楊慧蘭，胡青，何峰

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

對于一個銅冶煉廠而言，冶煉工藝的選擇是影響該廠長遠生存能力和盈利能力的根本。依據(jù)不同的規(guī)模、不同的精礦成分和不同的外部建設條件，最終選擇的最佳冶煉工藝也不盡相同。隨著中國企業(yè)在非洲等地的世界級礦山陸續(xù)投產，中國企業(yè)如何根據(jù)當?shù)氐木V特性及實際情況，選擇合適的冶金技術，對礦業(yè)公司具有重要意義。

閃速爐一步煉銅是將熔煉和吹煉過程集中在閃速爐內完成，一步生成粗銅。全球已有3座閃速一步煉銅工廠投入運行，充分體現(xiàn)了其獨特的工藝特點及高品位精礦的適應性。本文主要對閃速爐一步煉銅技術的運行實踐進行總結，對該技術在銅冶煉方面的技術特征、適應性及經(jīng)濟性進行論證分析，以期為相關項目提供參考。

1 閃速爐一步煉銅技術的介紹

目前，已用于工業(yè)生產的銅火法冶煉的熔煉工藝有閃速爐熔煉、諾蘭達熔煉、奧斯麥特熔煉、艾薩熔煉、白銀法熔煉、底吹熔煉，以及傳統(tǒng)的鼓風爐熔煉、電爐熔煉、反射爐熔煉等。這些熔煉方法除后三種傳統(tǒng)方法環(huán)保難以達標外，其他幾種都是當今世界采用的較為先進的熔煉工藝。火法煉銅的吹煉工藝則主要有轉爐吹煉、閃速爐吹煉、奧斯麥特吹煉、艾薩吹煉、多槍頂吹吹煉、底吹熔煉等。通過熔煉和吹煉過程，銅精礦中的銅金屬被提取出來，生成粗銅，再進一步精煉。

常規(guī)煉銅技術的熔煉和吹煉過程是在不同的爐中分開進行的，造成硫的利用率低、熱量損失多、流程長、能耗高和SO2煙氣低空污染等問題。因此，一些學者提出將這些不同過程放在同一個設備內連續(xù)進行，即用硫化銅精礦直接冶煉成銅。這種在單一設備中進行的連續(xù)煉銅法稱一步煉銅。

閃速爐一步煉銅是目前已成功實踐的唯一一種一步煉銅技術。其工藝流程為：首先將銅精礦干燥，然后將干精礦、助熔劑和富氧空氣送入閃速熔煉爐。在閃速爐的反應塔中，精礦顆粒被迅速點燃并與富氧空氣中的氧發(fā)生反應，經(jīng)一系列反應形成爐渣、粗銅和富含SO2的煙氣。爐渣和粗銅在閃速爐的沉淀池內由于比重差異實現(xiàn)分層，上層的爐渣進入渣貧化爐，回收渣中的銅，下層的粗銅從閃速爐的沉淀池排出并運送到陽極爐中精煉成陽極銅。夾帶了煙塵的煙氣則從閃速爐的上升煙道排出，通過余熱鍋爐回收其中的熱量。煙塵部分在余熱鍋爐中得以回收，部分通過靜電除塵器捕集，再送入硫酸廠進行進一步凈化，煙氣中的SO2作為制硫酸的原料得以回收。閃速爐一步煉銅工藝示意見圖1。

圖1 閃速爐一步煉銅工藝示意

閃速爐一步煉銅的主要優(yōu)點[1]有：1）將SO2排放分離成單一、連續(xù)、高濃度的氣流，可以更好地收集起來用于生產硫酸；2）能源消耗??；3）資本和運營成本低。

但一步煉銅工藝也有很明顯的缺點，主要是直收率低。一步煉銅爐中約有25%的銅會溶解在爐渣中，與傳統(tǒng)的“熔煉+吹煉”工藝相比，溶解在渣中的Cu質量分數(shù)過高，回收該部分銅的成本會比較高。尤其是對于低品位銅精礦，生產噸銅產生的爐渣量更大，回收渣中銅的成本也會更高。

2 閃速爐一步煉銅的運行實踐

閃速爐一步煉銅工藝最早于1978年在波蘭銅業(yè)集團公司Glogow第二冶煉廠投入工業(yè)化生產，銅生產能力達200 kt/a。第二家實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模應用的是澳大利亞Olympic Dam冶煉廠。該廠1988年投產時銅產能為55 kt/a，后擴大到85 kt/a；新廠于1999年建成投產，銅產能達200 kt/a。2008年，KCM在贊比亞Chingola冶煉廠的閃速爐一步煉銅工藝投產，生產規(guī)模為300 kt/a。2015年，波蘭銅業(yè)Glogow第一冶煉廠投料，銅產能約為300 kt/a。這幾個冶煉廠成功運轉至今，說明閃速爐一步煉銅工藝技術是成熟可靠、有競爭力的。表1和表2分別為上述一步煉銅廠精礦成分及閃速爐渣組成。

表1 各一步煉銅廠的精礦成分

表2 各一步煉銅廠的閃速爐渣組成

從表1、表2可以看出，由于銅精礦成分迥異，各工廠采用的渣型也不同，但其根本目的都是降低渣熔點、提高流動性。例如，波蘭銅業(yè)Glogow冶煉廠精礦中含鐵低而脈石成分高，故熔煉時不添加熔劑或只加少量CaO，從而形成低鐵的鐵硅鈣三元渣。Olympic Dam冶煉廠精礦的鐵含量高，為了減少渣量，采用鐵硅渣并選擇高鐵硅比操作。而Chingola冶煉廠精礦含鐵量處于其他兩個冶煉廠之間，SiO2和MgO含量相對較高，為了降低渣相溫度，該廠加入了一定量的氧化鈣造鐵硅鈣三元渣。

這些成功運行的工廠案例也說明，閃速爐一步煉銅對于這些渣型都是適應的。

但是閃速爐一步煉銅采用高氧勢操作，導致爐渣含銅高，降低了銅的直收率，需要對爐渣中的銅進行回收。閃速一步煉銅爐渣中的銅主要以氧化亞銅形態(tài)存在，因此直接采用渣選礦并不能保證銅的回收率。幾座一步煉銅工廠都采用電爐作為貧化手段[2]。電爐采用強還原氣氛，將渣中的氧化亞銅還原并與渣分離后得以回收，根據(jù)渣中回收元素及目標尾渣含銅的需求，可選擇產品為粗銅或者銅合金。表3為幾個冶煉廠的電爐技術參數(shù)對比。

表3 各冶煉廠電爐技術參數(shù)對比

由表3可以看出，波蘭銅業(yè)Glogow冶煉廠采用一臺電爐將渣中銅質量分數(shù)從13.18%直接降低0.60%，產品是銅鉛鐵合金，含Pb的原因是其精礦中較高的Pb含量。Olympic Dam冶煉廠采用1臺電爐將渣中銅質量分數(shù)從24.00%降低至4.00%，產出粗銅，電爐渣再進行渣選礦，以避免精礦中的鈾在電爐中還原出來。KCM Chingola冶煉廠采用的是兩段電爐貧化，第1臺電爐控制渣中銅質量分數(shù)為2.50%～4.00%，產出粗銅，第2臺電爐控制渣中銅質量分數(shù)為0.50%～0.60%，產出銅鈷合金，兩段貧化使得精礦中伴生的鈷在合金相的濃度盡可能提高。

3 閃速爐一步煉銅工藝的特點

根據(jù)上述各閃速爐一步煉銅工廠的相關生產數(shù)據(jù)進行分析可以發(fā)現(xiàn)，閃速爐一步煉銅工藝具有以下特點。

1）流程短、煙氣量少、煙氣中SO2濃度高且連續(xù)排放，能節(jié)省熔煉工段和制酸的投資及運行成本。

2）熔煉過程產生的渣量少，直收率高。波蘭銅業(yè)Glogow冶煉廠雖然銅精礦銅品位為27%，但由于精礦中Fe含量較低，熔煉時可不加入熔劑，其渣量較低；而Olympic Dam和KCM Chingola處理的精礦銅品位都超過35%，渣量也較少。

3）銅精礦類型適應性強。20世紀60年代，對黃銅礦精礦和富輝銅礦—斑銅礦精礦進行的試驗研究結果表明，所有銅精礦類型在冶金技術上都可以在閃速爐中直接冶煉生成粗銅。但隨著精礦的品位降低，渣量也會增大，從爐渣中回收銅的處理成本也會隨之增加。實踐表明，產生渣量少的精礦，如高品位的低鐵輝銅礦和斑銅礦采用閃速一步煉銅工藝是一種經(jīng)濟可行的選擇。而對于銅品位較低的高鐵黃銅礦，采用閃速爐一步煉銅工藝進行冶煉，產生的熔煉渣量大，回收渣中銅的成本高，限制了該工藝的應用。因此，從經(jīng)濟可行性角度出發(fā)，不推薦使用閃速爐一步煉銅工藝使用低品位銅精礦。由此可以判斷，精礦成分是閃速爐一步煉銅經(jīng)濟可行性的決定因素。

4 精礦成分對工藝經(jīng)濟性影響分析

如前所述，精礦成分對閃速爐一步煉銅的加工成本影響較大。下面以某項目為例，根據(jù)其外部參數(shù)對采用一步煉銅工藝方案冶煉不同成分銅精礦的可比成本進行計算。表4為不同品位的銅精礦成分。

表4 不同品位銅精礦成分分析

由表4可以看出，精礦1的銅品位最高，精礦2次之并依次降低，隨著銅品位的降低，精礦中鐵和硫的含量增加。

采用METSIM軟件對各方案的銅精礦一步煉銅進行工藝計算[3]，得出噸銅消耗及產出情況見表5。

表5 不同品位精礦的噸銅消耗及產出

由表5可知，隨著銅品位降低、硫鐵品位增加，噸銅燃料消耗減少，噸銅氧氣消耗量、渣量及硫酸量增加；但熔劑消耗量的影響因素較多，不呈規(guī)律變化。精礦1～4由于鐵硅比較低，需加入鈣熔劑造鈣鐵硅三元渣，而精礦5是加入硅熔劑造鐵硅渣。

表6為不同精礦方案采用一步煉銅工藝時的可比成本情況。

表6 精礦方案采用一步煉銅工藝時的可比成本

圖2為不同精礦品位對應的閃速爐一步煉銅可比成本。其中渣貧化處理的消耗包括電爐焦炭和電爐電耗。

圖2 不同精礦銅品位對應的閃速爐一步煉銅可比成本

精礦中Cu、Fe、S含量對加工成本的具體影響情況如下。

1）Cu品位對加工成本的具體影響。（1）在可比成本中，渣貧化處理占比最大，隨著精礦銅品位降低，渣量增大，導致從渣中回收銅的成本增加，說明精礦銅品位是影響總可比成本的主要因素。（2）噸銅總可比成本會隨精礦銅品位的降低而增加。當精礦銅品位從64%下降到47%時，品位每降低1%，對應噸銅總可比成本增加0.8美元/t；當精礦銅品位從47%下降到37%時，品位每降低1%，對應噸銅總可比成本增加4.3美元/t；當精礦銅品位從37%下降到28%時，品位每降低1%，對應噸銅總可比成本增加12.8美元/t。（3）氧氣消耗隨銅品位降低而增加。與渣貧化處理一樣，當銅品位小于45%時，氧氣消耗增加得更為明顯?？偪杀瘸杀沮厔菖c這兩者基本一致。

2）S含量對加工成本影響。精礦S含量對加工成本影響也較大，其影響主要體現(xiàn)在燃料消耗上。隨著Cu品位降低，精礦中S含量增加，一方面增加了氧氣消耗，另一方面也提供了熱量，降低了燃料消耗。當Cu品位降至37%，S質量分數(shù)大于22%時，閃速一步煉銅基本實現(xiàn)自熱熔煉，若精礦含S更高，則可能出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

3）Fe含量對加工成本的影響。精礦中Fe含量對加工成本的影響主要體現(xiàn)在渣型選擇和熔劑消耗上。但從分析的幾種精礦來看，熔劑消耗占成本比例相對較低。

5 結論

1）閃速爐一步煉銅工藝由于其流程短，煙氣量少、煙氣中SO2濃度高且連續(xù)排放，節(jié)省了熔煉工段和制酸的投資及運行成本，對于產生渣量少的精礦是一種有競爭力的工藝技術。

2）對于高品位的銅精礦，從技術和經(jīng)濟上都適宜采用一步煉銅技術，而對于低品位銅精礦，由于渣量大，從爐渣中回收銅的處理成本高。因此，精礦成分是閃速爐一步煉銅經(jīng)濟可行性的決定因素。

3）通過對不同成分精礦的可比成本進行分析，高品位銅精礦閃速爐一步煉銅的成本比低品位精礦具有顯著優(yōu)勢。隨著精礦Cu品位降低，精礦含硫增加，盡管燃料消耗減少明顯，但渣貧化處理成本顯著增加，尤其當銅精礦品位降至40%以下時，總的可比成本大幅增加，因此從技術經(jīng)濟角度看，Cu品位大于40%，S質量分數(shù)大于13%而小于22%的精礦適合采用閃速爐一步煉銅。對于Cu品位小于40%的銅精礦，需根據(jù)實際情況進一步分析比選。