双顶吹铜冶炼技术的创新与发展

顾鹤林， 杨建中， 蔡 兵

(云南锡业股份有限公司铜业分公司， 云南 个旧 661000)

铜冶炼

双顶吹铜冶炼技术的创新与发展

顾鹤林， 杨建中， 蔡 兵

(云南锡业股份有限公司铜业分公司， 云南 个旧 661000)

阐述了双顶吹铜冶炼技术的创新发展，通过集成创新、消化吸收再创新、自主创新，提高了工艺技术指标，节能减排、综合回收效果显著。本文简述了双顶吹铜冶炼工艺技术创新取得的成果。

铜冶炼； 顶吹； 创新； 发展

0 前言

云锡铜项目于2010年1月开工建设，2012年3月投料带负荷试车，2013年6月主生产工艺流程实现达产达标[1-2]。该项目集成了澳大利亚、芬兰、美国、英国、德国、加拿大等多个国家的先进技术，是集成与创新相结合的典范项目。项目采用世界先进的澳斯麦特炼铜技术及不锈钢永久阴极铜电解精炼技术，工艺流程为顶吹熔炼- 顶吹吹炼- 阳极炉精炼- 不锈钢阴极电解精炼；冶炼烟气采用“双转化，双吸收，尾气脱硫”制酸工艺；高温烟气通过余热锅炉产生饱和蒸汽全部引入余热发电站发电；污、废水经水处理站处理后，实现零排放；熔炼炉渣送渣选矿处理后产出合格渣铜精矿和铁精矿。公司在引进、消化、吸收“双顶吹”及“ISA”铜冶炼技术的基础上，结合生产实际不断创新、完善铜冶炼配套设施，稳定指标较好的渣选矿及阳极泥预处理生产，不断提高节能减排、综合回收能力，实现环境友好、安全、高效和资源综合利用的现代铜冶炼生产。

1 冶炼工艺创新概述

1.1 工艺技术集成创新

1.1.1 主工艺流程与关键技术的先进性

采用两座澳斯麦特顶吹炉，一座用于硫化铜精矿的富氧顶吹熔炼，产出冰铜和炉渣；另一座用于冰铜的富氧顶吹吹炼，产出合格粗铜。熔炼产出的冰铜水淬，自然脱水后进入吹炼工艺，不需要磨矿或干燥，避免了熔炼炉和吹炼炉在生产过程中由于热物料倒运相互影响，有效地提高了两座顶吹炉的作业率。熔炼炉作业率达到90%以上，吹炼炉作业率达到95%以上。同时，按照吹炼炉的工艺控制要求，完全达到自热吹炼的目的。生产实践表明，“双顶吹”铜冶炼工艺具有较强的先进性、实用性。

双顶吹铜冶炼工艺对入炉物料有较强的适应性(见表1)，可完成高杂质、低品位铜精矿的冶炼，产出含Cu 53%～57%的冰铜。

表1 熔炼入炉物料成分 %

双顶吹铜冶炼工艺对入炉物料有较强的脱杂能力。上述物料通过顶吹熔炼、吹炼后，可获得品质较好的粗铜，详见表2。

表2 吹炼产出粗铜成分 %

1.1.2 自动化控制系统集成应用

自动化控制是实现“双顶吹”炼铜工艺的一个重要环节。项目采用DCS控制系统和澳斯麦特公司的PCS控制系统，实现全方位自动控制和生产管理。其过程自控主要包括：熔、吹炉配料计算；熔、吹炉喷枪流体控制，熔、吹炉喷枪枪位自动跟踪与定位；熔、吹、电炉冷却水系统监控，熔、吹炉保温烧嘴流体控制；以及水、电、氧、气(汽)、煤和烟气制酸、脱硫等辅助生产工艺的过程控制。通过计算机、网络、通讯等技术手段把生产过程控制和生产管理有机整合一体，确保熔、吹炉冶炼工艺参数稳定、精确、可靠，为“双顶吹”炼铜创造安全、环保、科学的运行条件，实现了铜冶炼自动化，提高了劳动生产效率和产品质量，改善了劳动条件。

项目开发并应用了过程自动控制、在线监测与调控和全厂的生产工艺离散控制系统，实现了全程自动化。熔炼系统、吹炼系统、电炉沉降系统、阳极炉精炼系统、制酸系统、氧气站制氧系统、粉煤制备系统、余热发电系统、收尘系统和电解系统等，均采用自动化仪表与DCS系统和PCS系统相结合的方式，同时配套开发并应用了计算机自动控制和在线监控系统，实现了全过程自动化控制，主体生产工艺系统采用PCS自动控制，其余辅助生产的各单元采用DCS自动控制。开发应用了与本工艺相适应的工业自动化和信息化平台，实现了集数据采集、生产工艺在线、视频监控、消防、环保监控以及化验数据、生产数据管理和自动化网络办公为一体的信息化管理，真正实现了自动化、信息化和现代化管理的有机统一。

1.2 双顶吹技术消化吸收再创新

1.2.1 连续吹炼工业化应用

冰铜顶吹连续吹炼是逐步提高熔炼过剩系数、吹炼风、喷枪富氧率等参数，提高粗铜转化率，将更多的冰铜转化为粗铜，缩短造铜期时间至零[3]。

顶吹连续吹炼处理含Cu 60%左右的冰铜。 冰铜、添加剂、块煤连续不断地加入，通过喷枪注入氧气，同时定期排渣排铜。冰铜顶吹连续操作依赖于谨慎控制和掌握入炉风量，实现符合规格的粗铜稳定产出。随着熔炼过剩系数的不断提高，吹炼渣中含铜量呈上升趋势。造铜时间和渣含铜随熔炼过剩系数变化情况如图1所示。连续吹炼试验的经济技术指标如表3所示。

图1 造铜时间和渣含铜随熔炼过剩系数变化情况

表3 连续吹炼试验技术经济指标

1.2.2 优化工艺控制，提高顶吹炉耐火材料使用寿命

耐火材料使用寿命是冶炼工艺的基础，其影响作业率、作业成本等技术经济指标。云锡试生产期间，双顶吹炉耐火材料使用寿命与原设计大相径庭[4]。熔炼炉耐火材料设计使用寿命12个月，实际仅为5～7个月。吹炼炉耐火材料设计使用寿命6个月，实际达到12个月以上。根据两座炉子的耐火材料使用情况，结合相关冶炼厂的经验，云锡从工艺参数控制、操作技能、设施完善等方面进行技术攻关，取得了较好的效果。熔炼炉耐火材料使用寿命达到了12～18个月，吹炼炉耐火材料使用寿命达到了24个月以上。采取的主要措施有：

1.2.2.1 顶吹熔炼炉

(1)稳定进料率。炉顶定量给料机受料点改装1个均料仓，使定量给料机的给料量等于前端来料量，均料仓内始终积有少量物料，实现均匀给料，避免实时进料速率大幅波动，从而确保工况气氛稳定。

(2)更换耐火材料。实践证明镁铬砖用于熔炼炉效果不佳，更换改用铝铬尖晶石砖，该砖型抗热震性、耐剥蚀性优于镁铬砖。同时对其他辅助设施进行改进，确保铝铬尖晶石砖更适用于熔炼炉生产作业。

(3)严格控制熔体温度及渣型。熔炼过程温度控制在1 150～1 180 ℃，渣型控制Fe/SiO2=1.2～1.4，炉渣Fe3O4≤8%。

1.2.2.2 顶吹吹炼炉

(1)强化水套冷却。加强吹炼炉炉壳冷却水套水温监测，强化水套冷却，确保炉砖挂渣保护。

(2)控制渣型。吹炼过程渣型控制Fe/SiO2在1.4～1.7范围内，确保该渣型与奥镁砖较好的适应性，避免炉砖被渣侵蚀消耗。

(3)控制作业温度。吹炼C1阶段控制熔池温度在1 300 ℃左右，控制C2阶段熔池温度在1 270 ℃左右。两个阶段温度偏低，都将不利于生产作业的正常开展；而熔池温度偏高，将加速炉砖热侵蚀。

1.3 工艺技术自主创新

1.3.1 吹炼渣处理工艺

冰铜顶吹吹炼工艺采用富氧喷枪浸没式强氧化技术，吹炼渣含铜高，影响生产效益[5]，降低顶吹吹炼渣含铜为本项目的一个重点研究课题。从工艺运行看，降低渣含铜也是难度较大的技术课题。云锡顶吹吹炼炉降低渣含铜主要采用炉内直接还原的方法。渣含铜降低至12%～16%，铜直收率在85%以上。主要方法是：

(1)造渣期适当控制转化率。造渣阶段，将转化率比正常吹炼模式转化率降低5个百分点，避免冰铜过度转化成粗铜，甚至加速FeO过氧化。确保渣中含有少量FeS，控制FeO氧化率，降低渣的磁性强度，避免渣粘度偏高，确保渣良好的流动性，使渣中夹杂的铜便于沉降。

(2)造铜期结束后进行渣还原。造铜结束后，使用还原煤、冰铜对C2渣进行还原，调整好枪位、喷枪风量，保持熔池温度在1 270 ℃左右，利于C2渣中化学溶解的Cu2O及夹杂金属铜还原沉降，从而降低渣含铜。

(3)泡沫渣控制。生产实践表明，只要工艺配置合理，联锁控制得当，人员精心操作，泡沫炉渣是完全可以避免的。富氧顶吹吹炼设计能够确保所有入炉物料、气流和燃料连续、均匀和稳定地供给且准确计量，烟气在线分析等工艺配置合理完善；同时配置了强大的DCS控制系统，严格按照富氧顶吹熔炼工艺原理和要求编程，具有可靠的联锁和交互限制功能，可防止炉渣过氧化或燃料爆燃。

(4)改进放渣制度。铜锍顶吹浸没吹炼工艺的造渣期，铜锍中的FeS与鼓入空气中的氧发生强烈的氧化反应，生成FeO、SO2，FeO与造渣剂反应造渣定期排出水淬。在强大的反应和快速进料的条件下，顶吹吹炼排渣系统直接关系着炉子的产能。排渣能力小，炉内熔池上升过快，导致炉子震动；排渣能力过大，影响水淬效果。在顶吹吹炼炉体积小的情况下，合理的排渣方式尤为重要。

综合分析，需解决铜顶吹浸没吹炼炉渣排放时间过长的问题，消除铜口维修时必须停炉的缺陷，提高炉子正常作业时间。方案设计如图2。

1—吹炼炉；2—排渣口一；3—排渣口二图2 吹炼渣口与铜口设计方案示意图

该设计具有以下优点：

可将吹炼炉的排渣时间缩短50%以上，增加吹炼炉的有效作业时间，提高生产能力；

两个渣口有备用功能，维修时不需要完全停炉；

两个渣口的设置不影响吹炼炉的使用及炉衬的使用寿命；

有效利用顶吹吹炼炉的设施和空间，设置方便，效果好，无安全隐患。

1.3.2 回转式阳极炉直接处理固体物料

回转式阳极炉直接处理的固体物料包括外购粗铜锭、电解残极、黑铜板。采用该方法流程短，能耗低，炉子作业率高[6-8]。

在阳极炉待料期间，使用自动进料机将粗铜锭直接从炉口投入阳极炉内，适当提高富氧量与燃料比例至2.7∶1以上，加速固体物料的熔化，阳极炉熔化冷粗铜物料能力由原来的3.75 t/h提高到15 t/h。

电解残极根据粗铜还原起始温度调整，向阳极炉内内鼓入富余的氧，使铜水表面的还原剂充分燃烧，达到提高铜水温度的目的，确保还原结束铜水温度高于1 220 ℃。根据每加1 t电解残极板可降低粗铜温度3 ℃的原则，往回转式阳极炉内投计算的可加电解残极板的量。调整阳极铜浇铸温度，即达到熔化电解残极的目的，又满足工艺要求。

对于含砷等杂质较高的电解黑铜板，可在阳极炉浇铸完接收热粗铜前投进阳极炉。保持阳极炉正常的燃烧模式，即可实现黑铜板杂质快速脱除，确保阳极铜含杂达电解要求。

2 节能减排技术集成应用

2.1 油/天然气稀氧燃烧技术

引进稀氧燃烧技术替代常规的空气燃烧，利用烟气卷吸方式减少氧气燃烧，减少热点的产生，减少烟气量及带入的冷空气量，实现节能降耗60%，烟气排放量减少70%[9-10]，提高生产效率。该技术解决了常规燃烧煤气烧嘴易堵塞、煤气热值低、烟气量大、热量损失大及富氧燃烧易损坏炉子内衬等难题。通过技术创新，采用柴油/天然气双燃料烧嘴切换模式，既可采用柴油，也可使用天然气。双燃料燃烧切换模式，可保证能源供给的稳定性，确保生产的连续性和稳定性，冶炼作业完全不受能源供给的任何影响。图3为双燃料切换模式示意图。

1—烧嘴砖；2—燃料枪；3—富氧枪；4—探火器；5—燃烧火焰；6—总阀站图3 稀氧燃烧双燃料切换模式示意图

2.2 余热发电及凝结水回收技术

顶吹熔炼余热锅炉、顶吹吹炼余热锅炉、电炉热管余热锅炉、制酸热管锅炉产生的饱和蒸汽通过抽凝汽式发电机组进行余热发电。蒸汽经汽轮发电机做功后压力降低为0.6 MPa，一部分蒸汽由汽轮机的低压缸抽出，用于除氧器的加热及送至低压蒸汽管网供湿法冶金用汽。另一部分蒸汽由汽机排气口进入冷凝器冷凝，冷凝水供除氧器使用。

蒸汽凝结水回收利用包括换热器冷凝水、蒸汽管网疏水以及余热发电车间管网疏水及汽机本体疏水，回收疏水扩容器乏汽、除氧器乏汽；回收中压和低压余热锅炉连、定排水闪蒸汽等。该系统可以减少蒸汽泄漏并满足凝结水回收系统的运行要求；蒸汽管线疏水通过新增回水管网，将凝结水通过疏水阀背压回收新增的凝结水闪蒸系统，闪蒸汽用作除氧器加热蒸汽补充，闪蒸后凝结水用作除氧器补水。该系统凝结水回收能力为8～11 t/h，节约蒸汽0.60 t/h。

2.3 制酸尾气双氧水脱硫技术

双氧水脱硫技术是一种直接、经济的综合治理回收利用方法，既能治理SO2污染又回收了硫资源，变废为宝，符合我国的基本国策和当前的循环经济政策要求，具有很好的环境、社会效益。该方法是利用双氧水溶液作为脱硫剂，一定浓度的双氧水溶液直接打入脱硫塔洗涤脱除烟气中SO2，副产物稀硫酸溶液可再利用。脱硫工艺主要包括4个部分：吸收剂存储与输送；吸收液喷淋并离心分散；塔内雾滴与烟气逆流接触反应；副产物外排。工艺流程简详见图4。

图4 脱硫工艺流程简图

烟气中SO2的脱除过程是分两步完成的：

第一步，气液传质和水合过程，即烟气中SO2分子与水接触溶解在水中，并与水分子结合为亚硫酸：

(1)

第二步，氧化吸收：

(2)

副反应，双氧水分解：

(3)

2.4 回用水分级管理

按照新《环境保护法》的要求，云锡铜业从源头控制，合理补充新水量，生产废水按排水水质情况，采用Na2S法、两段铁盐法、深度处理等工艺处理后分别回用于全厂生产用水、化学水处理站及冲渣系统。全厂含重金属废水经污水处理站处理，达到《铜、镍、钴工业污染物排放标准》(GB25467—2010)后，用于渣缓冷场冲渣、卸料站汽车洗车台、消石灰制备等环节。通过持之以恒严格的管理及工艺完善，实现了生产废水不外排。生产废水平衡详见图5。

图5 生产废水平衡

3 综合回收技术创新发展

3.1 炉渣选矿回收铜

顶吹熔炼炉产生的炉渣经缓冷、水冷，由移动液压碎石机破碎至500 mm以下，再由颚式破碎机破碎至200 mm以下。细碎的物料送至半自磨机，磨碎产品筛分，筛上物料返回半自磨机，筛下物料和球磨机排矿合送至一段分级旋流器进行预先分级，其溢流送至二段旋流器进行控制分级，两段旋流器的沉砂和浮选中矿(扫选精矿和精选一的尾矿)均返回球磨机构成闭路磨矿。二段旋流器的溢流为合格矿浆进入浮选作业系统，进行二次粗选、二次精选、一次扫选，分出铜精矿和浮选尾矿。浮选铜精矿输送至精矿浓密机，再经过滤机脱水后送顶吹熔炼炉冶炼；浮选尾矿送至尾矿浓密机，经过过滤机脱水后直接外售。

3.2 贵金属回收

结合云锡其他冶炼系统已有的贵金属回收系统及工艺配置，铜系统采用流程短、物料结存少、回收率高的阳极泥预处理系统。主要工艺流程见图6。

图6 阳极泥预处理工艺流程图

3.3 白烟尘处理回收有价金属

白烟尘为熔炼与吹炼分别收集的烟尘混合物(主要成分详见表4)，白烟尘处理能力为5 000～6 500 t/a，平均约1 t/h。采用环保条件好的全湿法工艺处理，白烟灰经酸浸、脱铜、除铁砷、除镉、沉锌等工序，其中的有价金属分别以海绵铜(Cu～ 70%)、 铜镉渣(Cd ～50%) 、碱式硫酸锌(Zn 49%)、铅渣(Pb～46%、Cu ～2.17%)等形式回收利用。

表4 白烟尘成分 %

4 创新发展方向

结合云锡顶吹锡冶炼、顶吹铅冶炼，建立顶吹冶炼发展平台，为有色冶炼提供可借鉴、适用、高效、环保、安全的冶炼工艺。

对高富氧浓度顶吹技术、天然气在铜冶炼工艺中的应用、综合回收的方式、方法等科研项目进一步研究，促进“双顶吹”铜冶炼技术的发展；以创新链支撑延伸产业链，提高附加值；利用先进、适用技术和高新技术提升技术经济指标。

在铜锍顶吹连续吹炼工业化应用的基础上，对掌握的参数及技术、操作资料进一步优化，降低渣含铜、提高粗铜质量，使该技术稳定地工业化应用，为铜冶炼产能提升、降低作业成本提供支撑。

5 技术创新成果

在近三年的工作中，加强与昆明贵金属研究所、昆明理工大学、奥图泰、孟莫克等科研院所合作，完成了15项科技项目攻关，其中，承担云南省科技项目2项，获授权专利20项，受理专利30余项，科技成果进步奖数项。通过技术创新发展，技术经济指标达到较好水平，节能减排效果明显，综合回收能力不断提高。

通过科技攻关，解决了工艺存在的问题，提高了自动化水平，降低了劳动强度，改善了工作环境，每年可直接创造效益4 000多万元，取得了较好的社会效益和经济效益。

6 结论

(1)利用顶吹炉熔炼和顶吹炉吹炼的特点，优化工艺配置，解决了处理低品位高杂质的铜精矿难以获得高品质粗铜、环境治理、综合回收、能耗高等一系列问题，形成了一套物料适应广、脱杂能力强、开动周期长，作业率高、自动化程度高、环境友好的“双顶吹”炼铜工艺，该生产系统对于复杂铜精矿具有较强的竞争力。

(2)采用一座顶吹富氧吹炼炉代替几台PS转炉，不仅解决了低空污染的问题，达到理想的环保效果，单台顶吹炉炉床能力达到50 t/(m2·d)，烟气波动小，SO2浓度15%～18%，大大降低了制酸作业成本。

(3)集成应用国际领先的节能减排技术，达到了理想的节能效果、环保效果。采用先进的余热发电技术及凝结水回收技术，每天发电量达18万kWh。稀氧燃烧技术的应用减少能耗60%，废气排放体积减少70%。烟气制酸及尾气吸收系统硫利用率达99%以上。

(4)资源综合回收手段多样、齐全，取得明显的资源回收效果。炉渣选矿每年回收金属铜2 000余吨，白烟尘处理工艺回收铜、锌、铅、铋、铟、银，阳极泥预处理系统回收金、银、铜、硒、碲。

(5)全厂新水及回用水系统遵循“清污分流、污污分流、分质处理、分质回用”的分级管理原则，水重复利用率97%以上。全厂废水零排放，每吨铜水耗低至10～15t。

[1] 兰旭.吹熔炼技术在云锡的应用与发展[J].中国有色冶金，2014,(4):7-9.

[2] 兰旭，蔡兵.云锡双顶吹铜冶炼工艺技术的应用[J].有色冶金设计与研究，2014,35(3)：21-23.

[3] 顾鹤林，宋兴诚，吕忠华.冰铜连续吹炼工艺在云锡顶吹炉上的工业实践[A]. 全国铜镍钴冶金工艺重大装备及资源环境研讨会,中国昆明，2014，16-20.

[4] 袁海滨，宋兴诚，唐都作，等.浅析延长澳斯麦特熔炼炉炉砖使用寿命的措施[J].有色金属(冶炼部分)，2015,(8):15-18.

[5] 陈钢，顾鹤林.澳斯麦特铜吹炼顶吹炉生产实践[J].中国有色冶金，2015，(4):10-12,30.

[6] 顾鹤林，袁海滨，陈钢，等. 一种回转式阳极炉处理电解残极板的方法[P].中国专利： 201510331232X.

[7] 袁海滨，唐都作，蔡兵，等.一种高砷黑铜板火法再生工艺[P].中国专利：2015103312086.

[8] 袁海滨，唐都作，蔡兵，等.一种缩短阳极炉粗铜氧化还原时间的方法[P].中国专利：2015103307463.

[9] 唐都作，顾鹤林，袁海滨.稀氧燃烧节能技术在铜冶炼生产中的应用[J].中国有色冶金，2014,(5):31-32,56.

[10] 袁海滨，陈钢，杨建中.稀氧燃烧技术在铜阳极精炼炉上的应用[J].有色金属(冶炼部分)，2015,(3):8-10,15.

中国恩菲底吹炼铜技术获国际铜会认可

应中国有色金属学会委托，中国恩菲工程技术有限公司副总经理刘诚作为中国代表参加了在美国田纳西州纳什维尔举行的第9届国际铜会议(Copper 2016)预备会及第145届美国矿物、金属和材料学会年会(TMS 2016)，与来自国际铜会组委会会员的代表就中国有色金属学会成为国际铜会组委会会员、第9届国际铜会议准备工作等进行讨论，并听取美国矿物、金属和材料学会2016年会相关报告。

国际铜会是全世界影响力最大的铜领域学术会议，是世界各国学术界、专业人士、企业和政府管理人员交流铜工业信息、相互联系的平台，每三年举办一次，第9届国际铜会将于2016年11月13～16日在日本神户召开。目前国际铜会组委会会员有日本矿业和冶金学会(MMIJ)、加拿大采矿、冶金和石油学会(CIM)的冶金和材料学会(MetSoc-CIM)、智利矿业工程师协会(IIMCH)、德国矿冶协会(GDMB)，美国矿物、金属和材料学会(TMS)、美国制造工程师学会(SME)。本次预备会议讨论吸收中国有色金属学会为会员及2016年第9届国际铜会的组织工作，刘诚代表中国有色金属学会向组委会委员汇报中国有色金属学会简介、中国铜工业最新发展现状和中国参加第9届国际铜会准备情况。听完汇报后，各委员对中国在铜工业领域取得的发展和在世界铜工业的地位深表认可，提议在第9届国际铜会议程中增设短课程介绍中国底吹炼铜技术，并组织相关代表对中国的铜企业进行考察。同时，各委员表示将逐渐发挥中国在后续国际铜会中的影响和作用，争取成为2028年国际铜会的举办方。

美国矿物、金属和材料学会年会历史悠久，国际影响力大，包含技术报告、展览会、短课程培训、海报展等板块，其中技术报告涉及高温冶金、轻金属、稀有金属技术、资源回收、材料加工与表征、模拟等专题研讨会。本次美国矿物、金属和材料学会年会有来自全球4 000多名从事冶金和材料领域的知名企业代表、行业专家、科学家、研发人员，国内参加年会的有中国恩菲、沈阳铝镁设计院、武钢等企业，清华大学、北京科技大学、中南大学、东北大学等高校以及401所等科研单位。

Technology innovation and development of double top-blown copper smelting

GU He-lin，YANG Jian-zhong，CAI Bing

The technology innovation and development of double top-blown copper smelting were introduced. Through the integration of innovation, absorption and re-innovation, and independent innovation, the technical indexes were improved, the effect in field of comprehensive recovery, energy saving and emission reduction was remarkable. The results of technology innovation of double top-blown copper smelting process were expounded.

copper smelting; top-blown; innovation; development

顾鹤林(1960—)，男，云南个旧人，硕士，高级工程师，主要从事有色金属冶炼管理及技术管理工作。

2015-12-25

TF811

B

1672-6103(2016)02-0001-07