Savard-Lee双重套管喷嘴在钢铁冶金和有色冶金行业应用发展综述

李秀军 摘译

(山东东营方圆有色金属有限公司， 山东 东营 257000)



国外工程技术

Savard-Lee双重套管喷嘴在钢铁冶金和有色冶金行业应用发展综述

李秀军 摘译

(山东东营方圆有色金属有限公司， 山东 东营 257000)

钢铁冶金和有色冶金的主要相似点：都在高温条件下进行，并且都是熔融状态，所以冶金学者坚信一些有色冶金技术可以从钢铁冶金技术改造而来，反之亦然。萨- 李(Savard-Lee)双重套管喷嘴就是这样一种技术。本文对采用双重套管喷嘴的主要冶金工艺进行了阐述。这些工艺主要包括铅、铜熔池熔炼工艺(QSL法，SKS法)，铜、镍熔池吹炼工艺，铜火法精炼工艺(吹入O2/N2/H2)和铅- 银灰吹工艺(BBOC)。作者着重强调了萨- 李双重套管喷嘴如何从氧气底吹钢铁冶金(OBM)应用到有色冶金中。

双重套管喷嘴； 有色冶金； 综述

1992年，Mackey和Brimacombe 在一篇文章中介绍了加拿大的Guy Savard和Robert G.H. Lee在1966年如何利用他们发明的富氧双重套管喷嘴谱写冶金历史，这种双重套管喷嘴后来被命名为萨- 李(Savard-Lee)喷枪。这个发明迎来了氧气底吹工艺的应用，这对于70年代钢铁冶金是一次革命。萨-李喷枪对有色冶金有着重要的影响，因为所有氧气底吹工艺的熔炼和吹炼都要采用萨- 李喷枪，它是冶金炉至关重要、必需的部件。

1 萨- 李(Savard-Lee)双重套管喷枪发明简介

1947年到1966年，萨- 李双重套管喷枪的研究持续了近20年。1947年，年轻的Robert G.H. Lee(加籍华人李甘棠)刚从迈克吉尔大学毕业就加入了加拿大液空公司。经过几年的研究，通过与法国液空公司的Etienne Spire先生合作，在加拿大矿业统计局前身(现CANMET)的支持下，发明了多孔塞并且应用于钢包冶金。

1951和1956年，顶部浸没式氧枪和底部喷入式氧枪的试验分别在钢铁厂和铸造厂进行，并在1954—1955年间取得了重大突破，即氧压在4 825 kPa条件下，在底部喷枪的顶端发现了一个保护性的蘑菇头状增生物。1955年，加拿大渥太华国际研究委员会开展了水- 气物理模型，第一台底吹反应器诞生了，并于1956年在DOSCO冶炼厂运行。这个底吹反应器在生产过程中底部喷枪可生成蘑菇头，如图1所示。1958年，针对氧气炼钢，授予Savard和Lee一个专利。

图1 (a)第一个氧气底吹反应器；(b)在喷枪顶端有蘑菇头生成

1957到1962年间，北美和欧洲对这个技术做了各种论证，但是没有得到任何工厂的应用。1963年，加拿大液空公司组建了一个研发小组，主要致力于气体喷射的研究，放弃了那些不愿承担风险的钢铁厂和铸造厂。研发小组的第一个创新就是K-反应器(以它的设计者Bob Kottmeier命名)，一个可以进行底吹、侧吹、顶吹的多功能反应器，如图2所示。

图2 1964年新建K-反应器示意图

研发小组的目标是开发一个可商业化、可广泛应用的喷枪，并能在可行的氧压下操作。双重套管的早期试验始于1964年，试验初期是采用顶部浸没式吹氧，取得成功后，采用简易安全的喷枪开展底部喷入试验，如图3所示。选择甲烷和丙烷作为保护气体，这样可以在喷枪顶部产生蘑菇头。

图3 1964年为早期底吹试验设计的Savard-Lee喷枪

1965年6月，萨- 李型双重套管氧枪诞生了，并在1966年7月18日，被授予发明专利。1967年12月17日，一个改造后的托马斯转炉第一次工业化生产试验在德国Maxhütte进行，规模20 t。萨- 李型双重套管氧枪给Maxhütte旧托马斯转炉带来了很大改进，创造了氧气底吹冶金工艺，1972年12月19日授予了Maxhütte公司和Air Liquide公司专利。

2 氧气底吹冶金工艺中萨- 李型双重套管喷枪的设计

1965年，Savard和Lee第一次进行了同心喷枪的测试，同心喷枪由内径3.2 mm、外径8.7 mm的铜管和内径11.9 mm、外径15.9 mm的不锈钢管组成，与1966年原始的法国专利中关于喷枪的描述和试验设计尺寸相近，而1972年Maxhütte专利中喷枪的尺寸更大，以便处理30 t工业规模的钢水。表1列出了两个专利的比较。一个完整的工业化氧气底吹冶金反应器的典型规模>200 t。

3 QSL—Savard-Lee喷嘴在有色冶金行业的第一次使用

直到1981年，新建了一个处理能力为200 t/d粗铅的示范性工厂，于1986年投入运行。在整个示范生产过程中只有一种S-喷枪设计结构，如图4(a)所示。在压力500～1 500 kPa情况下，通过试验分别确立了最佳的氧气和氮气流量的标准。在80年代后期与90年代初期，那些详细的标准成为进行工业化生产采用大型S-喷枪的设计依据。最终，将氧气流区域切分成很多小孔，并且在管道周边的环形边上设有很多通道，如图4(b)所示，保护气体通过通道的外环喷入。

表1 各种氧气底吹反应器中Savard-Lee喷枪的设计

图4 S喷枪设计结构：(a) 1981—1986年间德国杜伊斯堡QSL示范工厂采用的喷枪结构； (b)QSL工业化反应装置的喷枪结构

在示范生产过程中，K-喷枪的设计从简单到精细有了很大改变。这种新喷枪由3个同心管组成，煤粉和空气从中心管道喷入，氧气从内部环形空间通入，保护气体从外部环形空间喷入。可拆卸的陶瓷管用于最里层管道，可防止固体煤喷射产生的磨损。最终用于工业化生产的设计结构如图5所示，氮气、雾化水、烃类气体的混合物起到冷却作用。

图5 QSL工业化反应装置的K喷枪设计结构

4 造渣吹炼反应装置与采用液空套管喷嘴的霍博肯转炉

4.1 液化空气双重套管(ALSI)技术

这种萨- 李型喷枪能够充分利用28%的氧气浓度操作优势，并不增加耐火材料磨损，在喷枪顶端形成了一个保护性的蘑菇头(增生物)，消除了打风口的操作。双重套管的内部管道通入的是富氧空气，环形通道通入氮气(或其他惰性气体、烃类气体)。

1992—1993年间，在比利时联合矿业霍博肯冶炼厂进行了铜吹炼的首次试验。虽然试验取得了积极成果，但由于1994年生产流程的改造,导致ALSI技术在霍博肯冶炼厂没有实现工业化生产。1995年，艾萨顶吹炉的应用取代了焙烧炉、烧结厂、鼓风炉和霍博肯转炉。

1997—1999年间，在加拿大鹰桥公司的冶炼厂进行了镍吹炼的第一次示范性生产，运行非常成功，并得出重要结论，其中一点是，在30%～40%氧浓度条件下双重套管喷枪对耐火材料的侵蚀要优于或等同于21%～23%氧浓度条件下的传统喷枪。这次生产取得的结果促使鹰桥公司将ALSI技术应用到P-S转炉，即造渣吹炼反应器(SMC)。

4.2 镍吹炼过程采用ALSI技术进行造渣吹炼(SMC)的反应装置

SMC反应装置规格φ4×17 m，类似于PS转炉。SMC的作用是通过吹风氧化大部分铁和硫，剩余的由PS转炉完成，而吹风具有高腐蚀性的性质要求喷射技术能够减小风嘴处耐火材料的侵蚀，确保反应装置的实用性。ALSI技术能够在高富氧条件下操作，并确保风嘴所必需的寿命。

4.3 铜吹炼过程中采用ALSI技术的霍博肯转炉

泰国铜冶炼厂设计产能为16.5万t阴极铜/年，精矿经混合后在特尼恩特炉熔炼，产出高品位的铜锍或白铜锍，白铜锍在霍博肯转炉中吹炼产出粗铜，最后在两个阳极炉中精炼，再进行浇铸和电解。该厂的三台转炉都配备了采用富氧音速喷枪的ALSI技术。

5 带有双重套管风嘴的再生铜火法精炼

根据欧洲和北美生产企业的经验，再生铜精炼厂应用双重喷枪是明智的做法。同样的双重喷枪用于交替喷入氧气和氢气进行氧化和还原反应。在氧化过程中，中心管通入的富氧空气(80%O2)达到音速，氮气也以音速通入到环形区域。在还原阶段，含有氮气的氢气(75%H2)以音速通入到中心管道，而氮气作为保护气体通入到环形区域。气门结构和流量控制系统安全的一个关键特点就是用氮气吹扫中心管道1～2分钟，这样可以消除爆炸风险。吹扫结束后，将进行新的氧化精炼周期。

6 BBOC-氧气底吹分银炉

80年代初期，为了寻找能够替代铅银灰吹工艺的分银炉，不列颠精炼金属有限公司(BRM)研发了氧气底吹转炉(BBOC)。1986年，BRM公司安装了第一台商业规模反应装置—3 t底吹转炉。类似于20年前Savard和Lee开展的研究，BBOC研发最初的原因就是希望使用纯氧使灰吹工艺快速进行。

7 铜、铅冶炼的SKS工艺

80年代，中国水口山矿务局开展了高强度熔池熔炼的初步研究，1991年完成了年产3 000 t粗铜的半工业试验。并在1994年申请氧气底吹铜冶炼工艺的专利，这就是现称为水口山(SKS)的炼铜工艺。

1999年湖南省水口山矿务局第一次进行了SKS铅冶炼技术半工业试验，2001年开展工业设计和建设，2002年成功运行。SKS铅冶炼工艺是第一次将氧气底吹技术实现了工业化，从那以后，中国有30多家铅冶炼企业采用了SKS炼铅工艺。

图6 东营方圆公司SKS炼铜炉

2001年，SKS炼铜工艺第一次被采用，并于2008年在越南生权铜联合企业第一次实现工业化生产。该技术的第二次(较大规模)应用是在2008年中国东营方圆有色金属有限公司，生产规模从年产3 000 t粗铜扩展到年产10万t粗铜。第一台SKS炼铜炉安装在越南生权铜联合企业，尺寸是φ3.1 m×11 m，生产规模是年产10 000 t粗铜。而东营方圆底吹炉规格是φ4.4 m×16.5 m，年产10万t粗铜。东营方圆底吹炉氧枪分两排布局，一排4支氧枪，另一排5支氧枪，见图6。

在1994年中国专利中，SKS炉子的氧枪有两种设计：①氧气和空气预先混合，由单管喷射，②同心管结构，中心管道通入氧气，环形区域通入空气作为保护气体，见图7。1999年，ENFI的李诚等人设计了喷枪，用于SKS铜冶炼半工业试验炉，这种喷枪采用同心管，中间通氧气，环形区域通压缩空气起到冷却作用。

图7 SKS炉的原始喷枪设计图

据报道，空气和氧气比例可调节，富氧空气浓度高达50%。氧气和冷却气体压力分别是0.5～0.7 MPa和0.6～0.8 MPa，使用空气作为保护气体降低了工业氧气量的要求(需要供氧量较低的制氧站)，同时也能在喷枪顶端生成保护性增生物(蘑菇头)。

2007年，张振民等人发明的专利设计的喷枪也像齿轮，见图8。据专利中描述，图8中124指示的外环区域有着冷却作用，起到保护作用的是氮气和雾化水而不是压缩空气。方圆有色金属有限公司和ENFI在2013年铜会的手稿和演示文稿中阐述了SKS工艺的设计和运行特点。

图8 SKS炉同心管喷枪结构

2009年，ENFI公司蒋继穆在武汉举行的ICSG会议中对氧气底吹铜冶炼技术提出了新的认识，同时也提出了该技术的不足之处和未来发展的潜力。近来，尉克俭在2013年他申请的专利中介绍了底吹铜吹炼工艺，其中说明采用氮气可以冷却喷枪，并且可以提供吹炼熔池搅拌的动力。底吹吹炼工艺将是有色冶金未来发展的另一个领域。

8 结论

由于萨- 李型套管氧枪可以在富氧条件下运行，

它将增强侧吹的诺兰达炉,特尼恩特炉和PS转炉的熔炼强度,因此可获得节能增效的效果。在当今加强环保意识、遵守法律法规的时代下，减少气体排放、控制砷等挥发性杂质的产生已使工艺向现代化、集约化发展。

双重套管技术的革新是实现集约化的必然选择，并且相比ALSI技术的管中管设计，或QSL型多重管设计，这种喷枪更简单，选择连续的环形空间还是选择槽环设计取决于冶金工艺的需求，尤其在特定熔池化学反应中，通过控制气体流速和富氧浓度来获得期望的工艺强度。喷枪的设计，特别是喷枪环形间隙和凹槽尺寸的大小对于喷溅情况和使用寿命很关键。在开展高强度喷射设计中，关于可压缩流体流动能力、熔融金属中气体喷射的知识和喷枪设计的经验及运行是工程公司要主要考虑的。

双重套管的设计确保了冷却作用的合理性：但不要冷却过度,以免形成保护性的增生物过大、孔隙度过低。每支氧枪的高氧浓和每个炉子少的氧枪数量是采用双重套管技术的最优方案。超达公司镍冶炼厂已经掌握了实践操作经验。

对于熔池熔炼，高富氧浓度等同于高熔炼率，加拿大霍恩冶炼厂的诺兰达炉的实践证明了这一点。早在1973年初始设计中就是采用空气，每天处理720 t原料。在富氧浓度40%的情况下，处理量可增加至每天2 800 t。进一步强化熔炼效率，氧浓度超过50%，必然会成为现代冶炼厂的发展常态，如SKS工艺。

略)

申殿邦 校阅(摘编)

苏平 校对

The Savard-Lee shrouded injector: a review of its adoption and adaptation from ferrous to non-ferrous pyrometallurgy

Translated selectively by LI Xiu-jun

Pyrometallurgical processes for iron and base metals present major similarities since they occur at high temperatures and in molten state. Pyrometallurgists, therefore, have long believed that some technologies from ferrous metallurgy could be beneficially adapted (and transferred) to non-ferrous metallurgy, and vice versa. The Savard-Lee shrouded injector is one such technology. This paper provides a review of key non-ferrous pyrometallurgical processes that have innovatively adapted and implemented the shrouded injector concept. Such processes include bath smelting of lead and copper (QSL, SKS), bath converting of copper and nickel, copper pyro-refining (O2/N2/H2injectors) and lead-silver cupellation (BBOC). The authors highlight how the Savard-Lee injector was adapted from its original steel refining design for oxygen bottom metallurgy (OBM) into new designs for non-ferrous applications. preoccupations.

shrouded injector; non-ferrous pyrometallurgy; review

李秀军(1983—)，女，黑龙江哈尔滨人，硕士，从事有色冶金技术生产工作。

2014-- 12-- 17

TF81

B

1672-- 6103(2015)02-- 0001-- 05