ذوب فلش، یکی از روش‌های ذوب کانی‌های سولفوری ازجمله کالکوپیریت است. این روش توسط شرکت فنلاندی «اتوکمپو» توسعه داده شد و اولین بار در سال 1949 در منطقه «ساتاکونتا» فنلاند برای ذوب مس مورد استفاده قرار گرفت. از این روش، همچنین برای ذوب نیکل و روی هم استفاده می‌شود.

دومین شرکتی که از این روش استفاده کرد شرکت تولید نیکل «اینکو» بود. اینکو این روش را برای استفاده خود تغییر داد. این تکنولوژی، اولین کاربرد صنعتی کوره اکسایشی بود. با این حال، تعداد کمی از کوره‌های ذوب در حال حاضر از این روش استفاده می‌کنند و بیشتر کوره‌ها تکنولوژی شرکت اتوکمپو را به کار می‌برند. تفاوت این دو روش در استفاده از مخازن خروج گاز است که در شکل زیر می‌بینید.

این تکنولوژی بر پایه استفاده از انرژی مواد معدنی ورودی برای ذوب طراحی شده است. بنابراین، در این کنسانتره سولفیدی خشک به همراه کمک‌ذوب سیلیسی و هوای غنی‌شده با اکسیژن وارد کوره می‌شوند. استفاده از اکسیژن در این روش، هم باعث کاهش سوخت مصرفی می‌شود و هم آسیب کمتری به محیط‌زیست وارد می‌کند؛ چراکه دی‌اکسید سولفوری که درنتیجه این فرآیند تولید می‌شود قابل جمع‌آوری برای تولید اسید سولفوریک در کارخانه‌های اسید است. 

کوره فلش (Flash Furnace) که توسط شرکت اتوکمپو طراحی شده،‌ از سه قسمت تشکیل شده است:

1- محفظه واکنش Reaction Shaft
2- ناحیه ته‌نشین‌ساز Settler
3- دودکش کوره فلش Up Take

محفظه واکنش که استوانه‌ای‌شکل است، بیشترین میزان واکنش‌های اکسایشی میان اکسیژن و ذرات آهن، مس و گوگرد موجود در شارژ در این محل انجام می‌شود. سطح داخلی آن توسط مواد نسوز کرم-منیزیتی پوشیده شده است و برای خنک‌کاری این نسوزها از بلوک‌های مسی آبگرد و نیز لوله‌های مسی آبگرد استفاده می‌شود. در فرآیند ذوب مخلوط کنسانتره خشک سولفیدهای مس، غبار برگشتی کوره فلاش و کنورتور و فلاکس (شار سیلیس) به همراه هوای پیشگرم از طریق مشعل‌های تعبیه‌شده در سقف محفظه واکنش (که به مشعل کنسانتره معروف است) به درون این قسمت پاشیده می‌شوند.

ذرات معلق‌شده شارژ در هنگام سقوط از محفظه در اثر واکنش‌های شیمیایی، اکسیداسیون و تولید حرارت، ذوب می‌شوند و به قسمت ستلر سقوط می‌کنند. در این فرآیند، از گرمای حاصل از واکنش‌ها به‌طور کامل استفاده می‌شود و لذا ماتی با عیار ثابت به دست می‌آید که باعث پایداری عملیات در قسمت ستلر و کنورترها می‌شود. در قسمت ستلر، قطرات مذاب مات و سرباره جمع‌آوری و در دو لایه جداگانه قرار می‌گیرد. مواد ذوب‌شده براساس اختلاف چگالی تفکیک می‌شوند. دیواره‌ها و کف ستلر با آجرها و مواد نسوز کرم-منیزیتی آسترکاری شده است. سقف آن به‌صورت قوسی شکل و معلق است که مجهز به تیر آهن‌های H شکل با سیستم لوله‌های مسی آبگرد است. این بخش مجهز به 12 مشعل است. در این قسمت 6 مجرا برای خروج مات مذاب و دو مجرا برای خروج سرباره و انتقال به کوره الکتریکی تعبیه شده است. قسمت آپتیک به منظور خروج گازهای حاصل از احتراق است. این قسمت گازهای کوره فلاش را که در حدود 10 درصد از مواد شارژ شده به کوره را به همراه خود دارند که به سمت بویلر بازیافت هدایت می‌کند. این قسمت نیز به چهار مشعل مجهز است که در شرایط نرمال دو عدد از آنها در مدار است.

نمونه ای از شرح فرآیند خط تولید کارخانه ذوب مس
فرایند خط تولید کارخانه ذوب
فرآیند ذوب شامل واحدهای انبار کنسانتره، واحد اختلاط و انتقال مواد (Burdening)، خشک‌کن، سیستم جمع‌آوری غبار، کوره فلش FF(Flash furnace)،کوره الکتریکی Electric Furnace)EF)، کنورتر (Converting Furnace)CF، کوره آندی (Refining Furnace)RF و چرخ ریخته‌گری (Casting Wheel)CW است.

خشک‌کن
در روش ذوب فلش رطوبت کنسانتره مس باید کمتر از 0/3 درصد باشد، چرا که در قسمت ورودی کوره فلش یعنی برج واکنش (Reaction Shaft)‌، کنسانتره فقط حدود 2 ثانیه فرصت دارد تا ذوب شود.

مراحل سه‌گانه خشک کردن
1- کوره دوار (Rotary Kiln)
کوره دوار یک استوانه دو جداره افقی و شیب دار است که جداره بیرونی ان از جنس فولاد کربنی،  جداره داخلی و تمام تجهیزات آن به علت تماس مستقیم با مواد و گازهای داغ و ممانعت از چسبندگی مواد، از جنس فولاد زنگ نزن انتخاب شدند.
2- فلافر قفس سنجابی (Squirrel Cage Fluffer)
فلافر در واقع یک روتور دو لایه پره‌دار است که در محفظه‌ای به شکل قفس سنجاب قرار داده شده است. کنسانتره خروجی از کوره دوار پس از ورود به فلافر، در اثر برخورد با پره‌های در حال چرخش آن پودر شده و به سمت بالا (یعنی مرحله سوم خشک کردن) حرکت می‌کند.
3- لوله خشک‌کن فلش (Flash Drying Pipe)
در این مرحله، کنسانتره پودری شکل حاصل از مرحله قبل در حین عبور از لوله خشک‌کن تشعشعی، بر اثر تبادل حرارتی که با هوای داغ همراه خود دارد، باقیمانده رطوبت خود را از دست داده و رطوبت آن از 3 درصد به کمتر از 0.3 درصد کاهش می‌یابد.

تجمع جمع‌آوری غبار
محصول مراحل سه‌گانه خشک‌کن، غبار به همراه گاز داغ است که در ادامه فرآیند باید این غبار بازیابی و به عنوان شارژ به سمت کوه فلش فرستاده شود. برای رسیدن به این هدف دو قسمت در نظر گرفته شده است.
قسمت اول: محفظه ته‌نشینی غبار Dust Settling Chamber) DSC) است و قسمت دوم: سایکلون‌های اولیه (2 عدد) و سایکلون‌های ثانویه (4 عدد) است که به صورت سری قرار گرفته‌اند.
در ادامه مسیر غبار باقیمانده در گازهای خروجی از فن‌ها، وارد غبارگیرهای الکترواستاتیکی، ESP‌ها (Electro Static Precipitator) می‌شوند.

کوره فلش
کوره فلش (FF) که برای ذوب کنسانتره مس استفاده می‌شود، از سه قسمت اصلی تشکیل شده است:
1- محفظه واکنش Reaction Shaft)R/S) : شارژ (FF)، مخلوطی از کنسانتره خشک سولفیدی مس و سیلیس به عنوان کمک ذوب و غبار برگشتی فلش و کنورترها است، که به همراه هوای پیش گرم 450 درجه سانتیگراد) و مقدار کمی سوخت (مازوت) و هوای اتمایزینگ (برای پودر کردن سوخت) به وسیله 4 مشعل نوع VJB -Ventury Jet Burner از قسمت بالای محفظه واکنش (R/S) وارد آن می‌شود.
2- ناحیه ته‌نشین‌ساز (Settler) : این قسمت از کوره فلش به طول 20/6 متر و عرض 7/5 متر امکان جدایش مواد ذوب شده را بر اساس ختلاف وزن مخصوص به دو فاز مات (Matte) و سرباره (Slag) فراهم می‌کند. به منظور تخلیه مات از کوره فلش، 6 مجرا در دیواره جنوبی آن و در نزدیکی کف کوره تعبیه شده است، (هر دو مجرا برای شارژ یک پاتیل) همچنین دو مجرا در سمت غربی کوره فلش، امکان خروج پیوسته سرباره را مهیا می‌کنند.
3- دودکش کوره فلش (Up Take (U/T : در فرآیند ذوب کنسانتره مس، حجم زیادی گاز داغ با ناخالصی‌های فلزی و SO2 و غبار تولید می‌شود. در فرایند فلش این محصولات از راه مسیر خروجی که در سمت مقابل محفظه واکنش (R/S) قرار دارد، به بیرون از کوره هدایت می‌شوند.

کوره الکتریکی
یکی از محصولات کوره فلش، سرباره است که به دلیل قابل ملاحظه بودن عیار مس آن (حدود یک درصد) باید پالایش و مس محتوی آن تا حداکثر ممکن بازیابی شود.
کوره الکتریکی ضمن اینکه سرباره را در دمای لازم نگه می‌دارد، یک بستر آرام در مدت زمان کافی نیز فراهم می‌کند تا فازمات محبوس در سرباره ته‌نشین شود، به این ترتیب حدود 0/4 درصد مس، معادل 7/6 (تن به روز) مات بازیابی می‌شود و نهایتا سرباره‌ای که از کوره الکتریکی تخلیه می‌شود، حداکثر 0/6 درصد مس دارد.
سرباره کوره الکتریکی نیز از راه مجرای خروجی خود، به صورت سرریز (Over Flow) تخلیه می‌شود و بلافاصله با آب پرفشار (200 کیلوپاسکال) تماس پیدا می‌کند و در انتها به صورت دانه‌های‌ریزی در می‌آید که اصطلاحا گرانوله نامیده می‌شوند.
ظرفیت کوره الکتریکی به اندازه‌ای است که گنجایش تمام سرباره تولیدی فلش 330 (تن بر روز) به همراه مصرف روزانه، 4 تن کک متالورژیکی (به عنوان عامل احیاء کننده مس اکسیدی محبوس در سرباره FF و جبران کننده افت حرارتی EF) و 5 تن مواد سرد را داراست.

کنورتر
کنورتر در واقع نوعی مبدل است که عمل تبدیل مات به مس بلیستر (Blister) را انجام  می‌دهد.
برای فرآوری بلیستر، 2 مرحله دمش هوا بر روی مات صورت می‌پذیرد.
مرحله اول دمش سرباره (Slag Blowing) نام دارد که به منظور حذف کامل سولفید آهن از مات و تشکیل سرباره انجام می‌شود. سرباره حاصل، دارای درصد قابل توجهی مس است (طبق طرح 4/5 درصد) که از راه فلوتاسیون قابل ارزیابی است.
پس از تخلیه سرباره حاصل، فقط مذاب سفید رنگ Cu2S یا به اصطلاح مات سفید (White Matte) در کنورتر باقی می‌ماند.
مرحله دوم، دمش مس (Copper Blowing) است که با هدف اکسیداسیون سولفید مس (Cu2S) و تبدیل آن به مس بلیستر و گاز دی اکسید گوگرد انجام می‌گیرد.
درکارخانه ذوب مس  3 عدد کنورتر از نوع پیرس- اسمیت (PS) نصب شده که 2 نوع آن به صورت سیکلی کار می‌کنند و دیگری تحت تعمیرات است. طول هر کنورتر 10 متر و قطر داخلی آن 4 متر بوده و دارای 50 عدد تویر (Tuyere) به منظور دمش هوا و یک دستگاه پانچ برای بازکردن تویرهای بسته شده توسط مذاب است.

کوره آندی
محصول مرحله کنورتر، مس بلیستر (باحداقل عیار 98/5درصد) است که در کوره آندی تصفیه حرارتی می‌شود تا با از دست دادن 0.1 درصد گوگرد باقیمانده خود برای ریخته‌گری مهیا شود.
در ذوب مس از دو کوره آندی به شکل استوانه، با طول 10 متر و قطر داخلی 4.2 متر و ظرفیت 320 تن در هر سیکل استفاده می‌شود. هر کدام از کوره‌ها مجهز به یک مشعل گازی، یک روزنه برای نمونه‌گیری و 2 عدد تویر برای دمش هوا و سپس دمش گاز هستند.
به منظور رعایت مسائل زیست محیطی، گازهای خروجی ازهر کوره آندی به سمت محفظه‌ای به نام (Incinerator) هدایت می‌شود تا در ان محفظه با دمش هوای رقیق کننده دمای گازها تا حد قابل قبولی کاهش یافته و شرایط احتراق کامل آنها فراهم شود.

چرخ ریخته‌گری
چرخ ریخته‌گری آخرین مرحله از فرآیند ذوب است. چرخ ریخته‌گری نصب شده در کارخانه ذوب ، دوقلو و از نوع M16 با مجموع 32 قالب (هرچرخ، 16 قالب) و ظرفیت ریخته‌گری 85 تن بر ساعت است در انتها آندها (در دسته‌های حداکثر 10 تایی) توسط لیفتراک برداشته شده و به محوطه مجاز برای آرایش‌بندی و بازرسی نهایی منتقل می‌شوند، و از آنجا برای تصفیه الکترولیتی و تولید کاتد به پالایشگاه حمل می‌شوند.

The Copper Flash CC Smelting Process

Abstract:

Copper flash smelting is a relatively new process which has been in operation since the 70’s and is a pyrometallurgical process used in conjunction with copper sulphide concentrates.
The main key facilitators produced by the process include controlled oxidation of Fe and S, a large evolution of heat and the effective melting of solids.

 

Flash smelting is a pyrometallurgical process for smelting metal sulphide concentrates. It is used primarily for copper sulphide concentrates, but it is also used to a significant extent for nickel sulphide concentrates.

The flash smelting process for sulphide concentrates was developed by the Finnish mining company, Outokumpu Oy, from 1948 onwards. By mid-•1971, a number of mining companies had negotiated licences and installed plants for using this process.

In contrast to the reverberatory furnace smelter, in which most of the sulphide oxidation occurs in the converters and the matte grade is dictated by the concentrate analysis, sulphide oxidation can be carried out to a predetermined degree in the flash furnace. The heat of the oxidation reactions is used to help maintain the furnace heat balance. In some instances the iron and sulphur contents of the concentrate may be sufficiently high as to make the smelting process autogenous.

The production of copper in the flash smelting process is accompanied with a large amount of copper-rich slag, which has to be treated with the aim of copper recovery.

Copper flash smelting consists of blowing fine, dried copper sulphide concentrate and silica flux with air, oxygen-enriched air or oxygen blast into a hot (≈1500K) hearth-type furnace, (see Figure 1). Entry of these materials into the hot furnace causes the sulphide minerals (e.g. CuFeS₂) of the concentrate to react rapidly with the 0 2 of the blast. This, in turn, results in:
(i) controlled oxidation of Fe and S from the concentrate;
(ii) a large evolution of heat, and
(iii) melting of the solids.

Outputs

The products of the process are:
(a) a molten copper-rich Cu-Fe-S matte, 45-65% Cu, which contains almost all of the copper from the concentrate plus unoxidized Fe and S;
(b) a molten slag which contains iron oxide from iron oxidation plus gangue and flux oxides;
(c) an off-gas which contains SO₂ from sulphur oxidation and N₂ from the input blast plus CO₂ and H₂O if supplementary fossil fuel is burnt in the furnace.

The main raw materials of copper flash smelting are:
(a) copper concentrate,
(b) silica flux,
(c) air,
(d) industrial oxygen.

The reactions in the flash furnace may be represented by equations of the type:

Reactions (1) and (2) are strongly exothermic. They provide most or all of the energy for heating, melting and superheating the furnace products. In fact, when industrial oxygen or highly oxygen-enriched air is used to provide the O₂ for reactions (1) and (2), little or no fossil fuel needs to be combusted in the furnace.

The concentrates which are treated by flash smelters have come through a flotation concentrator before arriving at the smelter. They are exactly the right size, 50-100 /μm, for flash smelting. The only treatment they require before entering the flash furnace is drying. Rotary, flash, fluidized bed and spray dryers are used.

The most common minerals in copper concentrates are chalcopyrite (CuFeS₂) and pyrite (FeS₂), but other minerals such as bornite (Cu₅FeS₄), chalcocite (Cu₂S), covellite (CuS) and quartz (SiO₂) are often present in significant quantities, depending upon the ore-body from which the concentrate originates. Chemically, concentrates smelted in flash furnaces contain 20-30 mass % Cu, 25-35% Fe and 25-35% S.

The process takes place in a flash smelting furnace, which schematically is presented in Figure 1. Main feedstock of the process is a dry Cu-Fe-S concentrate. Very roughly speaking, dry concentrate is blasted with O₂ in the reaction shaft. The furnace is equipped with hydrocarbon fuel burners located concentrically in a reaction shaft. Burners are used to adjust temperature, so that the reaction in the shaft is performed properly, that is, a concentrate smelts at a specified rate. The main factor of the process is a composition of dry concentrate which is a mixture of Cu₂S and CuFeS₂.

 

Figure 1: Flash smelting furnace

---

References

1. R.Jones, P.Mackey: An overview of copper smelting in southern Africa, MINTEK, Accessed August 2016;

2. M.A.T.Cocquerel, R.T.Gates, C.A.Green: Computer-Aided Design of a Flash Smelting Installation, p.295-298, Accessed August 2016;

3. P. Romanowski, G.Wnuk, J.Wypartowicz: Kinetics of arsenic removal from liquid copper by means of titanium, Archives of Metallurgy and Materials, Volume 55 2010 Issue 3, p.725-731;

4. M.Gulik, P.Jarosz, et al: Metamodelling and optimization of copper flash smelting process, Applied Mathematics and Materials, ISBN: 978-1-61804-347-4, p.52-56; Accessed August 2016;

5. J.Makinen: Eco-efficient solutions in the finnish metallurgical industry, Challenges of Eco-efficiency, 5.12.2006., VTT Espoo, VIT, Accessed August 2016