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        氧氣底吹技術在有色冶金的研發與應用

        2016-3-15 11:13:02 來源:科技日報 字體:  術語簡釋』『行情討論』『走勢圖
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          恩菲印跡
          ·世界首個氧氣底吹煉鉛項目
          豫光金鉛鉛冶煉廠
          ·世界最大氧氣底吹鉛熔煉爐
          濟源金利鉛冶煉廠
          ·世界首個氧氣底吹還原煉鉛項目
          安陽岷山鉛冶煉廠
          ·世界首個氧氣底吹煉銅項目
          越南生權大龍冶煉廠
          ·世界第一條氧氣底吹造锍捕金項目
          山東恒邦復雜金精礦綜合回收生產線
          ·世界最大氧氣底吹造锍捕金項目
          中原黃金冶煉廠整理搬遷升級改造項目


          01
          氧氣底吹技術最初應用于煉鋼領域。上世紀30年代起,相關研發工作相繼開展,最終在60—70年代實現了工業應用。氧氣底吹技術具有高效、節能、環保等顯著優點,隨制氧技術的進步,在世界鋼鐵領域得到廣泛應用,大幅提升了鋼鐵冶煉的整體技術水平。
          此后,將氧氣底吹技術應用于有色冶煉領域的想法也隨之產生。但是,氧氣底吹技術在鋼鐵冶煉領域的應用與在有色金屬冶煉領域的應用有很大差異:
          氧氣底吹技術煉鋼,目的在于脫除鐵水中的硫、磷、硅等雜質,控制碳含量,可以同時加入廢鋼,熔化調質生產各種牌號的碳鋼,亦可在鋼水中加入其他金屬或合金,生產各種牌號的合金鋼。冶煉過程是間斷作業,爐內氣氛在氧化和還原之間周期性變化,熔煉渣率和煙塵率很低,產出物中,成品率超過95%。
          氧氣底吹冶煉有色金屬,過程多為連續作業。爐內氣氛或為氧化或為還原,對穩定有較高要求。熔煉產物主要是爐渣,主金屬產品難以超過50%,煙塵率視不同原料有所波動。此外,有色金屬原料常為多金屬共生礦,難以徹底分選,熔煉工藝需考慮多金屬綜合回收利用,所以相對于鋼鐵冶煉,有色冶煉的反應機理較為復雜。
          也正因為此,氧氣底吹煉鋼的成熟技術并不能簡單移植到有色金屬領域,需要針對不同金屬品種的不同特點進行一一開發。


          02
          1973年,2位美國教授提出將氧氣底吹技術應用于銅冶煉領域的設想,稱之為“SL煉銅法”,進行小試后,申請了專利,但中試未獲成功。
          1974年,德國魯奇公司在SL煉銅法的啟發下,申請了QSL氧氣底吹一步煉鉛專利,并于1984年進行了產業化示范試驗。
          在我國,上世紀80年代,為淘汰環境污染嚴重的燒結—鼓風爐傳統煉鉛工藝,行業對清潔工藝的需求十分迫切。當時,各國都在開展新的煉鉛工藝研究,但其中多為一步或一爐煉鉛,引進到國內會帶來一些工程問題,且成本相對較高。
          以提高我國有色冶煉技術自主創新性和技術適用性為使命,中國恩菲工程技術有限公司(以下簡稱“中國恩菲”)前身——北京有色冶金設計研究總院提出了研發“氧氣底吹熔煉—電熱還原煉鉛”新工藝的設想。
          1983年,經國家科委批準,該課題被列入國家“六五”科技攻關計劃,由中國恩菲和水口山礦務局(現湖南水口山有色金屬集團有限公司前身,以下簡稱“水口山”)牽頭、北京礦冶研究總院、北京鋼鐵研究總院、中南工業大學、中科院化冶所、西北礦冶研究院等行業企業院所參與,組成公關小組共同開展研究,并于1985年底在水口山建成年產3000噸粗鉛的底吹熔煉—電熱還原煉鉛成套半工業試驗裝置。至1987年底,先后進行17批次試驗,共熔煉近900噸鉛精礦,產出340多噸粗鉛。試驗表明,氧氣底吹熔煉爐除了存在氧槍壽命短這一突出問題,其余指標均較為理想;電熱還原系統受資金限制,所建設施簡陋,還原劑粉煤供給為臨時措施,難以滿足試驗要求,無法產出合格棄渣。1987年11月,試驗告一段落。
          隨后,為盡快解決鉛冶煉的嚴重污染問題,我國引進了德國魯奇公司QSL一步煉鉛工藝,并在甘肅白銀有色公司(現白銀有色集團前身)建設了世界首個氧氣底吹煉有色金屬項目,并于1994年建成試產。但是,因部分技術不成熟,加上經濟原因,項目投產后不久即關閉至今。
          事實表明,截至上世紀末,無論是自主研發還是引進消化,氧氣底吹技術在我國有色冶煉領域的應用均未取得成功,這無疑進一步證明,該技術在有色領域的產業化應用具有相當難度。


          03
          但是,恩菲人的攻關仍在繼續。
          在對水口山氧氣底吹試驗及白銀公司引進QSL氧氣底吹一步煉鉛的失敗進行分析時,中國恩菲的專家團隊發現,問題的重點在于還原階段。
          燒結—鼓風爐煉鉛工藝的污染點主要在于,燒結過程中,二氧化硫的逸散與燒結塊返粉破碎造成粉塵飛揚。而如果采用氧氣底吹熔煉技術替代鉛精礦燒結,將熔煉渣鑄錠送鼓風爐還原,不但能有效解決煉鉛環保問題、液態高鉛渣還原兩道技術難題,還能在改造項目中,保留鉛廠原有鼓風爐還原設施并繼續加以利用,從而大幅降低改造費用。這無疑為研發提供了新的思路。
          1997年,中國恩菲提出了氧氣底吹熔煉-鼓風爐還原煉鉛新工藝。由中國恩菲牽頭,組織河南豫光金鉛冶煉廠、安徽池州冶煉廠、浙江溫州冶煉廠等3家單位共同出資,利用水口山原有氧氣底吹試驗裝置與1.5平方米小型鼓風爐,進行氧氣底吹熔煉-鼓風爐還原煉鉛新工藝半工業試驗,重點在于解決鼓風爐還原高鉛渣鑄塊存在鼓風爐渣含鉛高的問題,并一舉成功。
          在此基礎上,中國恩菲于2002年分別在安徽池州冶煉廠和河南豫光金鉛冶煉廠建成年產3萬噸和5萬噸粗鉛的示范生產線。而后,2條生產線操作穩定,產能很快就提升到年產5萬噸和8萬噸粗鉛的水平。粗鉛生產單位能耗比傳統燒結—鼓風爐工藝降低50%,硫回收率提高到96%以上,硫捕集率超過99%,革除了返粉破碎,有效解決了傳統工藝造成的二氧化硫低空污染及含鉛粉塵飛揚問題。
          氧氣底吹熔煉—鼓風爐還原煉鉛新工藝有效改善了鉛冶煉的生產環境,提高了銀的回收率,降低了投資成本,受到生產企業的高度好評。該工藝于2003年獲中國有色金屬工業科技進步一等獎,2004年獲國家科技進步二等獎。在推廣應用的過程中,被國家九部委發文指定為我國首選煉鉛工藝。


          04
          恩菲人的腳步從未停止。
          在推廣應用氧氣底吹熔煉—鼓風爐還原煉鉛新工藝的過程中,新的需求又出現了:將該工藝應用在舊廠改造項目中,可以繼續利用原有鼓風爐系統,所以節約投資成本的優勢比較明顯。而在新建項目中,應用該技術不但會浪費熔體的物理熱量,還會增加鑄錠工序,加大廠區占地面積和投資額,并不是最優選擇。
          為此,恩菲人持續研發,推出氧氣底吹熔煉—熱渣直接還原工藝,降低了能耗,省去了鑄錠工序,還可選用更廉價的還原劑取代鼓風爐用的焦炭,大幅降低了生產成本。
          2005年,中國恩菲申報高鉛液態渣直接還原的研發課題并獲科技部支持,被列為國家重大產業技術開發項目。目前,中國恩菲已研發3種工藝,分別為側吹爐供焦爐煤氣加粒煤還原、底吹爐供天然氣加粒煤或碎焦還原和豎爐電熱焦炭還原。前二種已取得成功,并在濟源金利建成投產20萬噸/年國內最大氧氣底吹熔煉—側吹還原煉鉛生產線,在河南岷山建成投產10萬噸/年雙底吹煉鉛生產線。
          氧氣底吹熱渣直接還原煉鉛形成的第二代煉鉛新工藝,與第一代氧氣底吹熔煉—鼓風爐煉鉛工藝相比,能耗再降30%,噸鉛成本減少100多元。第二代煉鉛新工藝投資更省,還具有能耗低、環保好、操作方便靈活、原料適應性強、生產成本低等諸多優點,主要指標均達到世界領先水平。
          總體來看,氧氣底吹煉鉛技術已經在國內獲得了廣泛應用和推廣。截至2014年,包括老廠改造或新建項目在內,全國已有42條生產線采用氧氣底吹煉鉛技術。


          05
          從氧氣底吹煉鉛技術的立項研發,到第一條生產線的成功產業化,這個過程耗費了19年時間。而在其后的12年里,技術得到持續推廣和廣泛應用,總產能達到400萬噸/年,占全國鉛冶煉總產能的87%,并已出口國外建廠成功投產。一項技術能如此迅速地推廣應用,世界冶金史上都屬罕見。
          以300萬噸礦鉛量計算,與傳統流程比,氧氣底吹煉鉛工藝可每年節省標煤近150萬噸,年減排二氧化硫近20萬噸,年增效約4億元。氧氣底吹技術在鉛冶煉的開發應用,徹底改變了我國鉛冶煉的落后面貌,目前我國已占世界礦鉛總產量的2/3,行業競爭力躍居世界第一。
          此后,中國恩菲又在技術應用過程中,與生產企業共同開發了諸多具有行業開創性的應用技術:在河南萬洋項目中,打破常規,取消還原爐后的電熱前床,開發三連爐連續煉鉛,使煉鉛工藝更簡潔、能耗更低、勞動生產率更高;在河南豫光金鉛項目中,鉛精礦搭配處理鉛蓄電池膏泥,不但節能效果更好,硫酸鉛中的硫也得到更加合理有效的回收,為二次鉛的回收開辟了新途徑;在河南岷山項目中,鉛精礦搭配處理高爐煉鐵及電爐煉鋼含鉛鋅的煙塵,將含鋅高達20%的還原爐渣送煙化爐再度回收鋅,使資源得到充分綜合利用,取得良好經濟效益;在山東恒邦項目中,鉛精礦搭配處理氰化渣或含金黃鐵礦回收貴金屬,大幅降低了煉金成本,為黃金冶煉開拓了新途徑。


          06
          將氧氣底吹技術應用于銅冶煉領域的探索,始自1990年。其時,中國恩菲和水口山聯合,利用水口山氧氣底吹煉鉛試驗裝置進行煉銅試驗,以銅精礦搭配處理水口山康家灣高砷含金黃鐵礦,稱之為“造锍捕金”。試驗連續進行217天,進展非常順利,并于1991年正式完成,取得了理想結果。1992年,中國恩菲獲得“底吹熔池煉銅法及其裝置”專利授權。1993年,“水口山煉銅法”獲部級科技進步一等獎。隨后,國內3家企業要求采用此工藝建廠。但是,由于試驗的粗銅規模不足3千噸/年,我國也已明文規定,禁止新建規模小于年產5萬噸/年的銅冶煉廠——3千噸/年一步擴至5萬噸/年,擴大比遠超10:1的常規許可值。一時,國內失去了該工藝工業化應用的可能性。也正為此,越南生權大龍1萬噸/年電銅冶煉廠成為世界首個氧氣底吹煉銅工業生產項目。項目于2007年底順利投產,為國內后續建設5萬噸/年以上規模的氧氣底吹煉銅工廠提供了可靠依據。
          從2007年至今,8年時間里,國內先后10個氧氣底吹銅冶煉項目投產運行。其中最大的,單系列處理精礦量達150萬噸/年,相當于年產40萬噸粗銅,是世界單系列最大的銅冶煉廠之一(圖5),項目已于2015年12月中旬達產對標。正在設計和建設的氧氣底吹煉銅項目還有多家,中國恩菲還為諸多國外企業進行了可行性或預可行性研究設計。


          07
          氧氣底吹熔煉取得成功后,在吹煉工段,傳統轉爐技術的局限性便突顯出來。轉爐吹煉為間斷作業,存在三大缺點:(1)用包子將銅锍倒運入轉爐時存在嚴重的二氧化硫低空污染問題;(2)轉爐間斷作業致使煙氣量與煙氣中的二氧化硫量波動較大,不利于后續制酸;(3)間斷作業爐襯熱震頻繁、爐壽短。
          為解決上述問題,中國恩菲于2009年向科技部申報“氧氣底吹連續煉銅清潔生產工藝關鍵技術及裝備研究”,獲準并被列為國家863研發課題。為此,團隊與中南大學、北京科技大學、東北大學等高校,就氧槍結構、氧槍布局、吹煉渣型、反應機理、爐渣貧化等課題,圍繞計算機模擬、水模型與基礎理論有關的小型試驗等方面,開展了大量扎實研究工作。在此基礎上,恩菲團隊于2012年在豫光金鉛完成了銅锍底吹連續吹煉冷態半工業試驗,在山東東營方圓完成銅锍底吹熱態連續吹煉工業試驗,順利完成國家863計劃課題,為技術的后續產業化應用打下了堅實基礎。2014年,世界首條氧氣底吹連續煉銅工業化示范生產線全線拉通,產出首批合格陽極板。消息傳出,行業再度轟動。
          氧氣底吹連續煉銅工業化示范生產線采用氧氣底吹熔煉—銅锍底吹連續吹煉工藝。氧氣底吹熔煉產出的高品位銅锍熱態流入氧氣底吹連續吹煉爐,富氧空氣從爐底的氧槍鼓入,使銅锍中的鐵氧化造渣,爐內熔體形成粗銅層、白銅锍層和渣層,打眼放粗銅,溢流放渣,吹煉的送風過程實現連續化,吹煉煙氣連續化。終于,中國恩菲2006年申報專利中提出的技術設想得以實現。而更加重要的是,在氧氣底吹煉銅技術持續升級的過程中,我國也已成為世界范圍內煉銅、煉鉛工藝技術最全、設計能力最強、運營效益最高、環保效果最佳的國家,真正實現了從追趕到引領的重大跨越。


          08
          為什么該技術成功開發后,能夠得到如此迅速的推廣應用?作為技術開發的親歷者,我認為,氧氣底吹煉銅技術比現有其他先進煉銅工藝更為優越。主要體現在以下幾點:
          1. 能耗最低
          與頂吹、諾蘭達、特尼恩特、三菱法等煉銅工藝相比,氧氣底吹技術的氧濃更高,煙氣量更低,煙氣帶走熱量更少;與閃速、瓦紐柯夫、金峰爐等氧濃較高的煉銅工藝相比,底吹爐由于無需大量水冷元件,故爐體散熱損失更少;氧氣底吹熔煉的反應機理與其他所有工藝不同,可劃分為5個區域。氧氣從爐底參與銅锍反應,銅锍作為氧的載體作用于精礦,完成造渣反應。因此,氧氣底吹熔煉的造渣反應氧勢低,渣中的鐵多為氧化亞鐵,渣熔點低,相同溫度下黏度低,不易形成泡沫渣,降低了跑爐事故發生概率;熔煉可以采用高鐵渣型,配入的二氧化硅熔劑率也相應低于其他各種工藝,因而相同產能下,熔煉的物料量最少,能耗也就最少。
          2.銅的回收率最高
          如1所述,氧氣底吹熔煉熔劑率最低,渣率最低,經渣選礦后棄渣量最低,棄渣帶走的銅最少,銅的回收率自然最高。
          3.流程短、熔煉強度高、投資省
          如1所述能耗最低,因此氧氣底吹熔煉是目前所有煉銅工藝中唯一無需干燥精礦和外供燃料,即可直接入爐熔煉的煉銅工藝。與閃速、特尼恩特、三菱工藝比,省去了精礦干燥工序、粉狀熔劑制備系統及電熱沉降分離爐。與艾薩和奧斯麥特頂吹工藝比,無需圓盤制粒、粉煤制備或供油系統以及電熱沉降分離爐等設施,因而流程短,加上爐體為臥式,廠房配置低,又無水冷元件,整體投資省。
          4.對原料適應性強
          經過冶煉過程中氣體自下而上的強烈攪拌,銅精礦中夾雜的低沸點伴生元素,如砷、銻、鉛、鋅等的化合物更易揮發進入煙塵而與主金屬分離。對于高沸點貴金屬,經銅锍自下而上反復沖洗,能很好地熔解并富集于銅锍中。試驗表明:氧氣底吹熔煉過程中,砷的脫除率達95%以上,金、銀捕集率達99%。
          5.環保條件好
          濕精礦直接入爐,濕精礦倒運與給料過程無揚塵產生;爐體密封性好,負壓操作,無煙氣外泄;所有收集的煙塵均采用空氣密閉輸送。
          6.爐襯壽命長、作業率高
          氧氣底吹氣體由下而上,爐內熔體自中心向兩邊緩慢翻動,不直接沖刷爐體,爐襯壽命一般都在3年以上,且氧槍壽命高達半年,作業率一般可達95%以上。


          09
          上述諸多技術優勢,無疑是氧氣底吹煉銅技術得到迅速推廣的重要原因,而另一個不可忽視的必要條件,就是中國恩菲自身的技術實力。
          自1953年成立至今,60多年來,中國恩菲積累了豐富的工程經驗,擁有雄厚的技術實力和卓越的人才隊伍,這無疑都為公司開展技術研發提供了重要的支持和保障。在戰略層面,中國恩菲按照上級單位要求,根據發展實際和對行業的前瞻研判,制定了科技發展規劃,明確了方向和目標;在體制層面,中國恩菲設有以恩菲研究院和技術發展部為統領的研發組織部門,依托設立在公司的院士專家工作站、2個博士后科研工作站等平臺,著力培育研發骨干人才;在機制層面,中國恩菲明確規定,將公司收入的3%以上投入科技開發工作,從資金上提供保障。此外,建立健全對發明創造、專利發明人員、研發工作有貢獻人員的激勵機制,提高員工科技創新積極性。
          由于具有投資省、能耗低、環保好、回收率高、生產成本低等優點,氧氣底吹技術深受行業內外的高度關注,尤其得到生產企業的廣泛贊譽。中國恩菲開發的新技術、新工藝、新設備,在產業化應用中全部一次投產成功,這不僅給予用戶極大應用信心,也給恩菲團隊帶來了持續突破的動力。
          伴隨氧氣底吹技術相關研究的深入,中國恩菲的科研設計人員持續以先進可靠為目標,圍繞配套設施進行開發,實現了諸多新的開創:比如,冶金爐設計組從氧氣底吹煉鉛到煉銅,再到銅锍底吹連續吹煉,從物料處理量5萬噸/年到150萬噸/年,開發了大小十幾種規格的底吹爐,全部一次投產成功;熱工專業為氧氣底吹熔煉新工藝配套開發余熱鍋爐,目前已獲20余項國家專利,其中12項發明專利,總體技術在我國處于領先水平;硫酸專業配套設計的制酸車間,集成應用了國內外制酸新技術,尤其在中溫低溫位熱能利用和污酸回收、尾氣脫硫等方面,取得了重要進展,大幅降低了制酸能耗和成本,有效改善了冶煉環境。


          10
          未來,為進一步實現資源利用最大化、環境影響最小化、能源消耗最低化和工藝裝備智能化的目標,中國恩菲將繼續開展技術研發與應用拓展研究,主要包括以下幾個方面:
          1. 縱向和橫向拓展氧氣底吹技術的應用領域,在銅、鉛復雜和難回收資源回收,鎳、鋅、稀貴金屬資源回收,冶煉固體廢渣處理,重金屬污染土壤環保處理、城市固廢垃圾處理等方面開展應用研究;
          2. 在全面滿足目前國際最先進環保影響前提下,進一步全系統優化,開展未來發展環境適應性研究,以滿足未來30年—50年國際對環境影響的更高標準要求;
          3. 開展裝備大型化和智能化研究,使該工藝成為國際有色金屬冶煉的首選技術。
          氧氣底吹技術,是中國恩菲聯合行業企業共同開發的自主技術,更是中國有色金屬行業完全自主開發的重要技術。中國恩菲和行業同仁,都肩負著提升技術應用水平、拓展技術應用范圍的神圣使命,上述研究,也將為氧氣底吹技術的應用開辟更為廣闊的天地,中國恩菲將充分發揮自身有色冶金工程國家隊的責任擔當,使氧氣底吹冶煉技術成為國家銅、鉛、鎳、鋅等基礎金屬產業轉型發展的關鍵支撐技術,成為提升國家有色金屬產業國際競爭力的核心保障技術,成為國際產能與裝備制造合作的引領技術,成為國際基本金屬冶煉優先技術。(全球金屬網 OMETAL.COM) (您想天天免費看到如此海量的金屬資訊嗎?1、點擊此處將全球金屬網設為您的上網首頁 2、點擊此處將全球金屬網添加到您的收藏夾內。)
         
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