粗铜富氧火法熔炼工艺技术研究

包洪光, 吴晓松, 杨 强

(长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000)

铜冶炼工艺主要有火法和湿法两种。近半个世纪以来，铜熔炼技术的变革是铜火法冶金领域发展中最活跃的部分。目前，世界原生铜产量的约85%是由火法工艺冶炼所得。火法炼铜工艺又分为传统冶炼工艺和现代冶炼工艺。传统冶炼工艺包括鼓风炉、反射炉、电炉工艺，其产量占总产量的1/3左右。该类工艺具有流程简短、工艺成熟、原料适应性强等优点，铜的回收率可达95%以上，但也存在热效率低、能耗高、硫利用率低、环保差、装备自动化程度低、生产效率低下等缺点。随着国家节能减排和环境保护要求不断提高，该类工艺目前已逐步被淘汰。

现代冶炼工艺根据反应过程原理不同又分为闪速熔炼工艺和熔池熔炼工艺。该两类工艺生产的铜产量约各占总产量的1/3，其突出特点是由于广泛使用氧气和富氧，使得冶炼过程得到了强化。

1 闪速熔炼特点分析[1]

闪速熔炼工艺：按照熔炼设备不同分为奥图泰(原奥托昆普)工艺、INCO氧气闪速熔炼工艺、Contop闪速熔炼工艺以及祥光铜业自主研发的悬浮喷嘴闪速熔炼工艺。INCO氧气闪速熔炼工艺多用于镍冶炼，Contop闪速熔炼工艺未得到推广，奥图泰工艺在全球闪速熔炼生产中占据主导地位，悬浮喷嘴熔炼工艺在我国的铜厂逐步得到应用。

闪速熔炼工艺因后续吹炼工艺不同又可细分为：闪速熔炼—PS转炉吹炼工艺和闪速熔炼—闪速吹炼工艺(“双闪”)。前者已在国内外应用多年，技术成熟；前者代表性厂家有贵溪冶炼厂，后者代表性厂家有山东阳谷祥光铜业有限公司、铜陵有色金冠铜业分公司和广西金川有色金属有限公司、中铝东南铜业有限公司。

闪速熔炼工艺的特点分别简述如下：

1.1 闪速熔炼—PS转炉吹炼工艺

①采用富氧自热熔炼，强度高，燃料消耗低，烟气量小，SO2浓度高；

②技术成熟可靠，自动化水平高；

③环境保护及劳动条件好，扩产潜能大；

④对物料的要求较高，原料需深度干燥，原料准备投资较大；

⑤烟尘率较高，渣含铜高，熔炼渣需要进行贫化处理才能作为弃渣。

采用转炉吹炼具有原料适应性强、对杂质脱除能力强的优点，但也因其间断操作导致烟气波动量大、炉口漏风大、SO2烟气低空污染等突出问题，使其成为制约铜冶炼清洁生产的主要因素。

1.2 闪速熔炼—闪速吹炼工艺

闪速熔炼—闪速吹炼工艺(“双闪”)由芬兰奥托昆普公司和美国肯尼科特公司共同开发，于1995年首次在肯尼科特铜冶炼厂应用，十多年后在我国建成世界第二套系统，此后分别在我国国内又先后建设了3套系统，还有1套正在建设中。其工艺主要特点是：

① 熔炼强度大，因吹炼过程连续操作，使得烟气量小、SO2浓度高且稳定；

②因炉体密闭而消除了SO2低空污染，炉子在线作业率高等。

“双闪”工艺主要的缺点是：

①必须将熔炼产出的冰铜水淬冷却后再度磨细并干燥，使得冰铜显热不能利用，导致能耗增加；

②闪速吹炼炉对原料中杂质含量的要求比较高，如果原料含杂质较高且原料成分波动较大，吹炼过程对杂质的脱除将会不彻底，导致吹炼操作困难及后端工序操作复杂。

祥光铜业自主研发的悬浮喷嘴闪速熔炼工艺是在原奥图泰双闪工艺的基础上对炉子喷嘴进行了革命性的改变，该喷嘴结构相对简单，操控性相对简单。

2 熔池熔炼特点分析

熔池熔炼工艺根据送风方式可分为侧吹、底吹和顶吹。侧吹有诺兰达法、埃尔-特尼恩特转炉法、富氧侧吹熔炼法(瓦纽科夫法)、白银法；底吹有水口山法；顶吹有三菱法、氧气顶吹转炉法(TBRC法)、艾萨熔炼法和澳斯麦特法等工艺。这些工艺在国内外均有应用，特别是富氧侧吹熔炼法、艾萨熔炼法、澳斯麦特法和水口山法应用较多。

以下为几种最具有代表性的现代铜冶炼工艺，其特点分别简述如下：

2.1 诺兰达法[2]

诺兰达法于1967年在加拿大首次获得专利，是历经30余年发展起来的自热熔炼技术。该法日处理精矿可达2 000 t以上，且对原料适应性强，既可处理高硫铜精矿，也可处理低硫含铜物料。同时具有高的炉床处理能力，流程简单，不需要复杂的备料过程，炉料不需要深度干燥，操作简单，容易掌握。诺兰达法的缺点是劳动强度很大、冒烟且有灰尘、噪声较大、操作条件不好、冶炼环境较差，未广泛应用。我国某冶炼厂的诺兰达炼铜工艺已经被澳斯麦特炼铜工艺取代。

2.2 三菱连续炼铜法[3]

三菱连续炼铜法由日本三菱金属公司于20世纪60年代开发，于1974年在直岛冶炼厂的一台旧反射炉基础上建立的一套月产粗铜4 000 t的三菱法工业设备。1991年直岛冶炼厂完成技术改造，生产能力达到年产铜23万t。三菱法的技术关键是逐渐提高喷枪鼓风中的富氧浓度，使熔炼过程达到自热的程度，并且应用更有效的冷却方式，进一步提高了炉子的使用寿命。该法的特点是投资相对较低，操作简单，无出渣出铜操作，采用计算机自动控制。其缺点是：4个炉子(熔炼炉、贫化电炉、吹炼炉、阳极炉)自流配置，第一道工序的熔炼炉需要配置在较高的楼层位置，建筑成本较高；炉渣采用电炉贫化，弃渣含铜量达0.6%～0.7%，远远高于我国多数大型铜矿开采的矿石平均品位，资源没有得到充分的利用。该系统控制要求非常严格，只要某一个环节出问题就无法正常生产。

2.3 氧气底吹炼铜法[4]

氧气底吹炼铜法在国内的首次大规模工业应用是2008年投产的东营方圆有色10万t/a粗铜冶炼厂。其原理是：炉料直接加入炉内激烈运动着的气—液—固三相高温“乳化液”中，很快被吞没熔化，并迅速进行氧化还原、造渣与造锍反应，冰铜与渣的微粒相互碰撞分别进入渣相与冰铜相。与传统炼铜工艺相比，该工艺具有富氧熔池熔炼的特点，即具有熔炼强度高、烟尘率低、自热熔炼程度高、能耗相对低等优点。根据已投产项目的生产实例，该工艺存在渣含铜高、阳极板杂质含量高导致电解电流效率低、环保较差等缺点。

①底吹炉渣含铜高，为3%～4%。

②单台底吹炉处理能力有限，生产规模受到限制。目前单台炉的实际生产能力最大30万t/a(中原黄金)。而且随着炉子直径的加大，炉子长径比变化，将进一步影响渣含铜量。

③阳极板杂质含量高，电流效率低。由生产实践反馈的问题可知，采用氧气底吹炼铜工艺，其后续工段产出的阳极板杂质含量高，导致铜电解过程电流效率低，阴极铜杂质含量高。

目前国内运行的工艺有：底吹熔炼+转炉吹炼，底吹熔炼+底吹吹炼两种工艺。

2.4 艾萨(ISA)/澳斯麦特(Ausmelt)法[5]

富氧顶吹熔炼是国内外目前常用的一种熔池熔炼矿铜冶炼工艺，常见的富氧顶吹熔炼炉型有艾萨炉和澳斯麦特炉，其原理基本相同，只是喷枪和炉体结构上有差异。这两种方法的优点是原料预处理比较简单，不需要深度干燥，对入炉物料的要求不太高，投资相对较低。其缺点是：烟尘率高，收尘、制酸系统会被烟尘烧结而堵塞；喷枪寿命短，平均5～7 d，需要更换与维护，生产成本提高；喷枪提升有复杂的机械装置，增加了潜在的故障点以及维护检修工作量；熔炼燃料消耗大，烟气多；炉子喷枪及耐火材料寿命短；需要高压风机，动力消耗大，总能耗高；需要大的铜、渣沉降分离设备和大吊车；环保效果差等。

中条山有色金属公司侯马冶炼厂是我国首家采用澳斯麦特炼铜技术的工厂，工程投产初期存在炉体晃动、耐火材料寿命短、渣含铜高等问题，经过一段时间的摸索和改进，能够维持正常生产。国内还有云南铜业股份有限公司采用艾萨熔炼工艺，已稳定运行近20年。近年来该工艺没有得到进一步推广应用。

主要代表性工艺有：艾萨熔炼(后接贫化电炉)+转炉吹炼，澳斯麦特熔炼(后接贫化电炉)+转炉吹炼，澳斯麦特熔炼+澳斯麦特出吹炼。

2.5 富氧侧吹熔炼工艺[6]

侧吹熔池熔炼工艺是在前苏联瓦纽科夫法的基础上发展起来的富氧熔池熔炼工艺。

①原料适应性强，备料简单，入炉物料水分质量分数为6%～8%，可处理不大于50 mm的块料。

②富氧空气从侧向鼓入熔池内，熔体激烈搅动、反应强烈，富氧体积浓度高(含O2体积分数为 40%～90%)，且氧利用率达体积分数95%～100%，生产能力高，可以用较小尺寸的炉子得到高产能。

③熔池熔体上层翻动，下层平静，更加有利于金属相(锍相)和炉渣澄清分离。

④处理硫化矿时，烟气中含SO2浓度高，烟气量小，因此，烟气处理系统的投资和运行成本大为缩减。

⑤燃料的适用范围广。无烟煤、烟煤、焦粉和天然气均可作为燃料。可采用碎煤作为还原剂，无需采用粉煤或焦炭，而碎煤的价格低廉，可降低能耗和生产运行成本。

⑥操作方面：液相和炉渣可采用虹吸装置连续排放，取消了打开和堵塞排放口及清理溜槽的工作；使用富氧(含O2体积分数40%以上)鼓风时风口不需清理；在短期停炉时，不必将炉内熔体全部放出就可停止鼓风：采用专用的铜杆塞住风口，防止熔体反灌堵塞风口，可保持停炉状态24 h以上。

⑦工艺技术先进，拥有自主知识产权。该工艺是我国自行研发的铜熔炼技术，不必引进技术和关键设备，主要设备完全可以实现国产化。

⑧建设投资较省，生产费用低。该工艺流程短，配置简单，建设速度快，投资较省。

⑨具有良好的卫生条件。富氧侧吹熔炼炉炉体密封好，无烟气外逸，操作环境好。

⑩操作简便，自动化程度高。富氧侧吹熔炼炉操作和控制较为简单，生产过程可实现计算机在线控制。

目前国内运行的代表工艺有侧吹+转炉吹炼，侧吹+顶吹连续吹炼两种。

这些熔池熔炼炼铜工艺共性如下：

(1)充分利用炉料氧化反应热的能量，在自热或接近自热的条件下进行熔炼，能耗低。

(2)采用富氧技术控制脱硫率，进而控制冰铜品位和减少烟气量。

(3)熔炼烟气中SO2浓度高，有利于有效回收制造硫酸或其他硫产品，环境条件好。

3 现代铜冶炼工艺技术对比[7]

能够实现单系列铜产能在30万t/a以上且综合回收好、环保效果好的现代强化熔炼工艺近年来得到了快速广泛应用。这些工艺主要是：闪速炼铜技术、富氧顶吹熔炼(ISA)技术、富氧侧吹熔池熔炼技术、底吹熔炼技术。

闪速熔炼的优势主要体现在熔炼单系列产能可达40万t/a，具有规模效益，劣势在于：工程费用比熔池熔炼高出约20%，严重影响经济效益；国内已建成若干个40万t/a闪速炼铜项目，但都是采用引进技术，不具备自主知识产权。ISA熔炼工艺是发展较为成熟的技术，但需要配置电炉进行渣铜分离，能耗相对于侧吹工艺和底吹工艺要高。底吹熔炼技术目前尚存在加料口粘接、喷枪寿命、环保烟气量大等缺点亟待解决。

富氧侧吹熔炼工艺也存在加料口喷溅、一次风眼易堵塞等问题，但是该工艺富氧浓度更高、烟气量小、生产连续性好、经济效益好、拥有自主知识产权、技术创新性高的诸多优点近年来得到了行业内越来越多专家和企业的认可，开始广泛应用于大规模冶炼生产。

4 结 语

冶炼工艺选择的重点在于建设规模、工艺成熟度与创新性、原料适应性、环保节能、综合回收、生产连续性、经济效益等，还应考虑充分发挥公司的技术和人才优势，使工程能够顺利建成投产，迅速达产达标，并具备较强的市场竞争力。从当前铜冶炼技术的发展趋势和国内外应用情况来看，铜冶炼行业的发展应该向以下方面发展：

(1)生产规模趋于大型化，设备同步向大型化、连续化、机械化和自动化发展；

(2)冶炼技术趋向强化冶炼过程，应用富氧以提高熔炼强度，降低烟气含硫浓度，提高热利用率；

(3)随着资源匮乏和环保要求更趋严格，资源综合利用好、环保效果好的冶炼技术应更受关注。