng)與常規(guī)的超聲氣體射流噴射相比較，集束射流以更高的動(dòng)量、更好的沖擊、更小的發(fā)散或衰減、更少的周?chē)鸂t氣體的夾帶、和減少的空穴形成或噴濺將精確量的氣流輸送到熔化的金屬浴中。使用集束射流裝置輸送的氣體撞擊在熔化的銅浴上使其離開(kāi)爐壁，這與通過(guò)爐壁噴射氣體的浸入式吹風(fēng)管嘴氣體噴射相比可以延長(zhǎng)爐襯里壽命。本發(fā)明公開(kāi)的銅精煉系統(tǒng)和方法通過(guò)使用一個(gè)或更多個(gè)用于輸送含氧氣體、惰性氣體或氮?dú)狻⑦€原劑以及烴燃料(例如天然氣)至陽(yáng)極爐和/或至設(shè)置于其中的粗銅熔體的多功能頂吹集束射流裝置，完全實(shí)現(xiàn)無(wú)吹風(fēng)管嘴的銅陽(yáng)極精煉法。通過(guò)消除對(duì)浸入式吹風(fēng)管嘴的需要，消除了與吹風(fēng)管嘴相關(guān)的維護(hù)和可靠性問(wèn)題以及成本并且顯著延長(zhǎng)爐膛前床的使用壽命。此外，通過(guò)使用集束射流裝置來(lái)提供熔化火焰，使?fàn)t適合于將熔體維持在所需溫度并且甚至實(shí)施額外的廢銅熔化，這可以消除與單獨(dú)的廢銅熔化爐相關(guān)的需要和成本。本發(fā)明的銅精煉法(包括Kennecott Utah Copper的連續(xù)銅精煉法)的全面理解公開(kāi)于例如美國(guó)專利第6，210，463號(hào)及Re 36，598中。輸送至陽(yáng)極爐的氣體優(yōu)選地包括氧氣、天然氣、氮?dú)夂退鼈兊幕旌衔铮凑疹A(yù)先編程的設(shè)定點(diǎn)輸送這些氣體。更具體地，集束射流控制系統(tǒng)由氣體流量控制系統(tǒng)(也稱為氣剎(gas skid)或配氣機(jī)構(gòu)(valve train))和優(yōu)選地一個(gè)或兩個(gè)集束射流噴管組件構(gòu)成。一 般地，可以把任何所需的流量組合預(yù)先編程輸入氣體流量控制系統(tǒng)。可要求通過(guò)每個(gè)端口的最小氣體流量或“吹掃流量”以防止噴嘴阻塞并且是如此的最小氣體流量，即，無(wú)論何時(shí)在熱爐中操作集束射流噴管，都通過(guò)控制器來(lái)設(shè)定和維持。待精煉的銅典型地包含任何合適的粗銅材料，該粗銅材料含有可反應(yīng)量的硫和氧雜質(zhì)并且可以經(jīng)受本文中考慮的脫硫和脫氧反應(yīng)。正如銅精煉領(lǐng)域中很好理解的，銅典型地以溶解氣體形式以及與銅原子化學(xué)結(jié)合的形式(例如銅硫化物和銅氧化物的形式)含有硫和氧。典型地，來(lái)自連續(xù)吹煉的粗銅在氧化步驟之前含有在約800至6000 ppm硫范圍內(nèi)的或更多的硫雜質(zhì)和約2000 ppm氧或更多的氧雜質(zhì)。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員眾所周知的，粗銅是在銅精煉的熔煉和吹煉步驟之后獲得的產(chǎn)物。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法考慮把此類(lèi)粗銅直接轉(zhuǎn)化成陽(yáng)極銅。產(chǎn)生的陽(yáng)極銅典型地含有小于約50 ppm硫和小于約2000 ppm氧。典型地，陽(yáng)極爐包括旋轉(zhuǎn)式圓筒形爐，例如具有耐火襯里的陽(yáng)極爐，該爐任選地配備至少一個(gè)安裝在轉(zhuǎn)爐的端壁上用于向爐提供熱的常規(guī)類(lèi)型的空氣-燃料或氧氣-燃料燃燒器并且已加以修改以含有至少一個(gè)頂吹的多功能集束射流噴管組件。銅的熔體被容納在爐的底部。爐膛前床限定在熔體表面以上的頂部空間。集束射流噴管組件優(yōu)選地安裝在爐的耐火壁中在銅熔體的表面以上的位置處并且使用熔化火焰或集束氣流來(lái)提供熔體的頂吹。在公開(kāi)的實(shí)施方式中，集束射流噴管安裝在爐的頂部?jī)?yōu)選地與銅熔體表面成規(guī)定的角度，以使耐火壁的噴濺最小化。任選地，該爐可以采取底部攪拌設(shè)計(jì)，該底部攪拌設(shè)計(jì)包含至少一個(gè)設(shè)置在爐底部用于攪拌氣體(例如氮?dú)?、氬氣、二氧化碳、氧氣或它們的組合)的注入的多孔塞。此外，該爐也可配備至少一個(gè)備用物(back-up)或第二吹風(fēng)管嘴用于當(dāng)集束射流噴管組件不起作用時(shí)把氧化氣體和/或還原氣體注入熔體，盡管在優(yōu)選的實(shí)施方式中，由于前面已列舉的與吹風(fēng)管嘴相關(guān)的缺點(diǎn)而不贊成使用吹風(fēng)管嘴?，F(xiàn)在參考附圖，圖I是Kennecott Utah Copper設(shè)備中的陽(yáng)極爐的示意圖，該圖顯示了本發(fā)明銅精煉系統(tǒng)和方法的一個(gè)實(shí)施方式。顯示第一陽(yáng)極爐22具有單個(gè)集束射流噴管端口 25，顯示第二陽(yáng)極爐24具有兩個(gè)集束射流噴管端口 25。盡管未顯示，但集束射流噴管組件的安裝位置優(yōu)選地靠近現(xiàn)有的平臺(tái)或走道，使得無(wú)需更多作業(yè)來(lái)接近集束射流噴管組件。所示的爐包括吹風(fēng)管嘴26，其用于在傳統(tǒng)的氧化和還原實(shí)踐期間噴射氣體。在除去熔渣34之后，經(jīng)由進(jìn)料端口 28將來(lái)自瞬時(shí)轉(zhuǎn)爐30的粗銅32加入到銅陽(yáng)極爐中并且通過(guò)爐口 29加入額外的廢銅，其中，銅經(jīng)歷火法精煉工藝的許多步驟，包括裝料熔化、氧化、撇渣和還原步驟。在各陽(yáng)極爐內(nèi)的火法精煉過(guò)程完成之后，可以除去較小的輕型集束射流噴管組件(如以下更詳細(xì)地描述的)，并且使?fàn)t旋轉(zhuǎn)以便經(jīng)由爐放液口(未圖示)把熔化的銅40從陽(yáng)極爐中抽出并前進(jìn)至鑄造步驟。更小、更輕重量的集束射流噴管組件設(shè)置在圖I中所示的集束射流噴管端口 25內(nèi)。如以下更詳細(xì)地討論的，集束射流噴管組件用于在加入熔化裝料中的任何廢銅的熔化期間提供熔化火焰、以及在氧化和還原工藝步驟期間提供集束氣流由此縮短氧化和還原周期時(shí)間并且提高陽(yáng)極爐的生產(chǎn)率同時(shí)使不需要的NOx排放最小化。比較地，當(dāng)不使用集束射流噴管組件和技術(shù)時(shí)，陽(yáng)極精煉法可采用設(shè)置在各銅陽(yáng)極爐22、24的遠(yuǎn)離進(jìn)料端口 28的一端20的常規(guī)JL氧氣-燃料燃燒器，以便在適當(dāng)?shù)娜刍蚣訜岵襟E期間為爐提供所需能量。而且，當(dāng)不使用集束射流噴管組件時(shí)，使用浸入式吹風(fēng) 管嘴26以便將適當(dāng)?shù)臍怏w引入銅熔體，在陽(yáng)極爐內(nèi)對(duì)銅應(yīng)用氧化和還原工藝步驟。圖2A顯示了設(shè)置在水冷卻的外殼內(nèi)的現(xiàn)有技術(shù)集束射流噴管組件的等尺寸視圖?，F(xiàn)有技術(shù)的集束射流噴管組件具有最大跨度或直徑約為16英寸的大的覆蓋區(qū)(footprint)。現(xiàn)有技術(shù)的集束射流噴射器優(yōu)選地設(shè)置在水冷卻的外殼內(nèi)。帶水冷卻的外殼的整個(gè)集束射流系統(tǒng)典型地重接近400磅。相反，本發(fā)明的銅陽(yáng)極精煉系統(tǒng)和方法中使用的更小且更輕重量的集束射流噴管組件50顯示在圖2B和圖2C中。更小且更輕重量的集束射流噴管組件50、150也設(shè)置在水冷卻的外殼內(nèi)，但是具有長(zhǎng)度為約37至48英寸但最大直徑僅為約7英寸的覆蓋區(qū)。更細(xì)長(zhǎng)的集束射流噴射器具有僅約3. 5英寸的直徑并且整個(gè)集束射流系統(tǒng)的重量約為圖2A中所示的現(xiàn)有技術(shù)裝置的一半。此更小且更細(xì)長(zhǎng)的集束射流噴管組件50、150允許在爐膛前床上部?jī)?nèi)的進(jìn)入端口更小以更容易且更安全地插入和除去噴管組件以及堵塞該端口。更輕重量的本發(fā)明的集束射流噴管組件連同上述安裝位置提供集束射流噴管組件在陽(yáng)極爐內(nèi)的顯著更容易的除去和安裝。更小直徑的端口通常更易于打開(kāi)且更易于填塞，這使與爐相關(guān)的安全風(fēng)險(xiǎn)最小化。任何時(shí)候考慮在爐中使用集束射流噴管組件時(shí)，都需要考慮爐結(jié)構(gòu)的完整性，特別是爐內(nèi)表面上的耐火特征物的完整性。通過(guò)使用更小的集束射流噴管和組件以及更小的噴管端口，與現(xiàn)有技術(shù)的噴管組件相比，使與集束射流技術(shù)相關(guān)的結(jié)構(gòu)和耐火問(wèn)題最小化。集束射流噴管組件與燃料、含氧氣體、還原氣體和任選地惰性氣體的來(lái)源經(jīng)由氣體控制剎或系統(tǒng)(未顯示)連接。氣體控制剎或系統(tǒng)操作性地控制進(jìn)入集束射流噴管組件的氣體流量以便為了實(shí)施不同的精煉步驟(包括廢銅熔化以及銅熔體的氧化和還原)的目的而選擇性地產(chǎn)生被噴射入爐中的不同氣流。集束射流噴管適合于產(chǎn)生高速度、結(jié)構(gòu)化的集束氣流，其中從會(huì)聚-發(fā)散的噴嘴中噴出至少一種主要?dú)饬鞑⑶以撝饕獨(dú)饬鞅换鹧姘鼑锼鼑?，該火焰包圍物從噴管組件或噴管面的遠(yuǎn)端延伸達(dá)主要?dú)饬鞯拈L(zhǎng)度的至少一部分，優(yōu)選地延伸達(dá)主要?dú)饬鞯幕旧险麄€(gè)長(zhǎng)度，即從噴管面延伸至銅熔體表面?；鹧姘鼑镉糜诜乐怪?chē)?爐)氣體被夾帶入主要?dú)饬髦?，并由此抑制主要?dú)饬鞯乃俣人p，并且允許主要?dú)饬髟诩s20個(gè)噴嘴直徑或更大的距離處撞擊銅熔體的表面同時(shí)基本上保持射流軸向速度。氣流軸向速度的保持使氣流能夠基本上保持其所有動(dòng)量，橫截面積基本上等于通過(guò)此距離的噴嘴出口區(qū)的橫截面積，以改善主要?dú)饬髋c銅熔體之間的接觸并因此改善集束氣流與存在于銅熔體中的硫和氧雜質(zhì)之間的反應(yīng)，由此縮短周期時(shí)間并提高銅精煉過(guò)程的效率。集束射流噴管組件與爐中使用的不采用火焰包圍物的常規(guī)的非集束頂吹氣體噴射裝置有很大的差異。伴隨此類(lèi)常規(guī)的頂吹氣體噴射裝置，當(dāng)非火焰包圍的氣流通過(guò)爐氣氛時(shí)，爐氣體被夾帶入氣流中，導(dǎo)致其以特征性的圓錐形模式在徑向快速膨脹，伴隨軸向速度和動(dòng)量快速損失。實(shí)際上，對(duì)于常規(guī)的頂吹噴管或裝置，此軸向速度的損失是如此之大以致超聲氣流將在離噴管面的短距離內(nèi)失去其超聲特點(diǎn)。另一方面，對(duì)于集束射流技術(shù)，集束氣流將在大于20個(gè)噴嘴直徑(通常30至150個(gè)噴嘴直徑)的距離上基本上保持其軸向速度。此類(lèi)更 大的長(zhǎng)度使集束射流噴管組件能夠安裝在離銅熔體更遠(yuǎn)的位置(例如嵌入爐耐火壁)，而不損失工藝效率。而且，集束氣流的顯著更高的速度能夠使氣體(比用常規(guī)頂吹非火焰包圍的(即非集束的)氣流所獲得的)更深地滲透入銅熔體中。實(shí)際上，在許多情況下，認(rèn)為該集束氣流在浮力造成注入的氣體回上來(lái)之前深深地滲透入銅熔體中，熔體內(nèi)的氣體行為模擬表面下注入的氣體的行為，由此消除對(duì)浸入式吹風(fēng)管嘴的需要?，F(xiàn)在參考圖3和圖4，圖中顯示包括噴管面52的優(yōu)選的集束射流噴管?chē)娚淦鳎瑖姽苊?2具有被燃料端口 56和氧化劑端口 58的同心環(huán)所包圍的中心設(shè)置的主噴嘴54。盡管圖3和圖4中未顯示，但是集束射流噴管?chē)娚淦靼谒鋮s的夾套外殼中，從水夾套到水管結(jié)合配件使用柔軟的軟管對(duì)夾套外殼進(jìn)行水冷卻。冷卻水夾套通常接收大流量的冷卻水，一部分冷卻水從冷卻水夾套頭被轉(zhuǎn)向到集束射流噴管組件。在該優(yōu)選實(shí)施方式中，燃料優(yōu)選地是經(jīng)由通道65連接到燃料端口 56的天然氣64。同樣地，氧化劑是含氧氣體，例如經(jīng)由通道63連接到氧化劑端口 58的工業(yè)純氧62。優(yōu)選地，各燃料端口 56和氧化劑端口 58設(shè)置在水冷卻的外殼內(nèi)的環(huán)狀凹槽中，以便使任何的端口的堵塞最小化。主要?dú)怏w噴嘴54是考慮希望用集束射流噴管組件50輸送的氣體和氣體流量而適當(dāng)設(shè)計(jì)尺寸的高速會(huì)聚-發(fā)散噴嘴。優(yōu)選地噴嘴54的上游端經(jīng)由第一通道61連接到一個(gè)或更多個(gè)氣體的來(lái)源60。雖然圖3和圖4顯示簡(jiǎn)單的優(yōu)選的噴射器設(shè)計(jì)，但是如果需要可采用替代的噴射器配置和噴嘴構(gòu)造。例如，可采用雙主要?dú)怏w噴嘴來(lái)代替單中心噴嘴。現(xiàn)在參考圖5和圖6，圖中顯示出集束射流噴管?chē)娚淦鞯囊粋€(gè)替代的優(yōu)選的實(shí)施方式，其包括噴管面152，所述噴管面152具有圍繞其徑向中點(diǎn)而在其中中心設(shè)置的且被氣體端口 155的單個(gè)同心環(huán)所包圍的主噴嘴154。盡管圖5和圖6中未顯示，但集束射流噴管?chē)娚淦饕舶谒鋮s的夾套外殼內(nèi)并且也可并入用于檢測(cè)熔體溫度的高溫計(jì)組件。在此替代的優(yōu)選的實(shí)施方式中，燃料優(yōu)選地是經(jīng)由通道165連接到一些氣體端口155的天然氣164。同樣地，氧化劑是經(jīng)由通道163連接到其它氣體端口 155的含氧氣體(例如工業(yè)純氧162)。優(yōu)選地，以交錯(cuò)順序排布?xì)怏w端口 155的同心環(huán)，其中將與燃料相連接的氣體端口 155設(shè)置成靠近與氧氣連接的氣體端口 155，反之亦然。所有的氣體端口 155優(yōu)選地設(shè)置在水冷卻的外殼內(nèi)的環(huán)狀凹槽中，以便使由于熔體噴濺所導(dǎo)致的任何的端口堵塞最小化。主要?dú)怏w噴嘴154是考慮希望用集束射流噴管?chē)娚淦鬏斔偷臍怏w和氣體流量而適當(dāng)設(shè)計(jì)尺寸的高速會(huì)聚-發(fā)散噴嘴。主要?dú)怏w噴嘴154優(yōu)選地經(jīng)由通道161連接到一個(gè)或更多個(gè)氣體的來(lái)源，包括優(yōu)選地經(jīng)由連接器172連接到主要氧氣來(lái)源160以及經(jīng)由連接器171連接到惰性氣體(例如氮?dú)?的來(lái)源170。本發(fā)明的集束射流噴管組件能夠產(chǎn)生常規(guī)的熔化火焰(軟吹(soft blown))和被火焰包圍物包圍的集束氣流(硬吹(hard blown))。如本文中使用的，“熔化火焰”是指具有大表面覆蓋度的軟吹非切割火焰(在氧氣-燃料燃燒器領(lǐng)域中稱為“濃密火焰(bushyflame) ”)。此類(lèi)火焰是通過(guò)調(diào)節(jié)燃料和氧化劑的流量而產(chǎn)生，使得產(chǎn)生這樣的火焰，該火焰在徑向擴(kuò)展并且在離噴嘴或氧槍面的遠(yuǎn)端約20個(gè)噴嘴直 徑的距離內(nèi)失去其超聲特征。如其名稱所暗示的，此類(lèi)火焰優(yōu)選地用于固體銅和其它裝料材料(例如廢銅)的熔化，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖蟊砻娣e上提供大量的熱用于熔化裝料材料。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，在此類(lèi)熔化過(guò)程中所使用的氣流基本上無(wú)氮?dú)庖允筃Ox的形成最小化。熔化火焰也能用于在任何“保持/閑置”和“燃燒器”操作模式期間將銅熔體的溫度維持在規(guī)定的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，在熔化火焰的產(chǎn)生中，將到主要?dú)怏w噴嘴的氣體流量從高流量、超聲速狀態(tài)節(jié)流至至少足以防止噴嘴堵塞的減小的流量(在本文中稱為“吹掃流量”)，但是，如果需要，可以繼續(xù)通過(guò)噴嘴的高速氣體流量，但沒(méi)有火焰包圍物而產(chǎn)生混合熔化/切割火焰。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法考慮使用濃密和混合火焰，并且該濃密和混合火焰歸入通用術(shù)語(yǔ)“熔化火焰”。適用于本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的燃料包括大部分烴燃料(例如天然氣、氫氣)和液體燃料，但最優(yōu)選天然氣。有用的氧化劑包括含氧氣體和優(yōu)選地工業(yè)級(jí)高純度氧氣。優(yōu)選地，當(dāng)集束射流噴管組件在“燃燒器模式”(例如熔化火焰模式)中操作時(shí)，調(diào)節(jié)天然氣和含氧氣體的流量使得天然氣和含氧氣體的總流量分別在主要噴嘴與第二端口之間均勻分割(split)?；谖⑻幚砥鞯腜LC控制器操作性地連接到集束射流裝置以便在多種不同操作模式(例如保持/閑置模式、燃燒器模式、或者精煉模式)中和對(duì)用戶命令和爐操作條件的響應(yīng)中精確地控制到集束射流噴管的氣體的供應(yīng)。實(shí)際的氣體流量典型地受操作模式以及正在實(shí)施的具體精煉工藝步驟(例如冷粗銅加熱或者廢銅熔化、氧化、還原、撇渣等)的支配。本發(fā)明的集束射流系統(tǒng)所采用的操作模式和詳細(xì)工藝步驟的選擇，優(yōu)選地由陽(yáng)極爐操作者在控制室或控制站中經(jīng)由觸摸屏人機(jī)界面來(lái)進(jìn)行。本發(fā)明銅陽(yáng)極精煉系統(tǒng)和方法的主要工藝目的是為擴(kuò)大的或增加的廢銅熔化向陽(yáng)極爐提供能量，同時(shí)保持低于熔化爐NOx極限并且縮短總的氧化和還原周期時(shí)間。換句話說(shuō)，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的目的是在操作成本、能量效率、周期時(shí)間和最低可實(shí)現(xiàn)NOx形成之間達(dá)到最佳平衡。典型的銅爐操作包括以下步驟(i)加料、(ii)熔化、(iii)氧化、
(iv)還原、(V)撇渣、和(vi)鑄造。下面更詳細(xì)地討論使用本發(fā)明的集束射流方法的以上鑒別的精煉工藝步驟的詳細(xì)工藝步驟。加料和Nd控制
如上討論的，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法提供改進(jìn)的低NOjH陽(yáng)極精煉工藝，其中采用集束射流噴管組件相繼地接收熔化的粗銅和裝料廢銅、熔化的銅裝料、使該熔體脫硫、任選地將熔體撇渣、對(duì)熔體脫氧并且任選地向熔體提供熱以協(xié)助鑄造過(guò)程。在此方法的第一步中，在爐中提供銅的熔體。一般此銅熔體將采取從以前的精煉操作中剩余的熔化的銅邊角料的形式，經(jīng)由從燃燒器或替代地從集束射流噴管組件提供的熱，使該銅熔體保持熔化形式。向此邊角料中，在約7至10小時(shí)的加料時(shí)間內(nèi)把固體銅加入到爐中。需要時(shí)，還可以把占總裝料的一小部分(基于重量)的量的冷廢銅加入到爐中。可在一個(gè)或更優(yōu)選在數(shù)個(gè)步驟中把固體廢料加入到爐中。在爐的加料期間，伴隨爐門(mén)的附帶打開(kāi)，使內(nèi)容物暴露于環(huán)境氣氛中，導(dǎo)致大量NOx的形成。實(shí)際上，已發(fā)現(xiàn)在加料步驟期間的NOx的產(chǎn)生是在整個(gè)陽(yáng)極精煉過(guò)程期間NOx形成的最大單一來(lái)源。當(dāng)使用以“保持/閑置模式”操作的本發(fā)明的噴管組件時(shí)，通過(guò)在加料步驟期間抑制NOx的形成能顯著減少整個(gè)工藝NOx形成的量。已意外發(fā)現(xiàn)，通過(guò)經(jīng)由集束射流噴管組件把氮?dú)鈬娚淙霠t頂部空間，可顯著而意外地減小NOx形成。在一個(gè)實(shí)施方式中，經(jīng)由噴嘴將氮?dú)狻⒀鯕夂吞烊粴饬鲊娙霠t的頂部空間。雖然不想受任何具體理論或操作模式的約束，但是認(rèn)為此氮?dú)饬麾?quench)存在于頂部空間內(nèi)的高溫區(qū)域，該高溫區(qū)域驅(qū)動(dòng)NOx形成，導(dǎo)致NOx形成的水平降低。在某種程度上，此結(jié)果是反直覺(jué)的，因?yàn)槿藗儠?huì)預(yù)計(jì)將氮?dú)鈬娙腠敳靠臻g且暴露于高溫中反而會(huì)增加 NOx形成的量。在加料和NOx抑制步驟中，將氣體流量維持在低流量條件下，該低流量足以至少吹掃堵塞有材料的噴管通道并且防止由于熔化的銅的噴濺造成的噴管的堵塞。在任何NOx抑制步驟中，優(yōu)選地采用主噴嘴來(lái)提供略微較高流量的氮?dú)饬饔糜贜Ox抑制。該氮?dú)饬髁康湫偷匦∮诩s10，000 scfh，優(yōu)選地從主噴嘴中噴出約9，000 scfh的氮?dú)?，同時(shí)以比氧化和還原步驟中使用的流速更低的流速?gòu)牡诙丝趪娚涑鲅趸瘎┖腿剂狭鳌４瞬僮髂Ｊ奖环Q為“保持/閑置模式”。雖然已關(guān)于用銅材料進(jìn)行爐的加料對(duì)NOx抑制步驟進(jìn)行了描述，但是已發(fā)現(xiàn)氮?dú)饣蛘哂糜贜Ox抑制的其它猝息氣流的使用可應(yīng)用于精煉工藝的其它階段中，無(wú)論何時(shí)在精煉工藝期間遇到高NOx水平。例如，無(wú)論何時(shí)在精煉操作的其它階段中精煉過(guò)程產(chǎn)生不希望的量的NOx時(shí)，也可以使用本文中公開(kāi)的NOx抑制技術(shù)，通過(guò)周期性地或暫時(shí)地把集束射流噴管從其它操作模式切換到上述的“保持/閑置模式”然后以減小的流速把氮?dú)饣蚱渌饬鲊娚淙霠t頂部空間直到爐NOx水平下降。此類(lèi)NOx控制策略優(yōu)選地是一個(gè)編程后輸入基于微處理器的PLC控制器中的自動(dòng)特征。熔化
在加料后，優(yōu)選地通過(guò)由集束射流噴管組件以一定的溫度和一定的時(shí)間長(zhǎng)度產(chǎn)生的熱來(lái)進(jìn)行裝料的熔化，所述溫度和時(shí)間長(zhǎng)度足以產(chǎn)生并維持約1200°C至1250°C的熔體溫度。為了此目的，到集束射流噴管組件中的氣流是含氧氣體和燃料并且優(yōu)選地基本上無(wú)氮?dú)?。以已知的方式調(diào)節(jié)氣體流量以便提供從集束射流噴管組件噴入爐頂部空間并任選地與銅裝料接觸的熔化火焰。熔化火焰提供固體裝料的快速熔化以形成熔化的銅熔體。典型地，裝料將與熔化火焰接觸裝料熔化所需時(shí)間段的至少一部分、優(yōu)選熔化裝料所需的整個(gè)時(shí)間段。在此工藝步驟中，本發(fā)明的集束射流系統(tǒng)和方法以所謂“燃燒模式”操作。此“燃燒模式”的特征在于來(lái)自噴管組件的氣流的流速較低并且典型地在熔化過(guò)程和鑄造過(guò)程期間操作。在熔化裝料后，本發(fā)明的集束射流系統(tǒng)和方法通常以所謂“精煉模式”操作。“精煉模式”的特征在于來(lái)自噴管組件的高速度的被隔離的氣流。在許多氧化過(guò)程、還原過(guò)程以及撇渣過(guò)程中選擇“精煉模式”。主噴嘴氣流的氣體組成取決于正在執(zhí)行的活化工藝步驟(例如氧化、撇渣或者還原)。氣化
在熔化裝料后，隨后用集束含氧氣流對(duì)所得銅熔體進(jìn)行頂吹以對(duì)熔體進(jìn)行脫硫并把其中存在的硫氧化成S02。集束含氧氣流可包含至多100體積％的氧氣，具有僅痕量的其它氣體。實(shí)際上，從噴嘴噴出的集束含氧氣流可包含含有至少21體積％氧氣、更優(yōu)選地至少36體積％氧氣的氧氣與氮?dú)獾幕旌衔?。集束含氧氣流典型地具有約I. O至2. 5 Mach、優(yōu)選地約I. 5至2. 25 Mach、更優(yōu)選地約I. 8至2. O Mach的軸向(即，流動(dòng)方向上)速度，并且通過(guò)如下方式產(chǎn)生，以已知方式調(diào)節(jié)來(lái)自第二氧化劑端口的氧氣、來(lái)自第二燃料端口的燃料(例如，天然氣)和來(lái)自主噴嘴的氧氣的流量，使得在主氧氣氣流的至少一部分長(zhǎng)度上、優(yōu)選地在主氧氣氣流的整個(gè)長(zhǎng)度上，圍繞主氧氣流產(chǎn)生火焰包圍物。在氧化步驟中典型的流量條件包括約5，000 scfh至7，000 scfh的燃料流量、約
4.000scfh至5，000 scfh的第二氧氣流量、和約45，000 scfh至60，000 scfh總流量的主要含氧氣體流量。在約1200°C至約1250°C的熔體溫度下進(jìn)行用集束含氧氣流對(duì)銅熔體頂吹，并且這種頂吹持續(xù)一定時(shí)間長(zhǎng)度，該時(shí)間長(zhǎng)度足以將存在于熔體中的硫的量從例如約800-3, 000 ppm (基于重量)減少至約40至約100 ppm硫。脫硫步驟可以如上所述作為單一步驟工序來(lái)執(zhí)行、或者任選地可作為多步驟工序來(lái)執(zhí)行，在所述多步驟工序中，在第一步驟中，用具有較高氧氣濃度的集束含氧氣流對(duì)銅熔體進(jìn)行頂吹，在第二步驟及隨后的步驟中，用具有較低氧氣濃度的集束含氧氣流對(duì)銅熔體進(jìn)行頂吹。此多步驟操作可具有避免銅熔體過(guò)度氧化的優(yōu)點(diǎn)。在所考慮的多步驟工序中，首先用具有約30至60體積％的氧氣濃度且余量包含惰性氣體優(yōu)選氮?dú)獾募鯕饬鲗?duì)銅熔體進(jìn)行頂吹。之后，將存在于含氧氣體中的氧氣量減少至約21體積％至約36體積％(余量包含惰性氣體、優(yōu)選氮?dú)?并且利用更低濃度的集束含氧氣流對(duì)銅熔體進(jìn)行頂吹直到硫濃度減小到希望的水平例如約40 ppm至約100 ppm硫。當(dāng)然，如果需要，在隨后的步驟中可采取用較高氧氣濃度的集束氣流較少地頂吹和用較低氧氣濃度的集束氣流較多地頂吹，以減小熔體過(guò)度氧化的可能性，但是完成精煉過(guò)程的脫硫階段所需的時(shí)間的量可能因此增加。多步驟氧化工序的流量條件通常對(duì)應(yīng)于一步驟工序的流量條件，并且包括例如約
5.000scfh M 7, 000 scfh的燃料流量、約4，000 scfh至5，000 scfh的第二氧氣流量、和約45，000 scfh至60，000 scfh總流量的來(lái)自噴嘴的主要含氧氣流。擻渣
在用集束含氧氣體對(duì)銅熔體進(jìn)行氧化之后，可使熔體經(jīng)歷任選的撇渣步驟。雖然對(duì)本發(fā)明公開(kāi)的系統(tǒng)和方法的實(shí)施不是必需的，但是可能需要周期性地進(jìn)行撇渣以便防止在銅陽(yáng)極爐的連續(xù)或半連續(xù)操作期間爐渣在爐中堆積。在此步驟中，使?fàn)t圍繞其縱軸旋轉(zhuǎn)以便可通過(guò)爐口除去爐渣。為了對(duì)爐渣提供原動(dòng)力，可采用集束射流噴管組件對(duì)銅熔體進(jìn)行頂吹，以便使其表面上的爐渣升高并把爐渣引向爐口的方向。雖然為此可使用任何合適的主要?dú)饬?，但是?yōu)選采用惰性氣體(諸如氮?dú)?、或者氧?氮?dú)鈿怏w混合物)作為頂吹氣流。如上，通過(guò)從噴嘴中噴出主要?dú)饬鞯某暳鞑⑶矣糜赏ㄟ^(guò)端口的氧氣和燃料的燃燒形成的火焰包圍物包圍該主要?dú)饬鞯某暳鱽?lái)形成頂吹氣流。還原
在氧化和任選的撇渣之后，銅熔體典型地含有約3，000至7，000 ppm(重量)的氧、例如約4，000 ppm氧。相反，在加料時(shí)粗銅的氧水平典型地包含約2，000 ppm氧。因此，與初始值相比，通過(guò)氧化步驟顯著地增加銅熔體的氧水平。為了把熔體中存在的氧減少到可接受的水平，然后通過(guò)集束射流噴管組件用還原氣體(例如氫氣、天然氣、烴、一氧化碳和氨)對(duì)熔體進(jìn)行頂吹，以便對(duì)銅熔體進(jìn)行脫氧并把存在于銅熔體中的氧的量減小至期望值。優(yōu)選地，脫硫后銅熔體中的氧水平從約4，000 ppm (以重量計(jì))減小至約1，500至約1,900 ppm氧，優(yōu)選約1，500 ppm氧。還原步驟中典型的熔體(反應(yīng))溫度在約1170°C至約1180°C的范圍內(nèi)。如同對(duì)于氧化過(guò)程，能在一個(gè)或更多個(gè)步驟或亞過(guò)程中采用具有不同氣體濃度的集束還原氣流來(lái)實(shí)施還原過(guò)程。集束還原氣流是通過(guò)如下方式形成，從噴嘴中噴出主要還原氣流的超聲流并且用通過(guò)經(jīng)過(guò)噴管面上的第二端口的第二氧氣和燃料的燃燒形成的火焰包圍物包圍該還原氣流的超聲流。集束還原氣流可包含至多100%還原劑(例如，天然氣)。優(yōu)選地,該集束氣流 包含還原劑與惰性氣體(例如氬氣、水蒸氣、氮?dú)狻⒑夂虲O2 (其中最優(yōu)選氮?dú)?)的混合物，該混合物含有約5體積％的還原劑至約25體積％的還原劑、更優(yōu)選地約10體積％的還原劑至約20體積％的還原劑，并且余量包含惰性氣體例如氮?dú)狻４祟?lèi)還原劑/惰性氣體混合物優(yōu)選地通過(guò)如下方式形成，通過(guò)氣體控制剎或系統(tǒng)對(duì)到集束射流噴管組件的天然氣和氮?dú)獾牧髁窟M(jìn)行調(diào)節(jié)，以便從主噴嘴中噴出天然氣與氮?dú)獾幕旌衔?。已發(fā)現(xiàn)，在還原過(guò)程中對(duì)集束還原氣流使用混合的還原劑/惰性氣流產(chǎn)生某些操作優(yōu)點(diǎn)。特別是，已發(fā)現(xiàn)，由于它們的低分子量(即質(zhì)量)，僅由或者主要由還原劑組成的氣流形成僅有限長(zhǎng)度和射流力的集束氣流。實(shí)際上，由于它們的低質(zhì)量，僅有還原劑的集束氣流可能不具有足夠的射流力以刺穿銅熔體并促進(jìn)還原劑與銅熔體的充分的氣體/液體混合。為了克服這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)常只能通過(guò)用多孔塞和浸入式吹風(fēng)管嘴補(bǔ)充頂吹的還原劑或者使用浸入式吹風(fēng)管嘴嚴(yán)格地導(dǎo)入還原劑，來(lái)實(shí)現(xiàn)用于將還原劑引入熔體的常規(guī)手段。有利地，由于它們的較高的質(zhì)量，惰性氣流形成有用長(zhǎng)度和射流力的優(yōu)異的集束氣流。通過(guò)使用混合的還原劑/惰性氣流，能克服與單一使用頂吹的還原劑相關(guān)的操作問(wèn)題。通過(guò)把還原劑(例如，天然氣)與氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w流混合，氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w充當(dāng)載氣或推進(jìn)劑，以高射流力把還原劑輸送至銅熔體，所述高射流力足以實(shí)現(xiàn)高效的氣體/液體混合并且消除了對(duì)用多孔塞或浸入式吹風(fēng)管嘴補(bǔ)充還原劑的噴射的需要。鑄造
一經(jīng)完成還原步驟，所得陽(yáng)極銅典型地含有約15 ppm或更少的硫、1，900 ppm或更少的氧，并且具有約1200°C范圍內(nèi)的熔體溫度。在該點(diǎn)，陽(yáng)極銅容易鑄造成陽(yáng)極以進(jìn)行隨后的電解精煉。為了在鑄造操作期間提供熱以維持熔體溫度，在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，可以如以上關(guān)于銅裝料熔化步驟所述的類(lèi)似的方式用來(lái)自集束射流噴管的熔化火焰對(duì)銅熔體進(jìn)行頂吹，對(duì)主要含氧氣體、第二氧氣和燃料的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)以提供大約例如約3至約5體積％的略微化學(xué)計(jì)量過(guò)剩的燃料。通過(guò)使用這種富燃料的熔化火焰，使熔體的再氧化最小化。在此鑄造步驟過(guò)程中，本發(fā)明的集束射流系統(tǒng)和方法均以“燃燒模式”操作。實(shí)施例表I描述了考慮與用于商業(yè)規(guī)模操作的本發(fā)明的銅陽(yáng)極精煉系統(tǒng)和方法一起使用的氣體流量的范圍。
權(quán)利要求
1.銅的陽(yáng)極精煉的方法，所述方法包括以下步驟 (I)把熔化的粗銅加到爐中； (ii)把廢銅加到爐中熔化的粗銅中； (iii)使用由頂吹、多功能集束射流噴管產(chǎn)生的熔化火焰熔化所述廢銅或者加熱熔化的粗銅，所述集束射流噴管連接到含氧氣體來(lái)源和燃料來(lái)源； (iv)使用從集束射流噴管?chē)姵龅捻敶档募鯕饬髟跔t中氧化熔化的粗銅中的硫雜質(zhì)，所述集束射流噴管連接到含氧氣體來(lái)源和燃料源；和 (V)使用從集束射流噴管?chē)姵龅捻敶档摹⒑羞€原劑和惰性氣體的集束還原氣流在爐中還原所述熔化的粗銅中的氧；所述集束射流噴管連接到含氧氣體來(lái)源、燃料源、還原劑來(lái)源和惰性氣體來(lái)源。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述銅的陽(yáng)極精煉的方法是連續(xù)的火法精煉法并且所述方法還包括以下步驟對(duì)引入爐內(nèi)的廢銅或熔化的粗銅的各額外裝料重復(fù)步驟(iii)至(V)。
3.銅陽(yáng)極精煉系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 具有耐火壁的銅火法冶金爐，所述爐適合于容納具有上表面的熔化的銅浴并且所述爐限定在所述銅浴的上表面以上的頂部空間； 至少一個(gè)多功能、集束射流噴管，所述噴管連接到含氧氣體、惰性氣體、還原劑和燃料的來(lái)源，所述集束射流噴管安裝在所述爐耐火壁中在所述銅浴的上表面以上的位置處；和控制器，所述控制器操作性地控制到至少一個(gè)集束射流噴管的含氧氣體、惰性氣體、還原劑和燃料的流量； 其中，從至少一個(gè)集束射流噴管產(chǎn)生包含燃料和含氧氣體的熔化火焰，以便加熱熔化的銅或者熔化提供給爐的任何廢銅裝料；并且 其中，從集束射流噴管產(chǎn)生集束含氧氣流，以氧化銅浴中的硫；并且 其中，從集束射流噴管產(chǎn)生含有還原劑和惰性氣體的集束還原氣流，以還原銅浴中的氧。
4.一種陽(yáng)極爐中銅的連續(xù)精煉的方法的改進(jìn)，所述改進(jìn)包括以下步驟 把熔化的粗銅加到陽(yáng)極爐中并且任選地把廢銅加到陽(yáng)極爐中熔化的粗銅中； 使用從安裝在陽(yáng)極爐的耐火壁中在熔化的粗銅的上表面以上的位置處的集束射流噴管?chē)姵龅捻敶档摹⒓鯕怏w流在陽(yáng)極爐中氧化熔化的粗銅中的硫雜質(zhì)，所述集束射流噴管連接到含氧氣體來(lái)源和燃料來(lái)源；和 使用從集束射流噴管?chē)姵龅捻敶档?、含有還原劑和惰性氣體的集束還原氣流在陽(yáng)極爐中還原熔化的粗銅中的氧；所述集束射流噴管連接到含氧氣體來(lái)源、燃料來(lái)源、還原劑的來(lái)源和惰性氣體的來(lái)源。
5.如權(quán)利要求I或4所述的方法，還包括在氧化步驟之后和在還原步驟之前；在熔化或加熱步驟之后和在氧化步驟前；在加料步驟期間；在熔化步驟期間；或者在還原步驟之后，引導(dǎo)一個(gè)或更多個(gè)吹掃流通過(guò)多功能集束射流噴管的步驟。
6.如權(quán)利要求I或4所述的方法，其中，在兩個(gè)或更多個(gè)子步驟中實(shí)施氧化步驟，其中，在第一步驟中使熔化的銅與氧氣濃度為至少30體積％氧的第一集束含氧氣流接觸,隨后使熔化的銅與氧氣濃度低于所述第一集束含氧氣流的第二集束含氧氣流接觸。
7.如權(quán)利要求I或4所述的方法，還包括在把銅鑄造成陽(yáng)極期間，通過(guò)使所述熔化的銅與由所述集束射流噴管產(chǎn)生的熔化火焰接觸來(lái)加熱所述熔化的銅的步驟。
8.如權(quán)利要求I或4所述的方法，還包括使用從集束射流噴管?chē)姵龅臍饬鲝娜刍你~中除去爐渣以便向爐口方向引導(dǎo)爐渣的步驟。
9.如權(quán)利要求I或4所述的方法或者如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述含氧氣體是工業(yè)級(jí)純氧氣，所述還原劑和燃料是天然氣，并且所述惰性氣體是氮?dú)狻?br> 10.如權(quán)利要求I或4所述的方法或者如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述熔化火焰基本上不含氮?dú)狻?br> 11.如權(quán)利要求I或4所述的方法或者如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，在把廢銅或熔化的銅加入爐的過(guò)程中從集束射流噴管把頂吹的氮?dú)鈿饬饕霠t頂部空間以抑制在爐中NOx的形成。
12.如權(quán)利要求I或4所述的方法或者如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述集束射流噴管是在除了熔化、氧化和還原的銅精煉步驟期間可從爐中除去的可移除、輕重量的集束射流噴管。
13.用于在金屬的精煉過(guò)程中抑制NOx形成的方法，所述方法包括以下步驟 向爐中熔化的金屬浴提供廢金屬的裝料，所述爐裝備有至少一個(gè)頂吹的噴管組件并且連接到含氧氣體來(lái)源、燃料來(lái)源和氮?dú)鈦?lái)源； 使用使用燃料和含氧氣體的熔化火焰來(lái)熔化所述廢金屬裝料； 使用含氧氣體或還原劑來(lái)氧化或還原熔體中的雜質(zhì)；和 在提供廢金屬的裝料的步驟期間或之后，使用頂吹的噴管組件間斷地把規(guī)定體積的氮?dú)鈬娚淙霠t頂部空間以便抑制在精煉過(guò)程中NOx的形成。
全文摘要
本發(fā)明提供銅陽(yáng)極精煉的方法和系統(tǒng)，其中，采用集束射流技術(shù)來(lái)加熱熔化的粗銅和/或使用熔化火焰來(lái)熔化廢銅裝料，氧化熔化的粗銅中的硫，并使用來(lái)自一個(gè)或更多個(gè)多功能集束射流噴管組件的頂吹的集束射流氣流來(lái)還原熔化的粗銅中的氧。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法采用基于微處理器的控制器，該控制器操作性地控制到集束射流噴管的含氧氣體、惰性氣體、還原劑和燃料的流量。公開(kāi)的銅陽(yáng)極精煉系統(tǒng)和方法大大地提高銅產(chǎn)量同時(shí)減少氧化/還原周期時(shí)間并且使NOx排放最小化。
文檔編號(hào)C22B15/04GK102812136SQ201180009836
公開(kāi)日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2011年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月16日
發(fā)明者D.B.喬治, A.C.恩里克斯, A.C.德尼斯, W.J.馬霍尼, I.F.馬斯特森, S.曼利, J.凱特斯, K.阿爾布雷希特 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司, 肯尼科特猶他州銅業(yè)有限責(zé)任公司(Kennecott Utah Copper Llc)