底吹连续炼铜三步与四步炼铜工艺评述及发展方向探讨

文/蒋继穆

编者按：蒋继穆，男，生于1939年，教授级高级工程师，中国恩菲工程技术有限公司高级顾问专家，全国工程勘察设计大师，享受政府特殊津贴专家。作为有色金属冶炼领域专家，蒋继穆曾主持设计多个国内外有色冶炼领域重点工程，为行业技术进步、产业升级作出了重要贡献。他作为中国自主冶炼技术——氧气底吹炼铜、炼铅技术的主要发明人，全面参与了技术的创新研发及推广应用。

当前，氧气底吹技术已经成为国内外铜、铅冶炼领域的主流技术，针对冶炼行业的发展变革，本文从现有技术的开发应用等方面进行了全面论述，对技术的优势、不足进行了深入分析，为未来技术的探索方向指明了道路。希望此文可以为行业技术创新提供思路指引和理念支持，助力国内冶炼行业聚力求强、自主创新、协同攻关、勇攀高峰，加速推进有色强国实现从跟跑到并跑到领跑的根本转变。

工艺说明

2009年，中国恩菲工程技术有限公司、河南豫光金铅集团与山东东营方圆集团共同向国家科技部申报“氧气底吹连续炼铜清洁生产工艺关键技术及装备研究”，获准并被列为国家“863”研发课题。2012年，中国恩菲牵头完成研发、结题并利用该成果，在河南豫光及山东方圆分别设计建成年产电铜10万吨和20万吨的两家底吹连续炼铜产业化示范工厂。

中国恩菲设计时考虑吹炼炉炉寿短于熔炼炉，解决炉寿不等的措施有两种：在豫只设一台底吹吹炼炉，熔炼炉设置了铜锍冷却、破碎、储运返回吹炼的设施作为吹炼炉检修、熔炼炉继续生产的备用装置；在东营熔炼炉后设置了两台底吹吹炼炉，一用一备，品字形配置，不设冷铜锍产出等备用装置。

两厂炼铜工艺均为“熔炼—吹炼—火法精炼—电解精炼”四步炼铜。即熔炼炉产高品位铜锍送底吹吹炼炉吹成粗铜，再将粗铜送阳极炉火法精炼后浇铸成阳极，阳极电解精炼为阴极铜。

其中东营方圆利用两台底吹吹炼炉同时工作，交替作业，吹炼炉将铜锍吹成粗铜后继续在吹炼炉中完成应在阳极炉中进行的氧化、还原精炼工序，直接生产阳极铜，取消了阳极炉，将传统的四步炼铜法简化为：“熔炼—吹炼加精炼—电解精炼”三步炼铜（方圆不算电解将其称为两步炼铜）。

豫光底吹连续炼铜示范工程于2014年、东营方圆于2015年相继建成投产。两家均为世界首次采用底吹连续炼铜工艺，属产业化开发，没有现成操作经验可供借鉴，相继花了三个月与六个月的摸索时间达到设计产能。经过近两年的生产实践，两种工艺均实现产业化运行，并积累了操作经验，可供新建工厂选择。

工艺比较

由于豫光与方圆两厂生产规模相差一倍，直接采用两厂的单位产品成本、单位产品投资作比较，并不科学。再者，方圆冶炼厂在设计之初，为可靠起见，预留了阳极炉，但没有增设冷铜锍产、储、运等装置，吹炼炉检修，如果没有阳极炉，只能全系统停产，显然不合理，新建厂不能就此拷贝。（目前，方圆采取两台吹炼炉轮流检修，检修时适度减产，用原设计的一台阳极精炼炉过度，维持系统生产。）

综合看，两种工艺的优缺点定性分析如下：

（一）三段（方圆称两段法）优点

1.流程短，省去阳极炉工序，省两台阳极炉及配套的烟气收尘系统。省去这部分投资。

2.省去阳极炉操作工人，提高了劳动生产率，降低了工资总额。

3.省去一道粗铜溜槽和该道溜槽清理工作并少一道溜槽烟罩及其加热装置，减少环保烟气量。

4.少了一道粗铜排放，降低了熔炼炉的配置高度，有利于熔炼炉安全排渣，降低了熔炼厂房高度及其建设投资。

5.吹炼炉放铜浇铸期，可用于更换氧枪，不会因更换氧枪而引起烟气波动，影响制酸。

事物是辩证的，有利必有弊。

（二）三段炼铜法需要继续探讨之处

1.吹炼炉由一个炉子连续作业改为由两个炉子间断作业。方圆目前的两个吹炼炉同时作业，其中由一个炉子连续吹炼12小时，剩余12小时用于粗铜氧化、扒渣还原、浇铸阳极板。两个炉子循环往复交替作业。由于各作业阶段温度有差异，吹炼与精炼合并后对炉衬热震高于单一连续吹炼炉，故其炉寿较短。根据两厂信息，吹炼第一炉期寿命，豫光为18个月，方圆为6个月。据专家预测，单一吹炼炉炉寿可达2年，吹炼、精炼合并炉寿可达1年。三步炼铜耐火材料单耗高于四步炼铜。

2.吹炼精炼合并需要炉体能储存日产铜量的2/3以上的操作容积（16%残极循环、预留20%以上再吹炼启动液，加上半天的浇铸量）。这样吹炼炉设计得足够大。相对精炼与浇铸这12小时的操作而言，是大马拉小车，这有两个不利点：一是炉子容量大，预留再启动的阳极铜量就大，这部分阳极铜在炉内反复氧化与还原，相应多耗氧气与还原剂。二是炉子大，浇铸期保温用气量也相应增加。英国开发转炉吹炼时，原本没有阳极炉，从实践中体会到加个小阳极炉储存粗铜满足浇铸占时需要，可以大幅度提高转炉的产能，而后又在阳极炉进一步脱杂调质提高阳极铜质量，形成了今日广为应用的四步炼铜工艺。三步法是四步法工艺的回调。

3.四步炼铜连吹炉的铜、锍、渣层厚度基本固定，控制喷枪压力与流量的稳定，相对简单易行。而三步法中铜、锍、渣三层熔体高度由最小渐变至最大，浇铸完成后，熔体变至最小，周而复始，总在变动中。操控喷枪流量、压力稳定相对复杂些，其中由氧化转还原，喷枪有换气操作，在时间的把控上需要有经验的操作员。新建企业投产、顺产、达产时间相对长些。由于吹炼炉体容量太大，用于精炼，精炼渣难以扒除干净，往往造成阳极板中带渣，对电解造成不良影响。扒渣后，深度还原可消除阳极带渣，但造成阳极含杂较高（被氧化入渣的杂质又被还原），会增加阳极泥产量及其处理费用。

4.三步炼铜工艺为降低吹炼负荷，采取尽量提高铜锍品位的措施。方圆入吹炼炉的铜锍含铜控制在75%～78%。因而熔炼渣含铜相对提高，渣精矿量增加。虽说不增加熔炼的燃料费，但增大了熔炼渣的储、运、选及渣精矿的储、运成本。再者高品位铜锍部分金属化，其排送溜槽粘结后清理困难，溜槽需加盖及时加热保温才行。

以上是定性叙述保留或取消铜冶炼过程的阳极炉精炼工序各自的优缺点，没有定量。在某年产电铜40万吨的工厂可研设计中，对采用豫光双底吹炉四步连续炼铜工艺与采用方圆三底吹炉三步连续炼铜工艺，进行技术经济定量分析，比较结果是：取消阳极炉的方圆三步炼铜方案，固定资产投资较四步法可降低约4000万元，即吨铜投资可降低100元。但吨铜成本高约40元～50元。除前述因素外，发现两台连吹炉交替作业时，锅炉循环泵电耗较一台连吹炉的电耗大。

比较结果有两种意见，一部分人认为取消阳极炉的三步炼铜工艺，优点明显，是发展方向，随操作经验的累积与耐火材质的改进，吹炼炉炉寿会进一步延长，生产成本将会进一步降低。建议选用方圆方案，取消阳极炉精炼工序。另一部分人认为技术为经济服务。豫光方案保留阳极炉的四步炼铜工艺吨铜成本更低、更经济。在环保合格的条件下，经济的就是先进的，应采用四步炼铜工艺。目前，两种工艺均有工业实践，从设计角度，放大2～4倍，对于拥有60多年设计经验的底吹技术研发单位中国恩菲而言，都有十足把握，且不存在工程风险，业主可在综合考虑投资、成本、建设环境、实施条件、人力保障等因素后，对工艺进行综合选择。如果四步炼铜工艺所产铜锍送粒化，吹炼采用冷态连续吹炼的模式，则四步炼铜工艺的熔炼主厂房高度可以降低，吹炼氧浓提高烟气处理系统可以大幅减小，四步炼铜工艺的投资也可进一步减少。

发展方向探讨

无论双底吹还是三底吹（四步或三步）连续炼铜，均克服了转炉吹炼造成的SO2的低空污染，较传统炼铜工艺在环保领域前进了一大步。但底吹吹炼有其固有缺点，并非最经济的吹炼方案。因为底吹喷枪的送风压力需要＞6000kPa，如果直接吹炼热铜锍，送风氧浓一般较低，送风量大，动力消耗高于其他吹炼工艺，即吹炼成本较高。只有在搭配处理大量高品位冷铜料的条件下，送风氧浓提高，才能体现底吹吹炼的优越性。如一个年产10万吨矿铜的底吹吹炼炉可以搭配处理10万t/a的高品位废杂铜，并同时处理20万t/a电铜的残极，这种组合非常经济合理，能充分发挥底吹吹炼的优越性。

毫无疑问，目前所有矿铜的熔炼工艺，在同等规模的条件下，还没有比底吹熔炼工艺能耗更低、加工费用更低的。

吹炼则要区别对待。如果有大量冷铜料消耗富氧吹炼带来多余的热量，如前所述选用底吹吹炼是合理的。若无冷铜料，则选用近年开发的多枪顶吹吹炼较为经济，因为其送风压只有120kPa～200kPa，炉寿可达4年，单台吹炼炉的吹炼能力已达年产电铜30万吨，放大到40万吨或更多一点，从工程角度和反应机理都没问题。

现阶段建厂，笔者认为环保、可靠、最经济的炼铜工艺是底吹熔炼、多枪顶吹吹炼、回转炉精炼、平行流（紊流）电解、熔炼渣选矿。

进一步简化铜冶炼工艺，中国恩菲的研发动态集中在火法贫化和综合回收方面。

熔炼渣目前最经济的处理方案是渣缓冷后选矿。该方案占地面积大、劳动生产率低、投资偏高，有点拖泥带水，环保状况不理想。中国恩菲冶炼首席专家李东波正带领团队进行CR炉的开发工作，初试结果令人欣喜，有望走出一条简短、环保、综合回收、高效的新的渣处理方案。

随着中国恩菲负压水冷技术的研发成功，在底吹炉内加一道水冷隔墙，一端炼低品位铜锍，另一端直接吹成粗铜。这样较为理想的炼铜工艺简化为底吹炉熔炼成粗铜、粗铜回转炉精炼、铸锭后送电解车间，熔炼渣送CR炉综合回收处理。