中国铜冶炼技术进步与发展趋势

周松林， 葛哲令

(阳谷祥光铜业有限公司， 山东 聊城 252327)

重金属

中国铜冶炼技术进步与发展趋势

周松林， 葛哲令

(阳谷祥光铜业有限公司， 山东 聊城 252327)

我国铜产业呈现“两头小、中间大”结构现状，必须加快科技创新及产业结构调整步伐，使我国铜工业向着良性、健康方向发展。本文针对火法铜冶炼中熔炼、吹炼、精炼和电解等四个生产流程，简要叙述了国内外铜冶炼技术现状及国内铜冶炼工艺的技术进步，展望了铜冶炼技术的发展方向。

铜冶炼； 技术进步； 发展趋势

0 前言

工业经济的飞速发展使得我国对铜原料的需求日益增加，也促使我国转变为铜冶炼产业大国。但从总体上看，我国的铜工业发展仍处于产业链的中低端环节，工艺落后、高污染、高能耗等问题，严重困扰着大中小型铜冶炼企业。我国当前有色金属产业结构不尽合理，呈现“两头小、中间大”，铜冶炼产能过剩，但精矿资源保障能力不足，高附加值的加工产品生产能力不足，主要依赖进口。同时，受到电价上涨、阴极铜价下跌等因素影响，市场低迷，需求增速放缓，产能过剩后果显现，部分行业面临严重亏损局面，而且国际贸易争端加剧，有色金属产品出口难度加大。目前，我国铜工业正进入转型升级的关键时刻，今后一个时期，我国的铜冶炼工业将向着控制总量、淘汰落后产能、先进工艺研发及产业化应用、推动产业结构调整和优化升级、促进有色金属工业可持续发展方向前进。

近年来，世界铜冶炼技术工艺有了长足的发展，火法铜冶炼技术仍然占主导地位，火法炼铜的比例达到总产量的90%以上。这是基于火法冶金的特点：硫化精矿在反应过程可以充当燃料；在高温下反应过程的效率高；能够通过反应温度的变化改变化学平衡移动的方向达到铜冶炼的目的；贵金属回收率和富集比高；产能高，生产过程中金属富集程度高，适应大规模工业生产要求；铜锍或粗铜与熔炼渣或吹炼渣分离比较简单；炉渣在自然环境下较为稳定，不会造成二次污染等。

本文针对火法铜冶炼中的熔炼、吹炼、精炼和电解等四个生产流程，简要介绍了国内外铜冶炼技术现状及国内铜冶炼工艺的技术进步。

1 熔炼技术的进步与发展

1.1 熔炼技术的现状

铜熔炼的方法比较多，传统的铜冶炼厂都是采用反射炉或密闭鼓风炉等传统熔炼工艺，由于其采用空气作为氧化剂，生成的冰铜品位低，且需要补充大量的外部燃料加热，产生的二氧化硫浓度低，不适合后期的制酸，尾气含硫高，环境污染严重。近几十年来，国内外纷纷开展熔炼新工艺研究开发，涌现出十几种强化熔炼工艺，主要分两大类，第一类为空间熔炼，如芬兰奥托昆普闪速熔炼，加拿大因科闪速熔炼，祥光旋浮熔炼；第二类是熔池熔炼，如白银法、艾萨熔炼、澳斯麦特熔炼、诺兰达熔炼等。

改革开放以来，我国大多数铜冶炼企业通过技术引进和自主开发，基本淘汰了鼓风炉和反射炉等传统熔炼工艺。

江铜贵溪冶炼厂和铜陵金隆公司分别在1985年和1996年引进了闪速熔炼炉进行铜精矿的冶炼，经过改造，技术水平有了更大的提高。江铜贵溪冶炼厂二期扩建工程，原方案是再建一台闪速炉，使产能提高到20万t/a。由于建造成本高，贵溪冶炼厂调整了实施方案，分两步进行：通过对现有设施进一步挖潜改造，于1998年实现了15万t/a的生产能力；通过对转炉和制酸系统及精矿干燥机等辅助设备能力的提升，在2000年形成20万t/a的生产能力[1]。

浸没顶吹炼铜工艺——艾萨熔炼和澳斯麦特熔炼同样被国内铜冶炼厂应用。山西华铜铜业有限公司是典型的澳斯麦特工艺冶炼厂，熔炼和吹炼都是采用澳斯麦特炉，投产初期曾出现耐火材料寿命短、渣含铜高等问题，经过摸索和改进已正常生产。艾萨熔炼和澳斯麦特熔炼原理基本相似，最大差别在喷枪和炉体结构上。云南铜业股份公司引进艾萨熔炼技术取代了传统的电炉熔炼，2002年5月完成改造工程，并顺利投产运行。铜陵有色金属公司金昌冶炼厂为根治环境污染，于2003年采用澳斯麦特熔炼工艺取代了原有的密闭鼓风炉熔炼工艺。

1.2 国内铜熔炼技术的进步与发展

近年来，伴随着工业经济的迅速发展，国内铜的需求量和产量稳居世界第一，能源和环境问题日益突出，同时国家连续出台政策要求发展资源节约型和环境友好型工业，严格管控企业能耗及三废排放等问题，积极鼓励企业自主创新，淘汰落后产能。国内铜冶炼企业意识到原有工艺已无法满足经济发展的需求，因此加快了科技创新及产业结构调整步伐，在熔池熔炼和空间熔炼方面都取得了很多创新成果。

(1)白银炉经过30多年的生产实践，虽然优点诸多，但也逐渐暴露出不符合目前现代化生产要求的问题：单台产能低、能耗高、炉龄短、自动化程度低、操作环境差等。为此进行了改造，新建了一台能力为10万t/a粗铜的新型白银炉，并相应对原有的配套设施进行升级改进。2009年10月，由白银公司自主研发的新型白银炉顺利投料生产，经过近一年的生产实践，新白银炉各项主要技术指标不断优化，真正实现了稳定、均衡生产，除了受制氧能力制约产能没有达到设计指标外，其它经济技术指标基本都达到了设计值[1]。

(2)中国有色工程设计研究院与山东东营方圆有色金属公司共同研发的“氧气底吹熔炼多金属捕集技术”项目于2008年12月顺利投产，年产阴极铜10万t。该工艺类似于PS转炉，氧气从炉体底部吹入，不再需要捅风眼机，省人省力，且物料准备简单，烟尘率低[2]。

(3)内蒙古金峰铜业和山西垣曲华盛冶金公司合作自主研发出年产10万t铜的冶炼炉(金峰炉)，该炉型已在内蒙古赤峰及富春江冶炼有限公司成功应用，为双侧多风道侧吹，反应迅速、均匀，减少了局部过氧化现象，降低了渣含铜，弃渣含铜平均值在0.45%[3-4]。

(4)山东祥光铜业公司一期20万t工程引进世界先进的双闪(闪速熔炼+闪速吹炼)铜冶炼工艺，2005年9月正式开工建设，通过引进、消化和再创新，2007年11月顺利产出首批高纯阴极铜。2009年5月，祥光二期40万t工程开工建设，原计划在一期基础上再引进一套20万t双闪系统，但考虑到当时世界上单系统产能还没有40万t的业绩，以及根据祥光丰富的实践经验，决定二期工程不再引进，通过理论研究、计算机仿真、关键设备研制、工业试验等，自主开发出一套完整的超强化、低能耗、环保好的旋浮熔炼、旋浮吹炼、无氧化精炼新工艺体系及核心设备旋浮喷嘴，实现了铜冶炼理论、工艺、装备的重大创新。2011年4月二期工程正式投产，生产实践表明，工艺先进成熟，生产稳定可靠，各项技术经济指标均达到设计要求，产能超过设计值，达到50万t，工厂成为目前世界单系统产能最大，最节能环保的现代化铜冶炼厂[5-6]。

2 吹炼技术的进步与发展

2.1 吹炼技术的现状

吹炼过程是火法炼铜的第二道工序，一方面在于脱除铁和硫，通过造锍和挥发进一步降低铜锍中的多种有害杂质，使之产出合格的粗铜；另一方面使金、银等有价金属尽量富集在粗铜中，便于在铜的电解精炼过程中回收，提高经济效益。

自1905年Smith和Peirce成功在卧式吹炼转炉应用碱性耐火材料作为内衬，使得PS转炉成功应用于铜锍的吹炼以来，PS转炉已成为近百年来世界上普遍采用的成熟工艺。目前，国内外吹炼主流工艺仍为PS转炉工艺，PS转炉的操作相对简单和经济，对于那些有价值但是不容易处理的物料比如外购废铜和残阳极等具有无与伦比的优势。但是，PS转炉也存在着如下的一些问题：吹炼过程为间歇式周期性作业，产出的烟气量和二氧化硫浓度波动范围大，给制酸过程带来很大的麻烦；吹炼过程的进料和放渣作业，二氧化硫烟气四处逸散，恶化了车间的操作环境，造成低空污染的问题。近年来由于铜原料市场全球化，原料市场的竞争更加激烈，各冶炼厂为了适应全球化的市场经济，努力降低生产成本，逐步开发出了一批新的吹炼工艺及设备，如：闪速吹炼炉、澳斯麦特顶吹浸没吹炼、三菱法连续吹炼炉、诺兰达吹炼炉等[7-10]。

2.2 国内吹炼技术的进步与发展

目前，国内冰铜吹炼主流工艺同样为PS转炉吹炼工艺，江铜、铜陵、大冶、金川、云铜等大型铜冶炼厂都在采用。近年来由于世界铜冶炼大环境以及国家政策的要求，国内老冶炼厂及新建铜冶炼企业纷纷通过工艺技术引进或自主研发取代PS转炉。

山西华铜公司是我国首家引进顶吹浸没熔炼和吹炼的企业，设计规模3.5万t粗铜，建有两个澳斯麦特炉，一台用于铜精矿的熔炼，另一台用于铜锍的吹炼。澳斯麦特吹炼工艺属于半连续工艺，单台炉子进行半连续吹炼可以直接取代几台PS转炉，单台产能在10万t左右。为了满足粗铜产量不断提高的要求，企业在没有进行大的技术改造的前提下，充分发挥现有设备潜能，采用富氧吹炼工艺。富氧吹炼工艺的实施，提高了粗铜产能；烟气二氧化硫浓度由4%～5%提高到了7%～12%，有利于烟气制酸；降低了燃料率。但从总体情况看，不甚理想，尚未达到设计能力和要求。与澳斯麦特熔炼炉比较，吹炼炉由于冰铜导电性能好，吹炼温度较熔炼高，存在喷枪寿命短等问题。

澳斯麦特连续铜吹炼工艺潜在的优势为：①生产效率大大提高，产出的高品位粗铜中硫和其他有害杂质含量低；②可以处理固态或液态冰铜物料；熔炼过程在强烈的搅拌作用下，保证了较高的能量传递和氧利用率；可以不间断地生产粗铜，不用停炉加入熔剂或排放炉渣，作业率大大较高，意味着生产吨铜所需的维修成本更小而能量效率更高；③炉子和烟气系统得到了更好的密封，硫捕集率、二氧化硫浓度更高[11-13]。

山东祥光铜业公司采用闪速吹炼炉取代常规的PS转炉，是整个工程最大的技术亮点。闪速吹炼与闪速熔炼非常类似，也是一种密闭的工艺，取消了露天运输熔融冰铜物料，可以有效控制烟气的逸出，满足环境严格要求。闪速吹炼的基本流程是各种不同的熔炼炉，如闪速炉、澳斯麦特炉、诺兰达炉等产出的冰铜水淬，再进行干燥、磨碎，然后在闪速吹炼炉中用高浓度富氧空气吹炼成粗铜。祥光的富氧浓度控制在80%～90%之间。

闪速吹炼的优点：①建设成本低，一台闪速吹炼炉可以替代4～6台PS转炉，大大降低了吹炼主设备及附属设备的投资；其次闪速吹炼炉富氧浓度高，烟气量明显减少，大大降低了制酸设备的尺寸，可节约三分之一的投资。②生产成本低，生产效率高，闪速炉炉龄长，维修费用低；闪速吹炼的连续稳定作业取代了转炉的周期性作业，处理能力大大增加，提高了劳动生产效率；闪速吹炼烟气二氧化硫浓度高且稳定，降低了制酸系统的负荷，降低了生产成本。③环保好，闪速吹炼为密闭作业，硫的回收率在98%以上，捕集率在99.9%以上，二氧化硫排放量比国家标准低了36%，消除了转炉烟气泄漏等造成低空污染、劳动环境差等问题。④对熔炼炉没有特别的要求，闪速吹炼炉处理的冰铜物料，可以来自闪速炉、澳斯麦特炉、诺兰达炉和艾萨炉等各种熔炼炉，不像三菱法吹炼炉那样，对冰铜的流入要求流量连续稳定[5-6]。

近年来，经过不断钻研和探索，中国恩菲公司的冶金工作者通过技术创新，开发出了一套全新的双底吹连续炼铜新工艺，已进行了半工业试验和工业试验，并且2012年开始设计第一座氧气底吹连续吹炼的铜冶炼厂，预计2014年在河南豫光金铅公司建设年产阴极铜8～10万t的冶炼废渣料多金属综合回收工程项目，如果投产成功，将使我国铜冶炼技术翻开新的篇章[14]。

3 火法精炼技术的进步与发展

3.1 火法精炼技术现状

PS转炉、闪速吹炼炉等吹炼出来的粗铜，除了含有较高的硫及氧之外，还含有铅、锌、砷、锑、铋等少量有害元素，这些元素会对后期阴极铜的电解精炼工艺产生不利影响，严重时影响阴极铜质量。所以国内外大都先火法精炼，再进行电解以生产出合格的高纯阴极铜。

目前火法精炼的过程大致分为四个阶段，第一阶段为加料期；第二阶段为氧化期；第三阶段为还原期；第四阶段为浇铸期，江铜、云铜、大冶等均采用此流程。

传统粗铜火法精炼流程的最大缺点是作业为周期性，即吹炼铜液装入阳极炉后，先鼓入空气进行氧化作业，杂质氧化除去后再用还原剂进行还原作业，以除去铜液中过多的氧。该方法氧化和还原是两个相反对立的作业过程，因而作业时间长，燃料消耗多，黑烟污染大、设备生产效率低，且不易精确控制金属熔体温度和炉内气氛。

3.2 国内火法精炼技术的进步与发展

为了解决上述问题，国内铜冶炼行业技术人员进行了理论研究，新工艺研发，获得了重大的技术突破。

(1)山东祥光铜业公司通过理论研究与工业试验，创造性提出了新的火法精炼原理，自主研发出自氧化还原火法精炼铜新工艺[15]。

吹炼的铜液中，氧主要以氧化亚铜形式存在，硫主要以硫化亚铜形式存在，其他的铅、锌、砷等杂质与铜互溶或者形成化合物溶解在铜溶液中。经过热力学分析，在工业生产温度下，铜的化合物及杂质化学反应熵负值都较大，说明只要具备动力学条件，这些反应都能自发激烈进行。同时通过公司技术人员自主研发的生产在线控制系统对吹炼粗铜中氧和硫含量的精确控制，粗铜液中的氧完全达到脱硫、脱杂的要求。可见，只要为铜液中自身的氧和杂质提供接触的机会，工艺直接采用鼓入惰性气体对粗铜液进行搅拌，就可以达到一步脱硫、脱杂的目的。

新工艺缩短了作业流程，提高了生产效率，不需要还原剂，不仅节约了能源、减少了碳排放，而且从根本上解决了传统火法精炼还原时普遍存在的黑烟污染问题。

(2)传统的粗铜火法精炼炉燃烧系统基本采用常温大风量助燃燃料，存在工艺水平低、能耗高、污染严重等问题，金隆公司和美国普莱克斯公司联合进行了科研攻关，采用纯氧取代常温助燃风机，开发出了具有自主知识产权的稀氧卷吸性能结构燃烧设备，应用于阳极炉，成功实现了全自动安全在线控制，具有明显的节能减排效果。该系统于2009年8月在金隆3号阳极炉使用成功，经济效益显著。2011年该技术应用于金川集团公司的两台铜熔炼炉；2013年该技术成功应用于阳谷祥光铜业630 t阳极炉，投产以来生产指标正常，节能效果显著[16]。

4 电解技术的进步与发展

目前，铜电解生产工艺大体分为两类：第一类为传统电解工艺；第二类为永久性阴极铜电解工艺。传统工艺适合产量较小，年产阴极铜10万t以下的企业。第二类工艺适合于生产规模较大、年产阴极铜在15万t以上的企业。

传统始极片电解工艺相对于永久不锈钢阴极板电解工艺具有很大的劣势，主要表现在：①废片率高，经常造成始极片供应短缺。②外观质量不稳定，影响阴极铜的物理规格。③始极片单重、厚薄不均匀，影响机组加工速度和质量。④生产成本高，作业效率低。所以新建和改造企业都选用永久性不锈钢阴极板工艺。

随着铜冶炼产能的提高，对电解精炼产能要求也越来越高，世界各国铜冶炼企业在扩大电解铜生产规模、改进铜电解精炼技术、提高机械化和自动化程度、提高劳动生产率、降低能耗等方面取得了显著的进展。

目前，要提高产能同时又考虑建设成本，唯一的途径就是提高电流密度，但生产实践中，当电解电流密度升高时，在阴极上容易造成浓差极化，使主要的金属不能在阴极上优先析出，导致杂质金属的析出，影响了阴极铜质量。因此，在保证产品质量的前提下，如何提高电流密度、强化电解生产、提高电解生产效率，一直是有色金属电解领域致力于解决的问题。

(1)山东祥光铜业公司同奥地利Mettop公司合作研发出节能、高效、强化电解平行流技术，2011年6月二期平行流电解新工艺通电生产，7月份电流密度达到设计值385 A/m2，10月份电流密度提高到420 A/m2，并一直连续稳定生产至今。通过采用平行流电解技术提高电流密度，在保证产品质量的前提下，在同等设备情况下产能提高50%。电解产能由设计的40万t/a提高到60万t/a，铜电解综合能耗下降10%[17]。

(2)国内某公司自主研发出一种新型旋流电解技术，该工艺从废液中选择性提取高纯金属，流程短、成本低；项目投资小、建设周期短、风险小，与当前国内推行的循环经济项目主体紧密衔接，社会和经济效益显著。该技术可运用于：从低品位浸出液中直接电解高品位铜(99.99%)；从低品位浸出液里直接电解锌和镍；各种金属的高电流电解，包括铜、镍、钴；镍、锌、钴浸出液的电解净化；从氰化物溶液中回收银；从精炼厂排放废液里生产高品位铜；从低品位酸性矿排水里单步回收铜金属，完全自动化的生产和金属粉末的采集等。

5 一步炼铜工艺的发展

在有色火法铜冶炼行业，硫化铜精矿一般要经过精矿熔炼和冰铜吹炼两个步骤得到粗铜，但其要在不同的设备中进行操作，工艺复杂。有技术人员提出在单一设备中进行连续炼铜的方法，行业内称之为一步炼铜。此种工艺优点颇多，但是难度很大，如：渣含铜高；粗铜质量不理想；渣中Fe3O4含量高，排渣困难；炉渣处理困难等。诺兰达法初期也在一个炉内直接生产粗铜，因粗铜杂质多，渣含铜高，渣的处理难度大，最终放弃了一步产粗铜。但一步炼铜法一般在原有冶炼设备基础上不会增加其他设备，是一种很有价值的炼铜方法。

2012年，山东祥光铜业公司利用吹炼炉和旋浮喷嘴进行了一步炼铜大规模工业化生产性试验，共处理普通高铁铜精矿近万吨，生产出含Cu大于98.5%的优质粗铜2 000多吨，工业化生产性试验的成功为今后一步炼铜大规模工业化应用奠定了坚实的基础。一步炼铜技术推动了世界铜冶炼技术跃升到了一个更高的台阶[18-19]。

6 铜冶炼技术发展展望

近年来，由于市场经济全球化、铜精矿竞争日趋国际化、高品位铜精矿资源日益贫乏、国家能源环保政策相继出台等因素，全球铜冶炼工业进入了转型升级的关键时期，要跟上铜冶炼发展趋势，国内新老冶炼厂必须加快科技创新，加快产业化结构调整步伐，使得我国铜工业良性循环健康发展。

(1)发展资源节约型和环境友好型企业。努力研发更加高效、节能、环保的铜冶炼新工艺，取代现有低端、落后的冶炼工艺，特别是一步炼铜工艺技术的研发及应用，努力降低生产成本，提高国内铜冶炼行业的技术水平，提高中国在世界铜行业的竞争力。

(2)铜冶炼企业应延长产业链条，发展铜的深加工，进一步提高铜产品质量和档次，如：铜基复合材料、纳米铜等高精尖材料，提高产品附加值，增大企业效益。

(3)进一步加强宏观调控力度，严格控制铜冶炼行业产能的过快增长。前几年，由于铜冶炼行业形势一片大好，铜精矿资源丰富，铜加工费用不断提高。在利益的驱使下，国内铜冶炼厂遍地开花，造成生产规模急剧增加。近年来由于铜冶炼加工成本不断攀升，铜市场价格低迷，国内铜产品需求放缓，铜精矿资源紧缺，加上铜冶炼行业本身利润低的特性，部分国内铜冶炼企业出现亏损现象。所以，建议国家、省部委要加强铜冶炼行业的宏观调控，加大新建企业的审核力度。

(4)大力开发铜精矿资源。我国虽是铜产品生产和消费大国，但国内铜精矿资源匮乏，加之近年来经济全球化加强，铜精矿资源竞争日益增加，严重限制了国内铜冶炼行业的发展。为此我国应该加大国内铜精矿资源的勘探和开发力度，努力提高铜精矿的自给率；其次加大投资国外矿产，通过购买矿山开采权或参股等方式拓展铜精矿供应渠道。

(5)开发复杂铜精矿处理工艺。随着铜冶炼工业的发展，铜精矿品位日益降低，铜冶炼加工成本不断攀升，新建冶炼厂和老冶炼厂纷纷扩大生产规模，铜精矿资源竞争日益加剧。在这种环境下，对于买矿冶炼厂来说，采购干净的铜精矿比采购含杂相对较高的脏铜精矿成本要高，所以从冶炼厂效益出发，应该开发复杂铜精矿处理工艺来应对日益激烈的行业竞争。

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TechnologyadvanceanddevelopmenttrendsofcoppersmeltinginChina

ZHOU Song-lin, GE Zhe-ling

Based on the situations of “small in both ends and large in medium” in China copper industry, it is necessary to accelerate the scientific and technological innovation and speed up the industrial restructuring to ensure the healthy development of copper industry in China. On the basis of the four production processes of copper pyrometallurgy including melting, converting, refining and electrolysis, the status of copper smelting technology at home and abroad and the technological advance of copper smelting in China were briefly introduced in this paper, and the development direction and trends of copper smelting technology were prospected.

copper smelting; technological advance; development trends

周松林(1961—)，男，安徽祁门人，教授级高工，副总裁。

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