1. 概述
近年來，世界銅冶煉技術(shù)工藝有了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，世界上80%以上的銅是通過火法冶煉工藝生產(chǎn)的。特別是硫化銅礦，基本上全是用火法處理?；鸱ㄌ幚砹蚧~礦的主要優(yōu)點(diǎn)是硫化精礦在反應(yīng)過程可以充當(dāng)燃料;在高溫下反應(yīng)過程的效率高，冶煉速度快，能充分利用硫化礦中的硫;產(chǎn)能高，生產(chǎn)過程中金屬富集程度高，適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)要求等[1]。火法煉銅工藝主要包含下述四個(gè)環(huán)節(jié)：銅精礦的造锍熔煉—銅锍吹煉成粗銅—粗銅火法精煉—陽(yáng)極銅電解精煉[2]。其中相比于前兩個(gè)環(huán)節(jié)，粗銅火法精煉和陽(yáng)極銅電解精煉所用工藝和設(shè)備比較單一，本文重點(diǎn)介紹熔煉和吹煉工藝。
2. 熔煉工藝
傳統(tǒng)的造锍熔煉工藝包括鼓風(fēng)爐、反射爐和電爐熔煉，氧化脫硫程度很低，用空氣作氧化劑，生成低品位冰銅，熔化所需的熱少部分利用氧化反應(yīng)熱，大部分需要額外加熱，產(chǎn)生的煙氣量大而SO2濃度低，不利于制酸[3]。目前世界上銅冶煉廠使用的主要造锍熔煉工藝為閃速熔煉和熔池熔煉。閃速熔煉工藝中，經(jīng)干燥后的銅精礦與熔劑充分混合，通過精礦噴嘴與富氧空氣一起噴入爐內(nèi)。在高溫環(huán)境下，呈懸浮狀態(tài)的銅精礦，迅速完成物理化學(xué)反應(yīng)，生成的冰銅和爐渣落入沉淀池中澄清、分離。在熔池熔煉工藝中，精礦被拋到熔體的表面或者被噴入熔體內(nèi)，通常向熔池中噴入氧氣和氮?dú)馐谷鄢匕l(fā)生劇烈攪拌，精礦顆粒被液體包圍迅速融化。因此能夠產(chǎn)生維持熔煉作業(yè)所需的大部分熱量，使含有氧氣的氣泡和包裹硫化銅/鐵的溶液發(fā)生質(zhì)量傳遞。熔池熔煉法按鼓風(fēng)位置的不同可以分為頂吹，側(cè)吹，底吹三種類型。
(1)閃速熔煉
閃速熔煉是現(xiàn)代火法煉銅的主要方法。它克服了傳統(tǒng)方法未能充分利用粉狀精礦的巨大表面積、將焙燒和熔煉分階段進(jìn)行的缺點(diǎn)，從而大大減少了能源消耗，提高了硫的利用率，改善了環(huán)境。
閃速熔煉法有奧托昆普爐、Inco爐和Contop爐三種，自1949年第一座芬蘭奧托昆普閃速爐誕生至今，閃速熔煉技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展[4]。目前世界上有49座正在運(yùn)行的閃速爐，閃速熔煉法生產(chǎn)能力占到世界粗銅冶煉能力的50%以上。閃速爐不僅作為主要的熔煉設(shè)備，而且也已開始逐步取代傳統(tǒng)的P-S轉(zhuǎn)爐作為連續(xù)吹煉的設(shè)備。熔煉強(qiáng)度高，單臺(tái)產(chǎn)能可達(dá)40萬噸/a陽(yáng)極銅。環(huán)保條件好，自動(dòng)化程度高。但閃速熔煉法也存在明顯的缺點(diǎn)：對(duì)原料適應(yīng)性差，備料復(fù)雜，投資大;熔劑和原料先進(jìn)行磨細(xì)再進(jìn)行深度干燥，需額外消耗能源這不盡合理;專利費(fèi)昂貴。
世界上產(chǎn)量前20的銅冶煉企業(yè)有一半都采用了閃速熔煉工藝，比如國(guó)內(nèi)的江銅貴溪冶煉廠和銅陵金隆公司都采用閃速熔煉，山東祥光銅業(yè)公司采用雙閃(閃速熔煉+閃速吹煉)銅冶煉工藝。印度的Birla Copper，德國(guó)Aurubis公司的Hamburg，日本的Besshi/Ehime、Saganoseki/Oita，智利的Codelco Norte等也都采用了閃速熔煉工藝[5]。
(2)澳斯麥特/艾薩熔煉法
澳斯麥特熔煉法與艾薩熔煉法是20世紀(jì)70年代由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)工業(yè)研究組織(CSIRO)礦業(yè)工程部的研究小組發(fā)明的，兩者的基礎(chǔ)都是“賽洛”噴槍浸沒熔煉工藝，具有共同的祖先。擁有噴槍技術(shù)的這兩家公司，按各自的優(yōu)勢(shì)和方向，延伸并提高了該項(xiàng)技術(shù)，形成了各具特點(diǎn)的澳斯麥特法和艾薩法。澳斯麥特/艾薩法與其他熔池熔煉一樣，都是在熔池內(nèi)熔體-爐料-氣體之間造成強(qiáng)烈攪拌與混合，強(qiáng)化熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)速率，以便在燃料需求和生產(chǎn)能力方面產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益[6]。
澳斯麥特/艾薩法屬于頂吹浸沒式固定爐床，噴槍豎直浸沒在熔渣層中，爐身為圓柱體，爐底為球缺形或反拱型。噴槍結(jié)構(gòu)較為特殊，爐子尺寸比較緊湊，整體設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝流程和操作不復(fù)雜，投資與操作費(fèi)用相對(duì)低。然而，近幾年未有新的推廣應(yīng)用。頂吹氧槍較長(zhǎng)，需要建設(shè)高大的廠房，建設(shè)成本高。且氧槍壽命短，氧槍3至14天更換一次，消耗大。
中條山有色金屬公司侯馬冶煉廠是世界上首家采用澳斯麥特?zé)掋~技術(shù)的工廠，擁有一臺(tái)澳斯麥特熔煉爐和澳斯麥特吹煉爐[7]。云南銅業(yè)股份有限公司采用艾薩熔煉技術(shù)，山西華銅銅業(yè)有限公司是典型的澳斯麥特工藝冶煉廠，熔煉和吹煉都是采用澳斯麥特爐。銅陵有色金屬公司金昌冶煉廠于2003年采用澳斯麥特熔煉工藝取代了原有的密閉鼓風(fēng)爐熔煉工藝。印度的Sterlite Smelter，秘魯?shù)腎lo Smelter都采用艾薩熔煉法。
(3)諾蘭達(dá)法
諾蘭達(dá)熔煉工藝是由加拿大諾蘭達(dá)礦業(yè)公司發(fā)明的，1964年在魁北克諾蘭達(dá)研究中心開始進(jìn)行諾蘭達(dá)熔煉工藝的研究。1973年建成第一座諾蘭達(dá)工業(yè)爐，將精礦直接熔煉成粗銅。后由于直接生產(chǎn)粗銅導(dǎo)致爐壽低和粗銅雜質(zhì)含量高等原因，改為生產(chǎn)高品位銅锍。諾蘭達(dá)爐屬于浸沒側(cè)吹轉(zhuǎn)爐熔池熔煉工藝，精礦、燃料、熔劑等通過拋料機(jī)從爐頭拋入爐內(nèi)，富氧空氣從爐子一側(cè)的一排風(fēng)口鼓入。爐內(nèi)空間分為熔煉區(qū)和沉降區(qū)，高品位銅锍從沉降區(qū)的銅锍口放出。
諾蘭達(dá)熔煉法自熱程度高，能耗低，與閃速熔煉相當(dāng);煙氣中SO2濃度高，可以制酸，硫的利用率高達(dá)96%;對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)，可以處理粉礦、塊礦、廢雜銅等。
采用諾蘭達(dá)熔煉技術(shù)的有我國(guó)的大冶有色金屬公司，智利的Altonorte，加拿大霍恩冶煉廠，美國(guó)肯尼科特礦物公司猶他冶煉廠，澳大利亞南方銅冶煉廠等[8]。
(4)特尼恩特法
特尼恩特熔煉技術(shù)是由智利國(guó)家銅公司特尼恩特分公司開發(fā)出的一種熔池熔煉技術(shù)，1977年工業(yè)化取得成功。特尼恩特爐為浸沒式側(cè)吹臥式轉(zhuǎn)爐，類似P-S轉(zhuǎn)爐和諾蘭達(dá)爐，但比P-S轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)得多，有風(fēng)口區(qū)和沉淀區(qū)。一部分濕精礦和熔劑從爐子一端加料口加入，一部分干精礦通過特殊的風(fēng)口噴入爐內(nèi)熔池中，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)含氧量，能夠達(dá)到自熱熔煉。
特尼恩特法在智利的Codelco Norte、El Teniente ，贊比亞、秘魯、墨西哥和泰國(guó)等國(guó)都有應(yīng)用。
(5)瓦紐科夫法
瓦紐科夫法是來自俄羅斯的一種側(cè)吹式熔池熔煉方法，1982年正式建成投產(chǎn)。該方法是一種噴吹乳化冶金新工藝，它以吹煉爐渣“乳濁液”為特點(diǎn)，熔煉和爐渣貧化都在同一個(gè)雙室設(shè)備內(nèi)完成，設(shè)備為固定爐床，橫截面近似為矩形，熔煉區(qū)和貧化區(qū)上部由隔墻隔開，熔煉區(qū)兩側(cè)有風(fēng)口噴吹富氧空氣。在側(cè)吹鼓泡乳化熔煉過程中有效抑制了磁性氧化鐵的生成，加速了相凝聚與分離。對(duì)原料的適應(yīng)性強(qiáng)，熔煉強(qiáng)度高，需要水套冷卻。棄渣含銅低是其一大特點(diǎn)。
應(yīng)用瓦紐科夫工藝的主要有俄羅斯的Norilsk，哈薩克斯坦也有應(yīng)用。
(6)底吹法
底吹煉銅法由中國(guó)有色工程設(shè)計(jì)研究總院與山東東營(yíng)方圓有色金屬公司共同研發(fā)，又稱“氧氣底吹熔煉多金屬捕集技術(shù)”，來源于水口山煉銅法。采用的熔煉設(shè)備為臥式底吹轉(zhuǎn)爐，爐型類似于P-S轉(zhuǎn)爐，富氧空氣從爐底底部的兩排氧槍內(nèi)噴入熔體中，熔池?cái)嚢鑿?qiáng)度很高，能夠?qū)崿F(xiàn)自熱熔煉，無需額外的燃料加熱，能耗低。原料的適應(yīng)性強(qiáng)、無需干燥和制粒。適用于處理低品位、復(fù)雜、難處理的多金屬礦料，含金銀高的貴金屬伴生礦，甚至垃圾礦料。由于采用底吹高速氣體噴吹，沒有風(fēng)口堵塞問題，而且氣泡分散均勻，氣體利用率高。工藝流程短，配置簡(jiǎn)單，技術(shù)裝備國(guó)內(nèi)自主研發(fā)，投資費(fèi)用低。
底吹煉銅法是一種新興的煉銅技術(shù)，自2008年在山東方圓有色金屬有限公司首次投產(chǎn)以來，陸續(xù)又有山東恒邦股份有限公司、包頭華鼎銅業(yè)發(fā)展有限公司、垣曲冶煉廠、青海銅業(yè)、中原黃金冶煉廠、靈寶市金城冶金股份有限公司和梅州金雁銅業(yè)等公司相繼采用，另外該技術(shù)還進(jìn)軍到國(guó)外市場(chǎng)，越南生權(quán)老街大龍冶煉廠就采用了底吹煉銅工藝。
3. 吹煉工藝
造硫過程完成了銅與絕大部分鐵的分離，最后要除去銅锍中的鐵和硫以及其他雜質(zhì)，從而獲得粗銅，還需要將銅锍進(jìn)行吹煉。目前，銅锍的吹煉過程絕大多數(shù)是在P-S轉(zhuǎn)爐內(nèi)進(jìn)行的。整個(gè)過程分為兩個(gè)階段，第一階段，銅锍中的FeS與鼓入空氣中的氧氣發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，生成FeO和SO2氣體，F(xiàn)eO與加入的石英熔劑反應(yīng)造渣，使硫中含銅量逐漸升高。爐渣與銅锍由于互溶度小且密度不同而分層分離。吹煉第二階段，鼓入空氣中的氧與Cu2S發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，生成Cu2O和SO2，Cu2O又與未氧化的Cu2S反應(yīng)生成金屬Cu和SO2，直到生成的粗銅含銅98.5%以上時(shí)吹煉的第二階段結(jié)束。
自1905年P(guān)eirce和Smith將P-S臥式側(cè)吹轉(zhuǎn)爐成功用于銅的吹煉以來，P-S轉(zhuǎn)爐吹煉在銅吹煉工藝中一直居于主導(dǎo)地位。P-S轉(zhuǎn)爐具有工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、富氧吹煉、設(shè)備大型化等優(yōu)點(diǎn)。但P-S轉(zhuǎn)爐吹煉過程為間歇式周期性作業(yè)，使煙氣量大且二氧化硫濃度波動(dòng)大，不利于制酸;吹煉過程的進(jìn)料和放渣作業(yè)造成二氧化硫煙氣逸散，操作環(huán)境惡劣，污染空氣[2,9]。隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格，以及熔煉技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的要求[3]。
(2)閃速吹煉法
閃速吹煉與閃速熔煉非常類似，也是一種密閉的工藝，取消了露天運(yùn)輸熔融冰銅物料，可以有效控制煙氣的逸出，滿足環(huán)境要求。閃速吹煉的基本流程是各種不同熔煉工藝生產(chǎn)的冰銅經(jīng)過水淬后，進(jìn)行干燥、磨碎，然后在閃速吹煉爐中用高濃度富氧空氣吹煉成粗銅。閃速吹煉爐采用富氧吹煉，煙氣量少，節(jié)約制酸成本;吹煉過程連續(xù)穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高;系統(tǒng)密閉，二氧化硫泄露少，符合環(huán)保要求;對(duì)熔煉階段要求低。閃速吹煉可以與閃速熔煉工藝聯(lián)用，構(gòu)成“雙閃法”，也可以用于處理其他熔煉工藝生產(chǎn)的冰銅。
雙閃法熔煉爐產(chǎn)出的銅硫需要水淬，再經(jīng)干燥和細(xì)磨，工序繁雜;每道工序均難以保證100%回收率，會(huì)產(chǎn)生部分機(jī)械損失;熱態(tài)高溫銅锍水淬物理熱幾乎全部損失，水淬后再干燥、破碎，增加人力和動(dòng)力的消耗。再加上爐內(nèi)大量水套，由冷卻水帶走熱量，熱能利用也不盡合理。
(3)澳斯麥特/艾薩吹煉
澳斯麥特/艾薩吹煉工藝屬于半連續(xù)工藝，單臺(tái)爐子進(jìn)行半連續(xù)吹煉可以直接取代幾臺(tái)P-S轉(zhuǎn)爐。采用富氧吹煉能夠提高粗銅產(chǎn)能，增加煙氣二氧化硫濃度，有利于制酸。澳斯麥特/艾薩連續(xù)吹煉工藝的潛在優(yōu)勢(shì)有生產(chǎn)率提高，粗銅中硫和其他有害雜質(zhì)含量低;可以處理固態(tài)或液態(tài)冰銅;可以連續(xù)生產(chǎn)粗銅，不用停爐加入熔劑或排放爐渣;爐子和煙氣系統(tǒng)密封良好，硫的捕集率高。但澳斯麥特/艾薩吹煉爐存在噴槍壽命短的問題。
(4)三菱法
三菱法連續(xù)煉銅由熔煉爐、渣貧化爐和吹煉爐組成，三者用溜槽聯(lián)接，構(gòu)成了連續(xù)煉銅。該法自1974年在日本直島冶煉廠投入工業(yè)生產(chǎn)以來，在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷完善和改進(jìn)。三菱法熔煉爐通過頂吹噴槍將精礦和熔劑噴入爐內(nèi)，造成熔體激烈翻動(dòng)，形成較好的質(zhì)量和熱量交換。三菱吹煉爐需要連續(xù)地注入冰銅，連續(xù)排放粗銅和爐渣，因此需要與三菱熔煉爐、氧化電爐連在一起使用，且第一道工序的熔煉爐需要配置在較高的樓層位置，建筑成本高。三臺(tái)爐子相互制約，設(shè)備不便靈活控制，一旦某一處失調(diào)，就容易發(fā)生生產(chǎn)混亂。
采用三菱連續(xù)煉銅法的有日本直島冶煉廠，加拿大梯明斯，韓國(guó)翁山，印尼Gresik，澳大利亞肯布拉港，印度Birla Copper，日本小名浜等。
(5)底吹吹煉
底吹吹煉技術(shù)是我國(guó)氧氣底吹連續(xù)煉銅法的一項(xiàng)重要技術(shù)，半工業(yè)試驗(yàn)證明了銅锍底吹連續(xù)吹煉工藝的可行性，目前已在豫光金鉛公司正式投產(chǎn)。與底吹熔煉類似，底吹吹煉爐也為臥式轉(zhuǎn)爐，富氧空氣直接吹入粗銅層，未出現(xiàn)粗銅過氧化和耐火材料明顯侵蝕的現(xiàn)象。且底吹爐和氧槍的壽命較長(zhǎng)，在一年左右。
底吹連續(xù)煉銅的特點(diǎn)：工藝流程短，投資少，原料適應(yīng)性強(qiáng)，操作環(huán)境好，勞動(dòng)強(qiáng)度低，冶煉能耗低，富氧濃度高，自熱程度高，散熱少，冶煉采用高的Fe/SiO2比，渣量少，冶煉過程不易產(chǎn)生泡沫渣，操作安全。吹煉熱強(qiáng)度高，可以處理垃圾料，降低生產(chǎn)成本。爐子密閉性好，無SO2低空污染，環(huán)保條件好。
4. 結(jié)論
當(dāng)前火法煉銅造锍熔煉階段普遍采用閃速熔煉和熔池熔煉工藝，這兩種工藝在冶煉強(qiáng)度、入爐原料、能耗、操作等方面各有優(yōu)勢(shì)和不足。吹煉工藝除了傳統(tǒng)的P-S轉(zhuǎn)爐吹煉外，越來越多的連續(xù)吹煉工藝被開發(fā)和采用。從環(huán)保、節(jié)能和生產(chǎn)效率等方面來看，強(qiáng)化冶煉、富氧噴吹和連續(xù)煉銅是未來的發(fā)展趨勢(shì)。
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“火法煉銅技術(shù)方法概述” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請(qǐng)聯(lián)系該技術(shù)所有人。
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：東北大學(xué)
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