闪速熔炼连续炼铜新工艺设想

朱明辉

（紫金矿业集团有限公司，福建上杭 364200)

随着铜火法冶炼技术的发展，近20 年来铜火法冶炼工艺在国内呈现出“百花齐放、百家争鸣”的现象。 现阶段主要存在的熔炼+吹炼工艺有：“闪速熔炼+闪速吹炼”（以下简称 “双闪”）、“闪速熔炼+转炉吹炼”、“侧吹+顶吹”、“侧吹+转炉”、“侧吹+底吹”、双底吹等。这些冶炼工艺各有所长，为我国乃至世界大中型新建及改扩建铜冶炼厂提供了多种可供选择的中国技术，也标志着我国铜火法冶炼技术已经达到世界领先水平。 从设计规模、技经指标、安全环保等方面综合考量，连续炼铜工艺越来越体现出强大的生命力，完全符合铜火法冶炼技术朝着绿色、智能、循环经济、安全高效方向发展的趋势。在上述连续炼铜工艺的基础上，本文拟就“闪速熔炼+底吹吹炼”的连续炼铜工艺设想进行探讨。

1 传统闪速熔炼工艺现状

目前，国内有多座闪速熔炼工艺的工厂，除了采用“双闪”工艺外，其余均采用的是“闪速炉+PS 转炉吹炼”工艺。闪速熔炼工艺具有产能大、能耗低、自动化程度高、环保好等特点，同时还具有较大的扩产潜力的优势，可以在较短的时间内，在不需大改造的前提下，实现较大幅度的扩产。

“双闪”工艺是为闪速熔炼配套闪速吹炼工艺。从原理上看,闪速吹炼属于悬浮吹炼, 其是要在冰铜从闪速炉顶喷嘴喷出到落入沉淀池的很短的时间内完成杂质的氧化反应。 闪速吹炼的优势主要在于:吹炼过程得到强化, 设备台数少, 占地小; 烟气量小且SO2浓度高, 后续余热系统和烟气制酸系统设备小,投资省, 运行费用低;无低空污染, 环保效果好;作业连续稳定, 自动化程度高; 炉体寿命长, 耐火材料消耗量低; 操作灵活, 并可处理其它工厂的水淬冰铜。但它也存在冰铜显热未能利用, 粗铜含硫高, 不能处理冷料、炉体投资大等缺点[1]。

而与闪速炉配套最多的PS 转炉吹炼工艺至今已有100 多年的历史，PS 转炉凭借其操作简单灵活、对入炉物料的适应性强、粗铜品质好等特点，特别是能大量处理含铜冷料， 一直是矿产粗铜生产的标准工艺路线，是铜锍吹炼的主导工艺。即使在现在出现了这么多的连续炼铜新工艺的情况下，PS 转炉吹炼产出的铜锍仍然占全世界铜锍总产量的80%以上。 然而，PS 转炉受其工艺限制，只能周期性作业，导致熔体不可避免地在各炉之间用包子和行车倒运，造成SO2烟气低空逸散收集困难、烟气量大、SO2浓度低且波动大、制酸系统和环集系统的投资和运行成本高等问题。 特别是随着国家对环保的要求不断提高，采用连续吹炼工艺替代PS 转炉吹炼成为必然的趋势[2]。

2 “闪速熔炼+底吹吹炼”连续炼铜工艺设想

随着我国铜火法冶炼技术的快速发展， 可供新建或改扩建项目选择的工艺路线增多。总体来看，冶炼工艺的选择应该从战略定位的角度出发， 同时综合考虑设计规模、投资、原料特性、技术先进性、拟建地公共资源等问题[3]。

2.1 工艺的选择

连续炼铜是指熔炼炉产出的热态铜锍通过溜槽连续进料到吹炼炉，进行富氧吹炼。其工艺特征是吹炼炉能够连续进料、连续排烟，且工艺操作能够连续一致。国内的连续炼铜技术近年来逐渐发展成熟，无论顶吹吹炼、 底吹吹炼或火精炉技术都得到工程应用并取得成功。 例如，2019 年紫金矿业集团旗下的黑龙江紫金铜业“侧吹+底吹”连续炼铜工艺顺利投产，经过近两年的生产实践，尤其是经过2020 年8月的年修技改后，其总体技经指标明显优于“侧吹+转炉”工艺。 经过不断地优化，该项目底吹炉的喷枪寿命和炉寿命也明显得到提高。

为了控制粗铜含硫， 连续吹炼工艺采用无铜锍的炉渣—粗铜两相操作，因而炉渣的氧化程度高，渣中铜和Fe3O4的含量高，炉渣需要返回熔炼炉。 若能提高吹炼的铜直收率，降低吹炼渣量，则可以有效降低熔炼炉负荷，提高熔炼炉产能。 为达到此目的，必须提高吹炼的入炉铜锍品位。 闪速熔炼炉完全可以满足目标铜锍品位区间的要求。 故在此基础上笔者提出新的连续炼铜工艺设想。

1）熔炼技术的选择。

近年来，新建铜冶炼厂熔炼工艺的选择基本是闪速熔炼和侧吹熔炼。自1985 年贵溪冶炼厂闪速熔炼工艺成功应用以来，闪速熔炼技术又经过了30 多年的优化，已十分成熟。尽管我国在瓦纽科夫熔炼工艺的基础上自主开发出了富氧双侧吹熔炼新工艺，且该工艺在2008 年投入使用以来，得到了迅速发展，已成为近年来中小规模冶炼厂的首选；但闪速熔炼凭借单套系统产能大、后续扩产潜力较大、规模效益明显、工艺风氧浓高、漏风率低、烟气量小且SO2浓度高、制酸和环保成本低、自动化程度高、炉体寿命长、系统作业率高等诸多优势仍然是目前最先进、可靠的冶炼技术，是国内新建大型铜冶炼厂的主要选择。

经过长期实践总结， 通常300 kt/a 以上规模的项目选择闪速熔炼技术，300 kt/a 以下规模的项目选择侧吹熔炼技术。 尤其是400 kt/a 规模以上的大型铜冶炼厂，闪速熔炼技术是其首选工艺。

2）吹炼工艺的选择。

目前，与闪速熔炼搭配的吹炼工艺主要是PS 转炉吹炼和闪速吹炼工艺。传统配套的PS 转炉吹炼工艺产能低、炉寿短、漏风率高、烟气量大且SO2浓度低，无法很好地配合闪速熔炼工艺；同时，转炉自身的低空污染也无法从源头根治。 闪速吹炼类似于闪速熔炼工艺， 虽然工艺技术指标先进、 自动化程度高，但需要配套冰铜粒化、冰铜碎磨和干燥等工序，流程较长，工程投资也相对较高。故这两种工艺搭配目前都无法实现连续炼铜。 底吹吹炼技术是近些年发展起来的炼铜技术，因其具有原料适应性强、连续进料、低空污染小、动力学反应充分等优势，成为目前铜冶炼的一种发展趋势。 黑龙江紫金铜业“侧吹+底吹” 连续炼铜工艺的顺利投产证明了底吹吹炼技术在连续炼铜工艺中的优势。 针对吹炼过程中反应释放的大量热能， 可以通过在底吹炉中加入残极和外购冷铜进行消耗，从而能够维持炉内的热平衡。

综上所述， 闪速熔炼目前仍然是极具竞争力的熔炼技术之一， 与底吹吹炼的结合可最大程度发挥各自优点。

2.2 闪速熔炼连续炼铜新工艺流程

铜精矿、熔剂、渣精矿等物料按配料比例经过配料系统后进入蒸汽干燥系统， 干燥后的干精矿由气力提升装置输送到炉顶的干精矿仓。 干精矿经闪速炉精矿喷嘴与富氧空气充分混合后在反应塔内进行剧烈的反应，通过工艺参数控制产出白冰铜、烟气和炉渣。 炉渣进入渣选系统， 产出的渣精矿返回闪速炉；烟气经烟气系统进入制酸系统生产硫酸；白冰铜经溜槽直接进入底吹炉吹炼产出粗铜， 粗铜再经溜槽进入阳极炉，从而达到连续炼铜的目的，阳极炉产出合格的阳极板送电解系统电解， 最终得到合格的阴极铜。“闪速熔炼+底吹吹炼”连续炼铜主要工艺流程详见图1。

图1 连续炼铜工艺流程

2.3 新工艺的优势

低能耗、 低成本运行是冶炼企业一直追求的目标。虽然通过精细化管理、工艺优化可以降低生产成本，但选择合适的工艺才是成本管控的起点。 “闪速熔炼+底吹吹炼”连续炼铜工艺除具备了闪速炉和底吹炉的所有工艺优势外， 通过对闪速熔炼与侧吹熔炼、底吹吹炼与转炉吹炼生产成本的统计分析发现，“闪速熔炼+底吹吹炼” 的运行成本将会具有明显优势，这也是本工艺设想的主要前提。笔者通过对紫金矿业集团旗下紫金铜业和黑龙江紫金铜业两种工艺的生产成本剖析发现，由于闪速炉熔炼能耗低，生产成本比侧吹熔炼低20%左右， 底吹吹炼比转炉吹炼的生产成本低25%左右。 由此可见，“闪速熔炼+底吹吹炼”的工艺组合具有明显的成本优势，可以有效提升企业生产运营的竞争能力， 同时还避免了转炉低空污染大的问题。

2.4 存在问题及解决思路

“闪速熔炼+底吹吹炼”技术的结合可以进一步提升铜冶炼技术，降低生产成本，提高工厂效益，但仍有一些问题需要在未来实施中充分考虑。

1）闪速炉生产高品位冰铜对炉况的影响。 目前闪速炉熔炼的冰铜品位多控制在70%左右。 但由于沉淀池相对静止的特性， 这样高的冰铜品位会导致炉结的增加， 同时高氧势的操作也增加了单质铜产生的可能性。如何在高冰铜品位下控制炉结的增加，降低单质铜对炉底的侵蚀， 仍有待进一步研究。 目前，“双闪” 工艺和世界上3 个一步炼铜工厂的实践经验会为该工艺的优化提供帮助。

2）吹炼过热问题。由于热态冰铜吹炼放热较大，冶金过程的过热问题将成为该工艺面临的主要问题。黑龙江紫金铜业在底吹炉中加入冷铜、残极以消耗多余热能，满足热平衡的做法，是有益的尝试。 同时，这种做法还可进一步增加产量。

3）吹炼炉寿和闪速炉匹配的问题。 闪速炉炉寿可轻易超过10 年， 而底吹炉寿命仅为12～18 个月，无法与之匹配。故连续吹炼虽然减少了中间环节，简化了流程，但两个炉窑的炉寿不匹配会影响工厂整体作业率。初步设想闪速炉配套2 台底吹炉，即可同时作业，也可采用“1 用1 备”的生产组织模式。 同时，考虑在闪速炉增设冰铜水淬系统， 在1 台底吹炉检修时，闪速炉仍可满负荷生产。水淬的冰铜可做为冷料加入底吹炉，作为解决底吹炉热平衡的一种手段。 另外，从投资上2 台底吹炉也会优于3 台转炉的配置。

3 结语

自第 1 台炼铜闪速炉于 1949 年在芬兰Harjavalta 冶炼厂投入工业应用以来，闪速熔炼工艺历经了60 余年的不断发展与完善。 据不完全统计，截至2018 年底， 全球27 个国家已建或在建的铜闪速炉共有57 台，其中中国有12 台。全球50%以上的铜产自闪速熔炼工艺的工厂， 由此可见闪速熔炼工艺仍是当今国内外大型新建或改造铜冶炼厂的首选工艺。连续吹炼技术近年在中国已发展成熟，顶吹单炉产能达到了300 kt， 底吹的单炉产能也达到了150 kt以上。连续吹炼与传统的PS 转炉相比在生产成本和环保上都体现出巨大优越性。 相信闪速技术和底吹吹炼技术的组合能够有效地解决目前吹炼工艺，特别是PS 转炉所存在的环保和产能上的瓶颈。该连续炼铜工艺的成本优势也将为新建大型铜冶炼厂提供了一种全新的工艺选择， 同时也对提升我国乃至世界铜冶炼技术水平有着十分重要的意义。