底吹連續(xù)煉銅三步與四步煉銅工藝評(píng)述及發(fā)展方向探討

文/蔣繼穆

編者按：蔣繼穆，男，生于1939年，教授級(jí)高級(jí)工程師，中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司高級(jí)顧問(wèn)專家，全國(guó)工程勘察設(shè)計(jì)大師，享受政府特殊津貼專家。作為有色金屬冶煉領(lǐng)域?qū)＜?，蔣繼穆曾主持設(shè)計(jì)多個(gè)國(guó)內(nèi)外有色冶煉領(lǐng)域重點(diǎn)工程，為行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)升級(jí)作出了重要貢獻(xiàn)。他作為中國(guó)自主冶煉技術(shù)——氧氣底吹煉銅、煉鉛技術(shù)的主要發(fā)明人，全面參與了技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)及推廣應(yīng)用。

當(dāng)前，氧氣底吹技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外銅、鉛冶煉領(lǐng)域的主流技術(shù)，針對(duì)冶煉行業(yè)的發(fā)展變革，本文從現(xiàn)有技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用等方面進(jìn)行了全面論述，對(duì)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)、不足進(jìn)行了深入分析，為未來(lái)技術(shù)的探索方向指明了道路。希望此文可以為行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新提供思路指引和理念支持，助力國(guó)內(nèi)冶煉行業(yè)聚力求強(qiáng)、自主創(chuàng)新、協(xié)同攻關(guān)、勇攀高峰，加速推進(jìn)有色強(qiáng)國(guó)實(shí)現(xiàn)從跟跑到并跑到領(lǐng)跑的根本轉(zhuǎn)變。

工藝說(shuō)明

2009年，中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司、河南豫光金鉛集團(tuán)與山東東營(yíng)方圓集團(tuán)共同向國(guó)家科技部申報(bào)“氧氣底吹連續(xù)煉銅清潔生產(chǎn)工藝關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究”，獲準(zhǔn)并被列為國(guó)家“863”研發(fā)課題。2012年，中國(guó)恩菲牽頭完成研發(fā)、結(jié)題并利用該成果，在河南豫光及山東方圓分別設(shè)計(jì)建成年產(chǎn)電銅10萬(wàn)噸和20萬(wàn)噸的兩家底吹連續(xù)煉銅產(chǎn)業(yè)化示范工廠。

中國(guó)恩菲設(shè)計(jì)時(shí)考慮吹煉爐爐壽短于熔煉爐，解決爐壽不等的措施有兩種：在豫只設(shè)一臺(tái)底吹吹煉爐，熔煉爐設(shè)置了銅锍冷卻、破碎、儲(chǔ)運(yùn)返回吹煉的設(shè)施作為吹煉爐檢修、熔煉爐繼續(xù)生產(chǎn)的備用裝置；在東營(yíng)熔煉爐后設(shè)置了兩臺(tái)底吹吹煉爐，一用一備，品字形配置，不設(shè)冷銅锍產(chǎn)出等備用裝置。

兩廠煉銅工藝均為“熔煉—吹煉—火法精煉—電解精煉”四步煉銅。即熔煉爐產(chǎn)高品位銅锍送底吹吹煉爐吹成粗銅，再將粗銅送陽(yáng)極爐火法精煉后澆鑄成陽(yáng)極，陽(yáng)極電解精煉為陰極銅。

其中東營(yíng)方圓利用兩臺(tái)底吹吹煉爐同時(shí)工作，交替作業(yè)，吹煉爐將銅锍吹成粗銅后繼續(xù)在吹煉爐中完成應(yīng)在陽(yáng)極爐中進(jìn)行的氧化、還原精煉工序，直接生產(chǎn)陽(yáng)極銅，取消了陽(yáng)極爐，將傳統(tǒng)的四步煉銅法簡(jiǎn)化為：“熔煉—吹煉加精煉—電解精煉”三步煉銅（方圓不算電解將其稱為兩步煉銅）。

豫光底吹連續(xù)煉銅示范工程于2014年、東營(yíng)方圓于2015年相繼建成投產(chǎn)。兩家均為世界首次采用底吹連續(xù)煉銅工藝，屬產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)，沒(méi)有現(xiàn)成操作經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，相繼花了三個(gè)月與六個(gè)月的摸索時(shí)間達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能。經(jīng)過(guò)近兩年的生產(chǎn)實(shí)踐，兩種工藝均實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化運(yùn)行，并積累了操作經(jīng)驗(yàn)，可供新建工廠選擇。

工藝比較

由于豫光與方圓兩廠生產(chǎn)規(guī)模相差一倍，直接采用兩廠的單位產(chǎn)品成本、單位產(chǎn)品投資作比較，并不科學(xué)。再者，方圓冶煉廠在設(shè)計(jì)之初，為可靠起見(jiàn)，預(yù)留了陽(yáng)極爐，但沒(méi)有增設(shè)冷銅锍產(chǎn)、儲(chǔ)、運(yùn)等裝置，吹煉爐檢修，如果沒(méi)有陽(yáng)極爐，只能全系統(tǒng)停產(chǎn)，顯然不合理，新建廠不能就此拷貝。（目前，方圓采取兩臺(tái)吹煉爐輪流檢修，檢修時(shí)適度減產(chǎn)，用原設(shè)計(jì)的一臺(tái)陽(yáng)極精煉爐過(guò)度，維持系統(tǒng)生產(chǎn)。）

綜合看，兩種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)定性分析如下：

（一）三段（方圓稱兩段法）優(yōu)點(diǎn)

1.流程短，省去陽(yáng)極爐工序，省兩臺(tái)陽(yáng)極爐及配套的煙氣收塵系統(tǒng)。省去這部分投資。

2.省去陽(yáng)極爐操作工人，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了工資總額。

3.省去一道粗銅溜槽和該道溜槽清理工作并少一道溜槽煙罩及其加熱裝置，減少環(huán)保煙氣量。

4.少了一道粗銅排放，降低了熔煉爐的配置高度，有利于熔煉爐安全排渣，降低了熔煉廠房高度及其建設(shè)投資。

5.吹煉爐放銅澆鑄期，可用于更換氧槍，不會(huì)因更換氧槍而引起煙氣波動(dòng)，影響制酸。

事物是辯證的，有利必有弊。

（二）三段煉銅法需要繼續(xù)探討之處

1.吹煉爐由一個(gè)爐子連續(xù)作業(yè)改為由兩個(gè)爐子間斷作業(yè)。方圓目前的兩個(gè)吹煉爐同時(shí)作業(yè)，其中由一個(gè)爐子連續(xù)吹煉12小時(shí)，剩余12小時(shí)用于粗銅氧化、扒渣還原、澆鑄陽(yáng)極板。兩個(gè)爐子循環(huán)往復(fù)交替作業(yè)。由于各作業(yè)階段溫度有差異，吹煉與精煉合并后對(duì)爐襯熱震高于單一連續(xù)吹煉爐，故其爐壽較短。根據(jù)兩廠信息，吹煉第一爐期壽命，豫光為18個(gè)月，方圓為6個(gè)月。據(jù)專家預(yù)測(cè)，單一吹煉爐爐壽可達(dá)2年，吹煉、精煉合并爐壽可達(dá)1年。三步煉銅耐火材料單耗高于四步煉銅。

2.吹煉精煉合并需要爐體能儲(chǔ)存日產(chǎn)銅量的2/3以上的操作容積（16%殘極循環(huán)、預(yù)留20%以上再吹煉啟動(dòng)液，加上半天的澆鑄量）。這樣吹煉爐設(shè)計(jì)得足夠大。相對(duì)精煉與澆鑄這12小時(shí)的操作而言，是大馬拉小車，這有兩個(gè)不利點(diǎn)：一是爐子容量大，預(yù)留再啟動(dòng)的陽(yáng)極銅量就大，這部分陽(yáng)極銅在爐內(nèi)反復(fù)氧化與還原，相應(yīng)多耗氧氣與還原劑。二是爐子大，澆鑄期保溫用氣量也相應(yīng)增加。英國(guó)開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)，原本沒(méi)有陽(yáng)極爐，從實(shí)踐中體會(huì)到加個(gè)小陽(yáng)極爐儲(chǔ)存粗銅滿足澆鑄占時(shí)需要，可以大幅度提高轉(zhuǎn)爐的產(chǎn)能，而后又在陽(yáng)極爐進(jìn)一步脫雜調(diào)質(zhì)提高陽(yáng)極銅質(zhì)量，形成了今日廣為應(yīng)用的四步煉銅工藝。三步法是四步法工藝的回調(diào)。

3.四步煉銅連吹爐的銅、锍、渣層厚度基本固定，控制噴槍壓力與流量的穩(wěn)定，相對(duì)簡(jiǎn)單易行。而三步法中銅、锍、渣三層熔體高度由最小漸變至最大，澆鑄完成后，熔體變至最小，周而復(fù)始，總在變動(dòng)中。操控噴槍流量、壓力穩(wěn)定相對(duì)復(fù)雜些，其中由氧化轉(zhuǎn)還原，噴槍有換氣操作，在時(shí)間的把控上需要有經(jīng)驗(yàn)的操作員。新建企業(yè)投產(chǎn)、順產(chǎn)、達(dá)產(chǎn)時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)些。由于吹煉爐體容量太大，用于精煉，精煉渣難以扒除干凈，往往造成陽(yáng)極板中帶渣，對(duì)電解造成不良影響。扒渣后，深度還原可消除陽(yáng)極帶渣，但造成陽(yáng)極含雜較高（被氧化入渣的雜質(zhì)又被還原），會(huì)增加陽(yáng)極泥產(chǎn)量及其處理費(fèi)用。

4.三步煉銅工藝為降低吹煉負(fù)荷，采取盡量提高銅锍品位的措施。方圓入吹煉爐的銅锍含銅控制在75%～78%。因而熔煉渣含銅相對(duì)提高，渣精礦量增加。雖說(shuō)不增加熔煉的燃料費(fèi)，但增大了熔煉渣的儲(chǔ)、運(yùn)、選及渣精礦的儲(chǔ)、運(yùn)成本。再者高品位銅锍部分金屬化，其排送溜槽粘結(jié)后清理困難，溜槽需加蓋及時(shí)加熱保溫才行。

以上是定性敘述保留或取消銅冶煉過(guò)程的陽(yáng)極爐精煉工序各自的優(yōu)缺點(diǎn)，沒(méi)有定量。在某年產(chǎn)電銅40萬(wàn)噸的工廠可研設(shè)計(jì)中，對(duì)采用豫光雙底吹爐四步連續(xù)煉銅工藝與采用方圓三底吹爐三步連續(xù)煉銅工藝，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)定量分析，比較結(jié)果是：取消陽(yáng)極爐的方圓三步煉銅方案，固定資產(chǎn)投資較四步法可降低約4000萬(wàn)元，即噸銅投資可降低100元。但噸銅成本高約40元～50元。除前述因素外，發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)連吹爐交替作業(yè)時(shí)，鍋爐循環(huán)泵電耗較一臺(tái)連吹爐的電耗大。

比較結(jié)果有兩種意見(jiàn)，一部分人認(rèn)為取消陽(yáng)極爐的三步煉銅工藝，優(yōu)點(diǎn)明顯，是發(fā)展方向，隨操作經(jīng)驗(yàn)的累積與耐火材質(zhì)的改進(jìn)，吹煉爐爐壽會(huì)進(jìn)一步延長(zhǎng)，生產(chǎn)成本將會(huì)進(jìn)一步降低。建議選用方圓方案，取消陽(yáng)極爐精煉工序。另一部分人認(rèn)為技術(shù)為經(jīng)濟(jì)服務(wù)。豫光方案保留陽(yáng)極爐的四步煉銅工藝噸銅成本更低、更經(jīng)濟(jì)。在環(huán)保合格的條件下，經(jīng)濟(jì)的就是先進(jìn)的，應(yīng)采用四步煉銅工藝。目前，兩種工藝均有工業(yè)實(shí)踐，從設(shè)計(jì)角度，放大2～4倍，對(duì)于擁有60多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的底吹技術(shù)研發(fā)單位中國(guó)恩菲而言，都有十足把握，且不存在工程風(fēng)險(xiǎn)，業(yè)主可在綜合考慮投資、成本、建設(shè)環(huán)境、實(shí)施條件、人力保障等因素后，對(duì)工藝進(jìn)行綜合選擇。如果四步煉銅工藝所產(chǎn)銅锍送?；?，吹煉采用冷態(tài)連續(xù)吹煉的模式，則四步煉銅工藝的熔煉主廠房高度可以降低，吹煉氧濃提高煙氣處理系統(tǒng)可以大幅減小，四步煉銅工藝的投資也可進(jìn)一步減少。

發(fā)展方向探討

無(wú)論雙底吹還是三底吹（四步或三步）連續(xù)煉銅，均克服了轉(zhuǎn)爐吹煉造成的SO2的低空污染，較傳統(tǒng)煉銅工藝在環(huán)保領(lǐng)域前進(jìn)了一大步。但底吹吹煉有其固有缺點(diǎn)，并非最經(jīng)濟(jì)的吹煉方案。因?yàn)榈状祰姌尩乃惋L(fēng)壓力需要＞6000kPa，如果直接吹煉熱銅锍，送風(fēng)氧濃一般較低，送風(fēng)量大，動(dòng)力消耗高于其他吹煉工藝，即吹煉成本較高。只有在搭配處理大量高品位冷銅料的條件下，送風(fēng)氧濃提高，才能體現(xiàn)底吹吹煉的優(yōu)越性。如一個(gè)年產(chǎn)10萬(wàn)噸礦銅的底吹吹煉爐可以搭配處理10萬(wàn)t/a的高品位廢雜銅，并同時(shí)處理20萬(wàn)t/a電銅的殘極，這種組合非常經(jīng)濟(jì)合理，能充分發(fā)揮底吹吹煉的優(yōu)越性。

毫無(wú)疑問(wèn)，目前所有礦銅的熔煉工藝，在同等規(guī)模的條件下，還沒(méi)有比底吹熔煉工藝能耗更低、加工費(fèi)用更低的。

吹煉則要區(qū)別對(duì)待。如果有大量冷銅料消耗富氧吹煉帶來(lái)多余的熱量，如前所述選用底吹吹煉是合理的。若無(wú)冷銅料，則選用近年開(kāi)發(fā)的多槍頂吹吹煉較為經(jīng)濟(jì)，因?yàn)槠渌惋L(fēng)壓只有120kPa～200kPa，爐壽可達(dá)4年，單臺(tái)吹煉爐的吹煉能力已達(dá)年產(chǎn)電銅30萬(wàn)噸，放大到40萬(wàn)噸或更多一點(diǎn)，從工程角度和反應(yīng)機(jī)理都沒(méi)問(wèn)題。

現(xiàn)階段建廠，筆者認(rèn)為環(huán)保、可靠、最經(jīng)濟(jì)的煉銅工藝是底吹熔煉、多槍頂吹吹煉、回轉(zhuǎn)爐精煉、平行流（紊流）電解、熔煉渣選礦。

進(jìn)一步簡(jiǎn)化銅冶煉工藝，中國(guó)恩菲的研發(fā)動(dòng)態(tài)集中在火法貧化和綜合回收方面。

熔煉渣目前最經(jīng)濟(jì)的處理方案是渣緩冷后選礦。該方案占地面積大、勞動(dòng)生產(chǎn)率低、投資偏高，有點(diǎn)拖泥帶水，環(huán)保狀況不理想。中國(guó)恩菲冶煉首席專家李東波正帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行CR爐的開(kāi)發(fā)工作，初試結(jié)果令人欣喜，有望走出一條簡(jiǎn)短、環(huán)保、綜合回收、高效的新的渣處理方案。

隨著中國(guó)恩菲負(fù)壓水冷技術(shù)的研發(fā)成功，在底吹爐內(nèi)加一道水冷隔墻，一端煉低品位銅锍，另一端直接吹成粗銅。這樣較為理想的煉銅工藝簡(jiǎn)化為底吹爐熔煉成粗銅、粗銅回轉(zhuǎn)爐精煉、鑄錠后送電解車間，熔煉渣送CR爐綜合回收處理。