铜的生产趋势以及对过去十年铜工业的回顾

2018-06-13夏继平摘译

中国有色冶金 2018年3期

夏继平摘译

(中国首钢国际贸易工程有限公司，北京 100082)

铜是现代社会的关键金属。本文概述了铜工业在过去的十年间出现的许多变革，介绍了铜提取工业的概况，回顾了最近的铜生产趋势和铜工业的变化，包括火法冶金和湿法冶金技术的发展。沃莱帕森斯公司支持了其中的许多项目，对这一部分作了简要的介绍。最后介绍了有关铜工业未来发展方向的若干设想。

1 近期铜工业的趋势和变化

1.1 社会中的铜—生产以及消耗

铜是当今社会重要的金属，由于其独特的性质，“红色金属”在未来可持续发展中扮演着越来越重要的作用。铜的性质使它在电气、住宅、交通和工业领域应用广泛。一旦回收，废铜可以熔炼和精炼成纯金属，因此回收铜的利用是一个重要的来源。已知超过95%的铜是1900年后生产的，根据传统循环率估计，大约80%已开采过的铜仍有潜在的可用性。有趣的是，自1990年以来，所有铜矿开采和冶炼的铜累计总量超过6亿t。正如所指出的那样，大部分铜仍在使用中，更换了含有铜的旧设备，所用过的废铜可用于回收和熔炼/精炼以生产纯金属以供再利用。作者认为，废铜的回收以及加工在未来几年会变得更加重要。

2012年，世界原矿精炼铜产量达到了创纪录的1 670万t，其中包括在全球冶炼厂处理的硫化物精矿1 300万t。另外还有370万t的铜从氧化铜矿石中提炼出来，用酸浸法提取，然后用溶剂萃取和电积加工处理(Leach-SX-EW)。2012年，算上再生回收的铜和废铜，世界精铜产量达到近2 000万t铜。如图1所示，预计铜的需求还会继续增加，到2020年铜全球需求量会达到2 640万t。在未来20年里，中国(在某些领域也包括印度)仍然是铜工业增长的主要推动者，尽管速度较慢，这种情况在未来还会继续下去。

图1 2005年到目前的铜需求以及2020年世界和中国需求的预测

1.2 全球铜资源

许多指标被用于描述全球的铜资源，美国地质勘探局将己知(或己发现)的全球铜储量和资源，即按目前技术估计可采掘的铜量估计为6.9亿t。另一方面，考虑到还有“未发现的资源”，美国地质勘探局将这一储量增加到350亿t。美国地质勘探局指出，铜的“未发现资源”是基于对全球地质数据和特定矿床特征的评估，然后对可开发的后备储量进行评估。美国地质勘探局指出，未发现的铜资源储量可以满足“目前世界上超过150年的需求”。不可避免的是，在未来总会有一个时期，从矿石中开采出的新铜将开始减少，资源开始衰退。这种情况何时发生还不得而知，然而基于美国地质勘探局的估计作者认为这将远远超过一些学者所认为的2040年。

1.3 全球铜产量

如上所述，2012年世界精炼铜产量(包括铜冶炼生产的精炼铜、氧化铜酸浸- 萃取- 电积生产的铜及再生铜的产量)能到达2 000万t，如图2。世界冶炼厂的生产基本上对应图2中的原矿精炼铜吨数和再生铜及萃取电积铜数据。在2012年这一数据将会到达1 670万t。2012年萃取电积法生产的精炼铜占全球精炼铜大约18%，在2016年达到世界总产量的21%。

2012年全球铜产量排名前20的国家如图3所示。

图2 1960—2012年世界精铜产量

图3说明了世界铜冶炼厂的相对集中度，可知中国占世界冶炼的三分之一，在图3中排名前五的国家(为中国、日本、智利、俄罗斯联邦和印度占近50%，而排名前10的国家占世界近75%的冶炼铜)。这一冶炼产能集中的趋势预计将会保持下去，将来甚至还会进一步集中。而随着冶炼和精炼所需的电能越来越多，或许有兴趣在可持续供给水电的地方建设工厂。

1.4 全球铜的消费趋势

2012年全球铜消耗量约为2 000万t，而这一数字正以每年2%～4%的速度增长，如图1所示。图4展示了在五个主要用铜行业的铜使用量。其中建筑和交通行业为铜的增长领域，例如，所谓的“智能”住宅或建筑，还有就是应用广泛的电子电器领域和电动车。

通常供给量超过需求量的4%～7%，而当供给量大大超过需求量时，铜价可能会大幅度下跌，就像过去十年曾经发生过几次的情况那样，如图5所示。

2 现有的炼铜技术

2.1 火法处理硫化物精矿

火法冶金处理硫化物精矿仍然主导着粗铜的生产。过去十年左右主要的铜熔炼和吹炼技术如下：

2.1.1 熔炼

闪速熔炼是以奥图泰(原奥托昆普)闪速熔炼工艺为代表，某些工厂采用INCO闪速熔炼工艺；熔池熔炼以诺兰达/特尼恩特熔炼工艺为代表，以及最近的SKS(中国)熔炼工艺；

图3 2012年世界铜冶炼产能中排名前20的国家

图4 2012年铜的主要应用领域

以顶部浸没式喷枪冶炼(TSL)工艺为基础的熔池熔炼工艺，例如艾萨法ISASMELTTM或者是奥图泰TSL Ausmelt，还有三菱工艺和Vanyukov冶炼工艺。

以前的铜冶炼技术，如燃烧燃料的反射炉、鼓风炉和电炉等，由于高能耗和有二氧化硫气体产生低空污染而被逐步淘汰。

图5 1989年至2014年铜折合美元的价格

2.1.2 吹炼

•皮尔斯- 史密斯吹炼法(这种古老技术以P-S转炉的型式继续主导铜锍吹炼)；

•连续闪速吹炼法(也叫Kennecott-Outotec闪速吹炼法)；

•连续熔池熔炼、典型的Noranda吹炼法、TSL Outotec吹炼法和SKS连续吹炼法；

•其他几个吹炼工艺正在研发中，例如ISACONVERTM项目。

图6给出了在这些技术中闪速法和熔池熔炼所生产的粗铜占大多数。

图6 世界铜冶炼厂三种主要方法- 闪速法、熔池熔炼法及其他方法(电炉、鼓风炉等)生产的比例

再生铜生产采用许多已有的和新的熔池熔炼技术，许多原矿铜冶炼厂也一直在处理一定量的废铜。另外，世界范围内的一些工厂在混料中100%的加入废铜。

通过火法精炼粗铜来进行阳极精炼，通常采用天然气或者燃油在旋转容器中进行还原步骤，再电解精炼生产市场需要的阴极铜。最大的阳极炉现在在中国。图7为中国阳谷祥光铜冶炼厂现代化的650 t的阳极炉。

大约在2005年左右，由于全球铜的需求不断增加，许多冶炼厂都进行了大规模的改造和扩建。这一时期新建的熔炼炉铜精矿处理能力普遍超过100万t/a，限制了99%的SO2排放，符合越来越严格的全球减排要求。每一个新厂址每年生产超过30万t阴极铜，采用了大量的自动化电子设备，使得铜的单位生产成本逐步降低，保证了现代化火法冶炼技术的可行性和可持续性。

2.2 湿法冶炼

2.2.1 氧化铜矿石

氧化铜极有可能是几千年以前获得铜的第一来源，这些矿石的处理已将近一个世纪甚至更长，在过去的50年时间里，氧化铜矿石在世界铜生产中占有重要地位。自从1968年在亚利桑那州Ranchers Bluebird矿区首次使用浸出- 萃取- 电积工艺以来，这种方式生产的产量稳步上升，参考图2。与此同时，铜冶炼厂的环境问题通过改造和开发新的冶炼厂，以及建设高效率的硫酸厂来解决。硫酸在全球市场供应充足使酸价下跌(特别是在智利、秘鲁和美国南部)，进一步鼓励开发大规模氧化铜矿浸出作业的浸出- 萃取- 电积工艺，如图8所示。

由泰勒推动的这些开发的其他重要因素包括：

•在中非铜矿带中可获得高品位氧化铜矿床的可能性；

•成功的大规模浸出氧化铜矿和生物浸出次生硫化矿(较低品位的矿石更适合这种处理，而不是用更低的回收率来生产硫化物精矿)。

对于小规模作业来说，通常浸出- 萃取- 电积工艺具有竞争力的资本费用和运营费用指标使得许多小规模工厂得以成功建设和运营，其中一些位于偏远的矿山。

表1给出了世界各地发现的典型含铜氧化矿物以及可能包含的其它矿物，其中智利氧化铜矿典型品位在0.3%～1.13%。

酸耗在很大程度上取决于矿石中存在的脉石矿物的性质，在智利北部，许多大规模的浸出- 萃取- 电积工厂的典型酸耗为1～4 t/t铜。

目前采用的典型氧化浸出技术：

表1 氧化铜矿中典型的铜氧化矿物

•堆浸- 萃取- 电积和槽浸- 萃取- 电积工艺均可生产含Cu 99.99%的阴极铜。

2.2.2 硫化矿石

表2列出了在全球各地发现的主要含铜硫化矿物。这里前四种矿物通常占主导地位，然而，越来越多含黝铜矿和含砷矿物的矿石被发现。

应该指出的是通常黄铜矿(CuFeS2)、斑铜矿和黝铜矿精矿可以熔炼，只有Cu2S和CuS精矿用湿法冶金处理。采用加压浸出工艺处理CuFeS2精矿已经开发很多年了，但还没有一个成功投产。

表2 硫化铜矿石中典型的铜硫化矿物

目前采用的典型的硫化铜矿浸出技术：

•直接浸出后接萃取- 电积工艺(典型的硫酸浸出，但最近其他类型矿物开始采用氯化浸出)；

•生物浸出(通常用于低品位和难以浸出的硫化物矿石)，后接萃取- 电积工艺。

还需要某种处理含有大量杂质(尤其是砷)的硫化矿精矿的备选冶炼工艺。

萃取- 电积是主要的耗电工艺(比电解精炼多6倍)，这也是整个酸浸萃取电积法的主要成本所在。在大量投产之前，硫化矿湿法冶金还需要克服其他挑战，其中包括：

图9 2012年铜精矿主要国际贸易流量

•缓慢的浸出动力学和原生硫化矿(例如在大气温度下的黄铜矿)相对较低的金属回收率，贵金属的回收也可能有问题；

•至偏远地区较高的试剂(即硫酸)运输成本。

硫化矿的湿法冶金工艺没能大规模商业化的原因之一是硫化矿精矿的冶炼能力始终足够，因此没有动力在矿区建设一个新的，可能是昂贵的湿法冶金厂。此外，超过60%的硫化铜精矿现已运往距离矿区比较远的定点冶炼基地的炼铜厂去，这些炼铜厂能处理来源广泛的精铜矿。相比之下，硫化矿浸出是针对特定矿物的，因此不可能遇到“量身定制的硫化矿浸出工厂”。

对矿山开发来说，只生产硫化矿，并将其运到定点冶炼厂，其资本密集度较低。如上所述，中国目前拥有最大吨位的冶炼能力，在图9铜精矿主要国际贸易流量的箭头图中可以看到这一点，这种情况能否长久持续下去还有待观察。作者认为目前这一趋势在未来的五到十年之内都有可能持续下去。

尽管如此，如上所述氧化铜矿的开发仍在继续。目前全球范围内采用浸出- 萃取- 电积法生产精炼铜的比例约为18%，预计2016年这一数字将会达到21%。

3 目前铜的发展趋势——中国和智利

中国和智利是产铜的主要国家，中国是世界上最大的铜消费国，也是世界上最大的铜生产国。2012年中国生产了全世界三分之一的铜。中国铜冶炼的大部分原料来自智利，铜精矿运输距离有1.8万km。另一方面，智利是世界上最大的铜矿开采国，铜矿开采量约占世界的三分之一。鉴于两者的重要性，下一节将研究这两个“铜国”的发展趋势。

3.1 中国目前铜的发展趋势

中国有着悠久灿烂的铜和铜合金史。根据出土的文物估计，铜在中国的使用可追溯到公元前2000年。中国早期一个著名的铜艺术品就是“马踏飞燕”。在20世纪70年代出土，这匹青铜马大约35 cm高，8 kg重。但是中国商业用铜产量增长非常的缓慢。然而，现在中国已经成为世界上最大的精炼铜生产国。图10给出了自20世纪60年代以来中国铜产量的增长趋势。可以看到在过去的15年里，铜产量从2000年的150万t增长到2012年的540万t。预计在2014年将会增长到570万t。有趣的是，目前全球排名前20的铜冶炼厂中有6家在中国，如表3所示。

图10 自1960以来中国铜冶炼产量增长趋势

表3也列出了中国6家最大的工厂所采用的主要铜冶炼工艺，包括：闪速熔炼、闪速吹炼、艾萨法。而到了2008年，在中国发展起来的新的SKS熔炼和吹炼工艺助推中国铜冶炼产能跨上一个新台阶。

表3 2014年中国最大的6家铜冶炼厂

注：“双闪”指利用闪速炉熔炼加肯尼科特- 奥图泰闪速吹炼工艺

SKS铜冶炼工艺采用圆柱形冶炼炉处理滤饼精矿原料，工艺采用安装在底部、高压富氧风嘴，而不像传统的风嘴需要经常捅打。冶炼容器类似于诺兰达或EL Teniente吹炼工艺，而风嘴概念上与Savard-Lee的设计相似。据称优点是资金投入低，运行费用低，但至今还未见真实的数据支持。当然采用高富氧浓度而导致的较低排放量也是该工艺的优势。

到今年年底，中国将有5家SKS铜冶炼厂投产，总年产量为90万t铜。排名第六的河南中原黄金冶炼厂计划年产30万t铜。该工厂将是迄今为止最大的SKS工厂，有一个直径5.6 m，长30 m的铜冶炼炉。这家河南工厂包含肯尼考特- 奥图泰闪速炉，这是该技术首次在SKS工艺中应用。此外，它还将首次安装肯尼考特- 奥图泰闪速炉与熔炼炉连接，而不是奥图泰闪速熔炼炉。还有几个SKS工厂也在筹建阶段中。包括正在东营扩建的一个直径5.5 m，长28.5 m的SKS冶炼炉。值得注意的是SKS也用于铅冶炼，目前中国有相当数量的SKS铅冶炼厂在运转。

中国近期的大规模扩建为铜精矿国际供应商带来了利好，并引发了市场为经济增长服务的热情。但是，随着铜产量和需求的增长，中国也有可能对矿石出产国产生影响。对中国的依赖也增加了那些靠铜矿来增加GDP的国家(如智利、秘鲁和赞比亚)。另一方面，中国也面临风险，因为作为全球最大的精炼铜生产商，他们的含铜原料(铜精矿、再生铜和中间产物)全部靠进口。值得注意的是，美国是中国在世界上最大的废铜来源国，对中国出口的废铜是其第三大废金属，紧跟在废铝和废铁之后。

3.2 智利目前铜的发展趋势

智利是世界上最大的铜矿供应商。2012年智利铜矿的铜产量为543万t。它在2012年以190万t的产量成为全球第三大精炼铜生产国，2012年全球第二大精铜生产国的产量为290万t。智利采矿总量达543万t，包括铜冶炼生产的精炼铜和出口铜精矿，以及电子市场出售的铜。世界上最大的20座铜矿中有8座在智利，如表4所示，这8座铜矿的总开采量约为433万t/a，占全球铜矿开采量的25%。这8座铜矿中的6座拥有萃取- 电积工厂，规模也是世界最大。智利最大工厂的电解铜设施在Codelco公司的Norte分部，铜年产量为44万t。

智利有七个铜冶炼厂，表5给出了铜产量和酸产量。

有人指出，上述表格的数据是名义上的产量数据。图3中智利的数据是2012年实际冶炼量。

近年来，尽管智利所有的冶炼厂都进行过现代化改造，在能源利用和环境方面，四家Codelco工厂的挑战依然存在。在2013年12月举行的2013年铜业大会上将概述旨在解决这些问题的一系列新项目。除了这些冶炼厂项目之外，智利铜业还面临许多关键挑战：

•铜矿石品位下降，铜储量减少；

•供水和水资源管理；

•能源利用；

•环境方面包括改善硫的捕收和高砷矿的处理；

•人员和社区问题。

智利大部分的铜精矿都运到中国进行冶炼，阴极铜产量的大多数也出口到中国。预计在不久的将来，中国对铜的需求将会继续增长。如果智利能解决上述问题，其产品将有市场保障。

4 沃利帕森斯铜项目开发活动

澳大利亚沃利帕森斯在全球166个办事处中包含有三个主要的业务部门：

•碳氢化合物；

•基础设施；

•矿物、金属和化工。

沃利帕森斯仍然在全球范围内参与几个铜项目，在第一项和第二项上为客户提供服务。从2005年开始，沃利帕森斯进行了大量研究，并交付了赞比亚Glencore Mufulira工厂的三期升级改造项目，见图11。其中包括：

•铸造和阳极精炼厂；

•转炉和废气处理系统的升级；

•ISACONVERTM的设计。

图11 Mufulira冶炼厂的阳极铸造炉

最近在澳大利亚南部的奥林匹克坝项目中，沃利帕森斯对扩建下列设施的投资预算进行了评估，该项目是为BHP-Billiton所做。

•新的选矿设施；

•新的水力发电和铀萃取设施；

•新的冶炼设施；

•新的精炼厂。

沃利帕森还为Kazachmys冶炼厂升级改造项目提供工程服务，包括原矿冶炼技术的改造和对现有设施的翻新，对现有工厂基础设施的优化。优化铜生产基地，所涉及的项目包括工厂的火法冶金工艺、材料处理、工艺气体的处理和治理、物流评估、精炼厂设计以及基础设施部分。

2013年6月，第一量子矿业有限公司和沃利帕森斯签署了一份有关位于赞比亚的科尔韦齐的Kansanshi铜冶炼厂改造项目的工程服务合同。这个工厂将用ISACONVERTM冶炼技术，设计生年产铜精矿120万t/a，产铜300 000 t/a。考虑有几种选项可最终决定销售的产品是否最具成本效益。

5 面临的挑战和结论

在某些方面，世界铜行业正处在十字路口。目前世界上精炼铜的消耗量己超过2 000万t，而中国的铜消耗量占比略低于40%。中国(还有印度)城市化进程和电气化工业的发展，还有电动汽车等新项目会推动红色金属的发展吗？对于新的项目所需要的铜的不确定性增加来说，供应能否跟上需求的增长？面对诸如温室气体排放等挑战，冶炼厂、精炼厂和相关发电厂的排放能否达标？印度尼西亚最近禁止出口矿石产品，促进了国家层面的干预- 世界其他地区是否也会效仿？包括世界上最大的铜业公司和政府机构在内的所有利益相关者是否会承担解决能源使用，用水等行业面临的重大问题所需的研发项目？增加主要生产商的运营成本将显著影响成本曲线，这将对未来的供应和铜价产生什么影响？