铜冶炼工艺与冶金炉综述

王树清

(金川镍钴研究设计院，甘肃 金昌 737100)

铜冶炼工艺与冶金炉综述

王树清

(金川镍钴研究设计院，甘肃 金昌 737100)

从铜原料、炼铜工艺、炼铜冶金炉等方面进行了总结，指出了闪速炉技术、顶吹炉技术和底吹炉技术为当今世界上流行的三大铜冶炼技术。

铜冶金原料；熔炼；吹炼；冶金炉

1 铜冶金原料

人类从自然界中发现了200多种含铜矿物，除少量的自然铜以外，主要是原生硫化铜矿物和次生氧化铜矿物，常见的具有开采价值的铜矿物见表1。

表1 重要的铜矿物

硫化铜矿中常见的伴生金属矿物主要是黄铁矿、镍黄铁矿、闪锌矿、方铅矿等，氧化铜矿中常见的伴生金属矿物主要是褐铁矿、赤铁矿、菱铁矿等，铜矿中常见的伴生脉石矿物主要是石英石、石灰石、方解石等。

铜冶金原料主要包括硫化铜矿、氧化铜矿、硫化铜精矿、再生铜等。从矿源讲，目前世界上精铜的80%～90%产自硫化铜矿、10%～20%产自氧化铜矿。

2 铜冶金方法

铜的冶金方法概括起来可以分为火法炼铜和湿法炼铜(包括生物炼铜)。铜冶金工厂一般采用“组合”方法进行铜的富集分离提纯。

不同的铜原料所采取的冶金方法是不同的。高品位硫化铜矿与硫化铜精矿采用造锍熔炼为主，低品位硫化铜矿采用湿法方法，氧化铜矿采用还原造锍熔炼或湿法方法，再生铜主要采用火法处理。图1为铜冶金的原则流程。

图1 铜冶金原则流程

3 铜火法冶金工艺与冶金炉介绍

目前全球约有110个铜冶炼厂，绝大部分采用火法炼铜工艺。火法炼铜包括造锍熔炼、铜锍吹炼、粗铜精炼等过程。造锍熔炼分传统造锍熔炼和强化造锍熔炼两类，强化造锍熔炼又分为闪速熔炼和熔池熔炼。

传统造锍熔炼都有共同的不足之处：未能充分地利用精矿的巨大比表面积和硫化物的氧化反应放热。将富氧技术用于炼铜是铜冶炼工业的重大革命，强化造锍熔炼都使用了富氧技术。

闪速熔炼是使精矿粉粒悬浮在富氧风中被氧化，在2～3 s内完成炉料的分解、氧化和熔化等过程，进而落到沉淀池中汇集，继续完成炉渣和冰铜的最终形成过程。

熔池熔炼是向炉内熔体吹入富氧风使加入的物料在熔池中被气体湍流包裹、搅动，完成快速的传热传质和激烈的物理化学反应过程。也就是使精矿在熔池中同时进行加热、熔化、氧化、造渣和产品聚集。

传统造锍熔炼的设备有鼓风炉、反射炉、电炉；闪速熔炼有奥托昆普闪速炉、因科闪速炉、金川合成炉；熔池熔炼有自热熔炼炉、诺兰达炉、特尼恩特炉、三菱炉、艾萨炉、奥斯麦特炉、瓦纽柯夫炉、白银炉、底吹炉(水口山炉)。

铜锍吹炼有P- S转炉、三菱炉、奥斯麦特炉、奥托昆普闪速炉、底吹炉。目前仍以P- S转炉为主，但有向奥托昆普闪速炉和底吹炉倾斜的趋势。

下面分别简单介绍闪速熔炼和熔池熔炼方面的情况。

3.1 奥托昆普闪速炉

1949年第一座奥托昆普闪速炉诞生，截止1999年全球27个国家共建奥托昆普闪速炉49座，其中41座炼铜、7座炼镍、1座炼铁。

奥托昆普闪速熔炼是将经过深度干燥至含水小于0.3%、-200目大于80%的精矿利用特殊的精矿喷嘴与富氧风强混合后，以60～120 m/s的速度从反应塔顶喷入1 450～1 550 ℃的反应塔内处于悬浮状态，在2～3 s内基本完成硫化物的加热、分解、氧化、熔化、造渣等物理化学过程，熔融的锍、渣及未反应的物料落入沉淀池内继续反应并完成渣锍分离，炉渣进入电炉贫化或选矿或直接选矿回收含铜硫化物，锍进入下一道工序——吹炼，含尘烟气通过沉淀池炉膛、上升烟道进入余热锅炉回收热量后再经电收尘器捕集烟尘净化送入制酸系统生产硫酸。

高投料量、高锍品位、高富氧浓度、高热强度等“四高”技术是奥托昆普闪速熔炼技术发展的总趋势。奥托昆普闪速炉示意图见图2。

图2 奥托昆普闪速炉示意

3.2 因科闪速炉

1953年第一座因科闪速炉诞生，截止1999年全球共建炼铜因科闪速炉7座。因科闪速熔炼与奥托昆普闪速熔炼的最大区别是精矿、富氧风从炉子的端部以40 m/s的速度喷入1 250 ℃的炉内的。因科闪速炉示意图见图3。

图3 因科闪速炉示意图

3.3 金川合成炉

2005年建成投产的金川合成炉是在借鉴金川镍闪速炉的基础上发展用于炼铜的，金川合成炉与传统奥托昆普闪速炉的最大区别是将传统奥托昆闪速熔炼炉与炉渣贫化电炉“合成”后，使精矿熔炼与炉渣贫化在一个炉内完成。金川合成炉示意图见图4。

图4 金川合成炉示意图

3.4 自热熔炼炉

自热熔炼炉即为氧气顶吹熔炼炉，1986年北镍公司建成投产处理硫化镍铜矿石，1994年金川建成自热熔炼炉投产处理二次铜精矿。

自热熔炼炉示意图见图5。

1.中心套管 2.氧气管 3.冷水进入套管 4.冷却水流出套管图5 自热熔炼炉示意图

3.5 诺兰达炉

1973年3月第一座诺兰达工业炉建成投产，由于炉寿命低和粗铜杂质含量高而改为产出冰铜，炉渣在渣包内冷却后进行选矿回收含铜硫化物。诺兰达炉示意图见图6。

图6 诺兰达炉示意图

3.6 智利特尼恩特炉

1977年第一座特尼恩特炉投产成功。特尼恩特炉示意图见图7。

图7 特尼恩特炉示意图

3.7 三菱炉

三菱法是日本发明的连续炼铜工艺，将熔炼、吹炼、炉渣电炉贫化三台炉子用溜槽连接，其中熔炼炉和吹炼炉均为三菱炉。1974年建成投产了第一座三菱法炼铜厂。三菱炉示意图见图8。

图8 三菱法工艺配置示意图

3.8 艾萨炉

艾萨熔炼法(ISASmelt)与澳斯麦特熔炼法(Ausmelt)统称为顶吹喷枪浸没熔炼，它是上个世纪70年代由澳大利亚的政府研究机构“联邦科学工业研究组织”(Commonwealth Scientific and lndustrial Research Organisation)矿业工程部伏罗伊德(J.M.Floyd)博士领导的研究小组研究开发的，曾以该组织的缩写CSIRO命名，称“赛洛”熔炼法(SiroSmelt)。

1983年第一座示范规模的铅ISA炉在Mount ISA投产，处理铅精矿5～10 t/h，随后该技术被用以处理铜精矿，1987年Mount ISA建立了铜精矿处理量10～20 t/h示范规模的铜ISA炉，1988年芒特艾萨注册了ISASmelt技术，1989年被CSIRO授予转让权，开始出售基于试验成功的“赛洛”熔炼技术，即我们目前习惯称之为的艾萨熔炼法。艾萨炉示意图见图9。

1.炉顶 2.加料装置 3.隔墙 4.上升烟道 5.水套 6.风口 7.带溢流口的渣虹吸 8.渣虹吸临界放出口 9.熔体快速放出口 10.水冷区底部端墙 11.炉缸 12.带溢流口的铜镜虹吸 13.铜镜虹吸临界放出口 14.余热锅炉 15.二次燃烧室 16.二次燃烧风口图11 瓦纽柯夫炉示意图

图9 艾萨炉示意图

3.9 奥斯麦特炉

在1980年,“赛洛”熔炼研究工作的鼻祖Floyd博士离开原来的研究小组并建立了奥斯麦特公司，在已经获得专利的Sirosmelt喷枪的基础上,继续进行一系列的应用研究,并与CSIRO就该技术的所有权重新谈判,最终申请取得执照权被称之为奥斯麦特熔炼法。奥斯麦特炉示意图见图10。

图10 奥斯麦特炉示意图

3.10 瓦纽柯夫炉

瓦纽柯夫工业炉于1985年建成投产。瓦纽柯夫炉示意图见图11、图12。

1、2.烧嘴 3.加料口 4.烟道 5.虹吸口 6.隔墙 7.风口图12 哈萨克斯坦共和国Banxaiu的改良瓦纽柯夫- 巴古特炉示意图

3.11 白银炉

白银炼铜法于1972年开始研究，1980年白银炉取代反射炉，1985年进行双室白银炉试验，1987年使用富氧风。

白银炉示意图见图13、图14、图15。

1.燃烧孔 2.沉淀区直升烟道 3.中部燃烧孔 4.加料孔 5.熔炼区直升烟道 6.隔墙 7.风口 8.渣线水套 9.风口水套 10.渣口 11.铜镜口 12.内虹吸池 13.转炉渣返入口图15 双室白银炉示意图

1、2.烧嘴 3.加料口 4.烟道 5.虹吸口 6.隔墙 7.风口图13 白银炉示意图

1.燃烧孔 2.渣口 3.隔墙 4.中部燃烧孔 5.加料孔 6.铜镜口 7.转炉渣返入图14 单室白银炉示意图

3.12 底吹炉(水口山炉)

底吹炉(水口山炉)炼铜法是由水口山炼铅法扩展而来的，1994年取得中国专利权并命名为水口山炼铜法，近几年得到了迅速发展，称之为底吹炉炼铜法。底吹炉(水口山炉)示意图见图16。

图16 底吹炉(水口山炉)示意图

4 铜熔炼炉相关情况对比

铜熔炼炉的相关情况对比分别见表2、表3、表4。

表2 铜熔炼炉对比

5 结语

通过以上综合对比，目前世界上最先进的火法炼铜工艺形成了三大主流：

一是以奥托昆普闪速炉为代表的闪速熔炼技术，其中又形成了三个分支：(1)传统奥托昆普闪速炉熔炼，显著的特点是工艺成熟；(2)“双闪”工艺，显著的特点是清洁环保；(3)金川合成炉，显著的特点是直收率高，能耗更低、原料适应性较强。

二是以艾萨和奥斯麦特为代表的艾萨炉熔炼技术，显著的特点是原料不需深度干燥故原料适应性强。

三是底吹熔炼与底吹吹炼技术，显著的特点是原料不需深度干燥且可以实现熔炼与吹炼“热连接”。

表3 铜熔炼炉对比

表4 铜熔炼炉对比

The Review of Copper Pyro-metallurgical Processes and Smelting Furnaces

WANG Shu-qing

This paper presents a review for the development of copper pyro-metallurgical processes, furnaces and raw material. The key processes of copper pyro-metallurgy are flash smelting, TSL and bottom blowing copper smelting.

copper smelting raw material； smelting process； converting process； smelting furnace

2015-01-26

王树清(1964-)，男，湖南双峰人，高级工程师，大学本科，主要从事有色冶金专业技术工作。

TF821

B

1003-8884(2015)04-0004-07