劉建軍

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330002)

銅閃速熔煉工藝

劉建軍

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330002)

隨著國內(nèi)外市場的融通以及銅市場的全球化，我國的銅冶煉工業(yè)面臨著更嚴峻的競爭和挑戰(zhàn)，其焦點主要是產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本以及環(huán)境保護。本文通過介紹閃速熔煉在中國工藝、設(shè)備的發(fā)展，闡述了閃速熔煉技術(shù)的優(yōu)勢，并展望了閃速熔煉的未來。

閃速熔煉;工藝技術(shù);設(shè)備;環(huán)保;發(fā)展

1 概述

目前世界上銅礦物主要分為硫化礦和氧化礦，特別是硫化礦分布最廣，是當(dāng)今煉銅的主要原料。硫化礦經(jīng)過選礦富集后主要采用火法工藝煉銅。

熔煉是火法煉銅最重要的冶煉過程，其工藝主要分傳統(tǒng)熔煉和現(xiàn)代強化熔煉兩種。傳統(tǒng)熔煉工藝主要有鼓風(fēng)爐、反射爐及電爐熔煉等，因其能耗高、熱效率低、銅锍品位低、煙氣SO2濃度低、環(huán)境污染嚴重等缺點，逐漸被高效、節(jié)能和低污染的強化熔煉工藝所取代。

強化熔煉工藝又可分閃速熔煉和熔池熔煉兩大類，閃速熔煉主要有奧托昆普閃速熔煉和INCO氧氣閃速熔煉。熔池熔煉主要有諾蘭達熔煉、三菱法熔煉、特尼恩特轉(zhuǎn)爐熔煉、富氧頂吹浸沒熔池熔煉、瓦紐科夫法熔煉、頂吹自熱熔煉法及白銀法等［1］。在上述諸多熔煉工藝中，最具競爭力、發(fā)展最快并且工業(yè)應(yīng)用較多的當(dāng)屬奧托昆普閃速熔煉。

奧托昆普閃速熔煉工藝是芬蘭Outotec公司(原名Ouokumpu公司)的專有技術(shù)。第一座煉銅閃速爐于1949年在芬蘭Harjavalta冶煉廠投入工業(yè)生產(chǎn)，經(jīng)過60年的探索和發(fā)展，尤其是在近10余年間，由于新型精礦噴嘴和爐體冷卻元件的研發(fā)應(yīng)用，閃速熔煉技術(shù)得到了飛速發(fā)展，進入了“四高”熔煉時代，既高富氧、高銅锍品位、高處理量、高熱負荷，目前單臺閃速爐產(chǎn)量已達到了40萬噸。據(jù)不完全統(tǒng)計，60年共出售了近50個許可證，目前已在20多個國家被應(yīng)用。采用該法生產(chǎn)的銅量約占世界銅產(chǎn)量的三分之一以上。閃速熔煉具有技術(shù)成熟可靠，自動化程度高，生產(chǎn)強度大，作業(yè)成本低，環(huán)境保護好等優(yōu)勢，被稱之為標(biāo)準(zhǔn)的清潔煉銅工藝。國家發(fā)展和改革委員會2006年第40號文《銅冶煉行業(yè)準(zhǔn)入條件》中首推閃速熔煉工藝。

2 銅閃速熔煉在中國的發(fā)展

在引進閃速煉銅技術(shù)之前，中國的煉銅技術(shù)基本是采用傳統(tǒng)的熔煉工藝。自改革開放以后，隨著國內(nèi)對銅需求量的日益增大及對環(huán)境保護要求的日益提高，傳統(tǒng)的熔煉技術(shù)由于上述的致命缺點而無法滿足銅工業(yè)發(fā)展的需求。

上世紀(jì)70年代，閃速煉銅技術(shù)在常州冶煉廠開始工業(yè)性試驗，80年代中期，江西銅業(yè)公司貴溪冶煉廠首次全套引進日本閃速爐煉銅工藝。工程于1985年投入生產(chǎn)，規(guī)模為90kt/a陰極銅。由于技術(shù)水平先進，很快成為中國煉銅技術(shù)的領(lǐng)頭羊，經(jīng)濟技術(shù)、環(huán)保指標(biāo)明顯優(yōu)越于其他煉銅工藝，倍受中國銅業(yè)界的關(guān)注和青睞。

上世紀(jì)90年代中期，中國與日本商談合資合作事宜，在銅陵共同組建金隆銅業(yè)公司。采用閃速煉銅工藝，規(guī)模為100kt/a陰極銅。與江銅貴溪冶煉廠建設(shè)模式不同的是在消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，全部由中國瑞林工程技術(shù)有限公司(前身為南昌有色冶金設(shè)計院)自行設(shè)計，除精礦噴嘴等關(guān)鍵設(shè)備外，大部分設(shè)備由國內(nèi)制造，閃速冶煉技術(shù)和裝備的國產(chǎn)化程度大大提高。包括閃速熔煉工藝的計算機在線控制軟件系統(tǒng)，也全部由國內(nèi)自主開發(fā)。金隆銅業(yè)閃速爐于1997年4月投產(chǎn)成功。

投產(chǎn)后的江銅貴溪冶煉廠和金隆銅業(yè)在生產(chǎn)實踐中逐步消化吸收并掌握了閃速煉銅技術(shù)，企業(yè)不斷跟蹤世界上日益提升的閃速煉銅技術(shù)，結(jié)合自身的技術(shù)特點，相繼對閃速爐及配套設(shè)備進行了幾次挖潛改造，使單爐得到產(chǎn)量大幅提升。

2004年山東陽谷祥光銅業(yè)有限公司開首次引進世界先進的“雙閃”技術(shù)，即閃速熔煉+閃速吹煉技術(shù)。設(shè)計規(guī)模為400kt/a陰極銅。2007年工程的成功投產(chǎn)標(biāo)志著中國閃速煉銅技術(shù)提升到一個新的高度。

2007年，江銅貴溪冶煉廠第二座閃速爐建成投產(chǎn)，投產(chǎn)后貴溪冶煉廠礦銅產(chǎn)陰極銅規(guī)模達到550kt/a。

未來兩年，隨著中國閃速熔煉技術(shù)的不斷發(fā)展，中國對銅需求量的大幅上升，中國利用閃速熔煉技術(shù)煉銅產(chǎn)能將增加近90多萬t。其中包括正在建設(shè)的紫金銅業(yè)有限公司，設(shè)計規(guī)模為200kt/a陰極銅，預(yù)計2011年8月投產(chǎn);白銀有色集團股份有限公司，設(shè)計規(guī)模為250kt/a陰極銅，預(yù)計2012年底投產(chǎn);銅陵有色集團股份有限公司，設(shè)計規(guī)模為400kt/a陰極銅，為國內(nèi)第二個采用“雙閃”工藝的公司，預(yù)計2012年9月投產(chǎn)。值得一提的是，三家公司的三座大型閃速熔煉爐均由中國瑞林工程技術(shù)有限公司自行設(shè)計完成，大大節(jié)約了項目建設(shè)成本。

綜上所述，閃速煉銅技術(shù)25年來在中國得到飛速的發(fā)展。從全套引進技術(shù)到選擇性引進技術(shù)再到全部自行設(shè)計，中國已經(jīng)較全面地掌握閃速煉銅技術(shù)并具備出口技術(shù)的能力。目前中國有6座銅閃速熔煉爐(含在建的)。未來兩年中國閃速煉銅將約占國內(nèi)產(chǎn)量的70%左右。

3 銅閃速熔煉工藝技術(shù)、設(shè)備的發(fā)展

3.1 富氧熔煉取代熱風(fēng)常氧工藝

奧托昆普煉銅閃速爐由反應(yīng)塔、沉淀池和上升煙道三大部分組成。爐料經(jīng)精礦噴嘴與富氧空氣強烈混合后噴人反應(yīng)塔內(nèi)。爐料在反應(yīng)塔內(nèi)呈懸浮狀態(tài)垂直向下運動，迅速受熱燃燒，發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)，使顆粒很快加熱到熔化的溫度。熔融產(chǎn)物和煙氣在水平的沉淀池內(nèi)分離，煙氣通過上升煙道進入余熱鍋爐，熔融產(chǎn)物在沉淀池內(nèi)澄清分離成爐渣和銅锍。

20世紀(jì)50年代，由于高效價廉的制氧方法和設(shè)備的開發(fā)，使閃速熔煉技術(shù)得到了發(fā)展和完善，利用富氧熔煉取代落后的熱風(fēng)常氧工藝，大幅度減少燃料消耗量，增加精礦處理能力，提高冶煉煙氣SO2濃度，減少制酸系統(tǒng)的煙氣處理量。

江銅貴冶一期是全套引進日本70年代的熱風(fēng)常氧閃速熔煉工藝，因此閃速爐反應(yīng)塔前配置了一套空氣加熱器。此工藝需消耗大量的能量，設(shè)備投資大，煙氣中SO2濃度低。1990年貴冶進行了富氧挖潛改造工程，建設(shè)了一臺6500Nm3/h的制氧系統(tǒng)，由此開始了富氧熔煉的歷程，閃速爐精礦投料量由1050t/d上升到1250t/d，產(chǎn)品產(chǎn)量增長了20%以上，單位能耗下降近30%。1998年2月，閃速爐開始采用“四高”冶煉新技術(shù)，閃速爐投料量由100t/h提升到160t/h，同時閃速爐實現(xiàn)了自熱熔煉，每年可為工廠節(jié)省重油消耗500余萬元［2］。

3.2 精礦噴嘴的不斷改進

精礦噴嘴設(shè)在閃速爐反應(yīng)塔頂部，是閃速熔煉最關(guān)鍵的設(shè)備。干燥后的銅精礦與熔劑、燃料以及空氣(或富氧)通過精礦噴嘴噴入閃速爐反應(yīng)塔內(nèi)的。在高溫的反應(yīng)塔內(nèi)，銅精礦在2s左右完成氧化脫硫過程，因此，精礦噴嘴的性能好壞直接影響到閃速熔煉的進行。為此，冶金工作者對精礦噴嘴做了大量的研究工作，并不斷予以改進、完善。

圖1

20世紀(jì)70年代以前，精礦噴嘴都是文丘里型噴嘴。貴溪冶煉廠一期采用的就是該類型噴嘴，結(jié)構(gòu)型式見圖1。該噴嘴上部為熱風(fēng)箱，下部為喉口部，一般控制喉口部空氣流速在80～100m/s，以在喉部形成負壓，對物料產(chǎn)生誘導(dǎo)作用并高速擴散。這種類型噴嘴只適應(yīng)于空氣或低濃度富氧空氣的閃速熔煉。且處理精礦能力小，精礦分散效果差，爐料化學(xué)反應(yīng)不均勻。所以閃速爐反應(yīng)塔一般需設(shè)置3～4個這種精礦噴嘴，增加了噴嘴對反應(yīng)塔壁的侵蝕［3］。

1971年，閃速爐開始實行富氧熔煉，反應(yīng)塔送風(fēng)量減少，氣流速度降低，對精礦顆粒的分散不利，使富氧熔煉達不到預(yù)期的效果。為此各國經(jīng)過致力研究，開發(fā)出了多種適用于富氧熔煉的精礦噴嘴，其中中央噴射擴散型噴嘴占據(jù)了主導(dǎo)地位。下圖2是中央噴射擴散型精礦噴嘴的結(jié)構(gòu)型式。精礦噴嘴由帶空氣室的中央噴射型分配器、無級調(diào)風(fēng)速裝置以及調(diào)風(fēng)錐配套水套組成。調(diào)風(fēng)錐配套水套處于反應(yīng)塔頂部精礦噴嘴的開口部。工藝風(fēng)可以通過調(diào)節(jié)入爐時出口截面積來進行無級調(diào)速，干礦與富氧空氣在工藝風(fēng)入口處混合，在精礦噴嘴的出口以下著火。中央噴射分配器的目的是分散銅精礦，讓銅精礦在反應(yīng)塔內(nèi)懸浮均勻。分配風(fēng)量與投料量、工藝風(fēng)量有關(guān)，銅精礦的懸浮狀況可以通過調(diào)節(jié)分配風(fēng)量來進行控制。精礦分配器配有中央油槍，處于中央氧管內(nèi)部。

圖2

與文丘里型噴嘴相比，中央噴射擴散型噴嘴有如下優(yōu)點:

(1)處理精礦能力大，阻力小，中央噴射擴散型噴嘴在國內(nèi)最大設(shè)計能力約為290t/h。

(2)精礦顆粒與富氧空氣混合均勻，煙塵率低。

(3)減少氣流因素影響，允許高富氧空氣熔煉。

(4)火焰焦點集中于反應(yīng)塔中心，減少對爐墻磚襯的侵蝕，提供爐壽命［4］。

3.3 配套設(shè)備的日臻完善

3.3.1 精礦干燥

由于閃速爐要求入爐物料含水＜0.3%，因此對精礦的干燥工藝提出了較高的要求。早期的干燥工藝一般為氣流干燥。氣流干燥由圓筒干燥機+鼠籠打散機+干燥管三段組成，流程長，設(shè)備多且占地面積大。蒸汽干燥機是一種新型的精礦干燥設(shè)備，以冶煉廠余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽作為熱源，銅精礦在干燥機內(nèi)與盤管中的蒸汽間接接觸，并被加熱干燥。其優(yōu)點是:

(1)設(shè)備占地小，流程簡單，固定投資少;

(2)干燥效率高，環(huán)境保護好;

(3)能源消耗少，運行成分低;

(4)整個干燥過程蒸汽與精礦為間接接觸，故沒有著火危險，無SO2煙氣污染。目前，銅精礦的蒸汽干燥工藝已成為當(dāng)今世界各國運用較廣泛的一種干燥流程。

3.3.2 干礦輸送

在引進蒸汽干燥技術(shù)之前，水分干燥至＜0.3%的銅精礦一般都采用負壓氣流輸送，為稀相輸送工藝。貴溪冶煉廠三期工程和山東祥光工程采用蒸汽干燥工藝后，干礦輸送均改為正壓氣流輸送，為濃相輸送工藝。由于含有石英熔劑的銅精礦是一種高磨損性物料，采用濃相輸送，物料以2～3m/s的低速度輸送，而相同情況下的稀相輸送速度約高10倍。試驗表明，輸送管道的磨損速率隨流速的三次方增加而增加［5］，因此濃相輸送對管道的磨損遠低于稀相輸送，且運行噪音小。另外，濃相輸送所需氣量少，因而能耗也低。與稀相輸送相比，濃相輸送尚有設(shè)備簡單、維修工程量小，易于實現(xiàn)全自動控制，操作人員少，設(shè)備配置靈活方便等優(yōu)勢。

近年來，另一種氣力垂直提升技術(shù)逐漸應(yīng)用在干礦輸送上。貴溪冶煉廠四期工程及其它兩個在建工程均運用了該工藝。氣力垂直提升最大的優(yōu)勢在于輸送快捷、操作簡單、低磨損、低維護，尤其適用于垂直輸送高磨損物料。缺點是對設(shè)備配置要求高，設(shè)備間距離受限制。

3.3.3 干礦計量裝置

閃速爐投料量的精確控制直接關(guān)系到閃速爐爐況的波動以及煙塵率的升高等。貴溪冶煉廠和金隆公司都因為上述原因，先后將原有的精礦沖擊式流量計及埋刮板運輸機更換為從芬蘭引進的失重式自動稱量螺旋給料裝置。該裝置自動化程度高，計量準(zhǔn)確可靠，其精確度可控制在±1%范圍內(nèi)。

失重計量控制包括裝料和排料兩個周期。當(dāng)從干礦倉向稱量倉加料時，開啟放料閥和呼吸閥V2，關(guān)閉呼吸閥V3，在自重作用下，干礦倉中的精礦通過放料閥進入計量倉。由稱量傳感器檢測計量倉內(nèi)的精礦重量，當(dāng)精礦重量達到設(shè)定值時，發(fā)出信號，關(guān)閉放料閥和呼吸閥V2，打開呼吸閥V3，暫停向計量倉加料作業(yè)。計量倉通過螺旋給料機向閃速爐內(nèi)不停地排料，計量倉的精礦重量減少到系統(tǒng)設(shè)定值下限時發(fā)出信號，打開放料閥和呼吸閥V2，關(guān)閉呼吸閥V3，又開始下一輪的加料作業(yè)。由于裝料時間和排料時間是可以準(zhǔn)確計量的，因此單位時間內(nèi)螺旋給料機的干礦排料量是可以推算出來的。借助系統(tǒng)的前饋反饋控制，可以使投料量控制在一個相當(dāng)精確的水平上。

圖3 失重式自動稱量螺旋給料系統(tǒng)圖

4 展望閃速煉銅的未來

目前在全球范圍內(nèi)，采用最多的煉銅技術(shù)當(dāng)屬奧托昆普閃速熔煉工藝和富氧頂吹浸沒熔池熔煉工藝即奧斯麥特熔煉和艾薩熔煉。雖然氧頂吹浸沒熔池熔煉工藝是近些年發(fā)展起來的新技術(shù)，但由于其熔煉強度高，爐體結(jié)構(gòu)簡單，對原料的適應(yīng)性極強，精礦無需專門干燥，建設(shè)投資低等原因，當(dāng)設(shè)計規(guī)模較低時，氧頂吹浸沒熔池熔煉可能比閃速熔煉更具有競爭力。

閃速熔煉技術(shù)的歷史地位在于它的規(guī)模經(jīng)濟性和它對全球環(huán)境保護的貢獻。奧托昆普閃速熔煉技術(shù)曾被歐盟授予了“現(xiàn)有最佳技術(shù)”稱號，達到了工業(yè)生產(chǎn)中最高的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。因此，如果要選擇一個最為環(huán)保的工藝，必然會選擇閃速熔煉工藝。

冶煉業(yè)的發(fā)展動力總是來自經(jīng)濟方面，因此閃速熔煉工藝的優(yōu)勢在于可利用規(guī)模經(jīng)濟，即通過增加產(chǎn)量降低單位成本，也就是說進行規(guī)?；\營。假設(shè)年產(chǎn)10萬t對應(yīng)100%的運營操作成本(成本/t金屬)，則年產(chǎn)12.5萬t的單位運營成本是90%，年產(chǎn)20萬t的單位運營成本僅為年產(chǎn)10萬t規(guī)模的62%。這就是所謂的規(guī)模經(jīng)濟［6］。也正是基于這個原因全球的銅冶煉廠都在競相擴大規(guī)模.要贏利就必須擴大規(guī)模，而且對于同樣的生產(chǎn)能力，在任何情況下都是建一座大型冶煉廠比建兩座小冶煉廠更有優(yōu)勢。

將來閃速熔煉真正意義上的更大的優(yōu)勢在于現(xiàn)有冶煉廠的擴產(chǎn)上。閃速熔煉技術(shù)，可以以相當(dāng)?shù)偷耐顿Y使閃速冶煉廠的生產(chǎn)能力在原設(shè)計的基礎(chǔ)上增加一倍甚至兩倍。這也是其它熔煉技術(shù)望塵莫及的。金隆工程從最初的100kt/a陰極銅到210kt/a，再到400kt/a陰極銅的產(chǎn)能。這個產(chǎn)能擴張所需的投資，僅占原始投資的60%，而銅產(chǎn)量卻擴大了近4倍，這是閃速爐優(yōu)越性的體現(xiàn)。但是，大部分冶煉廠已將其產(chǎn)能擴大到極限，如國內(nèi)的貴溪冶煉廠和金隆公司。其限制因素主要是PS轉(zhuǎn)爐吹煉、熔融物的吊車轉(zhuǎn)運、煙氣處理及硫酸能力等。在這種情況下，再用傳統(tǒng)方式如增加PS轉(zhuǎn)爐擴產(chǎn)，在一定程度技術(shù)上是可行的，但由于冰銅量的增多需增大冰銅包或增加吊車，煙氣量的增大需配備一套全新的煙氣系統(tǒng)及增加硫酸設(shè)備等，因此投資費用高且不能降低生產(chǎn)成本。而新的技術(shù)閃速吹煉提供了解決方法。閃速吹煉工藝可提高生產(chǎn)率，由于工藝用風(fēng)的富氧濃度(可達100%02)可以比P.S轉(zhuǎn)爐吹煉的富氧濃度(最大約28%02)高得多，產(chǎn)出的進入硫酸系統(tǒng)的煙氣量低得多，因而可利用老系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)施能力，投資費用比P.S轉(zhuǎn)爐低很多，進而帶來更低的生產(chǎn)成本和更高的利潤。

隨著國內(nèi)外市場的融通以及銅市場的全球化，未來各銅業(yè)公司都面臨著激烈的市場競爭。奧托昆普閃速熔煉技術(shù)以其低能源消耗，環(huán)保和規(guī)模經(jīng)濟的顯著優(yōu)勢，在煉銅行業(yè)處于領(lǐng)先地位。

［1］金哲男.有色金屬冶金學(xué).重金屬冶金學(xué)部分.

［2］姜桂平，余齊漢.貴冶閃速煉銅20a的科技進步和發(fā)展.銅業(yè)工程，2006.(3)28－29.

［3］重有色金屬冶煉設(shè)計手冊銅鎳卷.冶金工業(yè)出版社.1996.

［4］劉英剛.奧托昆普閃速熔煉精礦噴嘴的發(fā)展.有色金屬冶煉部分，1995.(4).

［5］朱祖澤，賀家齊.現(xiàn)代銅冶金學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［6］奧托昆普技術(shù)公司Lars Hel 1e Jukka Tuominen.以面向未來的眼光面對全球.

Flash Furnace Smelting Process of Copper

LIU Jian－jun

(China Nerin Engineering Co.Ltd，Nanchang，Jiangxi，China 330002)

As domestic and overseas market financing and globalization of copper market，Chinese copper industry will face more severe challenges and competition.Focus is product quality，production cost and environmental protection.This paper introduced the development of China＇s flash furnace smelting process and equipment，expatiated the advantages of flash furnace smelting process and prospect of flash furnace smelting process was given.

flash fournace smelting;process technic;equipment;environmental protection;development

TF841

A

1009－3842(2011)03－0025－04

2011－03－16

劉建軍(1969－)，男，漢族，江西省崇仁縣人，高級工程師，從事有色金屬設(shè)計及研究工作，E－mail:liujianjun@nerin.com