粗銅富氧火法熔煉工藝技術研究

包洪光, 吳曉松, 楊 強

(長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000)

銅冶煉工藝主要有火法和濕法兩種。近半個世紀以來，銅熔煉技術的變革是銅火法冶金領域發展中最活躍的部分。目前，世界原生銅產量的約85%是由火法工藝冶煉所得?；鸱掋~工藝又分為傳統冶煉工藝和現代冶煉工藝。傳統冶煉工藝包括鼓風爐、反射爐、電爐工藝，其產量占總產量的1/3左右。該類工藝具有流程簡短、工藝成熟、原料適應性強等優點，銅的回收率可達95%以上，但也存在熱效率低、能耗高、硫利用率低、環保差、裝備自動化程度低、生產效率低下等缺點。隨著國家節能減排和環境保護要求不斷提高，該類工藝目前已逐步被淘汰。

現代冶煉工藝根據反應過程原理不同又分為閃速熔煉工藝和熔池熔煉工藝。該兩類工藝生產的銅產量約各占總產量的1/3，其突出特點是由于廣泛使用氧氣和富氧，使得冶煉過程得到了強化。

1 閃速熔煉特點分析[1]

閃速熔煉工藝：按照熔煉設備不同分為奧圖泰(原奧托昆普)工藝、INCO氧氣閃速熔煉工藝、Contop閃速熔煉工藝以及祥光銅業自主研發的懸浮噴嘴閃速熔煉工藝。INCO氧氣閃速熔煉工藝多用于鎳冶煉，Contop閃速熔煉工藝未得到推廣，奧圖泰工藝在全球閃速熔煉生產中占據主導地位，懸浮噴嘴熔煉工藝在我國的銅廠逐步得到應用。

閃速熔煉工藝因后續吹煉工藝不同又可細分為：閃速熔煉—PS轉爐吹煉工藝和閃速熔煉—閃速吹煉工藝(“雙閃”)。前者已在國內外應用多年，技術成熟；前者代表性廠家有貴溪冶煉廠，后者代表性廠家有山東陽谷祥光銅業有限公司、銅陵有色金冠銅業分公司和廣西金川有色金屬有限公司、中鋁東南銅業有限公司。

閃速熔煉工藝的特點分別簡述如下：

1.1 閃速熔煉—PS轉爐吹煉工藝

①采用富氧自熱熔煉，強度高，燃料消耗低，煙氣量小，SO2濃度高；

②技術成熟可靠，自動化水平高；

③環境保護及勞動條件好，擴產潛能大；

④對物料的要求較高，原料需深度干燥，原料準備投資較大；

⑤煙塵率較高，渣含銅高，熔煉渣需要進行貧化處理才能作為棄渣。

采用轉爐吹煉具有原料適應性強、對雜質脫除能力強的優點，但也因其間斷操作導致煙氣波動量大、爐口漏風大、SO2煙氣低空污染等突出問題，使其成為制約銅冶煉清潔生產的主要因素。

1.2 閃速熔煉—閃速吹煉工藝

閃速熔煉—閃速吹煉工藝(“雙閃”)由芬蘭奧托昆普公司和美國肯尼科特公司共同開發，于1995年首次在肯尼科特銅冶煉廠應用，十多年后在我國建成世界第二套系統，此后分別在我國國內又先后建設了3套系統，還有1套正在建設中。其工藝主要特點是：

① 熔煉強度大，因吹煉過程連續操作，使得煙氣量小、SO2濃度高且穩定；

②因爐體密閉而消除了SO2低空污染，爐子在線作業率高等。

“雙閃”工藝主要的缺點是：

①必須將熔煉產出的冰銅水淬冷卻后再度磨細并干燥，使得冰銅顯熱不能利用，導致能耗增加；

②閃速吹煉爐對原料中雜質含量的要求比較高，如果原料含雜質較高且原料成分波動較大，吹煉過程對雜質的脫除將會不徹底，導致吹煉操作困難及后端工序操作復雜。

祥光銅業自主研發的懸浮噴嘴閃速熔煉工藝是在原奧圖泰雙閃工藝的基礎上對爐子噴嘴進行了革命性的改變，該噴嘴結構相對簡單，操控性相對簡單。

2 熔池熔煉特點分析

熔池熔煉工藝根據送風方式可分為側吹、底吹和頂吹。側吹有諾蘭達法、埃爾-特尼恩特轉爐法、富氧側吹熔煉法(瓦紐科夫法)、白銀法；底吹有水口山法；頂吹有三菱法、氧氣頂吹轉爐法(TBRC法)、艾薩熔煉法和澳斯麥特法等工藝。這些工藝在國內外均有應用，特別是富氧側吹熔煉法、艾薩熔煉法、澳斯麥特法和水口山法應用較多。

以下為幾種最具有代表性的現代銅冶煉工藝，其特點分別簡述如下：

2.1 諾蘭達法[2]

諾蘭達法于1967年在加拿大首次獲得專利，是歷經30余年發展起來的自熱熔煉技術。該法日處理精礦可達2 000 t以上，且對原料適應性強，既可處理高硫銅精礦，也可處理低硫含銅物料。同時具有高的爐床處理能力，流程簡單，不需要復雜的備料過程，爐料不需要深度干燥，操作簡單，容易掌握。諾蘭達法的缺點是勞動強度很大、冒煙且有灰塵、噪聲較大、操作條件不好、冶煉環境較差，未廣泛應用。我國某冶煉廠的諾蘭達煉銅工藝已經被澳斯麥特煉銅工藝取代。

2.2 三菱連續煉銅法[3]

三菱連續煉銅法由日本三菱金屬公司于20世紀60年代開發，于1974年在直島冶煉廠的一臺舊反射爐基礎上建立的一套月產粗銅4 000 t的三菱法工業設備。1991年直島冶煉廠完成技術改造，生產能力達到年產銅23萬t。三菱法的技術關鍵是逐漸提高噴槍鼓風中的富氧濃度，使熔煉過程達到自熱的程度，并且應用更有效的冷卻方式，進一步提高了爐子的使用壽命。該法的特點是投資相對較低，操作簡單，無出渣出銅操作，采用計算機自動控制。其缺點是：4個爐子(熔煉爐、貧化電爐、吹煉爐、陽極爐)自流配置，第一道工序的熔煉爐需要配置在較高的樓層位置，建筑成本較高；爐渣采用電爐貧化，棄渣含銅量達0.6%～0.7%，遠遠高于我國多數大型銅礦開采的礦石平均品位，資源沒有得到充分的利用。該系統控制要求非常嚴格，只要某一個環節出問題就無法正常生產。

2.3 氧氣底吹煉銅法[4]

氧氣底吹煉銅法在國內的首次大規模工業應用是2008年投產的東營方圓有色10萬t/a粗銅冶煉廠。其原理是：爐料直接加入爐內激烈運動著的氣—液—固三相高溫“乳化液”中，很快被吞沒熔化，并迅速進行氧化還原、造渣與造锍反應，冰銅與渣的微粒相互碰撞分別進入渣相與冰銅相。與傳統煉銅工藝相比，該工藝具有富氧熔池熔煉的特點，即具有熔煉強度高、煙塵率低、自熱熔煉程度高、能耗相對低等優點。根據已投產項目的生產實例，該工藝存在渣含銅高、陽極板雜質含量高導致電解電流效率低、環保較差等缺點。

①底吹爐渣含銅高，為3%～4%。

②單臺底吹爐處理能力有限，生產規模受到限制。目前單臺爐的實際生產能力最大30萬t/a(中原黃金)。而且隨著爐子直徑的加大，爐子長徑比變化，將進一步影響渣含銅量。

③陽極板雜質含量高，電流效率低。由生產實踐反饋的問題可知，采用氧氣底吹煉銅工藝，其后續工段產出的陽極板雜質含量高，導致銅電解過程電流效率低，陰極銅雜質含量高。

目前國內運行的工藝有：底吹熔煉+轉爐吹煉，底吹熔煉+底吹吹煉兩種工藝。

2.4 艾薩(ISA)/澳斯麥特(Ausmelt)法[5]

富氧頂吹熔煉是國內外目前常用的一種熔池熔煉礦銅冶煉工藝，常見的富氧頂吹熔煉爐型有艾薩爐和澳斯麥特爐，其原理基本相同，只是噴槍和爐體結構上有差異。這兩種方法的優點是原料預處理比較簡單，不需要深度干燥，對入爐物料的要求不太高，投資相對較低。其缺點是：煙塵率高，收塵、制酸系統會被煙塵燒結而堵塞；噴槍壽命短，平均5～7 d，需要更換與維護，生產成本提高；噴槍提升有復雜的機械裝置，增加了潛在的故障點以及維護檢修工作量；熔煉燃料消耗大，煙氣多；爐子噴槍及耐火材料壽命短；需要高壓風機，動力消耗大，總能耗高；需要大的銅、渣沉降分離設備和大吊車；環保效果差等。

中條山有色金屬公司侯馬冶煉廠是我國首家采用澳斯麥特煉銅技術的工廠，工程投產初期存在爐體晃動、耐火材料壽命短、渣含銅高等問題，經過一段時間的摸索和改進，能夠維持正常生產。國內還有云南銅業股份有限公司采用艾薩熔煉工藝，已穩定運行近20年。近年來該工藝沒有得到進一步推廣應用。

主要代表性工藝有：艾薩熔煉(后接貧化電爐)+轉爐吹煉，澳斯麥特熔煉(后接貧化電爐)+轉爐吹煉，澳斯麥特熔煉+澳斯麥特出吹煉。

2.5 富氧側吹熔煉工藝[6]

側吹熔池熔煉工藝是在前蘇聯瓦紐科夫法的基礎上發展起來的富氧熔池熔煉工藝。

①原料適應性強，備料簡單，入爐物料水分質量分數為6%～8%，可處理不大于50 mm的塊料。

②富氧空氣從側向鼓入熔池內，熔體激烈攪動、反應強烈，富氧體積濃度高(含O2體積分數為 40%～90%)，且氧利用率達體積分數95%～100%，生產能力高，可以用較小尺寸的爐子得到高產能。

③熔池熔體上層翻動，下層平靜，更加有利于金屬相(锍相)和爐渣澄清分離。

④處理硫化礦時，煙氣中含SO2濃度高，煙氣量小，因此，煙氣處理系統的投資和運行成本大為縮減。

⑤燃料的適用范圍廣。無煙煤、煙煤、焦粉和天然氣均可作為燃料?？刹捎盟槊鹤鳛檫€原劑，無需采用粉煤或焦炭，而碎煤的價格低廉，可降低能耗和生產運行成本。

⑥操作方面：液相和爐渣可采用虹吸裝置連續排放，取消了打開和堵塞排放口及清理溜槽的工作；使用富氧(含O2體積分數40%以上)鼓風時風口不需清理；在短期停爐時，不必將爐內熔體全部放出就可停止鼓風：采用專用的銅桿塞住風口，防止熔體反灌堵塞風口，可保持停爐狀態24 h以上。

⑦工藝技術先進，擁有自主知識產權。該工藝是我國自行研發的銅熔煉技術，不必引進技術和關鍵設備，主要設備完全可以實現國產化。

⑧建設投資較省，生產費用低。該工藝流程短，配置簡單，建設速度快，投資較省。

⑨具有良好的衛生條件。富氧側吹熔煉爐爐體密封好，無煙氣外逸，操作環境好。

⑩操作簡便，自動化程度高。富氧側吹熔煉爐操作和控制較為簡單，生產過程可實現計算機在線控制。

目前國內運行的代表工藝有側吹+轉爐吹煉，側吹+頂吹連續吹煉兩種。

這些熔池熔煉煉銅工藝共性如下：

(1)充分利用爐料氧化反應熱的能量，在自熱或接近自熱的條件下進行熔煉，能耗低。

(2)采用富氧技術控制脫硫率，進而控制冰銅品位和減少煙氣量。

(3)熔煉煙氣中SO2濃度高，有利于有效回收制造硫酸或其他硫產品，環境條件好。

3 現代銅冶煉工藝技術對比[7]

能夠實現單系列銅產能在30萬t/a以上且綜合回收好、環保效果好的現代強化熔煉工藝近年來得到了快速廣泛應用。這些工藝主要是：閃速煉銅技術、富氧頂吹熔煉(ISA)技術、富氧側吹熔池熔煉技術、底吹熔煉技術。

閃速熔煉的優勢主要體現在熔煉單系列產能可達40萬t/a，具有規模效益，劣勢在于：工程費用比熔池熔煉高出約20%，嚴重影響經濟效益；國內已建成若干個40萬t/a閃速煉銅項目，但都是采用引進技術，不具備自主知識產權。ISA熔煉工藝是發展較為成熟的技術，但需要配置電爐進行渣銅分離，能耗相對于側吹工藝和底吹工藝要高。底吹熔煉技術目前尚存在加料口粘接、噴槍壽命、環保煙氣量大等缺點亟待解決。

富氧側吹熔煉工藝也存在加料口噴濺、一次風眼易堵塞等問題，但是該工藝富氧濃度更高、煙氣量小、生產連續性好、經濟效益好、擁有自主知識產權、技術創新性高的諸多優點近年來得到了行業內越來越多專家和企業的認可，開始廣泛應用于大規模冶煉生產。

4 結 語

冶煉工藝選擇的重點在于建設規模、工藝成熟度與創新性、原料適應性、環保節能、綜合回收、生產連續性、經濟效益等，還應考慮充分發揮公司的技術和人才優勢，使工程能夠順利建成投產，迅速達產達標，并具備較強的市場競爭力。從當前銅冶煉技術的發展趨勢和國內外應用情況來看，銅冶煉行業的發展應該向以下方面發展：

(1)生產規模趨于大型化，設備同步向大型化、連續化、機械化和自動化發展；

(2)冶煉技術趨向強化冶煉過程，應用富氧以提高熔煉強度，降低煙氣含硫濃度，提高熱利用率；

(3)隨著資源匱乏和環保要求更趨嚴格，資源綜合利用好、環保效果好的冶煉技術應更受關注。