火法煉銅技術現狀及發展趨勢

■王 森 ■謙比希銅冶煉有限公司 非洲贊比亞銅帶省卡魯魯西北京代表處，北京 100029

科技的進步和經濟的發展，促進了國內外企業對銅產品的需求。隨著生產工藝技術的不斷改進，銅產品產量逐年增加。世界先進的煉銅工藝，閃速爐熔煉、艾薩熔煉、奧斯麥特熔煉、諾蘭達熔煉等方法，在世界各地得到廣泛應用，促進了世界銅工業的發展。通過對這些煉銅方法進行總結及回顧，為我國銅冶煉企業改造時，選擇合適的冶煉工藝方法提供參考，對我國銅工業的可持續發展具有重要意義。

1 火法煉銅工藝流程

銅冶煉技術以火法和濕法冶煉為主，火法冶煉的銅產量約占世界銅產量的80%;濕法冶煉的銅產量約占世界銅產量的20%。經過浮選后的硫化銅精礦使用火法冶煉的方法處理，有兩種方法可用:其一，硫化銅精礦先經燒結再還原熔煉得到粗銅。該方法流程簡單，但產出的粗銅雜質含量高，爐渣含銅高。其二，硫化銅精礦經過造锍熔煉產出銅锍，銅锍再吹煉成粗銅。該方法工藝流程復雜，但優點甚多。世界上廣泛采用造锍熔煉—銅锍吹煉的工藝來處理含銅硫化物。其工藝主要包含下述四個環節:銅精礦的造锍熔煉——銅锍吹煉成粗銅——粗銅火法精煉——陽極銅電解精煉。

2 火法煉銅技術現狀

2.1 熔煉

熔煉是銅冶煉過程中的重要環節和重要組成部分。傳統的造锍熔煉由于存在能耗高、效能低、污染大等問題，逐漸被高強度的富氧熔煉所代替。其主流工藝為閃速熔煉和熔池熔煉。

2.1.1 閃速熔煉

1949 年奧拓昆普公司發明閃速爐，并成功應用于工業生產。經干燥后的銅精礦與熔劑充分混合，通過特制的精礦噴嘴與富氧空氣一起噴入爐內。在高溫環境下，呈懸浮狀態的銅精礦，迅速完成物理化學反應，生成的冰銅和爐渣落入沉淀池中澄清、分離，生成的煙氣經余熱鍋爐降溫除塵后，制酸。該工藝具有能耗低、反應速度快、處理量大和環保好等優點而得到廣泛應用。

閃速熔煉法有奧托昆普爐、In-Co 爐和Contop 爐三種。20 世紀80年代新建和已建閃速爐沿著高強度、高富氧、高冰銅品位和高料量的發展趨勢，這其中包含蒸汽干燥技術代替氣流干燥、使用常溫富氧鼓風和高強度熔煉技術到應用。金隆閃速爐經過三次改造和技術攻關后，使產能從10 萬噸/年提高到35 萬噸/年。在高強度冶煉，存在規模小和節能等眾多等優點，但也存在一些問題急需解決如高強度熔煉下，爐體過熱易損壞，需加強爐體保護、精礦與氧反應不完全，使渣含銅、煙塵率和SO3 發生率上升，需優化操作參數，改進精礦噴嘴。

2.1.2 熔池熔煉

熔池熔煉最早可追溯到19 世紀末20 世紀初，代表爐型為轉爐吹煉銅硫和煙化爐貧化熔煉鉛。經配料后的銅精礦拋入被富氧空氣激烈攪動的熔池內，精礦顆粒被液體包圍迅速熔化，快速完成加熱、分解和氧化還原反應。爐內的混合物經爐子排放口排出到澄清爐內分離，生成的煙氣經余熱鍋爐降溫除塵后，制酸。該工藝優勢在于原料制備簡單、投資低、煙塵率低。根據送風方式可分為側吹、低吹和頂吹三種冶煉方法。側吹有諾蘭達法、特尼恩特法、瓦約可夫法和白銀法;頂吹有三菱法、艾薩法、澳斯麥特法和TBRC 法。目前該法在美國邁阿密冶煉廠、贊比亞的莫帕尼冶煉廠、云南銅業、南秘魯銅業公司等冶煉廠得到廣泛等應用。

熔池熔煉和閃速熔煉是現代造锍熔煉的最主要方法，兩者之間的區別在于閃速爐主要反應發生在爐膛空間，反應體系連續相是氣相;熔池熔煉主要反應發生在熔池內，反應體系連續相是液相。在工藝技術指標方面各有優勢。究竟選擇那種熔煉工藝，需根據資源儲備、原料成份、企業所在地的自然條件來決定。

2.2 吹煉

轉爐吹煉工藝自1905 年發明以來就被世界上各國普偏采用。具有工藝簡單、技術成熟，富氧吹煉、設備大型化等優點，但PS 轉爐工藝間斷操作，存在爐口漏風，使煙氣量大且波動大，爐口煙氣彌漫、二氧化硫氧氣泄漏等問題。為解決這一問題，國外銅冶煉企業在工業上已成功的應用了三菱法連續煉銅工藝和“雙閃”工藝，這兩種工藝雖解決了轉爐吹煉過程中的低空污染問題，但也存在著投資高、運行成本高等問題。

近年來，也出現了一些的新的吹煉方法，被用于工業生產中。20世紀70 年代比利時霍勃肯冶煉廠在轉爐吹煉的基礎上，在原轉爐軸向的一端建立虹吸煙道和增加爐蓋，使轉爐在吹煉過程中的存在的漏風、煙氣外泄、噴濺等問題得到改進，并且還能實現吹煉過程中連續進料，大大的提高了吹煉時率，被巴西卡拉伊巴冶煉廠、美國邁阿密冶煉廠和智利帕伊波特冶煉廠使用。諾蘭達吹煉爐應用于加拿大魁北克的霍恩冶煉廠，吹煉爐和諾蘭達熔煉爐配套使用，可實現吹煉爐的連續進料，處理冷料量大、煙氣外泄和煙氣中SO2 濃度波動大的問題都得到較好的問題，但是由于粗銅含硫較高，不能直接進陽極爐，還需在脫硫爐中再次處理。艾薩頂吹爐吹煉爐由于存在著噴槍壽命短，在中條山投產后，而未達到設計能力，其工業生產的可行性，還有待于進一步的完善。2008 年底，由山東方圓和北京有色研究院聯合開發的低吹連續煉銅工藝投產并運行至今。山西侯馬中條山公司侯馬冶煉廠的“雙澳”和山東祥光銅業集團的“雙閃”煉銅技術的開發和應用，正是短流程銅清潔冶金技術的新嘗試。

2.3 火法精煉

火法精煉是粗銅氧化和還原的兩個相反過程。早期的火法精煉爐以反射爐為主，該工藝存在著人工扒渣勞動強度大、冶煉能耗高、現場操作環境差和出銅中易跑銅等缺點，而逐漸被機械化強度小、爐體密閉性好和易操作的回轉式陽極爐所取代。該工藝在貴溪、云銅和謙比希銅冶煉廠等得到廣泛的使用。回轉式陽極爐采用重油或可燃氣體作為燃料。使用固體還原劑具有還原效率低、環保差等缺陷，近年來，在銅陵冶煉廠用粉煤加入裂化劑制成新型還原劑替代重油的還原操作中，很好的解決了煙囪冒黑煙的問題。

近年來的發展趨勢，是尋求較短的氧化和還原過程，縮短作業時間，達到增加煉銅爐的容量和擴大生產能力的目的。國內外銅冶煉廠銅冶煉技術人員使用碳酸鈉為助溶劑對粗銅進行火法精煉的試驗、真空精煉技術和采用氣體或液體還原劑等技術等研發，這些方法與傳統粗銅火法精煉技術相比能夠縮短作業時間，對提高生產效率和經濟效益有重要的作用和價值。

2.4 電解精煉

電解工藝朝著自動化、大型化的方向發展。所采用的大極板電解工藝具有廠房跨度大、電解槽大、使用極板聯動作業機組和專用吊車幾吊車大自動定位系統后，使機械化和自動化水平大大提高，工人勞動強度降低。

艾薩不銹鋼陰極電解工藝的應用標志著我國的銅電解工藝技術已達到國際先進水平，該工藝采用較大電流密度及較小大極距，采用自動化較高大薄片機組將陰極銅從不銹鋼陰極片上剝離，所使用大始積片光滑平整，使生產過程中短路現象減少，大大提高產品質量和工作效率。

電解液的凈化工藝使用的方法有:對單一雜質對脫除法、控制雜質濃度法和板式真空蒸發器法。這些方法都是控制電解液中某一雜質濃度而抑制其他雜質從陽極板中溶出，使雜質大部分進入陽極泥，降低電解液中對雜質的濃度，大大減少泥電解液的凈化量。

3 我國銅冶煉存在的問題

20 世紀80 年代國內冶煉廠相繼完成了銅冶煉企業的技術改造，使技術和設備裝備水平又更上新的臺階，已達國外發達國家水平。銅冶煉企業產能的提高，將減少銅材產品的進口量，有利于提高冶煉企業的市場競爭力和國民經濟的持續穩定發展。但冶煉產能的提高受以下幾方面的制約。

3.1 銅原料依賴進口

我國冶煉企業80 多個，至2014 年底已具備560 萬噸礦銅產能，對銅精礦進口需求量達到1200 萬噸，而國內銅精礦產能僅能滿足冶煉能力的50%。進口銅原料來源秘魯和智利。銅原料依賴進口受到銅價、供貨商、現貨、出口國的政治、供應批次和原料品質的影響，使國內冶煉行業的工藝技術指標難以保證，使冶煉成本比國外高200 美元/噸銅，降低市場競爭力。解決銅精礦的供應問題關系到國內冶煉企業的生存和發展，因此需進一步勘探國內銅礦資源和開發資源，滿足國內冶煉廠的原料需求，而且還要利用國家政策，充分利用國外資源豐富、潛力大和保障程度高的資源。

3.2 冶煉成本高

冶煉企業的利潤來源銅精礦的加工費和副產品的銷售。銅精礦的價格受銅價和加工費影響。銅精礦的加工費是原料供應商付給冶煉企業的費用。銅精礦加工費隨著原料的供求關系變化而變化，當原料供應不足，加工費降低，冶煉企業獲利減少，反之冶煉企業獲利增多。而國內原料供應不足，需大量進口原料的國內企業，加工費受制于國際原料供貨商，因此國內銅冶煉行業冶煉成本較高。而國內的勞動力、燃輔料和動力能源方面，相對低于國外發達國家，而企業管理費用較高。因此需依靠科技進步，夯實基礎管理，進行制度創新和管理創新，降低生產成本，提高企業競爭力。

3.3 環保形勢依然嚴峻

銅锍吹煉方面，仍采用PS 轉爐工藝，因間斷性的作業，操作中不可避免的出現爐口煙氣彌漫，煙氣SO2 濃度低，不利制酸的問題。就目前的情況來看，在我國就只有山西侯馬和山東祥光兩家采用了連續吹煉的作業方式，對解決廠房內的低空污染方面取得較好的效果，因此大力發展銅硫的連續吹煉的工作是今后的工作的重點。

3.4 渣含銅高

采用高富氧熔煉存在著節能降耗，煙氣易于制酸，產能高等等優點，但爐渣中含銅較高，雖采用高鐵渣，可降低渣量，但爐渣中含銅量遠遠超出棄渣含銅量。通過渣選礦可獲得銅金屬較高的回收率，但渣選礦廠房占地面積大，緩冷渣包多，投資加大。應探討冶煉爐渣貧化的新途徑，既用高鐵渣冶煉，又能通過電熱還原或硫化等措施，將渣含銅降至0.35%以下。

4 結語

熔池熔煉和閃速熔煉是現代造锍熔煉的最主要方法，在工藝技術指標方面各有優勢。轉爐吹煉工藝雖具有間斷性作業、噴濺大、環保差和煙氣量大、波動大和煙氣SO2 波動大等劣勢，但在吹煉工藝中仍具有主導作用。閃速吹煉雖存在冰銅水淬、破碎等環節對能耗和直收率不利的因素，但該法具有環保、節能、連續作業等優點，可推廣。銅的火法精煉的發展趨勢，是尋求較短的氧化和還原過程，縮短作業時間，達到增加煉銅爐的容量和擴大生產能力的目的。電解工藝朝著自動化、大型化的方向發展。在新建廠或改造時，究竟選擇那種冶煉工藝，需根據資源儲備、原料成份、企業所在地的自然條件來決定。

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