閃速爐一步煉銅技術介紹及適應性分析

楊慧蘭，胡青，何峰

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

對于一個銅冶煉廠而言，冶煉工藝的選擇是影響該廠長遠生存能力和盈利能力的根本。依據不同的規(guī)模、不同的精礦成分和不同的外部建設條件，最終選擇的最佳冶煉工藝也不盡相同。隨著中國企業(yè)在非洲等地的世界級礦山陸續(xù)投產，中國企業(yè)如何根據當?shù)氐木V特性及實際情況，選擇合適的冶金技術，對礦業(yè)公司具有重要意義。

閃速爐一步煉銅是將熔煉和吹煉過程集中在閃速爐內完成，一步生成粗銅。全球已有3座閃速一步煉銅工廠投入運行，充分體現(xiàn)了其獨特的工藝特點及高品位精礦的適應性。本文主要對閃速爐一步煉銅技術的運行實踐進行總結，對該技術在銅冶煉方面的技術特征、適應性及經濟性進行論證分析，以期為相關項目提供參考。

1 閃速爐一步煉銅技術的介紹

目前，已用于工業(yè)生產的銅火法冶煉的熔煉工藝有閃速爐熔煉、諾蘭達熔煉、奧斯麥特熔煉、艾薩熔煉、白銀法熔煉、底吹熔煉，以及傳統(tǒng)的鼓風爐熔煉、電爐熔煉、反射爐熔煉等。這些熔煉方法除后三種傳統(tǒng)方法環(huán)保難以達標外，其他幾種都是當今世界采用的較為先進的熔煉工藝。火法煉銅的吹煉工藝則主要有轉爐吹煉、閃速爐吹煉、奧斯麥特吹煉、艾薩吹煉、多槍頂吹吹煉、底吹熔煉等。通過熔煉和吹煉過程，銅精礦中的銅金屬被提取出來，生成粗銅，再進一步精煉。

常規(guī)煉銅技術的熔煉和吹煉過程是在不同的爐中分開進行的，造成硫的利用率低、熱量損失多、流程長、能耗高和SO2煙氣低空污染等問題。因此，一些學者提出將這些不同過程放在同一個設備內連續(xù)進行，即用硫化銅精礦直接冶煉成銅。這種在單一設備中進行的連續(xù)煉銅法稱一步煉銅。

閃速爐一步煉銅是目前已成功實踐的唯一一種一步煉銅技術。其工藝流程為：首先將銅精礦干燥，然后將干精礦、助熔劑和富氧空氣送入閃速熔煉爐。在閃速爐的反應塔中，精礦顆粒被迅速點燃并與富氧空氣中的氧發(fā)生反應，經一系列反應形成爐渣、粗銅和富含SO2的煙氣。爐渣和粗銅在閃速爐的沉淀池內由于比重差異實現(xiàn)分層，上層的爐渣進入渣貧化爐，回收渣中的銅，下層的粗銅從閃速爐的沉淀池排出并運送到陽極爐中精煉成陽極銅。夾帶了煙塵的煙氣則從閃速爐的上升煙道排出，通過余熱鍋爐回收其中的熱量。煙塵部分在余熱鍋爐中得以回收，部分通過靜電除塵器捕集，再送入硫酸廠進行進一步凈化，煙氣中的SO2作為制硫酸的原料得以回收。閃速爐一步煉銅工藝示意見圖1。

圖1 閃速爐一步煉銅工藝示意

閃速爐一步煉銅的主要優(yōu)點[1]有：1）將SO2排放分離成單一、連續(xù)、高濃度的氣流，可以更好地收集起來用于生產硫酸；2）能源消耗??；3）資本和運營成本低。

但一步煉銅工藝也有很明顯的缺點，主要是直收率低。一步煉銅爐中約有25%的銅會溶解在爐渣中，與傳統(tǒng)的“熔煉+吹煉”工藝相比，溶解在渣中的Cu質量分數(shù)過高，回收該部分銅的成本會比較高。尤其是對于低品位銅精礦，生產噸銅產生的爐渣量更大，回收渣中銅的成本也會更高。

2 閃速爐一步煉銅的運行實踐

閃速爐一步煉銅工藝最早于1978年在波蘭銅業(yè)集團公司Glogow第二冶煉廠投入工業(yè)化生產，銅生產能力達200 kt/a。第二家實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模應用的是澳大利亞Olympic Dam冶煉廠。該廠1988年投產時銅產能為55 kt/a，后擴大到85 kt/a；新廠于1999年建成投產，銅產能達200 kt/a。2008年，KCM在贊比亞Chingola冶煉廠的閃速爐一步煉銅工藝投產，生產規(guī)模為300 kt/a。2015年，波蘭銅業(yè)Glogow第一冶煉廠投料，銅產能約為300 kt/a。這幾個冶煉廠成功運轉至今，說明閃速爐一步煉銅工藝技術是成熟可靠、有競爭力的。表1和表2分別為上述一步煉銅廠精礦成分及閃速爐渣組成。

表1 各一步煉銅廠的精礦成分

表2 各一步煉銅廠的閃速爐渣組成

從表1、表2可以看出，由于銅精礦成分迥異，各工廠采用的渣型也不同，但其根本目的都是降低渣熔點、提高流動性。例如，波蘭銅業(yè)Glogow冶煉廠精礦中含鐵低而脈石成分高，故熔煉時不添加熔劑或只加少量CaO，從而形成低鐵的鐵硅鈣三元渣。Olympic Dam冶煉廠精礦的鐵含量高，為了減少渣量，采用鐵硅渣并選擇高鐵硅比操作。而Chingola冶煉廠精礦含鐵量處于其他兩個冶煉廠之間，SiO2和MgO含量相對較高，為了降低渣相溫度，該廠加入了一定量的氧化鈣造鐵硅鈣三元渣。

這些成功運行的工廠案例也說明，閃速爐一步煉銅對于這些渣型都是適應的。

但是閃速爐一步煉銅采用高氧勢操作，導致爐渣含銅高，降低了銅的直收率，需要對爐渣中的銅進行回收。閃速一步煉銅爐渣中的銅主要以氧化亞銅形態(tài)存在，因此直接采用渣選礦并不能保證銅的回收率。幾座一步煉銅工廠都采用電爐作為貧化手段[2]。電爐采用強還原氣氛，將渣中的氧化亞銅還原并與渣分離后得以回收，根據渣中回收元素及目標尾渣含銅的需求，可選擇產品為粗銅或者銅合金。表3為幾個冶煉廠的電爐技術參數(shù)對比。

表3 各冶煉廠電爐技術參數(shù)對比

由表3可以看出，波蘭銅業(yè)Glogow冶煉廠采用一臺電爐將渣中銅質量分數(shù)從13.18%直接降低0.60%，產品是銅鉛鐵合金，含Pb的原因是其精礦中較高的Pb含量。Olympic Dam冶煉廠采用1臺電爐將渣中銅質量分數(shù)從24.00%降低至4.00%，產出粗銅，電爐渣再進行渣選礦，以避免精礦中的鈾在電爐中還原出來。KCM Chingola冶煉廠采用的是兩段電爐貧化，第1臺電爐控制渣中銅質量分數(shù)為2.50%～4.00%，產出粗銅，第2臺電爐控制渣中銅質量分數(shù)為0.50%～0.60%，產出銅鈷合金，兩段貧化使得精礦中伴生的鈷在合金相的濃度盡可能提高。

3 閃速爐一步煉銅工藝的特點

根據上述各閃速爐一步煉銅工廠的相關生產數(shù)據進行分析可以發(fā)現(xiàn)，閃速爐一步煉銅工藝具有以下特點。

1）流程短、煙氣量少、煙氣中SO2濃度高且連續(xù)排放，能節(jié)省熔煉工段和制酸的投資及運行成本。

2）熔煉過程產生的渣量少，直收率高。波蘭銅業(yè)Glogow冶煉廠雖然銅精礦銅品位為27%，但由于精礦中Fe含量較低，熔煉時可不加入熔劑，其渣量較低；而Olympic Dam和KCM Chingola處理的精礦銅品位都超過35%，渣量也較少。

3）銅精礦類型適應性強。20世紀60年代，對黃銅礦精礦和富輝銅礦—斑銅礦精礦進行的試驗研究結果表明，所有銅精礦類型在冶金技術上都可以在閃速爐中直接冶煉生成粗銅。但隨著精礦的品位降低，渣量也會增大，從爐渣中回收銅的處理成本也會隨之增加。實踐表明，產生渣量少的精礦，如高品位的低鐵輝銅礦和斑銅礦采用閃速一步煉銅工藝是一種經濟可行的選擇。而對于銅品位較低的高鐵黃銅礦，采用閃速爐一步煉銅工藝進行冶煉，產生的熔煉渣量大，回收渣中銅的成本高，限制了該工藝的應用。因此，從經濟可行性角度出發(fā)，不推薦使用閃速爐一步煉銅工藝使用低品位銅精礦。由此可以判斷，精礦成分是閃速爐一步煉銅經濟可行性的決定因素。

4 精礦成分對工藝經濟性影響分析

如前所述，精礦成分對閃速爐一步煉銅的加工成本影響較大。下面以某項目為例，根據其外部參數(shù)對采用一步煉銅工藝方案冶煉不同成分銅精礦的可比成本進行計算。表4為不同品位的銅精礦成分。

表4 不同品位銅精礦成分分析

由表4可以看出，精礦1的銅品位最高，精礦2次之并依次降低，隨著銅品位的降低，精礦中鐵和硫的含量增加。

采用METSIM軟件對各方案的銅精礦一步煉銅進行工藝計算[3]，得出噸銅消耗及產出情況見表5。

表5 不同品位精礦的噸銅消耗及產出

由表5可知，隨著銅品位降低、硫鐵品位增加，噸銅燃料消耗減少，噸銅氧氣消耗量、渣量及硫酸量增加；但熔劑消耗量的影響因素較多，不呈規(guī)律變化。精礦1～4由于鐵硅比較低，需加入鈣熔劑造鈣鐵硅三元渣，而精礦5是加入硅熔劑造鐵硅渣。

表6為不同精礦方案采用一步煉銅工藝時的可比成本情況。

表6 精礦方案采用一步煉銅工藝時的可比成本

圖2為不同精礦品位對應的閃速爐一步煉銅可比成本。其中渣貧化處理的消耗包括電爐焦炭和電爐電耗。

圖2 不同精礦銅品位對應的閃速爐一步煉銅可比成本

精礦中Cu、Fe、S含量對加工成本的具體影響情況如下。

1）Cu品位對加工成本的具體影響。（1）在可比成本中，渣貧化處理占比最大，隨著精礦銅品位降低，渣量增大，導致從渣中回收銅的成本增加，說明精礦銅品位是影響總可比成本的主要因素。（2）噸銅總可比成本會隨精礦銅品位的降低而增加。當精礦銅品位從64%下降到47%時，品位每降低1%，對應噸銅總可比成本增加0.8美元/t；當精礦銅品位從47%下降到37%時，品位每降低1%，對應噸銅總可比成本增加4.3美元/t；當精礦銅品位從37%下降到28%時，品位每降低1%，對應噸銅總可比成本增加12.8美元/t。（3）氧氣消耗隨銅品位降低而增加。與渣貧化處理一樣，當銅品位小于45%時，氧氣消耗增加得更為明顯?？偪杀瘸杀沮厔菖c這兩者基本一致。

2）S含量對加工成本影響。精礦S含量對加工成本影響也較大，其影響主要體現(xiàn)在燃料消耗上。隨著Cu品位降低，精礦中S含量增加，一方面增加了氧氣消耗，另一方面也提供了熱量，降低了燃料消耗。當Cu品位降至37%，S質量分數(shù)大于22%時，閃速一步煉銅基本實現(xiàn)自熱熔煉，若精礦含S更高，則可能出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

3）Fe含量對加工成本的影響。精礦中Fe含量對加工成本的影響主要體現(xiàn)在渣型選擇和熔劑消耗上。但從分析的幾種精礦來看，熔劑消耗占成本比例相對較低。

5 結論

1）閃速爐一步煉銅工藝由于其流程短，煙氣量少、煙氣中SO2濃度高且連續(xù)排放，節(jié)省了熔煉工段和制酸的投資及運行成本，對于產生渣量少的精礦是一種有競爭力的工藝技術。

2）對于高品位的銅精礦，從技術和經濟上都適宜采用一步煉銅技術，而對于低品位銅精礦，由于渣量大，從爐渣中回收銅的處理成本高。因此，精礦成分是閃速爐一步煉銅經濟可行性的決定因素。

3）通過對不同成分精礦的可比成本進行分析，高品位銅精礦閃速爐一步煉銅的成本比低品位精礦具有顯著優(yōu)勢。隨著精礦Cu品位降低，精礦含硫增加，盡管燃料消耗減少明顯，但渣貧化處理成本顯著增加，尤其當銅精礦品位降至40%以下時，總的可比成本大幅增加，因此從技術經濟角度看，Cu品位大于40%，S質量分數(shù)大于13%而小于22%的精礦適合采用閃速爐一步煉銅。對于Cu品位小于40%的銅精礦，需根據實際情況進一步分析比選。