火法炼铜技术现状及发展趋势

■王 森 ■谦比希铜冶炼有限公司 非洲赞比亚铜带省卡鲁鲁西北京代表处，北京 100029

科技的进步和经济的发展，促进了国内外企业对铜产品的需求。随着生产工艺技术的不断改进，铜产品产量逐年增加。世界先进的炼铜工艺，闪速炉熔炼、艾萨熔炼、奥斯麦特熔炼、诺兰达熔炼等方法，在世界各地得到广泛应用，促进了世界铜工业的发展。通过对这些炼铜方法进行总结及回顾，为我国铜冶炼企业改造时，选择合适的冶炼工艺方法提供参考，对我国铜工业的可持续发展具有重要意义。

1 火法炼铜工艺流程

铜冶炼技术以火法和湿法冶炼为主，火法冶炼的铜产量约占世界铜产量的80%;湿法冶炼的铜产量约占世界铜产量的20%。经过浮选后的硫化铜精矿使用火法冶炼的方法处理，有两种方法可用:其一，硫化铜精矿先经烧结再还原熔炼得到粗铜。该方法流程简单，但产出的粗铜杂质含量高，炉渣含铜高。其二，硫化铜精矿经过造锍熔炼产出铜锍，铜锍再吹炼成粗铜。该方法工艺流程复杂，但优点甚多。世界上广泛采用造锍熔炼—铜锍吹炼的工艺来处理含铜硫化物。其工艺主要包含下述四个环节:铜精矿的造锍熔炼——铜锍吹炼成粗铜——粗铜火法精炼——阳极铜电解精炼。

2 火法炼铜技术现状

2.1 熔炼

熔炼是铜冶炼过程中的重要环节和重要组成部分。传统的造锍熔炼由于存在能耗高、效能低、污染大等问题，逐渐被高强度的富氧熔炼所代替。其主流工艺为闪速熔炼和熔池熔炼。

2.1.1 闪速熔炼

1949 年奥拓昆普公司发明闪速炉，并成功应用于工业生产。经干燥后的铜精矿与熔剂充分混合，通过特制的精矿喷嘴与富氧空气一起喷入炉内。在高温环境下，呈悬浮状态的铜精矿，迅速完成物理化学反应，生成的冰铜和炉渣落入沉淀池中澄清、分离，生成的烟气经余热锅炉降温除尘后，制酸。该工艺具有能耗低、反应速度快、处理量大和环保好等优点而得到广泛应用。

闪速熔炼法有奥托昆普炉、In-Co 炉和Contop 炉三种。20 世纪80年代新建和已建闪速炉沿着高强度、高富氧、高冰铜品位和高料量的发展趋势，这其中包含蒸汽干燥技术代替气流干燥、使用常温富氧鼓风和高强度熔炼技术到应用。金隆闪速炉经过三次改造和技术攻关后，使产能从10 万吨/年提高到35 万吨/年。在高强度冶炼，存在规模小和节能等众多等优点，但也存在一些问题急需解决如高强度熔炼下，炉体过热易损坏，需加强炉体保护、精矿与氧反应不完全，使渣含铜、烟尘率和SO3 发生率上升，需优化操作参数，改进精矿喷嘴。

2.1.2 熔池熔炼

熔池熔炼最早可追溯到19 世纪末20 世纪初，代表炉型为转炉吹炼铜硫和烟化炉贫化熔炼铅。经配料后的铜精矿抛入被富氧空气激烈搅动的熔池内，精矿颗粒被液体包围迅速熔化，快速完成加热、分解和氧化还原反应。炉内的混合物经炉子排放口排出到澄清炉内分离，生成的烟气经余热锅炉降温除尘后，制酸。该工艺优势在于原料制备简单、投资低、烟尘率低。根据送风方式可分为侧吹、低吹和顶吹三种冶炼方法。侧吹有诺兰达法、特尼恩特法、瓦约可夫法和白银法;顶吹有三菱法、艾萨法、澳斯麦特法和TBRC 法。目前该法在美国迈阿密冶炼厂、赞比亚的莫帕尼冶炼厂、云南铜业、南秘鲁铜业公司等冶炼厂得到广泛等应用。

熔池熔炼和闪速熔炼是现代造锍熔炼的最主要方法，两者之间的区别在于闪速炉主要反应发生在炉膛空间，反应体系连续相是气相;熔池熔炼主要反应发生在熔池内，反应体系连续相是液相。在工艺技术指标方面各有优势。究竟选择那种熔炼工艺，需根据资源储备、原料成份、企业所在地的自然条件来决定。

2.2 吹炼

转炉吹炼工艺自1905 年发明以来就被世界上各国普偏采用。具有工艺简单、技术成熟，富氧吹炼、设备大型化等优点，但PS 转炉工艺间断操作，存在炉口漏风，使烟气量大且波动大，炉口烟气弥漫、二氧化硫氧气泄漏等问题。为解决这一问题，国外铜冶炼企业在工业上已成功的应用了三菱法连续炼铜工艺和“双闪”工艺，这两种工艺虽解决了转炉吹炼过程中的低空污染问题，但也存在着投资高、运行成本高等问题。

近年来，也出现了一些的新的吹炼方法，被用于工业生产中。20世纪70 年代比利时霍勃肯冶炼厂在转炉吹炼的基础上，在原转炉轴向的一端建立虹吸烟道和增加炉盖，使转炉在吹炼过程中的存在的漏风、烟气外泄、喷溅等问题得到改进，并且还能实现吹炼过程中连续进料，大大的提高了吹炼时率，被巴西卡拉伊巴冶炼厂、美国迈阿密冶炼厂和智利帕伊波特冶炼厂使用。诺兰达吹炼炉应用于加拿大魁北克的霍恩冶炼厂，吹炼炉和诺兰达熔炼炉配套使用，可实现吹炼炉的连续进料，处理冷料量大、烟气外泄和烟气中SO2 浓度波动大的问题都得到较好的问题，但是由于粗铜含硫较高，不能直接进阳极炉，还需在脱硫炉中再次处理。艾萨顶吹炉吹炼炉由于存在着喷枪寿命短，在中条山投产后，而未达到设计能力，其工业生产的可行性，还有待于进一步的完善。2008 年底，由山东方圆和北京有色研究院联合开发的低吹连续炼铜工艺投产并运行至今。山西侯马中条山公司侯马冶炼厂的“双澳”和山东祥光铜业集团的“双闪”炼铜技术的开发和应用，正是短流程铜清洁冶金技术的新尝试。

2.3 火法精炼

火法精炼是粗铜氧化和还原的两个相反过程。早期的火法精炼炉以反射炉为主，该工艺存在着人工扒渣劳动强度大、冶炼能耗高、现场操作环境差和出铜中易跑铜等缺点，而逐渐被机械化强度小、炉体密闭性好和易操作的回转式阳极炉所取代。该工艺在贵溪、云铜和谦比希铜冶炼厂等得到广泛的使用。回转式阳极炉采用重油或可燃气体作为燃料。使用固体还原剂具有还原效率低、环保差等缺陷，近年来，在铜陵冶炼厂用粉煤加入裂化剂制成新型还原剂替代重油的还原操作中，很好的解决了烟囱冒黑烟的问题。

近年来的发展趋势，是寻求较短的氧化和还原过程，缩短作业时间，达到增加炼铜炉的容量和扩大生产能力的目的。国内外铜冶炼厂铜冶炼技术人员使用碳酸钠为助溶剂对粗铜进行火法精炼的试验、真空精炼技术和采用气体或液体还原剂等技术等研发，这些方法与传统粗铜火法精炼技术相比能够缩短作业时间，对提高生产效率和经济效益有重要的作用和价值。

2.4 电解精炼

电解工艺朝着自动化、大型化的方向发展。所采用的大极板电解工艺具有厂房跨度大、电解槽大、使用极板联动作业机组和专用吊车几吊车大自动定位系统后，使机械化和自动化水平大大提高，工人劳动强度降低。

艾萨不锈钢阴极电解工艺的应用标志着我国的铜电解工艺技术已达到国际先进水平，该工艺采用较大电流密度及较小大极距，采用自动化较高大薄片机组将阴极铜从不锈钢阴极片上剥离，所使用大始积片光滑平整，使生产过程中短路现象减少，大大提高产品质量和工作效率。

电解液的净化工艺使用的方法有:对单一杂质对脱除法、控制杂质浓度法和板式真空蒸发器法。这些方法都是控制电解液中某一杂质浓度而抑制其他杂质从阳极板中溶出，使杂质大部分进入阳极泥，降低电解液中对杂质的浓度，大大减少泥电解液的净化量。

3 我国铜冶炼存在的问题

20 世纪80 年代国内冶炼厂相继完成了铜冶炼企业的技术改造，使技术和设备装备水平又更上新的台阶，已达国外发达国家水平。铜冶炼企业产能的提高，将减少铜材产品的进口量，有利于提高冶炼企业的市场竞争力和国民经济的持续稳定发展。但冶炼产能的提高受以下几方面的制约。

3.1 铜原料依赖进口

我国冶炼企业80 多个，至2014 年底已具备560 万吨矿铜产能，对铜精矿进口需求量达到1200 万吨，而国内铜精矿产能仅能满足冶炼能力的50%。进口铜原料来源秘鲁和智利。铜原料依赖进口受到铜价、供货商、现货、出口国的政治、供应批次和原料品质的影响，使国内冶炼行业的工艺技术指标难以保证，使冶炼成本比国外高200 美元/吨铜，降低市场竞争力。解决铜精矿的供应问题关系到国内冶炼企业的生存和发展，因此需进一步勘探国内铜矿资源和开发资源，满足国内冶炼厂的原料需求，而且还要利用国家政策，充分利用国外资源丰富、潜力大和保障程度高的资源。

3.2 冶炼成本高

冶炼企业的利润来源铜精矿的加工费和副产品的销售。铜精矿的价格受铜价和加工费影响。铜精矿的加工费是原料供应商付给冶炼企业的费用。铜精矿加工费随着原料的供求关系变化而变化，当原料供应不足，加工费降低，冶炼企业获利减少，反之冶炼企业获利增多。而国内原料供应不足，需大量进口原料的国内企业，加工费受制于国际原料供货商，因此国内铜冶炼行业冶炼成本较高。而国内的劳动力、燃辅料和动力能源方面，相对低于国外发达国家，而企业管理费用较高。因此需依靠科技进步，夯实基础管理，进行制度创新和管理创新，降低生产成本，提高企业竞争力。

3.3 环保形势依然严峻

铜锍吹炼方面，仍采用PS 转炉工艺，因间断性的作业，操作中不可避免的出现炉口烟气弥漫，烟气SO2 浓度低，不利制酸的问题。就目前的情况来看，在我国就只有山西侯马和山东祥光两家采用了连续吹炼的作业方式，对解决厂房内的低空污染方面取得较好的效果，因此大力发展铜硫的连续吹炼的工作是今后的工作的重点。

3.4 渣含铜高

采用高富氧熔炼存在着节能降耗，烟气易于制酸，产能高等等优点，但炉渣中含铜较高，虽采用高铁渣，可降低渣量，但炉渣中含铜量远远超出弃渣含铜量。通过渣选矿可获得铜金属较高的回收率，但渣选矿厂房占地面积大，缓冷渣包多，投资加大。应探讨冶炼炉渣贫化的新途径，既用高铁渣冶炼，又能通过电热还原或硫化等措施，将渣含铜降至0.35%以下。

4 结语

熔池熔炼和闪速熔炼是现代造锍熔炼的最主要方法，在工艺技术指标方面各有优势。转炉吹炼工艺虽具有间断性作业、喷溅大、环保差和烟气量大、波动大和烟气SO2 波动大等劣势，但在吹炼工艺中仍具有主导作用。闪速吹炼虽存在冰铜水淬、破碎等环节对能耗和直收率不利的因素，但该法具有环保、节能、连续作业等优点，可推广。铜的火法精炼的发展趋势，是寻求较短的氧化和还原过程，缩短作业时间，达到增加炼铜炉的容量和扩大生产能力的目的。电解工艺朝着自动化、大型化的方向发展。在新建厂或改造时，究竟选择那种冶炼工艺，需根据资源储备、原料成份、企业所在地的自然条件来决定。

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