粗銅富氧火法熔煉工藝技術(shù)研究

包洪光, 吳曉松, 楊 強(qiáng)

(長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

銅冶煉工藝主要有火法和濕法兩種。近半個(gè)世紀(jì)以來，銅熔煉技術(shù)的變革是銅火法冶金領(lǐng)域發(fā)展中最活躍的部分。目前，世界原生銅產(chǎn)量的約85%是由火法工藝冶煉所得?；鸱掋~工藝又分為傳統(tǒng)冶煉工藝和現(xiàn)代冶煉工藝。傳統(tǒng)冶煉工藝包括鼓風(fēng)爐、反射爐、電爐工藝，其產(chǎn)量占總產(chǎn)量的1/3左右。該類工藝具有流程簡(jiǎn)短、工藝成熟、原料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，銅的回收率可達(dá)95%以上，但也存在熱效率低、能耗高、硫利用率低、環(huán)保差、裝備自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)效率低下等缺點(diǎn)。隨著國(guó)家節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)要求不斷提高，該類工藝目前已逐步被淘汰。

現(xiàn)代冶煉工藝根據(jù)反應(yīng)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(chǎn)的銅產(chǎn)量約各占總產(chǎn)量的1/3，其突出特點(diǎn)是由于廣泛使用氧氣和富氧，使得冶煉過程得到了強(qiáng)化。

1 閃速熔煉特點(diǎn)分析[1]

閃速熔煉工藝：按照熔煉設(shè)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(yè)自主研發(fā)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(chǎn)中占據(jù)主導(dǎo)地位，懸浮噴嘴熔煉工藝在我國(guó)的銅廠逐步得到應(yīng)用。

閃速熔煉工藝因后續(xù)吹煉工藝不同又可細(xì)分為：閃速熔煉—PS轉(zhuǎn)爐吹煉工藝和閃速熔煉—閃速吹煉工藝(“雙閃”)。前者已在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用多年，技術(shù)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(yáng)谷祥光銅業(yè)有限公司、銅陵有色金冠銅業(yè)分公司和廣西金川有色金屬有限公司、中鋁東南銅業(yè)有限公司。

閃速熔煉工藝的特點(diǎn)分別簡(jiǎn)述如下：

1.1 閃速熔煉—PS轉(zhuǎn)爐吹煉工藝

①采用富氧自熱熔煉，強(qiáng)度高，燃料消耗低，煙氣量小，SO2濃度高；

②技術(shù)成熟可靠，自動(dòng)化水平高；

③環(huán)境保護(hù)及勞動(dòng)條件好，擴(kuò)產(chǎn)潛能大；

④對(duì)物料的要求較高，原料需深度干燥，原料準(zhǔn)備投資較大；

⑤煙塵率較高，渣含銅高，熔煉渣需要進(jìn)行貧化處理才能作為棄渣。

采用轉(zhuǎn)爐吹煉具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)雜質(zhì)脫除能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但也因其間斷操作導(dǎo)致煙氣波動(dòng)量大、爐口漏風(fēng)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(chǎn)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(guó)肯尼科特公司共同開發(fā)，于1995年首次在肯尼科特銅冶煉廠應(yīng)用，十多年后在我國(guó)建成世界第二套系統(tǒng)，此后分別在我國(guó)國(guó)內(nèi)又先后建設(shè)了3套系統(tǒng)，還有1套正在建設(shè)中。其工藝主要特點(diǎn)是：

① 熔煉強(qiáng)度大，因吹煉過程連續(xù)操作，使得煙氣量小、SO2濃度高且穩(wěn)定；

②因爐體密閉而消除了SO2低空污染，爐子在線作業(yè)率高等。

“雙閃”工藝主要的缺點(diǎn)是：

①必須將熔煉產(chǎn)出的冰銅水淬冷卻后再度磨細(xì)并干燥，使得冰銅顯熱不能利用，導(dǎo)致能耗增加；

②閃速吹煉爐對(duì)原料中雜質(zhì)含量的要求比較高，如果原料含雜質(zhì)較高且原料成分波動(dòng)較大，吹煉過程對(duì)雜質(zhì)的脫除將會(huì)不徹底，導(dǎo)致吹煉操作困難及后端工序操作復(fù)雜。

祥光銅業(yè)自主研發(fā)的懸浮噴嘴閃速熔煉工藝是在原奧圖泰雙閃工藝的基礎(chǔ)上對(duì)爐子噴嘴進(jìn)行了革命性的改變，該噴嘴結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，操控性相對(duì)簡(jiǎn)單。

2 熔池熔煉特點(diǎn)分析

熔池熔煉工藝根據(jù)送風(fēng)方式可分為側(cè)吹、底吹和頂吹。側(cè)吹有諾蘭達(dá)法、埃爾-特尼恩特轉(zhuǎn)爐法、富氧側(cè)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(zhuǎn)爐法(TBRC法)、艾薩熔煉法和澳斯麥特法等工藝。這些工藝在國(guó)內(nèi)外均有應(yīng)用，特別是富氧側(cè)吹熔煉法、艾薩熔煉法、澳斯麥特法和水口山法應(yīng)用較多。

以下為幾種最具有代表性的現(xiàn)代銅冶煉工藝，其特點(diǎn)分別簡(jiǎn)述如下：

2.1 諾蘭達(dá)法[2]

諾蘭達(dá)法于1967年在加拿大首次獲得專利，是歷經(jīng)30余年發(fā)展起來的自熱熔煉技術(shù)。該法日處理精礦可達(dá)2 000 t以上，且對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)，既可處理高硫銅精礦，也可處理低硫含銅物料。同時(shí)具有高的爐床處理能力，流程簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的備料過程，爐料不需要深度干燥，操作簡(jiǎn)單，容易掌握。諾蘭達(dá)法的缺點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度很大、冒煙且有灰塵、噪聲較大、操作條件不好、冶煉環(huán)境較差，未廣泛應(yīng)用。我國(guó)某冶煉廠的諾蘭達(dá)煉銅工藝已經(jīng)被澳斯麥特?zé)掋~工藝取代。

2.2 三菱連續(xù)煉銅法[3]

三菱連續(xù)煉銅法由日本三菱金屬公司于20世紀(jì)60年代開發(fā)，于1974年在直島冶煉廠的一臺(tái)舊反射爐基礎(chǔ)上建立的一套月產(chǎn)粗銅4 000 t的三菱法工業(yè)設(shè)備。1991年直島冶煉廠完成技術(shù)改造，生產(chǎn)能力達(dá)到年產(chǎn)銅23萬(wàn)t。三菱法的技術(shù)關(guān)鍵是逐漸提高噴槍鼓風(fēng)中的富氧濃度，使熔煉過程達(dá)到自熱的程度，并且應(yīng)用更有效的冷卻方式，進(jìn)一步提高了爐子的使用壽命。該法的特點(diǎn)是投資相對(duì)較低，操作簡(jiǎn)單，無出渣出銅操作，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。其缺點(diǎn)是：4個(gè)爐子(熔煉爐、貧化電爐、吹煉爐、陽(yáng)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(dá)0.6%～0.7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國(guó)多數(shù)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(tǒng)控制要求非常嚴(yán)格，只要某一個(gè)環(huán)節(jié)出問題就無法正常生產(chǎn)。

2.3 氧氣底吹煉銅法[4]

氧氣底吹煉銅法在國(guó)內(nèi)的首次大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用是2008年投產(chǎn)的東營(yíng)方圓有色10萬(wàn)t/a粗銅冶煉廠。其原理是：爐料直接加入爐內(nèi)激烈運(yùn)動(dòng)著的氣—液—固三相高溫“乳化液”中，很快被吞沒熔化，并迅速進(jìn)行氧化還原、造渣與造锍反應(yīng)，冰銅與渣的微粒相互碰撞分別進(jìn)入渣相與冰銅相。與傳統(tǒng)煉銅工藝相比，該工藝具有富氧熔池熔煉的特點(diǎn)，即具有熔煉強(qiáng)度高、煙塵率低、自熱熔煉程度高、能耗相對(duì)低等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)已投產(chǎn)項(xiàng)目的生產(chǎn)實(shí)例，該工藝存在渣含銅高、陽(yáng)極板雜質(zhì)含量高導(dǎo)致電解電流效率低、環(huán)保較差等缺點(diǎn)。

①底吹爐渣含銅高，為3%～4%。

②單臺(tái)底吹爐處理能力有限，生產(chǎn)規(guī)模受到限制。目前單臺(tái)爐的實(shí)際生產(chǎn)能力最大30萬(wàn)t/a(中原黃金)。而且隨著爐子直徑的加大，爐子長(zhǎng)徑比變化，將進(jìn)一步影響渣含銅量。

③陽(yáng)極板雜質(zhì)含量高，電流效率低。由生產(chǎn)實(shí)踐反饋的問題可知，采用氧氣底吹煉銅工藝，其后續(xù)工段產(chǎn)出的陽(yáng)極板雜質(zhì)含量高，導(dǎo)致銅電解過程電流效率低，陰極銅雜質(zhì)含量高。

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的工藝有：底吹熔煉+轉(zhuǎn)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(guó)內(nèi)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(jié)構(gòu)上有差異。這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是原料預(yù)處理比較簡(jiǎn)單，不需要深度干燥，對(duì)入爐物料的要求不太高，投資相對(duì)較低。其缺點(diǎn)是：煙塵率高，收塵、制酸系統(tǒng)會(huì)被煙塵燒結(jié)而堵塞；噴槍壽命短，平均5～7 d，需要更換與維護(hù)，生產(chǎn)成本提高；噴槍提升有復(fù)雜的機(jī)械裝置，增加了潛在的故障點(diǎn)以及維護(hù)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(fēng)機(jī)，動(dòng)力消耗大，總能耗高；需要大的銅、渣沉降分離設(shè)備和大吊車；環(huán)保效果差等。

中條山有色金屬公司侯馬冶煉廠是我國(guó)首家采用澳斯麥特?zé)掋~技術(shù)的工廠，工程投產(chǎn)初期存在爐體晃動(dòng)、耐火材料壽命短、渣含銅高等問題，經(jīng)過一段時(shí)間的摸索和改進(jìn)，能夠維持正常生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)還有云南銅業(yè)股份有限公司采用艾薩熔煉工藝，已穩(wěn)定運(yùn)行近20年。近年來該工藝沒有得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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

2.5 富氧側(cè)吹熔煉工藝[6]

側(cè)吹熔池熔煉工藝是在前蘇聯(lián)瓦紐科夫法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的富氧熔池熔煉工藝。

①原料適應(yīng)性強(qiáng)，備料簡(jiǎn)單，入爐物料水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%，可處理不大于50 mm的塊料。

②富氧空氣從側(cè)向鼓入熔池內(nèi)，熔體激烈攪動(dòng)、反應(yīng)強(qiáng)烈，富氧體積濃度高(含O2體積分?jǐn)?shù)為 40%～90%)，且氧利用率達(dá)體積分?jǐn)?shù)95%～100%，生產(chǎn)能力高，可以用較小尺寸的爐子得到高產(chǎn)能。

③熔池熔體上層翻動(dòng)，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(shí)，煙氣中含SO2濃度高，煙氣量小，因此，煙氣處理系統(tǒng)的投資和運(yùn)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(jià)格低廉，可降低能耗和生產(chǎn)運(yùn)行成本。

⑥操作方面：液相和爐渣可采用虹吸裝置連續(xù)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?jǐn)?shù)40%以上)鼓風(fēng)時(shí)風(fēng)口不需清理；在短期停爐時(shí)，不必將爐內(nèi)熔體全部放出就可停止鼓風(fēng)：采用專用的銅桿塞住風(fēng)口，防止熔體反灌堵塞風(fēng)口，可保持停爐狀態(tài)24 h以上。

⑦工藝技術(shù)先進(jìn)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該工藝是我國(guó)自行研發(fā)的銅熔煉技術(shù)，不必引進(jìn)技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，主要設(shè)備完全可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。

⑧建設(shè)投資較省，生產(chǎn)費(fèi)用低。該工藝流程短，配置簡(jiǎn)單，建設(shè)速度快，投資較省。

⑨具有良好的衛(wèi)生條件。富氧側(cè)吹熔煉爐爐體密封好，無煙氣外逸，操作環(huán)境好。

⑩操作簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高。富氧側(cè)吹熔煉爐操作和控制較為簡(jiǎn)單，生產(chǎn)過程可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在線控制。

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的代表工藝有側(cè)吹+轉(zhuǎn)爐吹煉，側(cè)吹+頂吹連續(xù)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(yīng)熱的能量，在自熱或接近自熱的條件下進(jìn)行熔煉，能耗低。

(2)采用富氧技術(shù)控制脫硫率，進(jìn)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(chǎn)品，環(huán)境條件好。

3 現(xiàn)代銅冶煉工藝技術(shù)對(duì)比[7]

能夠?qū)崿F(xiàn)單系列銅產(chǎn)能在30萬(wàn)t/a以上且綜合回收好、環(huán)保效果好的現(xiàn)代強(qiáng)化熔煉工藝近年來得到了快速?gòu)V泛應(yīng)用。這些工藝主要是：閃速煉銅技術(shù)、富氧頂吹熔煉(ISA)技術(shù)、富氧側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)、底吹熔煉技術(shù)。

閃速熔煉的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在熔煉單系列產(chǎn)能可達(dá)40萬(wàn)t/a，具有規(guī)模效益，劣勢(shì)在于：工程費(fèi)用比熔池熔煉高出約20%，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益；國(guó)內(nèi)已建成若干個(gè)40萬(wàn)t/a閃速煉銅項(xiàng)目，但都是采用引進(jìn)技術(shù)，不具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。ISA熔煉工藝是發(fā)展較為成熟的技術(shù)，但需要配置電爐進(jìn)行渣銅分離，能耗相對(duì)于側(cè)吹工藝和底吹工藝要高。底吹熔煉技術(shù)目前尚存在加料口粘接、噴槍壽命、環(huán)保煙氣量大等缺點(diǎn)亟待解決。

富氧側(cè)吹熔煉工藝也存在加料口噴濺、一次風(fēng)眼易堵塞等問題，但是該工藝富氧濃度更高、煙氣量小、生產(chǎn)連續(xù)性好、經(jīng)濟(jì)效益好、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、技術(shù)創(chuàng)新性高的諸多優(yōu)點(diǎn)近年來得到了行業(yè)內(nèi)越來越多專家和企業(yè)的認(rèn)可，開始廣泛應(yīng)用于大規(guī)模冶煉生產(chǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

冶煉工藝選擇的重點(diǎn)在于建設(shè)規(guī)模、工藝成熟度與創(chuàng)新性、原料適應(yīng)性、環(huán)保節(jié)能、綜合回收、生產(chǎn)連續(xù)性、經(jīng)濟(jì)效益等，還應(yīng)考慮充分發(fā)揮公司的技術(shù)和人才優(yōu)勢(shì)，使工程能夠順利建成投產(chǎn)，迅速達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，并具備較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。從當(dāng)前銅冶煉技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況來看，銅冶煉行業(yè)的發(fā)展應(yīng)該向以下方面發(fā)展：

(1)生產(chǎn)規(guī)模趨于大型化，設(shè)備同步向大型化、連續(xù)化、機(jī)械化和自動(dòng)化發(fā)展；

(2)冶煉技術(shù)趨向強(qiáng)化冶煉過程，應(yīng)用富氧以提高熔煉強(qiáng)度，降低煙氣含硫濃度，提高熱利用率；

(3)隨著資源匱乏和環(huán)保要求更趨嚴(yán)格，資源綜合利用好、環(huán)保效果好的冶煉技術(shù)應(yīng)更受關(guān)注。