火法炼铜技术方法概述

2951 编辑：中冶有色技术网来源：东北大学

2023-06-07 14:23:07

1. 概述

近年来，世界铜冶炼技术工艺有了长足的发展。目前，世界上80%以上的铜是通过火法冶炼工艺生产的。特别是硫化铜矿，基本上全是用火法处理。火法处理硫化铜矿的主要优点是硫化精矿在反应过程可以充当燃料;在高温下反应过程的效率高，冶炼速度快，能充分利用硫化矿中的硫;产能高，生产过程中金属富集程度高，适应大规模工业生产要求等[1]。火法炼铜工艺主要包含下述四个环节：铜精矿的造锍熔炼—铜锍吹炼成粗铜—粗铜火法精炼—阳极铜电解精炼[2]。其中相比于前两个环节，粗铜火法精炼和阳极铜电解精炼所用工艺和设备比较单一，本文重点介绍熔炼和吹炼工艺。

2. 熔炼工艺

传统的造锍熔炼工艺包括鼓风炉、反射炉和电炉熔炼，氧化脱硫程度很低，用空气作氧化剂，生成低品位冰铜，熔化所需的热少部分利用氧化反应热，大部分需要额外加热，产生的烟气量大而SO2浓度低，不利于制酸[3]。目前世界上铜冶炼厂使用的主要造锍熔炼工艺为闪速熔炼和熔池熔炼。闪速熔炼工艺中，经干燥后的铜精矿与熔剂充分混合，通过精矿喷嘴与富氧空气一起喷入炉内。在高温环境下，呈悬浮状态的铜精矿，迅速完成物理化学反应，生成的冰铜和炉渣落入沉淀池中澄清、分离。在熔池熔炼工艺中，精矿被抛到熔体的表面或者被喷入熔体内，通常向熔池中喷入氧气和氮气使熔池发生剧烈搅拌，精矿颗粒被液体包围迅速融化。因此能够产生维持熔炼作业所需的大部分热量，使含有氧气的气泡和包裹硫化铜/铁的溶液发生质量传递。熔池熔炼法按鼓风位置的不同可以分为顶吹，侧吹，底吹三种类型。

(1)闪速熔炼

闪速熔炼是现代火法炼铜的主要方法。它克服了传统方法未能充分利用粉状精矿的巨大表面积、将焙烧和熔炼分阶段进行的缺点，从而大大减少了能源消耗，提高了硫的利用率，改善了环境。

闪速熔炼法有奥托昆普炉、Inco炉和Contop炉三种，自1949年第一座芬兰奥托昆普闪速炉诞生至今，闪速熔炼技术得到了长足的发展[4]。目前世界上有49座正在运行的闪速炉，闪速熔炼法生产能力占到世界粗铜冶炼能力的50%以上。闪速炉不仅作为主要的熔炼设备，而且也已开始逐步取代传统的P-S转炉作为连续吹炼的设备。熔炼强度高，单台产能可达40万吨/a阳极铜。环保条件好，自动化程度高。但闪速熔炼法也存在明显的缺点：对原料适应性差，备料复杂，投资大;熔剂和原料先进行磨细再进行深度干燥，需额外消耗能源这不尽合理;专利费昂贵。

世界上产量前20的铜冶炼企业有一半都采用了闪速熔炼工艺，比如国内的江铜贵溪冶炼厂和铜陵金隆公司都采用闪速熔炼，山东祥光铜业公司采用双闪(闪速熔炼+闪速吹炼)铜冶炼工艺。印度的Birla Copper，德国Aurubis公司的Hamburg，日本的Besshi/Ehime、Saganoseki/Oita，智利的Codelco Norte等也都采用了闪速熔炼工艺[5]。

(2)澳斯麦特/艾萨熔炼法

澳斯麦特熔炼法与艾萨熔炼法是20世纪70年代由澳大利亚联邦科学工业研究组织(CSIRO)矿业工程部的研究小组发明的，两者的基础都是“赛洛”喷枪浸没熔炼工艺，具有共同的祖先。拥有喷枪技术的这两家公司，按各自的优势和方向，延伸并提高了该项技术，形成了各具特点的澳斯麦特法和艾萨法。澳斯麦特/艾萨法与其他熔池熔炼一样，都是在熔池内熔体-炉料-气体之间造成强烈搅拌与混合，强化热量传递、质量传递和化学反应速率，以便在燃料需求和生产能力方面产生较高的经济效益[6]。

澳斯麦特/艾萨法属于顶吹浸没式固定炉床，喷枪竖直浸没在熔渣层中，炉身为圆柱体，炉底为球缺形或反拱型。喷枪结构较为特殊，炉子尺寸比较紧凑，整体设备简单，工艺流程和操作不复杂，投资与操作费用相对低。然而，近几年未有新的推广应用。顶吹氧枪较长，需要建设高大的厂房，建设成本高。且氧枪寿命短，氧枪3至14天更换一次，消耗大。

中条山有色金属公司侯马冶炼厂是世界上首家采用澳斯麦特炼铜技术的工厂，拥有一台澳斯麦特熔炼炉和澳斯麦特吹炼炉[7]。云南铜业股份有限公司采用艾萨熔炼技术，山西华铜铜业有限公司是典型的澳斯麦特工艺冶炼厂，熔炼和吹炼都是采用澳斯麦特炉。铜陵有色金属公司金昌冶炼厂于2003年采用澳斯麦特熔炼工艺取代了原有的密闭鼓风炉熔炼工艺。印度的Sterlite Smelter，秘鲁的Ilo Smelter都采用艾萨熔炼法。

(3)诺兰达法

诺兰达熔炼工艺是由加拿大诺兰达矿业公司发明的，1964年在魁北克诺兰达研究中心开始进行诺兰达熔炼工艺的研究。1973年建成第一座诺兰达工业炉，将精矿直接熔炼成粗铜。后由于直接生产粗铜导致炉寿低和粗铜杂质含量高等原因，改为生产高品位铜锍。诺兰达炉属于浸没侧吹转炉熔池熔炼工艺，精矿、燃料、熔剂等通过抛料机从炉头抛入炉内，富氧空气从炉子一侧的一排风口鼓入。炉内空间分为熔炼区和沉降区，高品位铜锍从沉降区的铜锍口放出。

诺兰达熔炼法自热程度高，能耗低，与闪速熔炼相当;烟气中SO2浓度高，可以制酸，硫的利用率高达96%;对原料适应性强，可以处理粉矿、块矿、废杂铜等。

采用诺兰达熔炼技术的有我国的大冶有色金属公司，智利的Altonorte，加拿大霍恩冶炼厂，美国肯尼科特矿物公司犹他冶炼厂，澳大利亚南方铜冶炼厂等[8]。

(4)特尼恩特法

特尼恩特熔炼技术是由智利国家铜公司特尼恩特分公司开发出的一种熔池熔炼技术，1977年工业化取得成功。特尼恩特炉为浸没式侧吹卧式转炉，类似P-S转炉和诺兰达炉，但比P-S转炉长得多，有风口区和沉淀区。一部分湿精矿和熔剂从炉子一端加料口加入，一部分干精矿通过特殊的风口喷入炉内熔池中，通过调节鼓风含氧量，能够达到自热熔炼。

特尼恩特法在智利的Codelco Norte、El Teniente ，赞比亚、秘鲁、墨西哥和泰国等国都有应用。

(5)瓦纽科夫法

瓦纽科夫法是来自俄罗斯的一种侧吹式熔池熔炼方法，1982年正式建成投产。该方法是一种喷吹乳化冶金新工艺，它以吹炼炉渣“乳浊液”为特点，熔炼和炉渣贫化都在同一个双室设备内完成，设备为固定炉床，横截面近似为矩形，熔炼区和贫化区上部由隔墙隔开，熔炼区两侧有风口喷吹富氧空气。在侧吹鼓泡乳化熔炼过程中有效抑制了磁性氧化铁的生成，加速了相凝聚与分离。对原料的适应性强，熔炼强度高，需要水套冷却。弃渣含铜低是其一大特点。

应用瓦纽科夫工艺的主要有俄罗斯的Norilsk，哈萨克斯坦也有应用。

(6)底吹法

底吹炼铜法由中国有色工程设计研究总院与山东东营方圆有色金属公司共同研发，又称“氧气底吹熔炼多金属捕集技术”，来源于水口山炼铜法。采用的熔炼设备为卧式底吹转炉，炉型类似于P-S转炉，富氧空气从炉底底部的两排氧枪内喷入熔体中，熔池搅拌强度很高，能够实现自热熔炼，无需额外的燃料加热，能耗低。原料的适应性强、无需干燥和制粒。适用于处理低品位、复杂、难处理的多金属矿料，含金银高的贵金属伴生矿，甚至垃圾矿料。由于采用底吹高速气体喷吹，没有风口堵塞问题，而且气泡分散均匀，气体利用率高。工艺流程短，配置简单，技术装备国内自主研发，投资费用低。

底吹炼铜法是一种新兴的炼铜技术，自2008年在山东方圆有色金属有限公司首次投产以来，陆续又有山东恒邦股份有限公司、包头华鼎铜业发展有限公司、垣曲冶炼厂、青海铜业、中原黄金冶炼厂、灵宝市金城冶金股份有限公司和梅州金雁铜业等公司相继采用，另外该技术还进军到国外市场，越南生权老街大龙冶炼厂就采用了底吹炼铜工艺。

3. 吹炼工艺

造硫过程完成了铜与绝大部分铁的分离，最后要除去铜锍中的铁和硫以及其他杂质，从而获得粗铜，还需要将铜锍进行吹炼。目前，铜锍的吹炼过程绝大多数是在P-S转炉内进行的。整个过程分为两个阶段，第一阶段，铜锍中的FeS与鼓入空气中的氧气发生强烈的氧化反应，生成FeO和SO2气体，FeO与加入的石英熔剂反应造渣，使硫中含铜量逐渐升高。炉渣与铜锍由于互溶度小且密度不同而分层分离。吹炼第二阶段，鼓入空气中的氧与Cu2S发生强烈的氧化反应，生成Cu2O和SO2，Cu2O又与未氧化的Cu2S反应生成金属Cu和SO2，直到生成的粗铜含铜98.5%以上时吹炼的第二阶段结束。

(1)P-S转炉吹炼

自1905年Peirce和Smith将P-S卧式侧吹转炉成功用于铜的吹炼以来，P-S转炉吹炼在铜吹炼工艺中一直居于主导地位。P-S转炉具有工艺简单、技术成熟、富氧吹炼、设备大型化等优点。但P-S转炉吹炼过程为间歇式周期性作业，使烟气量大且二氧化硫浓度波动大，不利于制酸;吹炼过程的进料和放渣作业造成二氧化硫烟气逸散，操作环境恶劣，污染空气[2,9]。随着环保要求日益严格，以及熔炼技术的发展，该技术已经无法满足当前的要求[3]。

(2)闪速吹炼法

闪速吹炼与闪速熔炼非常类似，也是一种密闭的工艺，取消了露天运输熔融冰铜物料，可以有效控制烟气的逸出，满足环境要求。闪速吹炼的基本流程是各种不同熔炼工艺生产的冰铜经过水淬后，进行干燥、磨碎，然后在闪速吹炼炉中用高浓度富氧空气吹炼成粗铜。闪速吹炼炉采用富氧吹炼，烟气量少，节约制酸成本;吹炼过程连续稳定，生产效率高;系统密闭，二氧化硫泄露少，符合环保要求;对熔炼阶段要求低。闪速吹炼可以与闪速熔炼工艺联用，构成“双闪法”，也可以用于处理其他熔炼工艺生产的冰铜。

双闪法熔炼炉产出的铜硫需要水淬，再经干燥和细磨，工序繁杂;每道工序均难以保证100%回收率，会产生部分机械损失;热态高温铜锍水淬物理热几乎全部损失，水淬后再干燥、破碎，增加人力和动力的消耗。再加上炉内大量水套，由冷却水带走热量，热能利用也不尽合理。

(3)澳斯麦特/艾萨吹炼

澳斯麦特/艾萨吹炼工艺属于半连续工艺，单台炉子进行半连续吹炼可以直接取代几台P-S转炉。采用富氧吹炼能够提高粗铜产能，增加烟气二氧化硫浓度，有利于制酸。澳斯麦特/艾萨连续吹炼工艺的潜在优势有生产率提高，粗铜中硫和其他有害杂质含量低;可以处理固态或液态冰铜;可以连续生产粗铜，不用停炉加入熔剂或排放炉渣;炉子和烟气系统密封良好，硫的捕集率高。但澳斯麦特/艾萨吹炼炉存在喷枪寿命短的问题。

(4)三菱法

三菱法连续炼铜由熔炼炉、渣贫化炉和吹炼炉组成，三者用溜槽联接，构成了连续炼铜。该法自1974年在日本直岛冶炼厂投入工业生产以来，在生产实践中不断完善和改进。三菱法熔炼炉通过顶吹喷枪将精矿和熔剂喷入炉内，造成熔体激烈翻动，形成较好的质量和热量交换。三菱吹炼炉需要连续地注入冰铜，连续排放粗铜和炉渣，因此需要与三菱熔炼炉、氧化电炉连在一起使用，且第一道工序的熔炼炉需要配置在较高的楼层位置，建筑成本高。三台炉子相互制约，设备不便灵活控制，一旦某一处失调，就容易发生生产混乱。

采用三菱连续炼铜法的有日本直岛冶炼厂，加拿大梯明斯，韩国翁山，印尼Gresik，澳大利亚肯布拉港，印度Birla Copper，日本小名浜等。

(5)底吹吹炼

底吹吹炼技术是我国氧气底吹连续炼铜法的一项重要技术，半工业试验证明了铜锍底吹连续吹炼工艺的可行性，目前已在豫光金铅公司正式投产。与底吹熔炼类似，底吹吹炼炉也为卧式转炉，富氧空气直接吹入粗铜层，未出现粗铜过氧化和耐火材料明显侵蚀的现象。且底吹炉和氧枪的寿命较长，在一年左右。

底吹连续炼铜的特点：工艺流程短，投资少，原料适应性强，操作环境好，劳动强度低，冶炼能耗低，富氧浓度高，自热程度高，散热少，冶炼采用高的Fe/SiO2比，渣量少，冶炼过程不易产生泡沫渣，操作安全。吹炼热强度高，可以处理垃圾料，降低生产成本。炉子密闭性好，无SO2低空污染，环保条件好。

4. 结论

当前火法炼铜造锍熔炼阶段普遍采用闪速熔炼和熔池熔炼工艺，这两种工艺在冶炼强度、入炉原料、能耗、操作等方面各有优势和不足。吹炼工艺除了传统的P-S转炉吹炼外，越来越多的连续吹炼工艺被开发和采用。从环保、节能和生产效率等方面来看，强化冶炼、富氧喷吹和连续炼铜是未来的发展趋势。

参考文献：

1. 彭荣秋.铜冶金[M]，长沙：中南大学出版社，2004，7

2. 周松林，葛哲令，中国铜冶炼技术进步与发展趋势[J]，中国有色冶金，2014，(5)：8-12,39

3. 陈立华，浅述铜冶炼技术发展方向及趋势[J]，有色矿冶，2010,26(5)：24-25

4. 关效民，浅谈冶金行业中火法炼铜的技术现状[J]，中国高新技术企业，2012，(18)：19-21

5. The World Copper Factbook 2014，International Copper Study Group(ICSG)