铜闪速熔炼工艺

刘建军

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330002)

铜闪速熔炼工艺

刘建军

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌 330002)

随着国内外市场的融通以及铜市场的全球化，我国的铜冶炼工业面临着更严峻的竞争和挑战，其焦点主要是产品质量、生产成本以及环境保护。本文通过介绍闪速熔炼在中国工艺、设备的发展，阐述了闪速熔炼技术的优势，并展望了闪速熔炼的未来。

闪速熔炼;工艺技术;设备;环保;发展

1 概述

目前世界上铜矿物主要分为硫化矿和氧化矿，特别是硫化矿分布最广，是当今炼铜的主要原料。硫化矿经过选矿富集后主要采用火法工艺炼铜。

熔炼是火法炼铜最重要的冶炼过程，其工艺主要分传统熔炼和现代强化熔炼两种。传统熔炼工艺主要有鼓风炉、反射炉及电炉熔炼等，因其能耗高、热效率低、铜锍品位低、烟气SO2浓度低、环境污染严重等缺点，逐渐被高效、节能和低污染的强化熔炼工艺所取代。

强化熔炼工艺又可分闪速熔炼和熔池熔炼两大类，闪速熔炼主要有奥托昆普闪速熔炼和INCO氧气闪速熔炼。熔池熔炼主要有诺兰达熔炼、三菱法熔炼、特尼恩特转炉熔炼、富氧顶吹浸没熔池熔炼、瓦纽科夫法熔炼、顶吹自热熔炼法及白银法等［1］。在上述诸多熔炼工艺中，最具竞争力、发展最快并且工业应用较多的当属奥托昆普闪速熔炼。

奥托昆普闪速熔炼工艺是芬兰Outotec公司(原名Ouokumpu公司)的专有技术。第一座炼铜闪速炉于1949年在芬兰Harjavalta冶炼厂投入工业生产，经过60年的探索和发展，尤其是在近10余年间，由于新型精矿喷嘴和炉体冷却元件的研发应用，闪速熔炼技术得到了飞速发展，进入了“四高”熔炼时代，既高富氧、高铜锍品位、高处理量、高热负荷，目前单台闪速炉产量已达到了40万吨。据不完全统计，60年共出售了近50个许可证，目前已在20多个国家被应用。采用该法生产的铜量约占世界铜产量的三分之一以上。闪速熔炼具有技术成熟可靠，自动化程度高，生产强度大，作业成本低，环境保护好等优势，被称之为标准的清洁炼铜工艺。国家发展和改革委员会2006年第40号文《铜冶炼行业准入条件》中首推闪速熔炼工艺。

2 铜闪速熔炼在中国的发展

在引进闪速炼铜技术之前，中国的炼铜技术基本是采用传统的熔炼工艺。自改革开放以后，随着国内对铜需求量的日益增大及对环境保护要求的日益提高，传统的熔炼技术由于上述的致命缺点而无法满足铜工业发展的需求。

上世纪70年代，闪速炼铜技术在常州冶炼厂开始工业性试验，80年代中期，江西铜业公司贵溪冶炼厂首次全套引进日本闪速炉炼铜工艺。工程于1985年投入生产，规模为90kt/a阴极铜。由于技术水平先进，很快成为中国炼铜技术的领头羊，经济技术、环保指标明显优越于其他炼铜工艺，倍受中国铜业界的关注和青睐。

上世纪90年代中期，中国与日本商谈合资合作事宜，在铜陵共同组建金隆铜业公司。采用闪速炼铜工艺，规模为100kt/a阴极铜。与江铜贵溪冶炼厂建设模式不同的是在消化国外技术的基础上，全部由中国瑞林工程技术有限公司(前身为南昌有色冶金设计院)自行设计，除精矿喷嘴等关键设备外，大部分设备由国内制造，闪速冶炼技术和装备的国产化程度大大提高。包括闪速熔炼工艺的计算机在线控制软件系统，也全部由国内自主开发。金隆铜业闪速炉于1997年4月投产成功。

投产后的江铜贵溪冶炼厂和金隆铜业在生产实践中逐步消化吸收并掌握了闪速炼铜技术，企业不断跟踪世界上日益提升的闪速炼铜技术，结合自身的技术特点，相继对闪速炉及配套设备进行了几次挖潜改造，使单炉得到产量大幅提升。

2004年山东阳谷祥光铜业有限公司开首次引进世界先进的“双闪”技术，即闪速熔炼+闪速吹炼技术。设计规模为400kt/a阴极铜。2007年工程的成功投产标志着中国闪速炼铜技术提升到一个新的高度。

2007年，江铜贵溪冶炼厂第二座闪速炉建成投产，投产后贵溪冶炼厂矿铜产阴极铜规模达到550kt/a。

未来两年，随着中国闪速熔炼技术的不断发展，中国对铜需求量的大幅上升，中国利用闪速熔炼技术炼铜产能将增加近90多万t。其中包括正在建设的紫金铜业有限公司，设计规模为200kt/a阴极铜，预计2011年8月投产;白银有色集团股份有限公司，设计规模为250kt/a阴极铜，预计2012年底投产;铜陵有色集团股份有限公司，设计规模为400kt/a阴极铜，为国内第二个采用“双闪”工艺的公司，预计2012年9月投产。值得一提的是，三家公司的三座大型闪速熔炼炉均由中国瑞林工程技术有限公司自行设计完成，大大节约了项目建设成本。

综上所述，闪速炼铜技术25年来在中国得到飞速的发展。从全套引进技术到选择性引进技术再到全部自行设计，中国已经较全面地掌握闪速炼铜技术并具备出口技术的能力。目前中国有6座铜闪速熔炼炉(含在建的)。未来两年中国闪速炼铜将约占国内产量的70%左右。

3 铜闪速熔炼工艺技术、设备的发展

3.1 富氧熔炼取代热风常氧工艺

奥托昆普炼铜闪速炉由反应塔、沉淀池和上升烟道三大部分组成。炉料经精矿喷嘴与富氧空气强烈混合后喷人反应塔内。炉料在反应塔内呈悬浮状态垂直向下运动，迅速受热燃烧，发生剧烈氧化反应，使颗粒很快加热到熔化的温度。熔融产物和烟气在水平的沉淀池内分离，烟气通过上升烟道进入余热锅炉，熔融产物在沉淀池内澄清分离成炉渣和铜锍。

20世纪50年代，由于高效价廉的制氧方法和设备的开发，使闪速熔炼技术得到了发展和完善，利用富氧熔炼取代落后的热风常氧工艺，大幅度减少燃料消耗量，增加精矿处理能力，提高冶炼烟气SO2浓度，减少制酸系统的烟气处理量。

江铜贵冶一期是全套引进日本70年代的热风常氧闪速熔炼工艺，因此闪速炉反应塔前配置了一套空气加热器。此工艺需消耗大量的能量，设备投资大，烟气中SO2浓度低。1990年贵冶进行了富氧挖潜改造工程，建设了一台6500Nm3/h的制氧系统，由此开始了富氧熔炼的历程，闪速炉精矿投料量由1050t/d上升到1250t/d，产品产量增长了20%以上，单位能耗下降近30%。1998年2月，闪速炉开始采用“四高”冶炼新技术，闪速炉投料量由100t/h提升到160t/h，同时闪速炉实现了自热熔炼，每年可为工厂节省重油消耗500余万元［2］。

3.2 精矿喷嘴的不断改进

精矿喷嘴设在闪速炉反应塔顶部，是闪速熔炼最关键的设备。干燥后的铜精矿与熔剂、燃料以及空气(或富氧)通过精矿喷嘴喷入闪速炉反应塔内的。在高温的反应塔内，铜精矿在2s左右完成氧化脱硫过程，因此，精矿喷嘴的性能好坏直接影响到闪速熔炼的进行。为此，冶金工作者对精矿喷嘴做了大量的研究工作，并不断予以改进、完善。

图1

20世纪70年代以前，精矿喷嘴都是文丘里型喷嘴。贵溪冶炼厂一期采用的就是该类型喷嘴，结构型式见图1。该喷嘴上部为热风箱，下部为喉口部，一般控制喉口部空气流速在80～100m/s，以在喉部形成负压，对物料产生诱导作用并高速扩散。这种类型喷嘴只适应于空气或低浓度富氧空气的闪速熔炼。且处理精矿能力小，精矿分散效果差，炉料化学反应不均匀。所以闪速炉反应塔一般需设置3～4个这种精矿喷嘴，增加了喷嘴对反应塔壁的侵蚀［3］。

1971年，闪速炉开始实行富氧熔炼，反应塔送风量减少，气流速度降低，对精矿颗粒的分散不利，使富氧熔炼达不到预期的效果。为此各国经过致力研究，开发出了多种适用于富氧熔炼的精矿喷嘴，其中中央喷射扩散型喷嘴占据了主导地位。下图2是中央喷射扩散型精矿喷嘴的结构型式。精矿喷嘴由带空气室的中央喷射型分配器、无级调风速装置以及调风锥配套水套组成。调风锥配套水套处于反应塔顶部精矿喷嘴的开口部。工艺风可以通过调节入炉时出口截面积来进行无级调速，干矿与富氧空气在工艺风入口处混合，在精矿喷嘴的出口以下着火。中央喷射分配器的目的是分散铜精矿，让铜精矿在反应塔内悬浮均匀。分配风量与投料量、工艺风量有关，铜精矿的悬浮状况可以通过调节分配风量来进行控制。精矿分配器配有中央油枪，处于中央氧管内部。

图2

与文丘里型喷嘴相比，中央喷射扩散型喷嘴有如下优点:

(1)处理精矿能力大，阻力小，中央喷射扩散型喷嘴在国内最大设计能力约为290t/h。

(2)精矿颗粒与富氧空气混合均匀，烟尘率低。

(3)减少气流因素影响，允许高富氧空气熔炼。

(4)火焰焦点集中于反应塔中心，减少对炉墙砖衬的侵蚀，提供炉寿命［4］。

3.3 配套设备的日臻完善

3.3.1 精矿干燥

由于闪速炉要求入炉物料含水＜0.3%，因此对精矿的干燥工艺提出了较高的要求。早期的干燥工艺一般为气流干燥。气流干燥由圆筒干燥机+鼠笼打散机+干燥管三段组成，流程长，设备多且占地面积大。蒸汽干燥机是一种新型的精矿干燥设备，以冶炼厂余热锅炉产生的饱和蒸汽作为热源，铜精矿在干燥机内与盘管中的蒸汽间接接触，并被加热干燥。其优点是:

(1)设备占地小，流程简单，固定投资少;

(2)干燥效率高，环境保护好;

(3)能源消耗少，运行成分低;

(4)整个干燥过程蒸汽与精矿为间接接触，故没有着火危险，无SO2烟气污染。目前，铜精矿的蒸汽干燥工艺已成为当今世界各国运用较广泛的一种干燥流程。

3.3.2 干矿输送

在引进蒸汽干燥技术之前，水分干燥至＜0.3%的铜精矿一般都采用负压气流输送，为稀相输送工艺。贵溪冶炼厂三期工程和山东祥光工程采用蒸汽干燥工艺后，干矿输送均改为正压气流输送，为浓相输送工艺。由于含有石英熔剂的铜精矿是一种高磨损性物料，采用浓相输送，物料以2～3m/s的低速度输送，而相同情况下的稀相输送速度约高10倍。试验表明，输送管道的磨损速率随流速的三次方增加而增加［5］，因此浓相输送对管道的磨损远低于稀相输送，且运行噪音小。另外，浓相输送所需气量少，因而能耗也低。与稀相输送相比，浓相输送尚有设备简单、维修工程量小，易于实现全自动控制，操作人员少，设备配置灵活方便等优势。

近年来，另一种气力垂直提升技术逐渐应用在干矿输送上。贵溪冶炼厂四期工程及其它两个在建工程均运用了该工艺。气力垂直提升最大的优势在于输送快捷、操作简单、低磨损、低维护，尤其适用于垂直输送高磨损物料。缺点是对设备配置要求高，设备间距离受限制。

3.3.3 干矿计量装置

闪速炉投料量的精确控制直接关系到闪速炉炉况的波动以及烟尘率的升高等。贵溪冶炼厂和金隆公司都因为上述原因，先后将原有的精矿冲击式流量计及埋刮板运输机更换为从芬兰引进的失重式自动称量螺旋给料装置。该装置自动化程度高，计量准确可靠，其精确度可控制在±1%范围内。

失重计量控制包括装料和排料两个周期。当从干矿仓向称量仓加料时，开启放料阀和呼吸阀V2，关闭呼吸阀V3，在自重作用下，干矿仓中的精矿通过放料阀进入计量仓。由称量传感器检测计量仓内的精矿重量，当精矿重量达到设定值时，发出信号，关闭放料阀和呼吸阀V2，打开呼吸阀V3，暂停向计量仓加料作业。计量仓通过螺旋给料机向闪速炉内不停地排料，计量仓的精矿重量减少到系统设定值下限时发出信号，打开放料阀和呼吸阀V2，关闭呼吸阀V3，又开始下一轮的加料作业。由于装料时间和排料时间是可以准确计量的，因此单位时间内螺旋给料机的干矿排料量是可以推算出来的。借助系统的前馈反馈控制，可以使投料量控制在一个相当精确的水平上。

图3 失重式自动称量螺旋给料系统图

4 展望闪速炼铜的未来

目前在全球范围内，采用最多的炼铜技术当属奥托昆普闪速熔炼工艺和富氧顶吹浸没熔池熔炼工艺即奥斯麦特熔炼和艾萨熔炼。虽然氧顶吹浸没熔池熔炼工艺是近些年发展起来的新技术，但由于其熔炼强度高，炉体结构简单，对原料的适应性极强，精矿无需专门干燥，建设投资低等原因，当设计规模较低时，氧顶吹浸没熔池熔炼可能比闪速熔炼更具有竞争力。

闪速熔炼技术的历史地位在于它的规模经济性和它对全球环境保护的贡献。奥托昆普闪速熔炼技术曾被欧盟授予了“现有最佳技术”称号，达到了工业生产中最高的环境标准。因此，如果要选择一个最为环保的工艺，必然会选择闪速熔炼工艺。

冶炼业的发展动力总是来自经济方面，因此闪速熔炼工艺的优势在于可利用规模经济，即通过增加产量降低单位成本，也就是说进行规模化运营。假设年产10万t对应100%的运营操作成本(成本/t金属)，则年产12.5万t的单位运营成本是90%，年产20万t的单位运营成本仅为年产10万t规模的62%。这就是所谓的规模经济［6］。也正是基于这个原因全球的铜冶炼厂都在竞相扩大规模.要赢利就必须扩大规模，而且对于同样的生产能力，在任何情况下都是建一座大型冶炼厂比建两座小冶炼厂更有优势。

将来闪速熔炼真正意义上的更大的优势在于现有冶炼厂的扩产上。闪速熔炼技术，可以以相当低的投资使闪速冶炼厂的生产能力在原设计的基础上增加一倍甚至两倍。这也是其它熔炼技术望尘莫及的。金隆工程从最初的100kt/a阴极铜到210kt/a，再到400kt/a阴极铜的产能。这个产能扩张所需的投资，仅占原始投资的60%，而铜产量却扩大了近4倍，这是闪速炉优越性的体现。但是，大部分冶炼厂已将其产能扩大到极限，如国内的贵溪冶炼厂和金隆公司。其限制因素主要是PS转炉吹炼、熔融物的吊车转运、烟气处理及硫酸能力等。在这种情况下，再用传统方式如增加PS转炉扩产，在一定程度技术上是可行的，但由于冰铜量的增多需增大冰铜包或增加吊车，烟气量的增大需配备一套全新的烟气系统及增加硫酸设备等，因此投资费用高且不能降低生产成本。而新的技术闪速吹炼提供了解决方法。闪速吹炼工艺可提高生产率，由于工艺用风的富氧浓度(可达100%02)可以比P.S转炉吹炼的富氧浓度(最大约28%02)高得多，产出的进入硫酸系统的烟气量低得多，因而可利用老系统现有设施能力，投资费用比P.S转炉低很多，进而带来更低的生产成本和更高的利润。

随着国内外市场的融通以及铜市场的全球化，未来各铜业公司都面临着激烈的市场竞争。奥托昆普闪速熔炼技术以其低能源消耗，环保和规模经济的显著优势，在炼铜行业处于领先地位。

［1］金哲男.有色金属冶金学.重金属冶金学部分.

［2］姜桂平，余齐汉.贵冶闪速炼铜20a的科技进步和发展.铜业工程，2006.(3)28－29.

［3］重有色金属冶炼设计手册铜镍卷.冶金工业出版社.1996.

［4］刘英刚.奥托昆普闪速熔炼精矿喷嘴的发展.有色金属冶炼部分，1995.(4).

［5］朱祖泽，贺家齐.现代铜冶金学［M］.北京:科学出版社，2003.

［6］奥托昆普技术公司Lars Hel 1e Jukka Tuominen.以面向未来的眼光面对全球.

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

刘建军(1969－)，男，汉族，江西省崇仁县人，高级工程师，从事有色金属设计及研究工作，E－mail:liujianjun@nerin.com