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铜 阳极精炼系统和方法

阅读：735发布：2020-05-11

专利汇可以提供铜阳极精炼系统和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供铜阳极精炼的方法和系统，其中，采用集束射流技术来加热熔化的粗铜和/或使用熔化火焰来熔化废铜装料，氧化熔化的粗铜中的硫，并使用来自一个或更多个多功能集束射流喷管组件的顶吹的集束射流气流来还原熔化的粗铜中的氧。本发明的系统和方法采用基于微处理器的控制器，该控制器操作性地控制到集束射流喷管的含氧气体、惰性气体、还原剂和燃料的流量。公开的铜阳极精炼系统和方法大大地提高铜产量同时减少氧化/还原周期时间并且使NOx排放最小化。，下面是铜阳极精炼系统和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.铜的阳极精炼的方法，所述方法包括以下步骤：
（i）把熔化的粗铜加到炉中；
（ii）把废铜加到炉中熔化的粗铜中；
（iii）使用由顶吹、多功能集束射流喷管产生的熔化火焰熔化所述废铜或者加热熔化的粗铜，所述集束射流喷管连接到含氧气体来源和燃料来源；
（iv）使用从集束射流喷管喷出的顶吹的集束含氧气流在炉中氧化熔化的粗铜中的硫杂质，所述集束射流喷管连接到含氧气体来源和燃料源；和
（v）使用从集束射流喷管喷出的顶吹的、含有还原剂和惰性气体的集束还原气流在炉中还原所述熔化的粗铜中的氧；所述集束射流喷管连接到含氧气体来源、燃料源、还原剂来源和惰性气体来源。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述铜的阳极精炼的方法是连续的火法精炼法并且所述方法还包括以下步骤：对引入炉内的废铜或熔化的粗铜的各额外装料重复步骤（iii）至（v）。
3.铜阳极精炼系统，所述系统包括：
具有耐火壁的铜火法冶金炉，所述炉适合于容纳具有上表面的熔化的铜浴并且所述炉限定在所述铜浴的上表面以上的顶部空间；
至少一个多功能、集束射流喷管，所述喷管连接到含氧气体、惰性气体、还原剂和燃料的来源，所述集束射流喷管安装在所述炉耐火壁中在所述铜浴的上表面以上的位置处；和控制器，所述控制器操作性地控制到至少一个集束射流喷管的含氧气体、惰性气体、还原剂和燃料的流量；
其中，从至少一个集束射流喷管产生包含燃料和含氧气体的熔化火焰，以便加热熔化的铜或者熔化提供给炉的任何废铜装料；并且
其中，从集束射流喷管产生集束含氧气流，以氧化铜浴中的硫；并且
其中，从集束射流喷管产生含有还原剂和惰性气体的集束还原气流，以还原铜浴中的氧。
4.一种阳极炉中铜的连续精炼的方法的改进，所述改进包括以下步骤：
把熔化的粗铜加到阳极炉中并且任选地把废铜加到阳极炉中熔化的粗铜中；
使用从安装在阳极炉的耐火壁中在熔化的粗铜的上表面以上的位置处的集束射流喷管喷出的顶吹的、集束含氧气体流在阳极炉中氧化熔化的粗铜中的硫杂质，所述集束射流喷管连接到含氧气体来源和燃料来源；和
使用从集束射流喷管喷出的顶吹的、含有还原剂和惰性气体的集束还原气流在阳极炉中还原熔化的粗铜中的氧；所述集束射流喷管连接到含氧气体来源、燃料来源、还原剂的来源和惰性气体的来源。
5.如权利要求1或4所述的方法，还包括在氧化步骤之后和在还原步骤之前；在熔化或加热步骤之后和在氧化步骤前；在加料步骤期间；在熔化步骤期间；或者在还原步骤之后，引导一个或更多个吹扫流通过多功能集束射流喷管的步骤。
6.如权利要求1或4所述的方法，其中，在两个或更多个子步骤中实施氧化步骤，其中，在第一步骤中使熔化的铜与氧气浓度为至少30体积%氧的第一集束含氧气流接触，随后使熔化的铜与氧气浓度低于所述第一集束含氧气流的第二集束含氧气流接触。
7.如权利要求1或4所述的方法，还包括在把铜铸造成阳极期间，通过使所述熔化的铜与由所述集束射流喷管产生的熔化火焰接触来加热所述熔化的铜的步骤。
8.如权利要求1或4所述的方法，还包括使用从集束射流喷管喷出的气流从熔化的铜中除去炉渣以便向炉口方向引导炉渣的步骤。
9.如权利要求1或4所述的方法或者如权利要求3所述的系统，其中，所述含氧气体是工业级纯氧气，所述还原剂和燃料是天然气，并且所述惰性气体是氮气。
10.如权利要求1或4所述的方法或者如权利要求3所述的系统，其中，所述熔化火焰基本上不含氮气。
11.如权利要求1或4所述的方法或者如权利要求3所述的系统，其中，在把废铜或熔化的铜加入炉的过程中从集束射流喷管把顶吹的氮气气流引入炉顶部空间以抑制在炉中NOx的形成。
12.如权利要求1或4所述的方法或者如权利要求3所述的系统，其中，所述集束射流喷管是在除了熔化、氧化和还原的铜精炼步骤期间可从炉中除去的可移除、轻重量的集束射流喷管。
13.用于在金属的精炼过程中抑制NOx形成的方法，所述方法包括以下步骤：
向炉中熔化的金属浴提供废金属的装料，所述炉装备有至少一个顶吹的喷管组件并且连接到含氧气体来源、燃料来源和氮气来源；
使用使用燃料和含氧气体的熔化火焰来熔化所述废金属装料；
使用含氧气体或还原剂来氧化或还原熔体中的杂质；和
在提供废金属的装料的步骤期间或之后，使用顶吹的喷管组件间断地把规定体积的氮气喷射入炉顶部空间以便抑制在精炼过程中NOx的形成。

说明书全文

铜 阳极精炼系统和方法

发明领域

[0001] 本发明涉及利用工艺气体(process gas)（例如氧化和还原工艺气体）对含铜材料的火法冶金处理，以便将此类材料转化成更高价值的含铜材料。更具体地，本发明涉及熔化的粗铜的阳极精炼，以便通过用氧化和还原工艺气体的集束气流对熔化的粗铜进行选择性处理而除去硫、氧和其它杂质。

背景技术

[0002] 铜的制造通常涉及多步骤工序，包括浓缩、熔炼、吹炼、精炼、阳极铸造和电解精炼工序。典型地，从包含一种或更多种铜硫化物的矿石或铜-铁-硫化物矿（例如辉铜矿、黄铜矿和斑铜矿）开始，把该矿石转化成通常含有25至35重量百分率（重量%）的铜的浓缩物。然后，首先用热和氧气把该浓缩物转化成冰铜、再转化成粗铜。经常把额外的固体废铜加到粗铜中。粗铜的进一步精炼减少粗铜中氧和硫杂质，典型地分别从高达0.80%和1.0%减小到低至0.05%和0.002%，所述精炼通常是在约1090℃(2000℉)至1300℃(2400℉）的温度范围内进行并且包括氧化过程以便将硫氧化成二氧化硫（所述二氧化硫从浴中析出）以及还原过程以除去在氧化步骤后存在的溶解氧。

[0003] 粗铜精炼成阳极铜可作为分批过程或半连续过程来进行。在任一种情况下，典型地利用高速浸入式吹风管嘴将氧化剂气流和还原剂气流注入铜熔体中。然而，常规铜阳极火法精炼法以及经由浸入式吹风管嘴注入氧化剂和还原剂气流与许多操作上的困难和高成本相关联。此类困难包括：吹风管嘴维护和可靠性问题；由于氧化剂气体和还原气体的腐蚀作用所导致的炉耐火材料的高度磨损；过量的NOx形成和精炼工艺的变化。

[0004] 需要一种改进的铜阳极精炼方法，该方法消除了对浸入式吹风管嘴的需要并且实现高精炼效率和生产量，同时降低操作成本并降低与铜阳极精炼法相关的NOx的水平。

[0005] 本发明公开的利用集束气流的铜精炼系统和方法包括多个特征和方面，从生产率和环境的观点来看，这些特征和方面单独地和共同地提高了铜精炼法。在下面的各部分中将更详细地介绍本发明的这些方面和特征。

发明内容

[0006] 在一个方面，本发明的特征在于阳极铜精炼的方法，该方法包括以下步骤：（i）向炉中提供熔化的粗铜；（ii）把废铜加入炉中的熔化粗铜中；（iii）使用由顶吹的多功能集束射流喷管产生的熔化火焰来熔化所述废铜或者加热熔化的粗铜；（iv）使用从集束射流喷管喷出的顶吹、集束含氧气流在炉中氧化熔化的粗铜中的硫杂质，所述集束射流喷管与含氧气体来源和燃料源连接；以及（v）使用从集束射流喷管中喷出的含有还原剂和惰性气体的顶吹、集束还原气流在炉中还原熔化的粗铜中的氧。

[0007] 在另一个方面，本发明的特征在于用于铜阳极精炼的系统，该系统包括：具有耐火壁的铜火法冶金炉，该炉适合于容纳具有上表面的熔化的铜浴并且所述炉限定在铜浴的上表面上方的顶部空间；至少一个与含氧气体、惰性气体、还原剂和燃料的来源相连的多功能集束射流喷管，所述集束射流喷管安装在所述炉耐火壁中铜浴的上表面以上的位置处；以及控制器，该控制器操作性地控制到至少一个集束射流喷管的含氧气体、惰性气体、还原剂和燃料的流量。该多功能集束射流喷管适合于提供熔化火焰以加热熔化的铜或者熔化提供给炉的任何废铜装料；集束含氧气流以氧化铜浴中的硫；以及含有还原剂和惰性气体的集束还原气流以还原铜浴中的氧。

[0008] 在另一个方面，本发明的特征在于用于在阳极炉中铜的连续精炼的方法的改进。该改进包括以下步骤：（i）向阳极炉提供熔化的粗铜并且任选地将废铜加到阳极炉中的熔化的粗铜中；（ii）使用从安装在阳极炉的耐火壁中在熔化的粗铜的上表面以上的位置处的集束射流喷管中喷出的顶吹的集束含氧气流在阳极炉中氧化熔化的粗铜中的硫杂质；和（iii）使用从集束射流喷管中喷出的含有还原剂和惰性气体的顶吹的集束还原气流在阳极炉中还原熔化的粗铜中的氧。

[0009] 附图简述从结合以下附图所呈现的以下更详细的说明中，本发明的以上及其它方面、特征和优点将更明显，其中：
图1是在Kennecott Utah Copper设备中所使用的铜阳极精炼法的一部分的示意图，包括阳极炉。

[0010] 图2A是设置在水冷却的外壳内的现有技术的集束射流喷管组件的等尺寸视图，而图2B和图2C是根据本发明的更简单、更小且更轻重量的集束射流喷管组件的图。

[0011] 图3是根据本发明的一个实施方式的集束射流喷管组件的横截面侧视图。

[0012] 图4是图3的集束射流喷管组件的横截面纵向视图。

[0013] 图5是集束射流喷管组件的一个替代实施方式的横截面侧视图。

[0014] 图6是图5的集束射流喷管组件的替代实施方式的横截面纵向视图。

[0015] 详述如本文中使用的，术语“集束气流”或者“集束射流”表示在径向上射流直径增加很小或者无增加并且在至少20个喷嘴直径的距离上保持其轴向速度（当从喷嘴的表面测量时）的气流。通过如下方式形成此类射流：经过会聚/发散喷嘴喷出气体射流并且用延伸达射流长度的至少一部分、优选地射流的整个长度的火焰的包围物包围该气体射流。类似地，术语“火焰包围物”表示由燃料和氧化剂的燃烧而形成的沿一个或更多个气流延伸的燃烧流。

[0016] 在广义上，本发明公开的精炼系统和方法总体上涉及集束射流技术在非铁金属的火法冶金精炼中的应用。虽然本发明在其优选的实施方式中具体涉及熔化的铜的阳极精炼，但是本发明的系统和方法的某些方面和特征同样可应用于其它非铁金属（例如镍、铅、锌和锡）的精炼。应理解，在利用本文中公开的技术精炼的非铁金属的熔体中可存在各种量的铁金属。然而，本公开的系统和方法特别用于铜的阳极精炼和特别地以下类型的铜的阳极精炼工序：其中将铜装料加热并且/或者熔化，然后使其相继地与来自相同喷管组件的氧化和还原工艺气体接触以减小其中硫和氧杂质的量。

[0017] 集束射流技术包括将集束气体射流形式的气体以超音速喷射入熔化的金属浴中以达到与常规气体喷射技术相比更优的工艺益处。特别设计的气体喷嘴使气流射流保持集束。集束表示保持射流的直径和速度。当与常规的超声气体射流喷射相比较，集束射流以更高的动量、更好的冲击、更小的发散或衰减、更少的周围炉气体的夹带、和减少的空穴形成或喷溅将精确量的气流输送到熔化的金属浴中。使用集束射流装置输送的气体撞击在熔化的铜浴上使其离开炉壁，这与通过炉壁喷射气体的浸入式吹风管嘴气体喷射相比可以延长炉衬里寿命。

[0018] 本发明公开的铜精炼系统和方法通过使用一个或更多个用于输送含氧气体、惰性气体或氮气、还原剂以及烃燃料（例如天然气）至阳极炉和/或至设置于其中的粗铜熔体的多功能顶吹集束射流装置，完全实现无吹风管嘴的铜阳极精炼法。通过消除对浸入式吹风管嘴的需要，消除了与吹风管嘴相关的维护和可靠性问题以及成本并且显著延长炉膛前床的使用寿命。此外，通过使用集束射流装置来提供熔化火焰，使炉适合于将熔体维持在所需温度并且甚至实施额外的废铜熔化，这可以消除与单独的废铜熔化炉相关的需要和成本。本发明的铜精炼法（包括Kennecott Utah Copper的连续铜精炼法）的全面理解公开于例如美国专利第6,210,463号及Re 36,598中。

[0019] 输送至阳极炉的气体优选地包括氧气、天然气、氮气和它们的混合物，按照预先编程的设定点输送这些气体。更具体地，集束射流控制系统由气体流量控制系统（也称为气刹(gas skid)或配气机构(valve train)）和优选地一个或两个集束射流喷管组件构成。一般地，可以把任何所需的流量组合预先编程输入气体流量控制系统。可要求通过每个端口的最小气体流量或“吹扫流量”以防止喷嘴阻塞并且是如此的最小气体流量，即，无论何时在热炉中操作集束射流喷管，都通过控制器来设定和维持。

[0020] 待精炼的铜典型地包含任何合适的粗铜材料，该粗铜材料含有可反应量的硫和氧杂质并且可以经受本文中考虑的脱硫和脱氧反应。正如铜精炼领域中很好理解的，铜典型地以溶解气体形式以及与铜原子化学结合的形式（例如铜硫化物和铜氧化物的形式）含有硫和氧。典型地，来自连续吹炼的粗铜在氧化步骤之前含有在约800至6000 ppm硫范围内的或更多的硫杂质和约2000 ppm氧或更多的氧杂质。正如本领域的技术人员众所周知的，粗铜是在铜精炼的熔炼和吹炼步骤之后获得的产物。本发明的系统和方法考虑把此类粗铜直接转化成阳极铜。产生的阳极铜典型地含有小于约50 ppm硫和小于约2000 ppm氧。

[0021] 典型地，阳极炉包括旋转式圆筒形炉，例如具有耐火衬里的阳极炉，该炉任选地配备至少一个安装在转炉的端壁上用于向炉提供热的常规类型的空气-燃料或氧气-燃料燃烧器并且已加以修改以含有至少一个顶吹的多功能集束射流喷管组件。铜的熔体被容纳在炉的底部。炉膛前床限定在熔体表面以上的顶部空间。集束射流喷管组件优选地安装在炉的耐火壁中在铜熔体的表面以上的位置处并且使用熔化火焰或集束气流来提供熔体的顶吹。

[0022] 在公开的实施方式中，集束射流喷管安装在炉的顶部优选地与铜熔体表面成规定的角度，以使耐火壁的喷溅最小化。任选地，该炉可以采取底部搅拌设计，该底部搅拌设计包含至少一个设置在炉底部用于搅拌气体（例如氮气、氩气、二氧化碳、氧气或它们的组合）的注入的多孔塞。此外，该炉也可配备至少一个备用物（back-up）或第二吹风管嘴用于当集束射流喷管组件不起作用时把氧化气体和/或还原气体注入熔体，尽管在优选的实施方式中，由于前面已列举的与吹风管嘴相关的缺点而不赞成使用吹风管嘴。

[0023] 现在参考附图，图1是Kennecott Utah Copper设备中的阳极炉的示意图，该图显示了本发明铜精炼系统和方法的一个实施方式。显示第一阳极炉22具有单个集束射流喷管端口25，显示第二阳极炉24具有两个集束射流喷管端口25。尽管未显示，但集束射流喷管组件的安装位置优选地靠近现有的平台或走道，使得无需更多作业来接近集束射流喷管组件。所示的炉包括吹风管嘴26，其用于在传统的氧化和还原实践期间喷射气体。在除去熔渣34之后，经由进料端口28将来自瞬时转炉30的粗铜32加入到铜阳极炉中并且通过炉口29加入额外的废铜，其中，铜经历火法精炼工艺的许多步骤，包括装料熔化、氧化、撇渣和还原步骤。在各阳极炉内的火法精炼过程完成之后，可以除去较小的轻型集束射流喷管组件（如以下更详细地描述的），并且使炉旋转以便经由炉放液口（未图示）把熔化的铜40从阳极炉中抽出并前进至铸造步骤。

[0024] 更小、更轻重量的集束射流喷管组件设置在图1中所示的集束射流喷管端口25内。如以下更详细地讨论的，集束射流喷管组件用于在加入熔化装料中的任何废铜的熔化期间提供熔化火焰、以及在氧化和还原工艺步骤期间提供集束气流由此缩短氧化和还原周期时间并且提高阳极炉的生产率同时使不需要的NOx排放最小化。

[0025] 比较地，当不使用集束射流喷管组件和技术时，阳极精炼法可采用设置在各铜阳极炉22、24的远离进料端口28的一端20的常规JL氧气-燃料燃烧器，以便在适当的熔化或加热步骤期间为炉提供所需能量。而且，当不使用集束射流喷管组件时，使用浸入式吹风管嘴26以便将适当的气体引入铜熔体，在阳极炉内对铜应用氧化和还原工艺步骤。

[0026] 图2A显示了设置在水冷却的外壳内的现有技术集束射流喷管组件的等尺寸视图。现有技术的集束射流喷管组件具有最大跨度或直径约为16英寸的大的覆盖区(footprint)。现有技术的集束射流喷射器优选地设置在水冷却的外壳内。带水冷却的外壳的整个集束射流系统典型地重接近400磅。

[0027] 相反，本发明的铜阳极精炼系统和方法中使用的更小且更轻重量的集束射流喷管组件50显示在图2B和图2C中。更小且更轻重量的集束射流喷管组件50、150也设置在水冷却的外壳内，但是具有长度为约37至48英寸但最大直径仅为约7英寸的覆盖区。更细长的集束射流喷射器具有仅约3.5英寸的直径并且整个集束射流系统的重量约为图2A中所示的现有技术装置的一半。此更小且更细长的集束射流喷管组件50、150允许在炉膛前床上部内的进入端口更小以更容易且更安全地插入和除去喷管组件以及堵塞该端口。

[0028] 更轻重量的本发明的集束射流喷管组件连同上述安装位置提供集束射流喷管组件在阳极炉内的显著更容易的除去和安装。更小直径的端口通常更易于打开且更易于填塞，这使与炉相关的安全风险最小化。

[0029] 任何时候考虑在炉中使用集束射流喷管组件时，都需要考虑炉结构的完整性，特别是炉内表面上的耐火特征物的完整性。通过使用更小的集束射流喷管和组件以及更小的喷管端口，与现有技术的喷管组件相比，使与集束射流技术相关的结构和耐火问题最小化。

[0030] 集束射流喷管组件与燃料、含氧气体、还原气体和任选地惰性气体的来源经由气体控制刹或系统（未显示）连接。气体控制刹或系统操作性地控制进入集束射流喷管组件的气体流量以便为了实施不同的精炼步骤（包括废铜熔化以及铜熔体的氧化和还原）的目的而选择性地产生被喷射入炉中的不同气流。

[0031] 集束射流喷管适合于产生高速度、结构化的集束气流，其中从会聚-发散的喷嘴中喷出至少一种主要气流并且该主要气流被火焰包围物所包围，该火焰包围物从喷管组件或喷管面的远端延伸达主要气流的长度的至少一部分，优选地延伸达主要气流的基本上整个长度，即从喷管面延伸至铜熔体表面。火焰包围物用于防止周围（炉）气体被夹带入主要气流中，并由此抑制主要气流的速度衰减，并且允许主要气流在约20个喷嘴直径或更大的距离处撞击铜熔体的表面同时基本上保持射流轴向速度。气流轴向速度的保持使气流能够基本上保持其所有动量，横截面积基本上等于通过此距离的喷嘴出口区的横截面积，以改善主要气流与铜熔体之间的接触并因此改善集束气流与存在于铜熔体中的硫和氧杂质之间的反应，由此缩短周期时间并提高铜精炼过程的效率。

[0032] 集束射流喷管组件与炉中使用的不采用火焰包围物的常规的非集束顶吹气体喷射装置有很大的差异。伴随此类常规的顶吹气体喷射装置，当非火焰包围的气流通过炉气氛时，炉气体被夹带入气流中，导致其以特征性的圆锥形模式在径向快速膨胀，伴随轴向速度和动量快速损失。

[0033] 实际上，对于常规的顶吹喷管或装置，此轴向速度的损失是如此之大以致超声气流将在离喷管面的短距离内失去其超声特点。另一方面，对于集束射流技术，集束气流将在大于20个喷嘴直径（通常30至150个喷嘴直径）的距离上基本上保持其轴向速度。此类更大的长度使集束射流喷管组件能够安装在离铜熔体更远的位置（例如嵌入炉耐火壁），而不损失工艺效率。而且，集束气流的显著更高的速度能够使气体（比用常规顶吹非火焰包围的（即非集束的）气流所获得的）更深地渗透入铜熔体中。实际上，在许多情况下，认为该集束气流在浮力造成注入的气体回上来之前深深地渗透入铜熔体中，熔体内的气体行为模拟表面下注入的气体的行为，由此消除对浸入式吹风管嘴的需要。

[0034] 现在参考图3和图4，图中显示包括喷管面52的优选的集束射流喷管喷射器，喷管面52具有被燃料端口56和氧化剂端口58的同心环所包围的中心设置的主喷嘴54。尽管图3和图4中未显示，但是集束射流喷管喷射器包含在水冷却的夹套外壳中，从水夹套到水管结合配件使用柔软的软管对夹套外壳进行水冷却。冷却水夹套通常接收大流量的冷却水，一部分冷却水从冷却水夹套头被转向到集束射流喷管组件。

[0035] 在该优选实施方式中，燃料优选地是经由通道65连接到燃料端口56的天然气64。同样地，氧化剂是含氧气体，例如经由通道63连接到氧化剂端口58的工业纯氧62。优选地，各燃料端口56和氧化剂端口58设置在水冷却的外壳内的环状凹槽中，以便使任何的端口的堵塞最小化。主要气体喷嘴54是考虑希望用集束射流喷管组件50输送的气体和气体流量而适当设计尺寸的高速会聚-发散喷嘴。优选地喷嘴54的上游端经由第一通道61连接到一个或更多个气体的来源60。虽然图3和图4显示简单的优选的喷射器设计，但是如果需要可采用替代的喷射器配置和喷嘴构造。例如，可采用双主要气体喷嘴来代替单中心喷嘴。

[0036] 现在参考图5和图6，图中显示出集束射流喷管喷射器的一个替代的优选的实施方式，其包括喷管面152，所述喷管面152具有围绕其径向中点而在其中中心设置的且被气体端口155的单个同心环所包围的主喷嘴154。尽管图5和图6中未显示，但集束射流喷管喷射器也包含在水冷却的夹套外壳内并且也可并入用于检测熔体温度的高温计组件。

[0037] 在此替代的优选的实施方式中，燃料优选地是经由通道165连接到一些气体端口155的天然气164。同样地，氧化剂是经由通道163连接到其它气体端口155的含氧气体（例如工业纯氧162）。优选地，以交错顺序排布气体端口155的同心环，其中将与燃料相连接的气体端口155设置成靠近与氧气连接的气体端口155，反之亦然。所有的气体端口155优选地设置在水冷却的外壳内的环状凹槽中，以便使由于熔体喷溅所导致的任何的端口堵塞最小化。主要气体喷嘴154是考虑希望用集束射流喷管喷射器输送的气体和气体流量而适当设计尺寸的高速会聚-发散喷嘴。主要气体喷嘴154优选地经由通道161连接到一个或更多个气体的来源，包括优选地经由连接器 172连接到主要氧气来源160以及经由连接器171连接到惰性气体（例如氮气）的来源170。

[0038] 本发明的集束射流喷管组件能够产生常规的熔化火焰（软吹(soft blown)）和被火焰包围物包围的集束气流（硬吹(hard blown)）。如本文中使用的，“熔化火焰”是指具有大表面覆盖度的软吹非切割火焰（在氧气-燃料燃烧器领域中称为“浓密火焰(bushy flame)”）。此类火焰是通过调节燃料和氧化剂的流量而产生，使得产生这样的火焰，该火焰在径向扩展并且在离喷嘴或氧枪面的远端约20个喷嘴直径的距离内失去其超声特征。如其名称所暗示的，此类火焰优选地用于固体铜和其它装料材料（例如废铜）的熔化，因为它们在大表面积上提供大量的热用于熔化装料材料。在本发明的实施方式中，在此类熔化过程中所使用的气流基本上无氮气以使NOx的形成最小化。熔化火焰也能用于在任何“保持/闲置”和“燃烧器”操作模式期间将铜熔体的温度维持在规定的范围内。

[0039] 优选地，在熔化火焰的产生中，将到主要气体喷嘴的气体流量从高流量、超声速状态节流至至少足以防止喷嘴堵塞的减小的流量（在本文中称为 “吹扫流量”），但是，如果需要，可以继续通过喷嘴的高速气体流量，但没有火焰包围物而产生混合熔化/切割火焰。本发明的系统和方法考虑使用浓密和混合火焰，并且该浓密和混合火焰归入通用术语 “熔化火焰”。

[0040] 适用于本发明的系统和方法的燃料包括大部分烃燃料（例如天然气、氢气）和液体燃料，但最优选天然气。有用的氧化剂包括含氧气体和优选地工业级高纯度氧气。优选地，当集束射流喷管组件在“燃烧器模式”（例如熔化火焰模式）中操作时，调节天然气和含氧气体的流量使得天然气和含氧气体的总流量分别在主要喷嘴与第二端口之间均匀分割(split)。

[0041] 基于微处理器的PLC控制器操作性地连接到集束射流装置以便在多种不同操作模式（例如保持/闲置模式、燃烧器模式、或者精炼模式）中和对用户命令和炉操作条件的响应中精确地控制到集束射流喷管的气体的供应。实际的气体流量典型地受操作模式以及正在实施的具体精炼工艺步骤（例如冷粗铜加热或者废铜熔化、氧化、还原、撇渣等）的支配。本发明的集束射流系统所采用的操作模式和详细工艺步骤的选择，优选地由阳极炉操作者在控制室或控制站中经由触摸屏人机界面来进行。

[0042] 本发明铜阳极精炼系统和方法的主要工艺目的是为扩大的或增加的废铜熔化向阳极炉提供能量，同时保持低于熔化炉NOx极限并且缩短总的氧化和还原周期时间。换句话说，本发明的系统和方法的目的是在操作成本、能量效率、周期时间和最低可实现NOx形成之间达到最佳平衡。典型的铜炉操作包括以下步骤：（i）加料、（ii）熔化、（iii）氧化、（iv）还原、（v）撇渣、和（vi）铸造。下面更详细地讨论使用本发明的集束射流方法的以上鉴别的精炼工艺步骤的详细工艺步骤。

[0043] 加料和NOx控制如上讨论的，本发明的系统和方法提供改进的低NOx铜阳极精炼工艺，其中采用集束射流喷管组件相继地接收熔化的粗铜和装料废铜、熔化的铜装料、使该熔体脱硫、任选地将熔体撇渣、对熔体脱氧并且任选地向熔体提供热以协助铸造过程。在此方法的第一步中，在炉中提供铜的熔体。一般此铜熔体将采取从以前的精炼操作中剩余的熔化的铜边角料的形式，经由从燃烧器或替代地从集束射流喷管组件提供的热，使该铜熔体保持熔化形式。向此边角料中，在约7至10小时的加料时间内把固体铜加入到炉中。需要时，还可以把占总装料的一小部分（基于重量）的量的冷废铜加入到炉中。可在一个或更优选在数个步骤中把固体废料加入到炉中。

[0044] 在炉的加料期间，伴随炉门的附带打开，使内容物暴露于环境气氛中，导致大量NOx的形成。实际上，已发现在加料步骤期间的NOx的产生是在整个阳极精炼过程期间NOx形成的最大单一来源。当使用以“保持/闲置模式”操作的本发明的喷管组件时，通过在加料步骤期间抑制NOx的形成能显著减少整个工艺NOx形成的量。

[0045] 已意外发现，通过经由集束射流喷管组件把氮气喷射入炉顶部空间，可显著而意外地减小NOx形成。在一个实施方式中，经由喷嘴将氮气、氧气和天然气流喷入炉的顶部空间。虽然不想受任何具体理论或操作模式的约束，但是认为此氮气流猝熄(quench)存在于顶部空间内的高温区域，该高温区域驱动NOx形成，导致NOx形成的水平降低。在某种程度上，此结果是反直觉的，因为人们会预计将氮气喷入顶部空间且暴露于高温中反而会增加NOx形成的量。

[0046] 在加料和NOx抑制步骤中，将气体流量维持在低流量条件下，该低流量足以至少吹扫堵塞有材料的喷管通道并且防止由于熔化的铜的喷溅造成的喷管的堵塞。在任何NOx抑制步骤中，优选地采用主喷嘴来提供略微较高流量的氮气流用于NOx抑制。该氮气流量典型地小于约10,000 scfh，优选地从主喷嘴中喷出约9,000 scfh的氮气，同时以比氧化和还原步骤中使用的流速更低的流速从第二端口喷射出氧化剂和燃料流。此操作模式被称为“保持/闲置模式”。

[0047] 虽然已关于用铜材料进行炉的加料对NOx抑制步骤进行了描述，但是已发现氮气或者用于NOx抑制的其它猝息气流的使用可应用于精炼工艺的其它阶段中，无论何时在精炼工艺期间遇到高NOx水平。例如，无论何时在精炼操作的其它阶段中精炼过程产生不希望的量的NOx时，也可以使用本文中公开的NOx抑制技术，通过周期性地或暂时地把集束射流喷管从其它操作模式切换到上述的“保持/闲置模式”然后以减小的流速把氮气或其它猝熄气流喷射入炉顶部空间直到炉NOx水平下降。此类NOx控制策略优选地是一个编程后输入基于微处理器的PLC控制器中的自动特征。

[0048] 熔化在加料后，优选地通过由集束射流喷管组件以一定的温度和一定的时间长度产生的热来进行装料的熔化，所述温度和时间长度足以产生并维持约1200℃至1250℃的熔体温度。
为了此目的，到集束射流喷管组件中的气流是含氧气体和燃料并且优选地基本上无氮气。
以已知的方式调节气体流量以便提供从集束射流喷管组件喷入炉顶部空间并任选地与铜装料接触的熔化火焰。

[0049] 熔化火焰提供固体装料的快速熔化以形成熔化的铜熔体。典型地，装料将与熔化火焰接触装料熔化所需时间段的至少一部分、优选熔化装料所需的整个时间段。在此工艺步骤中，本发明的集束射流系统和方法以所谓“燃烧模式”操作。此“燃烧模式”的特征在于来自喷管组件的气流的流速较低并且典型地在熔化过程和铸造过程期间操作。

[0050] 在熔化装料后，本发明的集束射流系统和方法通常以所谓“精炼模式”操作。“精炼模式”的特征在于来自喷管组件的高速度的被隔离的气流。在许多氧化过程、还原过程以及撇渣过程中选择“精炼模式”。主喷嘴气流的气体组成取决于正在执行的活化工艺步骤（例如氧化、撇渣或者还原）。

[0051] 氧化在熔化装料后，随后用集束含氧气流对所得铜熔体进行顶吹以对熔体进行脱硫并把其中存在的硫氧化成SO2。集束含氧气流可包含至多100体积%的氧气，具有仅痕量的其它气体。实际上，从喷嘴喷出的集束含氧气流可包含含有至少 21体积%氧气、更优选地至少36体积%氧气的氧气与氮气的混合物。集束含氧气流典型地具有约1.0至2.5 Mach、优选地约1.5至2.25 Mach、更优选地约1.8至 2.0 Mach的轴向（即，流动方向上）速度，并且通过如下方式产生，以已知方式调节来自第二氧化剂端口的氧气、来自第二燃料端口的燃料（例如，天然气）和来自主喷嘴的氧气的流量，使得在主氧气气流的至少一部分长度上、优选地在主氧气气流的整个长度上，围绕主氧气流产生火焰包围物。

[0052] 在氧化步骤中典型的流量条件包括约5,000 scfh至7,000 scfh的燃料流量、约4,000 scfh至5,000 scfh的第二氧气流量、和约45,000 scfh至60,000 scfh总流量的主要含氧气体流量。在约1200℃至约1250℃的熔体温度下进行用集束含氧气流对铜熔体顶吹，并且这种顶吹持续一定时间长度，该时间长度足以将存在于熔体中的硫的量从例如约
800-3,000 ppm（基于重量）减少至约40至约100 ppm硫。

[0053] 脱硫步骤可以如上所述作为单一步骤工序来执行、或者任选地可作为多步骤工序来执行，在所述多步骤工序中，在第一步骤中，用具有较高氧气浓度的集束含氧气流对铜熔体进行顶吹，在第二步骤及随后的步骤中，用具有较低氧气浓度的集束含氧气流对铜熔体进行顶吹。此多步骤操作可具有避免铜熔体过度氧化的优点。在所考虑的多步骤工序中，首先用具有约30至60体积%的氧气浓度且余量包含惰性气体优选氮气的集束含氧气流对铜熔体进行顶吹。之后，将存在于含氧气体中的氧气量减少至约21体积%至约36体积%（余量包含惰性气体、优选氮气）并且利用更低浓度的集束含氧气流对铜熔体进行顶吹直到硫浓度减小到希望的水平例如约40 ppm至约100 ppm硫。当然，如果需要，在随后的步骤中可采取用较高氧气浓度的集束气流较少地顶吹和用较低氧气浓度的集束气流较多地顶吹，以减小熔体过度氧化的可能性，但是完成精炼过程的脱硫阶段所需的时间的量可能因此增加。

[0054] 多步骤氧化工序的流量条件通常对应于一步骤工序的流量条件，并且包括例如约5,000 scfh 至7,000 scfh的燃料流量、约4,000 scfh至5,000 scfh的第二氧气流量、和约45,000 scfh至60,000 scfh总流量的来自喷嘴的主要含氧气流。

[0055] 撇渣在用集束含氧气体对铜熔体进行氧化之后，可使熔体经历任选的撇渣步骤。虽然对本发明公开的系统和方法的实施不是必需的，但是可能需要周期性地进行撇渣以便防止在铜阳极炉的连续或半连续操作期间炉渣在炉中堆积。在此步骤中，使炉围绕其纵轴旋转以便可通过炉口除去炉渣。为了对炉渣提供原动力，可采用集束射流喷管组件对铜熔体进行顶吹，以便使其表面上的炉渣升高并把炉渣引向炉口的方向。虽然为此可使用任何合适的主要气流，但是优选采用惰性气体（诸如氮气、或者氧气/氮气气体混合物）作为顶吹气流。如上，通过从喷嘴中喷出主要气流的超声流并且用由通过端口的氧气和燃料的燃烧形成的火焰包围物包围该主要气流的超声流来形成顶吹气流。

[0056] 还原在氧化和任选的撇渣之后，铜熔体典型地含有约3,000至7,000 ppm（重量）的氧、例如约4,000 ppm氧。相反，在加料时粗铜的氧水平典型地包含约2,000 ppm氧。因此，与初始值相比，通过氧化步骤显著地增加铜熔体的氧水平。为了把熔体中存在的氧减少到可接受的水平，然后通过集束射流喷管组件用还原气体（例如氢气、天然气、烃、一氧化碳和氨）对熔体进行顶吹，以便对铜熔体进行脱氧并把存在于铜熔体中的氧的量减小至期望值。优选地，脱硫后铜熔体中的氧水平从约4,000 ppm（以重量计）减小至约1,500至约1,900 ppm氧，优选约1,500 ppm氧。还原步骤中典型的熔体（反应）温度在约1170℃至约1180℃的范围内。如同对于氧化过程，能在一个或更多个步骤或亚过程中采用具有不同气体浓度的集束还原气流来实施还原过程。

[0057] 集束还原气流是通过如下方式形成，从喷嘴中喷出主要还原气流的超声流并且用通过经过喷管面上的第二端口的第二氧气和燃料的燃烧形成的火焰包围物包围该还原气流的超声流。集束还原气流可包含至多100%还原剂（例如，天然气）。优选地，该集束气流包含还原剂与惰性气体（例如氩气、水蒸气、氮气、氦气和CO2（其中最优选氮气））的混合物，该混合物含有约5体积%的还原剂至约25体积%的还原剂、更优选地约10体积%的还原剂至约20体积%的还原剂，并且余量包含惰性气体例如氮气。此类还原剂/惰性气体混合物优选地通过如下方式形成，通过气体控制刹或系统对到集束射流喷管组件的天然气和氮气的流量进行调节，以便从主喷嘴中喷出天然气与氮气的混合物。

[0058] 已发现，在还原过程中对集束还原气流使用混合的还原剂/惰性气流产生某些操作优点。特别是，已发现，由于它们的低分子量（即质量），仅由或者主要由还原剂组成的气流形成仅有限长度和射流力的集束气流。实际上，由于它们的低质量，仅有还原剂的集束气流可能不具有足够的射流力以刺穿铜熔体并促进还原剂与铜熔体的充分的气体/液体混合。为了克服这个问题，经常只能通过用多孔塞和浸入式吹风管嘴补充顶吹的还原剂或者使用浸入式吹风管嘴严格地导入还原剂，来实现用于将还原剂引入熔体的常规手段。

[0059] 有利地，由于它们的较高的质量，惰性气流形成有用长度和射流力的优异的集束气流。通过使用混合的还原剂/惰性气流，能克服与单一使用顶吹的还原剂相关的操作问题。通过把还原剂（例如，天然气）与氮气或其它惰性气体流混合，氮气或其它惰性气体充当载气或推进剂，以高射流力把还原剂输送至铜熔体，所述高射流力足以实现高效的气体/液体混合并且消除了对用多孔塞或浸入式吹风管嘴补充还原剂的喷射的需要。

[0060] 铸造一经完成还原步骤，所得阳极铜典型地含有约15 ppm或更少的硫、1,900 ppm或更少的氧，并且具有约1200℃范围内的熔体温度。在该点，阳极铜容易铸造成阳极以进行随后的电解精炼。为了在铸造操作期间提供热以维持熔体温度，在一个优选的实施方式中，可以如以上关于铜装料熔化步骤所述的类似的方式用来自集束射流喷管的熔化火焰对铜熔体进行顶吹，对主要含氧气体、第二氧气和燃料的流量进行调节以提供大约例如约3至约5体积%的略微化学计量过剩的燃料。通过使用这种富燃料的熔化火焰，使熔体的再氧化最小化。在此铸造步骤过程中，本发明的集束射流系统和方法均以“燃烧模式”操作。
实施例

[0061] 表1描述了考虑与用于商业规模操作的本发明的铜阳极精炼系统和方法一起使用的气体流量的范围。

[0062] 表1. 典型的喷管组件气体流量在Kennecott Utah Copper的阳极炉（一种商业规模铜阳极炉）中对本发明公开的铜阳极精炼系统和方法进行评估。显示使用采用集束射流技术的本发明的铜阳极精炼系统和方法的阳极炉的性能对使用采用氧气-燃料端-燃烧器（即JL燃烧器）和浸入式吹风管嘴的传统铜阳极精炼工艺的阳极炉的性能的比较结果显示在表2中。

[0063]表2. 在Kennecott Utah Copper（West 炉）中的铜精炼
如预期的，当使用采用集束射流技术的本发明的铜阳极精炼系统和方法时，总的燃料消耗和氧气消耗增加。具体地，燃料消耗从7930 NCFH天然气的基线升高至8480 NCFH 天然气，增加了约7%。氧气消耗从12290 NCFH增加至14140 NCFH，增加了约15%。然而，增加的天然气和氧气的成本通过大大增加的铜产量得到补偿。特别是，废铜熔化从使用传统铜阳极精炼工艺时的约10吨/装料增加到使用采用集束射流技术的新的铜阳极精炼系统和方法时的34吨/装料，增加了约240%。此外，与氧化和还原步骤相关的周期时间从传统工艺下的总共165分钟减小到使用以集束射流为基础的工艺时的120分钟，减少了27%。

[0064] 而且，通过使用采用从相同的集束射流喷管组件相继输送氧化和还原工艺气体（伴随插入的吹扫）的新的铜阳极精炼系统和方法，与熔化的粗铜传统工艺中的相应的硫含量相比，在两个所选的点处，熔化的粗铜中的硫含量显著减少。正如预期的，在本发明的铜阳极精炼系统和方法中，由于提供给炉的氧气增加，因而以集束射流为基础的工艺中的氧气含量略微增加。此过量的氧也导致除去过量的且不需要的氧所需的还原时间略微增加。

[0065] 同样重要的是，本发明的基于集束射流的系统和方法，正如商业规模的铜阳极炉所证明的，在整个工艺过程中将NOx含量有效控制在低于规定的水平。

[0066] 从以上，应理解,公开的实施方式和实施例提供了铜阳极精炼的各种方法和系统。尽管已参考某些优选的实施方式详细说明了本发明，但在不脱离本发明权利要求的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可做出许多其它的修改、变化、改变、添加和删除。

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