国内外铜湿法冶金技术现状及应用

谢 昊， 李 鑫



国内外铜湿法冶金技术现状及应用

谢 昊， 李 鑫

湿法炼铜技术发展迅猛，已成为一种成熟的被普遍采用的炼铜方法。本文介绍了国内外湿法炼铜技术的现状以及中铁资源集团有限公司湿法炼铜项目的工艺特点，并对湿法炼铜技术的发展进行了展望。

铜； 湿法冶金； 浸出； 萃取； 电积； 技术现状

0 前言

铜作为一种重要的有色金属应用于工业的方方面面。虽然近年来世界铜的产能在持续增长，但铜的供需矛盾仍然存在。2013年世界精铜产量2 100万t，而精铜的短缺仍达193 000 t(季节短缺337 999 t)[1]。在我国，铜的供需矛盾非常突出。

随着铜矿石开采品位的逐渐下降、难处理矿石的增加以及对SO2所造成的环境污染普遍关注，特别是近年来铜价的大幅度波动，人们对湿法炼铜给予了高度重视。湿法炼铜出现于20世纪60年代，随着有机化学行业与自动化行业的发展，目前该工艺已达到大规模工业化生产及高机械自动化的水平，成为了一种主要的炼铜方法。2013年全世界采用湿法炼铜技术生产的铜超过500万t，占世界精铜产量的23.8%[2]。湿法炼铜产能保持平稳增长，主要是由于刚果(金)政治环境稳定后，矿业巨头纷纷进入刚果(金)开拓矿产行业，使得刚果(金)湿法炼铜出现极大繁荣，2013年刚果(金)湿法炼铜产量达到94万t[2]。

1 国外铜湿法冶金技术现状

近年来世界上许多著名的铜冶炼公司都在智利、秘鲁、赞比亚和刚果(金)投资，湿法炼铜技术在这些国家取得了令人瞩目的发展，随着一些大的湿法炼铜项目相继竣工，如TFM、KCC、MUMI和华刚的大型湿法炼铜项目，湿法炼铜的产量将会继续增长。

本文所叙述的湿法炼铜技术主要指浸出- 萃取- 电积技术，该项技术的现状可以归纳为以下几个方面。

1.1 堆场大型化并可重复使用

堆浸是使用最普遍的一种直接浸出方式。由于这种方法操作简单，投资省，而得到了广泛的应用，并且随着机械设备和自动化相关专业的发展，堆浸场也实现了大规模和自动化的生产。美国塞浦路斯·阿玛克斯公司(Cyprus Amax)与智利国营铜公司(Codelco Chile)合资在智利北部建设的EI Abra项目投资10亿美元，采用堆浸- 萃取- 电积工艺处理氧化铜矿，矿石平均品位0.63%，年生产规模为19.6万t铜。这项工程机械化程度很高，用可移动的大型皮带运输机筑堆(原理如图1所示)，筑堆的速度达到8 550 t/h[3]。

图1 可移动式皮带上料(a)和斗轮式装载机缷料(b)

该项目采用的堆浸不是过去传统的“永久堆场”，而是称为“On-Off Pads”，即“可以重复使用的底垫”。这种堆浸方式浸出周期大大缩短，每一堆浸出90 d，铜的浸出率可以达到70%[4]。浸出以后用一台斗轮式装载运输机挖取，然后将尾渣运到废石场再进行第二次浸出。虽然这种堆浸方式增加了卸堆和尾渣堆放的费用，但由于堆场面积缩小、浸出周期缩短以及浸出率提高，其带来的效益优于永久堆场。采用“On-Off Pads”技术的高度机械化堆浸厂的运行情况如图2所示，采用大型化堆场技术的冶炼企业大多位于南美这样全年少雨的地方。

(a)(b)(c)(d)为超级可移动式皮带机系统；(e)为斗轮式装载机图2 采用“On-Off Pads”技术的高度机械化堆浸厂

堆浸是一种非常简单的技术，由于将原矿直接堆筑在浸出平台上，堆浸过程需要的时间非常漫长，且原矿中的铜浸出回收率也比较低。现代化的堆浸厂中都采用制粒技术对原矿进行处理，这样可以缩短浸出时间，提高铜的浸出回收率。如图3所示，将破碎后的矿石(粒度约10～50 mm)与浓硫酸和萃余液加入制粒机中制粒，将制粒后的矿石再堆筑在浸出平台上[5]。

图3 圆筒制粒机(一般大约直径3 m，长度9 m，斜度6°)

此技术的实质是：①通过制粒以提高矿石本身和矿堆渗透性；②在制粒过程中加入硫酸使之与矿石提前接触并预先反应以加快浸出速度；③矿石粒度均一后保证堆浸时布液均匀，氧气通过性好。其综合结果是由于改善了溶浸的渗透性，从而有效地促进了反应动力学过程和内、外扩散过程，大大提高了浸出回收率、缩短了堆浸周期、降低了硫酸的消耗。

1.2 生物浸出得到广泛应用

采用生物浸出技术从矿产资源中提取金属越来越受到重视，可提取的金属种类也越来越广泛，如铜、铀、金、镍、钴等等，世界上已有几十座铜、铀、金的矿山大规模工业采用。与传统的火法工艺相比，采用这种技术处理硫化矿投资省、成本低，特别是可以避免SO2和As的排放对环境造成的污染。 美国和智利用SX-EW法生产的铜中约50%以上采用生物堆浸技术。位于智利北部的奎布瑞达·布兰卡(Quebrada Blanca)，处于海拔4 400 m，是世界上海拔最高的湿法炼铜厂。该厂处理的铜矿石品位 1.3%，主要铜矿物为辉铜矿和蓝铜矿，采用薄层细菌堆浸技术，铜的浸出率可达到82%。该厂生产能力为年产7.15万t阴极铜。为了保证细菌的生存条件，从矿堆的底部通入空气。由于细菌氧化过程为放热反应，因此尽管工厂位于高海拔地区，寒冷期长，但冬季堆浸仍可进行。生物浸出在该厂的工业化应用为开发高海拔地区的铜矿资源提供了宝贵的经验。

采用生物冶金技术不仅可以从低品位硫化铜矿中提取铜，而且可以从高品位硫化矿或铜精矿中提取铜。

生物浸出技术的关键是：①浸出的pH值在1.5～6，最优值在2；②环境温度是5～45 ℃，最好在30 ℃；③适当的氧气鼓入，一般在浸出硫化铜矿时，通过预先埋入的管道鼓入氧气；④萃余液中不得含有萃取剂，萃余液在进入浸出系统时需进行除油处理。

1.3 开发铜精矿加压浸出技术

温度会同时影响反应热力学和浸出动力学。温度和压力的升高会促进浸出，而温度的升高和压力浸出是在高压釜中进行的。加拿大科明科公司工程服务部将铜精矿再磨到一定的粒度后(通常约10 mm)送入高压釜中，于153 ℃用硫酸浸出，矿浆经过过滤和洗涤，渣中的主要成分为元素硫和三氧化二铁，浸出渣采用浮选回收贵金属和元素硫，浸出液则送萃取- 电积系统生产阴极铜。澳大利亚Mt Gordoren采用加压浸出-萃取-电积工艺处理高品位的硫化铜矿，建立了一座年产5万t阴极铜的工厂，铜的回收率在90%以上。

1.4 电积过程普遍采用不锈钢阴极技术

澳大利亚MIM公司发明的艾萨(ISA)永久不锈钢阴极技术首先被澳大利亚汤斯维尔冶炼厂采用，随后KIDD和奥图泰相继研发了自己的永久不锈钢阴极技术，这3种永久不锈钢阴极现已被国外的铜精炼厂普遍采用。这项技术的核心就是用不锈钢阴极代替传统的、耗费人工的始极片加工过程，因而称为永久阴极。由于不锈钢阴极板面垂直，光洁度好，在电积过程中能有效将电流密度均匀化，明显降低阴阳极极距，且沉积的阴极铜质量非常好，阴极铜的LME A级铜的合格率达到98%以上。在电解槽数量一定的情况下，电流密度越大，阴极铜的产量越大。采用不锈钢阴极技术后，电流密度从200 A/m2提高到了450 A/m2。

1.5 采用永久不锈钢阴极自动剥片机组

采用永久不锈钢阴极技术，需对阴极铜进行剥离处理，自动剥片机组可以实现阴极接收、运输、洗涤、预剥离、铜片剥离、取样、堆垛打包、阴极板剔出与补充、排板、称重、测厚等功能。自动剥片机组可极大地提高铜片剥离效率，降低劳动强度和生产成本，延长阴极板使用寿命，并提高铜板产品质量。图4为正在运行的永久不锈钢阴极自动剥片机组。

图4 永久不锈钢阴极自动剥片机组

1.6 大型聚合树脂混凝土电解槽的应用

电解槽是湿法炼铜行业的重要设备，其维修周期和使用寿命直接影响电积铜的生产。电解槽的制造与腐蚀防护工作经历了从衬里型的电解槽到现在的聚合树脂混凝土一体电解槽。聚合树脂混凝土电解槽的优点是：①整体性好、强度高，防腐承重盛液一体化，制作一次成型，施工周期短，速度快，可大批量制作；②耐蚀性、绝缘性及保温绝热性能优良；③多年不需维修，使用寿命长，对电铜的连续大规模生产有利；④自重接近普通钢筋混凝土槽，因不需作防护衬里，重量小于普通钢筋混凝作外壳的内衬型槽，对延长承重梁和柱的寿命有利。该类型槽是目前性能较好、使用年限最长的电解槽，是电解槽制作和防护技术发展的主要方向。大型聚合树脂混凝土电解槽如图5所示。

图5 大型聚合树脂混凝土电解槽

1.7 新的电解液除铁技术

在每一个SX-EW厂，铜电解液中的铁都会逐渐积累，由于一部分电流耗在铁的氧化还原反应上，从而降低了电流效率。废电解液用SO2/O2(空气)的混合气催化氧化中和除铁、锰，能够降低Fe2+氧化成Fe3+的活化能，从而有效地加快Fe氧化速度，与此同时料液中的Mn2+可在一定pH值下被氧化成Mn3+或Mn4+，生成Mn3O2或MnO2沉淀。由于该法无需添加强氧化剂，有价金属氧化沉淀少，可以有效地提高金属回收率。

2 我国铜湿法冶金技术现状

中铁资源集团公司在刚果(金)的项目均采用湿法炼铜工艺，MKM项目年产阴极铜2.5万t，绿纱项目年产阴极铜2.5万t，华刚项目一期年产阴极铜8万t。万宝矿产在缅甸的蒙育瓦莱比塘铜矿(L矿)项目采用生物堆浸- 萃取- 电积技术生产阴极铜，设计年产能10万t阴极铜。上海鹏欣集团在刚果(金)的希图鲁矿业采用搅拌浸出- 萃取- 电积技术生产阴极铜，设计年产能4万t阴极铜。中国有色集团在刚果(金)的马本德项目采用搅拌浸出- 萃取- 电积技术生产阴极铜，设计年产能2万t阴极铜。

中铁资源集团公司在刚果(金)的湿法炼铜项目中，结合当地实际情况对流程进行了优化与改进。

(1)华刚项目与MKM项目的浸出工艺采用矿石堆浸与搅拌浸出相结合的工艺流程，高品位氧化铜矿进入搅拌浸出，低品位氧化铜进入堆浸流程，这样不仅保证了低品位氧化铜矿得到有效处理，最大量地提取出矿石中的金属铜；而且由于堆浸过程水分蒸发量大，有利于解决系统水膨胀问题，确保沉钴溶液有较高的钴浓度，有效降低了生产成本。

(2)MKM项目、绿纱项目和华刚项目在电积工艺设计中，均采用大型聚合树脂混凝土电解槽，永久不锈钢阴极技术和自动化剥片机组，保证了电积车间可靠性高、阴极铜质量高、铜片剥离效率高、劳动强度与运行维护成本低。

(3)MKM项目与绿纱项目采用串并联的萃取流程萃取高铜料液与低铜料液，即空载有机相在萃取低铜料液后再萃取高铜料液，这样可以利用较少的设备达到更高的萃取效率，实现在同一系统处理高低铜料液，既有利水平衡，又有利于钴回收。

(4)绿纱项目采用焙烧- 浸出- 萃取- 电积工艺从硫化铜矿中提取金属铜。绿纱项目在开采了几年后，矿石由氧化铜矿变为硫化铜矿。为了有效利用已有的浸出- 萃取- 电积系统，将硫化铜精矿在沸腾炉660 ℃左右焙烧，然后进入原有的浸出- 萃取- 电积系统。焙烧- 浸出- 萃取- 电积系统能灵活地处理氧化矿与硫化矿，对原料的适应性非常强，且焙烧温度较低，避免了有价金属的流失。

3 铜湿法冶金的技术进展

3.1 湿法炼铜浸出工艺的发展方向

在过去的30年中，堆浸技术取得了令人瞩目的技术进步和商业上的成功，特别是对于酸溶氧化矿及次生硫化矿，如辉铜矿的浸出。使用堆浸的铜产量预计将会继续，因为这种技术相对简单、成熟、灵活、成本低。

(1)堆浸效率的优化研究目前着眼于破碎粒径的优化，酸的用量，制粒技术，液体和空气之间的传导，筑堆的结构，通风量，浸出剂的组合，浸出剂的喷淋速率，细菌活性和浸出温度。计算机模拟技术也被引入堆浸技术中，堆浸建模的重点是最大化堆浸的性能，通过优化操作和环境参数，最大限度地提高铜的浸出率及回收率。越来越多的冶炼项目在利用强制通风给整个堆浸提供充足的氧气，以加快反应速度。

(2)复杂的物料处理设备进步明显，这些设备可以迅速而均匀地堆放和卸载矿石堆，由于高度的机械化与自动化，减少了堆浸对于劳动力的需求。

(3)加压浸出技术只在零星的项目上使用，在工业上仍未得到大规模应用。如果这一技术在成本与技术上能得到更广泛的认可，未来十年能有较好的应用前景。

3.2 湿法炼铜电积工艺的发展方向

湿法炼铜的电积电耗约为2 000 kW·h/t Cu，相比电解精炼非常高。电积工艺发展的一个重要方向就是降低电能消耗，提高电能效率；另外一个发展方向是在更高的电流密度下生产高纯度阴极铜，以有效降低工程投资。随着材料科学的发展，新的阴极材料能够有效降低吨铜电能消耗。而硬件、软件、自动化和机器人控制的发展，完善了电解车间的管理，并进一步减少了电积车间对于劳动力的需求。

(1)非铅阳极。非铅阳极在2011年出现了实质性的工业化应用，其在美国亚利桑那州Morenci的两个电积车间和智利的一个电积车间都得到了工业化应用。这些阳极是在金属钛基上涂布一层薄的贵金属氧化物(通常是二氧化铱)。非铅阳极的优点包括：由于不含金属铅，避免了阴极铜铅元素超标；不需要在电解液中定期添加Co2+；消除了阳极泥的产生，从而避免了定期清理电解槽的工作；有效降低氧的超电势0.3～0.4 V，由此降低吨铜15%的电能消耗。其缺点是成本较高(由于含有贵金属)，以及需要小心处理(避免损坏IrO2/Ti的结合层)。非铅阳极如图6所示。

图6 非铅阳极(表面为IrO2)

(2)采用其他金属作为制造铜电积阴极的材料。采用304不锈钢和LDX双相钢，这些材料的成本更低，并且在电积过程中有更好的性能表现，例如有较高的导电性(低电阻率)和更好的可焊性，避免出现316L不锈钢在导电棒的位置处经常与铜棒脱离的情况。

(3)极距均匀性控制。极距控制的核心是均匀性，而均匀性包括同一对阴极不同区域的极距均匀一致和不同电极的极距均匀两层意思。传统手工作业依靠人工调整阴阳极板面平直度，逐块调整阴阳极之间的距离，难以满足极距均匀的要求。阴阳极机组不仅具有极板质量控制的功能，而且具有排板功能。全自动吊车采用专用吊架，电解槽配有精确的定位系统，从而实现全过程自动化，保证极距的均匀性。全自动吊车如图7所示。

图7 全自动吊装阴阳极板的吊车

(4)电解槽短路检测手段。电解槽短路会严重影响电能效率，短路检测最初采用高斯计，后采用红外线热探测仪。现在电解槽短路检测发展为在线检测槽温与槽电压，数据通过无线发送，在中控室可以实时查看电解槽的运行情况。

4 结语

近年来湿法冶金炼铜技术有了极大的发展，过去认为湿法炼铜只适用于处理氧化铜矿和低品位铜矿，但随着堆浸技术、生物浸出技术和加压技术的发展和工业化，人们的这种观念正在改变，湿法炼铜已达到大规模生产和高自动化水平，已成为一种成熟的炼铜方法。

我国的湿法炼铜技术在工艺和设备大型化的关键技术上已经取得很大的突破。中铁资源华刚项目的投产，标志着我国湿法炼铜工艺技术、装备水平和自主创新能力已进入新的发展阶段。

[1] 东吴期货研究所：机构译文—ICSG月度翻译报告[EB/OL].[2014- 03- 25]. http:∥yjs.dwfutures.com/uploadfiles/2014/3/20140325093970727072.pdf.

[2] International copper study group: ICSG 2013 STATISTICAL YEARBOOK[EB/OL].[2013- 09- 02]. http:∥www.icsg.org/index.php/press-releases/finish/170-publications-press-releases/1188-2013-world-copper-factb ook

[3] Schlesinger M E, King M J, Sole K C, Davenport W G. Copper metallurgy[M]. Fifth Edition. Oxford: Elsevier, 2001.

[4] 刘大星, 蒋开喜, 王成彦.铜湿法冶金技术的现状及发展趋势[J].有色冶炼, 2000, 29(4): 1-5.

[5] Bouffard S C. Agglomeration for heap leaching: equipment design, agglomerate quality control, and impact on the heap leach process[J]. Minerals Engineering, 2008, 21: 1115-1125.

中国自然界首次发现稀有物质金属铀 世界独家

地质学报(英文版)刊载封面文章介绍，我国科研人员首次在自然界发现金属铀。这一发现不仅为揭示热液型铀成矿作用本质提供了关键性依据，而且对研究铀的来源、地球热的形成和演化均具有重大意义。

铀是核军工的基石，也是重要的核能原料。长期以来，人们认为在自然界没有金属铀。最新的一项研究打破了这一惯常认识。铀广泛分布于地球中，但由于它的不稳定性和变价性，总是以化合物状态存在着，之前人们在自然界中还未发现有金属铀。核工业北京地质研究院院长李子颖带领的研究团队采用光电能谱方法，对产于我国典型热液型铀矿床中沥青铀矿的成分和价态进行了系统研究，发现沥青铀矿中铀不仅有四价和六价形式，还以金属铀(零价)形式存在。

热液型铀矿床中铀来自地球深部，由于地球内部的强还原环境，铀在地球内部以金属态或低价态形式存在。当成矿流体将铀带至近地表时，由于氧逸度不断提高，其中大部分铀与氧结合成四价或六价化合物，只有部分铀仍然保持金属态。李子颖认为，通过零价、四价或六价铀在热液铀矿床矿石中所占的比例，可以反映矿石形成的深度。这一重大发现为揭示热液铀成矿作用本质机理和控矿要素提供了关键性依据，且具有重要实际价值。

此次研究的沥青铀矿样品采自我国著名贵东330铀矿床和诸广302铀矿床。两矿床均产于广东省北部，属于重要的南岭铀成矿带。光电能谱方法是重要的表面分析技术，不仅能探测物质表面的化学组成，而且可以确定元素的化学价态。

《中国企业绿色发展报告NO.1(2015)》发布

中国企业绿色发展报告NO.1(2015)》发布。据报告统计，中国工业企业用水状况大致可分为以下四个阶段：第一阶段：1949～1980年，第二阶段：改革开放之初至20世纪90年代中期，第三阶段：1998～2010年，第四阶段，2011年以来。中国工业企业用水量开始越过倒“U”形曲线的下行阶段拐点，工业企业用水量和用水比例都出现下降趋势。

报告认为，这说明中国工业企业在构建资源节约型、环境友好型社会中取得了显著成效。报告还指出，我国能源消费总量呈上升态势，企业能源消费趋于集中，这种现象近期是无法改变的。煤炭开采、石油加工等八大高耗能产业的能源消费占能源消费总量的比例约为63%。其中，黑色金属冶炼及压延加工业能耗最多，且增长最快。

对此，报告建议，中国应借鉴欧美一些国家的成功经验，根据国情适当地向企业征收能源税。

(中铁资源集团有限公司， 北京 100039)

Technology status and application of copper hydrometallurgy in domestic and abroad

XIE Hao, LI Xin

Copper hydrometallurgy technology has developed rapidly, and has become a mature and widely used method for smelting copper. This article briefly introduces the technology status of copper hydrometallurgy in domestic and abroad, and process characteristics of copper hydrometallurgy program of China Railway Resources Group Company. The development of copper hydrometallurgy technology is forecasted.

copper; hydrometallurgy; leaching; extracting; electro-winning; technology status

谢 昊(1986—)，男，硕士，工程师，从事有色金属冶金及材料学研究。

2015- 03- 05

2015- 07- 21

TF811

B

1672- 6103(2015)06- 0015- 06