中國銅工業(yè)現(xiàn)狀與技術展望

姚志超，孫彥文

（北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

銅被廣泛應用于電力、家電、交通運輸、建筑、電子等領域，科技的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，擴大了國內外企業(yè)對銅產(chǎn)品的需求。中國已成為世界第一大銅生產(chǎn)國和消費國，全球精銅供需關系變化取決于世界經(jīng)濟復蘇情況以及中國經(jīng)濟增長速度對銅的消費需求。根據(jù)國際銅研究組的最新預測，受各國經(jīng)濟政策影響，未來銅需求可能會受到一定提振，銅需求保持穩(wěn)定增長。我國銅冶煉火法占據(jù)主導地位，近年來銅冶煉技術不斷進步和發(fā)展[1]。本文針對火法煉銅中的熔煉、吹煉、精煉和電解四個流程，結合我國銅產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，簡要介紹國內銅冶煉技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢。

1 國內銅冶煉現(xiàn)狀

改革開放前，中國處于計劃經(jīng)濟時代，國內經(jīng)濟發(fā)展水平較低，同時國內銅冶煉也處于較低水平；改革開放后，通過技術引進消化吸收，國內銅冶煉及加工工業(yè)產(chǎn)能不斷增加，尤其2000年后平均增長速度在10%左右，占據(jù)全球銅消費增長中的主導地位。近年來，我國自主開發(fā)的多項煉銅技術取得了較大發(fā)展，但面臨國際金融危機和國內經(jīng)濟增長新常態(tài)的雙重影響。雖然銅冶煉產(chǎn)能不斷增加，但增速放緩，預計今后幾年達到精銅的消費平衡。

1.1 熔煉技術

火法熔煉中，傳統(tǒng)的造锍熔煉存在能源消耗高、冶煉效率低、環(huán)境污染嚴重等問題，近年來逐漸被富氧熔煉所取代[2]。目前，在國內，閃速熔煉和熔池熔煉已經(jīng)發(fā)展成為相對成熟的熔煉工藝[3-4]。

20世紀80年代以來，閃速爐逐漸向著高強度、高富氧、高冰銅品位和高投料量的趨勢發(fā)展，閃速熔煉工藝因處理量大、反應速度快、能源消耗低、環(huán)境污染少等優(yōu)點而得以廣泛推廣和應用。但是，其在高強度熔煉下也存在一些問題。比如，由于爐體過熱容易被損壞，精礦反應不夠充分，渣含銅量、煙塵率和SO3產(chǎn)生率上升等。國內某企業(yè)年產(chǎn)20萬t陰極銅冶煉項目，采用“蒸汽干燥+閃速熔煉+PS-轉爐吹煉+陽極爐精煉+電解”以及煙氣制酸、爐渣選礦、卡爾多爐處理陽極泥等工藝流程，選用閃速熔煉、卡爾多爐等國際先進的工藝技術裝備，成功使用了長期被國外壟斷的圓盤澆鑄及自動剝片裝備，實現(xiàn)部分關鍵設備的國產(chǎn)化，運行效果好于同類進口設備。

熔池熔煉工藝的優(yōu)勢主要包括原料制備簡單、投資成本低、煙塵率降低等。根據(jù)送風方式不同,可分為三種冶煉方法：側吹、底吹和頂吹。國內已經(jīng)有企業(yè)采用“雙側吹富氧熔池熔煉技術+PS轉爐吹煉+陽極爐火法精煉+不銹鋼陰極法電解精煉”工藝，相關項目于2015年10月順利投產(chǎn)，各項指標均已超過設計值，實現(xiàn)了短流程熔煉和高效節(jié)能環(huán)保的要求。

上述兩者之間的區(qū)別在于閃速爐冶煉過程屬于空間反應，氣相為連續(xù)反應相；熔池熔煉主要反應發(fā)生在熔池內，液相為連續(xù)反應相。工藝技術各有優(yōu)勢。熔煉工藝的選擇主要取決于生產(chǎn)規(guī)模、原料成分、企業(yè)資源情況等。

1.2 吹煉技術

轉爐吹煉具有工藝簡單、技術成熟等優(yōu)點，但缺點是間斷操作，爐口漏風，煙氣量波動大、SO2濃度低等。近幾年來，隨著國家環(huán)保要求的提升，國內新建銅冶煉廠先后引進閃速連續(xù)吹煉、氧氣頂吹連續(xù)吹煉新技術[5-6]。其中，三菱法在吹煉時采用頂吹爐連續(xù)將銅梳吹煉至粗銅。其特點是投資少、成本低、可連續(xù)煉銅，其缺點是建筑成本高，渣含銅高。Kenencot煉銅工藝，即“雙閃”煉銅工藝，技術較為成熟，但其流程復雜，銅鋶需要水淬后干燥才能進行吹煉作業(yè)、能耗高、勞動消耗大。

1997年11月，諾蘭達（Nornada）連續(xù)吹煉爐在加拿大諾蘭達投產(chǎn)，目前其存在爐子壽命短、硫回收率低等問題。特尼恩特爐的爐期短，煙氣量大，并且硫的回收率低。1999年奧斯麥特爐在中條山侯馬冶煉廠首次投入生產(chǎn)，存在的主要問題為送風時率低、制酸尾氣硫含量超標、煙氣排空后容易造成環(huán)境污染等。雙底吹連續(xù)煉銅工藝，解決了吹煉工序中存在的含硫煙氣無組織排放及難收集的問題，其優(yōu)點是煙氣量小，SO2濃度高且穩(wěn)定，煙氣連續(xù)穩(wěn)定，利于高溫煙氣余熱的回收利用[7]。

1.3 精煉技術

回轉式陽極爐氧化還原精煉法的缺點是：氧化和還原是兩個對立的過程，作業(yè)時間長、生產(chǎn)效率低、還原劑消耗高、黑煙污染和碳污染嚴重。

國內開發(fā)了一種新的精煉技術，采用鼓入惰性氣體攪拌銅液達到一步脫硫除氧的目的[8-9]。新工藝具有作業(yè)流程短、生產(chǎn)效率高、無需還原劑等優(yōu)點，不但可以節(jié)約能源，而且能夠減少碳的排放。

1.4 電解技術

隨著銅冶煉技術的發(fā)展，對電解精煉的要求也越來越高。目前，綜合產(chǎn)能和成本的考慮，最佳方式是提高電流密度。在保證產(chǎn)品質量的前提下，如何提高電流密度、強化電解生產(chǎn)效率成為關鍵。艾薩不銹鋼陰極電解工藝的成功應用標志著我國銅電解工藝技術已達到國際先進水平，該工藝通過較大的電流密度和較小的極距，利用自動化程度較高的撥片機組將陰極銅從不銹鋼陰極片上剝離，所用的永久陰極板光滑平整，減少了生產(chǎn)過程中的短路現(xiàn)象，很大程度地提高了產(chǎn)品質量和工作效率[10]。近來，國內開發(fā)了一種平行流電解技術，不僅能夠提高電流密度，還可以擴大產(chǎn)能，降低電解能耗。國內自主研發(fā)的新型旋流電解技術，可從廢液中選擇性提取高純金屬，流程短、成本低，投資小、建設期短、風險小，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。

2 國內近年來銅冶煉擴能情況

2.1 新增產(chǎn)能及工藝選擇

2017年及以后銅冶煉擴能項目如表1所示。由表1和圖1可知，新增及擴產(chǎn)產(chǎn)能中，采用頂吹工藝的僅有兩家，屬于搬遷或者擴能改造項目，沿用了以前的頂吹熔煉技術；“雙閃”煉銅技術僅一家；“閃速爐+轉爐”工藝僅一家，其余均為國內自主研發(fā)的側吹和底吹煉銅技術，新增銅冶煉產(chǎn)能工藝以側吹、底吹為主，分別達48.54%和22.30%，合計達70.84%，尤其側吹煉銅技術占比最高，這反映國內開發(fā)的側吹及底吹技術獲得了用戶認可，多項指標達世界先進水平。2019年以后，新增產(chǎn)能及原有冶煉廠擴產(chǎn)技改，我國銅冶煉產(chǎn)能將會出現(xiàn)過剩局面。

2.2 國內銅冶煉業(yè)面臨的挑戰(zhàn)與機遇

當前，國內外經(jīng)濟形勢嚴峻，全球礦業(yè)已經(jīng)進入全面調整新時期，主要金屬產(chǎn)品價格長期低位運行，礦業(yè)企業(yè)并購重組的步伐加快，機遇與挑戰(zhàn)共存。銅冶煉產(chǎn)能擴張有限，但我國銅熔池熔煉技術取得了快速發(fā)展，已處于世界先進水平，未來幾十年我國銅冶煉企業(yè)應充分利用國內銅冶煉技術和裝備優(yōu)勢，緊抓一帶一路的機遇，實施走出去戰(zhàn)略，通過兼并和新建，把中國的銅冶煉工業(yè)建到世界各地，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。同時，銅熔池熔煉技術還有很大的發(fā)展空間，尤其是在經(jīng)濟增長新常態(tài)下，完善產(chǎn)業(yè)結構、短流程、高收率、節(jié)能降耗、清潔環(huán)保、綜合利用及融入所在地協(xié)調發(fā)展等依然是銅熔池熔煉技術創(chuàng)新的主攻方向。

表1 2017年及以后銅冶煉擴能項目

圖1 國內新增及擴產(chǎn)產(chǎn)能工藝選擇

2.3 銅冶煉未來前沿技術之一——梯級熔煉

由于國家對環(huán)境保護的要求越來越高，推動我國煉銅技術進一步發(fā)展，縮短冶煉流程，實現(xiàn)一步煉銅將是更高的目標。梯級熔煉的目標是實現(xiàn)一步煉銅，直接產(chǎn)出高品質粗銅，梯級熔煉的顯著特點是通過梯級熔煉實現(xiàn)熔煉渣含銅小于1.0%。目前的銅熔煉加吹煉工藝是平行熔煉，若想產(chǎn)出高品位冰銅或粗銅，必然導致渣含銅高，這也是把銅熔煉分成熔煉和吹煉的主要原因，通過梯級熔煉技術，熔煉和吹煉就可以在同一冶煉爐中完成，同時熔煉渣含銅維持在較低水平，渣含磁性鐵控制在8%以內。這是未來的發(fā)展趨勢和努力方向。

3 結語

我國銅冶煉工業(yè)在技術和裝備領域不斷取得創(chuàng)新和發(fā)展，基本代表了世界銅冶煉技術和裝備的發(fā)展趨勢。同時，實施銅冶煉技術創(chuàng)新仍然銅冶煉企業(yè)謀求效益提升的主要手段。實施走出去戰(zhàn)略是我國銅冶煉工業(yè)進一步發(fā)展的必由之路，銅冶煉企業(yè)及裝備與設計單位應提前布局謀劃。國內企業(yè)應聯(lián)合起來，以國家“一帶一路”戰(zhàn)略為依托實施走出去，將中國的工藝、裝備與當?shù)刭Y源有機結合起來，實現(xiàn)共同發(fā)展。