■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(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)了國內(nèi)外企業(yè)對銅產(chǎn)品的需求。隨著生產(chǎn)工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)，銅產(chǎn)品產(chǎn)量逐年增加。世界先進(jìn)的煉銅工藝，閃速爐熔煉、艾薩熔煉、奧斯麥特熔煉、諾蘭達(dá)熔煉等方法，在世界各地得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了世界銅工業(yè)的發(fā)展。通過對這些煉銅方法進(jìn)行總結(jié)及回顧，為我國銅冶煉企業(yè)改造時(shí)，選擇合適的冶煉工藝方法提供參考，對我國銅工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 火法煉銅工藝流程

銅冶煉技術(shù)以火法和濕法冶煉為主，火法冶煉的銅產(chǎn)量約占世界銅產(chǎn)量的80%;濕法冶煉的銅產(chǎn)量約占世界銅產(chǎn)量的20%。經(jīng)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(jīng)燒結(jié)再還原熔煉得到粗銅。該方法流程簡單，但產(chǎn)出的粗銅雜質(zhì)含量高，爐渣含銅高。其二，硫化銅精礦經(jīng)過造锍熔煉產(chǎn)出銅锍，銅锍再吹煉成粗銅。該方法工藝流程復(fù)雜，但優(yōu)點(diǎn)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(gè)環(huán)節(jié):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(shù)現(xiàn)狀

2.1 熔煉

熔煉是銅冶煉過程中的重要環(huán)節(jié)和重要組成部分。傳統(tǒng)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(qiáng)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(fā)明閃速爐，并成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。經(jīng)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(nèi)。在高溫環(huán)境下，呈懸浮狀態(tài)的銅精礦，迅速完成物理化學(xué)反應(yīng)，生成的冰銅和爐渣落入沉淀池中澄清、分離，生成的煙氣經(jīng)余熱鍋爐降溫除塵后，制酸。該工藝具有能耗低、反應(yīng)速度快、處理量大和環(huán)保好等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

閃速熔煉法有奧托昆普爐、In-Co 爐和Contop 爐三種。20 世紀(jì)80年代新建和已建閃速爐沿著高強(qiáng)度、高富氧、高冰銅品位和高料量的發(fā)展趨勢，這其中包含蒸汽干燥技術(shù)代替氣流干燥、使用常溫富氧鼓風(fēng)和高強(qiáng)度熔煉技術(shù)到應(yīng)用。金隆閃速爐經(jīng)過三次改造和技術(shù)攻關(guān)后，使產(chǎn)能從10 萬噸/年提高到35 萬噸/年。在高強(qiáng)度冶煉，存在規(guī)模小和節(jié)能等眾多等優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些問題急需解決如高強(qiáng)度熔煉下，爐體過熱易損壞，需加強(qiáng)爐體保護(hù)、精礦與氧反應(yīng)不完全，使渣含銅、煙塵率和SO3 發(fā)生率上升，需優(yōu)化操作參數(shù)，改進(jìn)精礦噴嘴。

2.1.2 熔池熔煉

熔池熔煉最早可追溯到19 世紀(jì)末20 世紀(jì)初，代表爐型為轉(zhuǎn)爐吹煉銅硫和煙化爐貧化熔煉鉛。經(jīng)配料后的銅精礦拋入被富氧空氣激烈攪動(dòng)的熔池內(nèi)，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(yīng)。爐內(nèi)的混合物經(jīng)爐子排放口排出到澄清爐內(nèi)分離，生成的煙氣經(jīng)余熱鍋爐降溫除塵后，制酸。該工藝優(yōu)勢在于原料制備簡單、投資低、煙塵率低。根據(jù)送風(fēng)方式可分為側(cè)吹、低吹和頂吹三種冶煉方法。側(cè)吹有諾蘭達(dá)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(yè)、南秘魯銅業(yè)公司等冶煉廠得到廣泛等應(yīng)用。

熔池熔煉和閃速熔煉是現(xiàn)代造锍熔煉的最主要方法，兩者之間的區(qū)別在于閃速爐主要反應(yīng)發(fā)生在爐膛空間，反應(yīng)體系連續(xù)相是氣相;熔池熔煉主要反應(yīng)發(fā)生在熔池內(nèi)，反應(yīng)體系連續(xù)相是液相。在工藝技術(shù)指標(biāo)方面各有優(yōu)勢。究竟選擇那種熔煉工藝，需根據(jù)資源儲(chǔ)備、原料成份、企業(yè)所在地的自然條件來決定。

2.2 吹煉

轉(zhuǎn)爐吹煉工藝自1905 年發(fā)明以來就被世界上各國普偏采用。具有工藝簡單、技術(shù)成熟，富氧吹煉、設(shè)備大型化等優(yōu)點(diǎn)，但PS 轉(zhuǎn)爐工藝間斷操作，存在爐口漏風(fēng)，使煙氣量大且波動(dòng)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(yè)在工業(yè)上已成功的應(yīng)用了三菱法連續(xù)煉銅工藝和“雙閃”工藝，這兩種工藝雖解決了轉(zhuǎn)爐吹煉過程中的低空污染問題，但也存在著投資高、運(yùn)行成本高等問題。

近年來，也出現(xiàn)了一些的新的吹煉方法，被用于工業(yè)生產(chǎn)中。20世紀(jì)70 年代比利時(shí)霍勃肯冶煉廠在轉(zhuǎn)爐吹煉的基礎(chǔ)上，在原轉(zhuǎn)爐軸向的一端建立虹吸煙道和增加爐蓋，使轉(zhuǎn)爐在吹煉過程中的存在的漏風(fēng)、煙氣外泄、噴濺等問題得到改進(jìn)，并且還能實(shí)現(xiàn)吹煉過程中連續(xù)進(jìn)料，大大的提高了吹煉時(shí)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(dá)吹煉爐應(yīng)用于加拿大魁北克的霍恩冶煉廠，吹煉爐和諾蘭達(dá)熔煉爐配套使用，可實(shí)現(xiàn)吹煉爐的連續(xù)進(jìn)料，處理冷料量大、煙氣外泄和煙氣中SO2 濃度波動(dòng)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(jìn)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(chǎn)后，而未達(dá)到設(shè)計(jì)能力，其工業(yè)生產(chǎn)的可行性，還有待于進(jìn)一步的完善。2008 年底，由山東方圓和北京有色研究院聯(lián)合開發(fā)的低吹連續(xù)煉銅工藝投產(chǎn)并運(yùn)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(yè)集團(tuán)的“雙閃”煉銅技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，正是短流程銅清潔冶金技術(shù)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(gè)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(dòng)強(qiáng)度大、冶煉能耗高、現(xiàn)場操作環(huán)境差和出銅中易跑銅等缺點(diǎn)，而逐漸被機(jī)械化強(qiáng)度小、爐體密閉性好和易操作的回轉(zhuǎn)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?；剞D(zhuǎn)式陽極爐采用重油或可燃?xì)怏w作為燃料。使用固體還原劑具有還原效率低、環(huán)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(fā)展趨勢，是尋求較短的氧化和還原過程，縮短作業(yè)時(shí)間，達(dá)到增加煉銅爐的容量和擴(kuò)大生產(chǎn)能力的目的。國內(nèi)外銅冶煉廠銅冶煉技術(shù)人員使用碳酸鈉為助溶劑對粗銅進(jìn)行火法精煉的試驗(yàn)、真空精煉技術(shù)和采用氣體或液體還原劑等技術(shù)等研發(fā)，這些方法與傳統(tǒng)粗銅火法精煉技術(shù)相比能夠縮短作業(yè)時(shí)間，對提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益有重要的作用和價(jià)值。

2.4 電解精煉

電解工藝朝著自動(dòng)化、大型化的方向發(fā)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(lián)動(dòng)作業(yè)機(jī)組和專用吊車幾吊車大自動(dòng)定位系統(tǒng)后，使機(jī)械化和自動(dòng)化水平大大提高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低。

艾薩不銹鋼陰極電解工藝的應(yīng)用標(biāo)志著我國的銅電解工藝技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平，該工藝采用較大電流密度及較小大極距，采用自動(dòng)化較高大薄片機(jī)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(chǎn)過程中短路現(xiàn)象減少，大大提高產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)對脫除法、控制雜質(zhì)濃度法和板式真空蒸發(fā)器法。這些方法都是控制電解液中某一雜質(zhì)濃度而抑制其他雜質(zhì)從陽極板中溶出，使雜質(zhì)大部分進(jìn)入陽極泥，降低電解液中對雜質(zhì)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(jì)80 年代國內(nèi)冶煉廠相繼完成了銅冶煉企業(yè)的技術(shù)改造，使技術(shù)和設(shè)備裝備水平又更上新的臺(tái)階，已達(dá)國外發(fā)達(dá)國家水平。銅冶煉企業(yè)產(chǎn)能的提高，將減少銅材產(chǎn)品的進(jìn)口量，有利于提高冶煉企業(yè)的市場競爭力和國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。但冶煉產(chǎn)能的提高受以下幾方面的制約。

3.1 銅原料依賴進(jìn)口

我國冶煉企業(yè)80 多個(gè)，至2014 年底已具備560 萬噸礦銅產(chǎn)能，對銅精礦進(jìn)口需求量達(dá)到1200 萬噸，而國內(nèi)銅精礦產(chǎn)能僅能滿足冶煉能力的50%。進(jìn)口銅原料來源秘魯和智利。銅原料依賴進(jìn)口受到銅價(jià)、供貨商、現(xiàn)貨、出口國的政治、供應(yīng)批次和原料品質(zhì)的影響，使國內(nèi)冶煉行業(yè)的工藝技術(shù)指標(biāo)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(yīng)問題關(guān)系到國內(nèi)冶煉企業(yè)的生存和發(fā)展，因此需進(jìn)一步勘探國內(nèi)銅礦資源和開發(fā)資源，滿足國內(nèi)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(yè)的利潤來源銅精礦的加工費(fèi)和副產(chǎn)品的銷售。銅精礦的價(jià)格受銅價(jià)和加工費(fèi)影響。銅精礦的加工費(fèi)是原料供應(yīng)商付給冶煉企業(yè)的費(fèi)用。銅精礦加工費(fèi)隨著原料的供求關(guān)系變化而變化，當(dāng)原料供應(yīng)不足，加工費(fèi)降低，冶煉企業(yè)獲利減少，反之冶煉企業(yè)獲利增多。而國內(nèi)原料供應(yīng)不足，需大量進(jìn)口原料的國內(nèi)企業(yè)，加工費(fèi)受制于國際原料供貨商，因此國內(nèi)銅冶煉行業(yè)冶煉成本較高。而國內(nèi)的勞動(dòng)力、燃輔料和動(dòng)力能源方面，相對低于國外發(fā)達(dá)國家，而企業(yè)管理費(fèi)用較高。因此需依靠科技進(jìn)步，夯實(shí)基礎(chǔ)管理，進(jìn)行制度創(chuàng)新和管理創(chuàng)新，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競爭力。

3.3 環(huán)保形勢依然嚴(yán)峻

銅锍吹煉方面，仍采用PS 轉(zhuǎn)爐工藝，因間斷性的作業(yè)，操作中不可避免的出現(xiàn)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(xù)吹煉的作業(yè)方式，對解決廠房內(nèi)的低空污染方面取得較好的效果，因此大力發(fā)展銅硫的連續(xù)吹煉的工作是今后的工作的重點(diǎn)。

3.4 渣含銅高

采用高富氧熔煉存在著節(jié)能降耗，煙氣易于制酸，產(chǎn)能高等等優(yōu)點(diǎn)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)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(jié)語

熔池熔煉和閃速熔煉是現(xiàn)代造锍熔煉的最主要方法，在工藝技術(shù)指標(biāo)方面各有優(yōu)勢。轉(zhuǎn)爐吹煉工藝雖具有間斷性作業(yè)、噴濺大、環(huán)保差和煙氣量大、波動(dòng)大和煙氣SO2 波動(dòng)大等劣勢，但在吹煉工藝中仍具有主導(dǎo)作用。閃速吹煉雖存在冰銅水淬、破碎等環(huán)節(jié)對能耗和直收率不利的因素，但該法具有環(huán)保、節(jié)能、連續(xù)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，可推廣。銅的火法精煉的發(fā)展趨勢，是尋求較短的氧化和還原過程，縮短作業(yè)時(shí)間，達(dá)到增加煉銅爐的容量和擴(kuò)大生產(chǎn)能力的目的。電解工藝朝著自動(dòng)化、大型化的方向發(fā)展。在新建廠或改造時(shí)，究竟選擇那種冶煉工藝，需根據(jù)資源儲(chǔ)備、原料成份、企業(yè)所在地的自然條件來決定。

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