銅冶煉工藝與冶金爐綜述

王樹清

(金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院，甘肅 金昌 737100)

銅冶煉工藝與冶金爐綜述

王樹清

(金川鎳鈷研究設(shè)計(jì)院，甘肅 金昌 737100)

從銅原料、煉銅工藝、煉銅冶金爐等方面進(jìn)行了總結(jié)，指出了閃速爐技術(shù)、頂吹爐技術(shù)和底吹爐技術(shù)為當(dāng)今世界上流行的三大銅冶煉技術(shù)。

銅冶金原料；熔煉；吹煉；冶金爐

1 銅冶金原料

人類從自然界中發(fā)現(xiàn)了200多種含銅礦物，除少量的自然銅以外，主要是原生硫化銅礦物和次生氧化銅礦物，常見的具有開采價(jià)值的銅礦物見表1。

表1 重要的銅礦物

硫化銅礦中常見的伴生金屬礦物主要是黃鐵礦、鎳黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦等，氧化銅礦中常見的伴生金屬礦物主要是褐鐵礦、赤鐵礦、菱鐵礦等，銅礦中常見的伴生脈石礦物主要是石英石、石灰石、方解石等。

銅冶金原料主要包括硫化銅礦、氧化銅礦、硫化銅精礦、再生銅等。從礦源講，目前世界上精銅的80%～90%產(chǎn)自硫化銅礦、10%～20%產(chǎn)自氧化銅礦。

2 銅冶金方法

銅的冶金方法概括起來可以分為火法煉銅和濕法煉銅(包括生物煉銅)。銅冶金工廠一般采用“組合”方法進(jìn)行銅的富集分離提純。

不同的銅原料所采取的冶金方法是不同的。高品位硫化銅礦與硫化銅精礦采用造锍熔煉為主，低品位硫化銅礦采用濕法方法，氧化銅礦采用還原造锍熔煉或濕法方法，再生銅主要采用火法處理。圖1為銅冶金的原則流程。

圖1 銅冶金原則流程

3 銅火法冶金工藝與冶金爐介紹

目前全球約有110個(gè)銅冶煉廠，絕大部分采用火法煉銅工藝?；鸱掋~包括造锍熔煉、銅锍吹煉、粗銅精煉等過程。造锍熔煉分傳統(tǒng)造锍熔煉和強(qiáng)化造锍熔煉兩類，強(qiáng)化造锍熔煉又分為閃速熔煉和熔池熔煉。

傳統(tǒng)造锍熔煉都有共同的不足之處：未能充分地利用精礦的巨大比表面積和硫化物的氧化反應(yīng)放熱。將富氧技術(shù)用于煉銅是銅冶煉工業(yè)的重大革命，強(qiáng)化造锍熔煉都使用了富氧技術(shù)。

閃速熔煉是使精礦粉粒懸浮在富氧風(fēng)中被氧化，在2～3 s內(nèi)完成爐料的分解、氧化和熔化等過程，進(jìn)而落到沉淀池中匯集，繼續(xù)完成爐渣和冰銅的最終形成過程。

熔池熔煉是向爐內(nèi)熔體吹入富氧風(fēng)使加入的物料在熔池中被氣體湍流包裹、攪動(dòng)，完成快速的傳熱傳質(zhì)和激烈的物理化學(xué)反應(yīng)過程。也就是使精礦在熔池中同時(shí)進(jìn)行加熱、熔化、氧化、造渣和產(chǎn)品聚集。

傳統(tǒng)造锍熔煉的設(shè)備有鼓風(fēng)爐、反射爐、電爐；閃速熔煉有奧托昆普閃速爐、因科閃速爐、金川合成爐；熔池熔煉有自熱熔煉爐、諾蘭達(dá)爐、特尼恩特爐、三菱爐、艾薩爐、奧斯麥特爐、瓦紐柯夫爐、白銀爐、底吹爐(水口山爐)。

銅锍吹煉有P- S轉(zhuǎn)爐、三菱爐、奧斯麥特爐、奧托昆普閃速爐、底吹爐。目前仍以P- S轉(zhuǎn)爐為主，但有向奧托昆普閃速爐和底吹爐傾斜的趨勢。

下面分別簡單介紹閃速熔煉和熔池熔煉方面的情況。

3.1 奧托昆普閃速爐

1949年第一座奧托昆普閃速爐誕生，截止1999年全球27個(gè)國家共建奧托昆普閃速爐49座，其中41座煉銅、7座煉鎳、1座煉鐵。

奧托昆普閃速熔煉是將經(jīng)過深度干燥至含水小于0.3%、-200目大于80%的精礦利用特殊的精礦噴嘴與富氧風(fēng)強(qiáng)混合后，以60～120 m/s的速度從反應(yīng)塔頂噴入1 450～1 550 ℃的反應(yīng)塔內(nèi)處于懸浮狀態(tài)，在2～3 s內(nèi)基本完成硫化物的加熱、分解、氧化、熔化、造渣等物理化學(xué)過程，熔融的锍、渣及未反應(yīng)的物料落入沉淀池內(nèi)繼續(xù)反應(yīng)并完成渣锍分離，爐渣進(jìn)入電爐貧化或選礦或直接選礦回收含銅硫化物，锍進(jìn)入下一道工序——吹煉，含塵煙氣通過沉淀池爐膛、上升煙道進(jìn)入余熱鍋爐回收熱量后再經(jīng)電收塵器捕集煙塵凈化送入制酸系統(tǒng)生產(chǎn)硫酸。

高投料量、高锍品位、高富氧濃度、高熱強(qiáng)度等“四高”技術(shù)是奧托昆普閃速熔煉技術(shù)發(fā)展的總趨勢。奧托昆普閃速爐示意圖見圖2。

圖2 奧托昆普閃速爐示意

3.2 因科閃速爐

1953年第一座因科閃速爐誕生，截止1999年全球共建煉銅因科閃速爐7座。因科閃速熔煉與奧托昆普閃速熔煉的最大區(qū)別是精礦、富氧風(fēng)從爐子的端部以40 m/s的速度噴入1 250 ℃的爐內(nèi)的。因科閃速爐示意圖見圖3。

圖3 因科閃速爐示意圖

3.3 金川合成爐

2005年建成投產(chǎn)的金川合成爐是在借鑒金川鎳閃速爐的基礎(chǔ)上發(fā)展用于煉銅的，金川合成爐與傳統(tǒng)奧托昆普閃速爐的最大區(qū)別是將傳統(tǒng)奧托昆閃速熔煉爐與爐渣貧化電爐“合成”后，使精礦熔煉與爐渣貧化在一個(gè)爐內(nèi)完成。金川合成爐示意圖見圖4。

圖4 金川合成爐示意圖

3.4 自熱熔煉爐

自熱熔煉爐即為氧氣頂吹熔煉爐，1986年北鎳公司建成投產(chǎn)處理硫化鎳銅礦石，1994年金川建成自熱熔煉爐投產(chǎn)處理二次銅精礦。

自熱熔煉爐示意圖見圖5。

1.中心套管 2.氧氣管 3.冷水進(jìn)入套管 4.冷卻水流出套管圖5 自熱熔煉爐示意圖

3.5 諾蘭達(dá)爐

1973年3月第一座諾蘭達(dá)工業(yè)爐建成投產(chǎn)，由于爐壽命低和粗銅雜質(zhì)含量高而改為產(chǎn)出冰銅，爐渣在渣包內(nèi)冷卻后進(jìn)行選礦回收含銅硫化物。諾蘭達(dá)爐示意圖見圖6。

圖6 諾蘭達(dá)爐示意圖

3.6 智利特尼恩特爐

1977年第一座特尼恩特爐投產(chǎn)成功。特尼恩特爐示意圖見圖7。

圖7 特尼恩特爐示意圖

3.7 三菱爐

三菱法是日本發(fā)明的連續(xù)煉銅工藝，將熔煉、吹煉、爐渣電爐貧化三臺(tái)爐子用溜槽連接，其中熔煉爐和吹煉爐均為三菱爐。1974年建成投產(chǎn)了第一座三菱法煉銅廠。三菱爐示意圖見圖8。

圖8 三菱法工藝配置示意圖

3.8 艾薩爐

艾薩熔煉法(ISASmelt)與澳斯麥特熔煉法(Ausmelt)統(tǒng)稱為頂吹噴槍浸沒熔煉，它是上個(gè)世紀(jì)70年代由澳大利亞的政府研究機(jī)構(gòu)“聯(lián)邦科學(xué)工業(yè)研究組織”(Commonwealth Scientific and lndustrial Research Organisation)礦業(yè)工程部伏羅伊德(J.M.Floyd)博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研究開發(fā)的，曾以該組織的縮寫CSIRO命名，稱“賽洛”熔煉法(SiroSmelt)。

1983年第一座示范規(guī)模的鉛ISA爐在Mount ISA投產(chǎn)，處理鉛精礦5～10 t/h，隨后該技術(shù)被用以處理銅精礦，1987年Mount ISA建立了銅精礦處理量10～20 t/h示范規(guī)模的銅ISA爐，1988年芒特艾薩注冊了ISASmelt技術(shù)，1989年被CSIRO授予轉(zhuǎn)讓權(quán)，開始出售基于試驗(yàn)成功的“賽洛”熔煉技術(shù)，即我們目前習(xí)慣稱之為的艾薩熔煉法。艾薩爐示意圖見圖9。

1.爐頂 2.加料裝置 3.隔墻 4.上升煙道 5.水套 6.風(fēng)口 7.帶溢流口的渣虹吸 8.渣虹吸臨界放出口 9.熔體快速放出口 10.水冷區(qū)底部端墻 11.爐缸 12.帶溢流口的銅鏡虹吸 13.銅鏡虹吸臨界放出口 14.余熱鍋爐 15.二次燃燒室 16.二次燃燒風(fēng)口圖11 瓦紐柯夫爐示意圖

圖9 艾薩爐示意圖

3.9 奧斯麥特爐

在1980年,“賽洛”熔煉研究工作的鼻祖Floyd博士離開原來的研究小組并建立了奧斯麥特公司，在已經(jīng)獲得專利的Sirosmelt噴槍的基礎(chǔ)上,繼續(xù)進(jìn)行一系列的應(yīng)用研究,并與CSIRO就該技術(shù)的所有權(quán)重新談判,最終申請(qǐng)取得執(zhí)照權(quán)被稱之為奧斯麥特熔煉法。奧斯麥特爐示意圖見圖10。

圖10 奧斯麥特爐示意圖

3.10 瓦紐柯夫爐

瓦紐柯夫工業(yè)爐于1985年建成投產(chǎn)。瓦紐柯夫爐示意圖見圖11、圖12。

1、2.燒嘴 3.加料口 4.煙道 5.虹吸口 6.隔墻 7.風(fēng)口圖12 哈薩克斯坦共和國Banxaiu的改良瓦紐柯夫- 巴古特爐示意圖

3.11 白銀爐

白銀煉銅法于1972年開始研究，1980年白銀爐取代反射爐，1985年進(jìn)行雙室白銀爐試驗(yàn)，1987年使用富氧風(fēng)。

白銀爐示意圖見圖13、圖14、圖15。

1.燃燒孔 2.沉淀區(qū)直升煙道 3.中部燃燒孔 4.加料孔 5.熔煉區(qū)直升煙道 6.隔墻 7.風(fēng)口 8.渣線水套 9.風(fēng)口水套 10.渣口 11.銅鏡口 12.內(nèi)虹吸池 13.轉(zhuǎn)爐渣返入口圖15 雙室白銀爐示意圖

1、2.燒嘴 3.加料口 4.煙道 5.虹吸口 6.隔墻 7.風(fēng)口圖13 白銀爐示意圖

1.燃燒孔 2.渣口 3.隔墻 4.中部燃燒孔 5.加料孔 6.銅鏡口 7.轉(zhuǎn)爐渣返入圖14 單室白銀爐示意圖

3.12 底吹爐(水口山爐)

底吹爐(水口山爐)煉銅法是由水口山煉鉛法擴(kuò)展而來的，1994年取得中國專利權(quán)并命名為水口山煉銅法，近幾年得到了迅速發(fā)展，稱之為底吹爐煉銅法。底吹爐(水口山爐)示意圖見圖16。

圖16 底吹爐(水口山爐)示意圖

4 銅熔煉爐相關(guān)情況對(duì)比

銅熔煉爐的相關(guān)情況對(duì)比分別見表2、表3、表4。

表2 銅熔煉爐對(duì)比

5 結(jié)語

通過以上綜合對(duì)比，目前世界上最先進(jìn)的火法煉銅工藝形成了三大主流：

一是以奧托昆普閃速爐為代表的閃速熔煉技術(shù)，其中又形成了三個(gè)分支：(1)傳統(tǒng)奧托昆普閃速爐熔煉，顯著的特點(diǎn)是工藝成熟；(2)“雙閃”工藝，顯著的特點(diǎn)是清潔環(huán)保；(3)金川合成爐，顯著的特點(diǎn)是直收率高，能耗更低、原料適應(yīng)性較強(qiáng)。

二是以艾薩和奧斯麥特為代表的艾薩爐熔煉技術(shù)，顯著的特點(diǎn)是原料不需深度干燥故原料適應(yīng)性強(qiáng)。

三是底吹熔煉與底吹吹煉技術(shù)，顯著的特點(diǎn)是原料不需深度干燥且可以實(shí)現(xiàn)熔煉與吹煉“熱連接”。

表3 銅熔煉爐對(duì)比

表4 銅熔煉爐對(duì)比

The Review of Copper Pyro-metallurgical Processes and Smelting Furnaces

WANG Shu-qing

This paper presents a review for the development of copper pyro-metallurgical processes, furnaces and raw material. The key processes of copper pyro-metallurgy are flash smelting, TSL and bottom blowing copper smelting.

copper smelting raw material； smelting process； converting process； smelting furnace

2015-01-26

王樹清(1964-)，男，湖南雙峰人，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事有色冶金專業(yè)技術(shù)工作。

TF821

B

1003-8884(2015)04-0004-07