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文章推荐 | 周俊. 铜冶炼工艺技术的进展与我国铜冶炼厂的技术升级

文章推荐 | 周俊. 铜冶炼工艺技术的进展与我国铜冶炼厂的技术升级

摘  要


20世纪70年代以来世界铜冶炼工艺技术发展很快,出现了很多新工艺并应用于工业生产;20世纪90年代开始我国老的铜冶炼厂均先后进行了技术升级改造,进入21世纪后又建设了很多新的铜冶炼厂,均采用先进冶炼工艺;2008年以后国内自主开发的铜冶炼新工艺得到迅速推广应用。综述了世界铜精矿熔炼和铜锍吹炼的技术进展,回顾了我国铜冶炼厂技术升级的历程,总结了我国铜冶炼厂冶炼工艺选择的经验,对我国铜冶炼项目的冶炼工艺选择提出了建议。

关键词



铜冶炼工艺;熔炼;吹炼;闪速熔炼;熔池熔炼;连续吹炼;技术改造


思维导图


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从硫化铜精矿生产金属铜(粗铜)一般需要经过熔炼和吹炼两个工序。反射炉、鼓风炉、电炉等传统熔炼工艺的熔炼强度和生产能力低、能耗高、环境污染严重,难以适应市场竞争和环保的要求;20世纪初开始应用的PS转炉工艺一直是铜锍吹炼的主导工艺,但其周期性作业的特点造成SO2低空污染难以控制。因此,20世纪70年代以后,以富氧熔炼为特征的现代强化熔炼工艺纷纷实现了工业化,包括闪速熔炼和熔池熔炼工艺,逐步替代了传统熔炼工艺;冶金工作者一直致力于开发应用新的连续吹炼工艺替代PS转炉工艺,20世纪90年代以后,连续吹炼工艺的工业化应用有了突破性进展。

20世纪90年代以前,除了贵溪冶炼厂从日本全套引进的闪速熔炼工艺外,我国铜冶炼厂的熔炼工艺都是落后的传统熔炼工艺,生产规模小,能耗是国际先进冶炼工艺的几倍(1989年粗铜能耗达到1.1 t标煤),硫的捕集率普遍不到60%,环境污染严重。1988年全国有粗铜冶炼厂12个,粗铜总产能36.8万 t,其中7个重点粗铜冶炼厂的产能占全国的90%以上,包括贵溪冶炼厂、沈阳冶炼厂、中条山有色、铜陵有色、云南冶炼厂、大冶有色、白银有色。 在2005年山东阳谷祥光铜业有限公司引进闪速吹炼工艺之前,我国的铜锍吹炼工艺以PS转炉为主,还有很多落后的反射炉吹炼工艺(连吹炉),而PS转炉大都是100 t以下的小转炉,机械化、自动化程度低,劳动强度大,作业方式落后,环保设施不全,低空污染严重。

1985年12月贵溪冶炼厂的投产标志着我国铜冶炼工艺技术升级的开始,20世纪90年代开始各铜冶炼厂先后进行了技术改造,用现代强化熔炼工艺替代传统熔炼工艺,部分冶炼厂采用连续吹炼工艺替代PS转炉工艺。随着经济的发展,我国精炼铜消费量逐年大幅增长,进入21世纪后建设了很多新的铜冶炼厂,均采用先进的强化冶炼工艺。近几年国内自主研发的先进熔池熔炼工艺和连续吹炼工艺也投入了工业生产。我国铜冶炼工艺技术升级走过了从引进技术到消化吸收再创新,再到国内自主研发应用先进冶炼工艺的历程,使我国的铜冶炼技术整体上达到了世界先进水平。

本文综述了世界铜精矿熔炼和铜锍吹炼的技术现状和进展,回顾了我国铜冶炼工艺技术升级的历程,分析总结了我国铜冶炼工艺技术升级的经验,对铜冶炼项目冶炼工艺的选择提出了建议。
1 世界铜冶炼工艺技术的进展
1.1 铜精矿熔炼工艺技术的进展

鉴于传统熔炼工艺存在的诸多问题,20世纪70年代开始世界各地纷纷开发应用新的现代强化熔炼工艺取代传统熔炼工艺,强化熔炼工艺应用最多的是奥托昆普闪速熔炼,目前占世界矿铜产量的50%左右,其次为TSL熔炼(艾萨/奥斯麦特)、三菱熔炼;氧气底吹熔炼是完全由我国自主开发的强化熔炼工艺,富氧双侧吹熔炼是在瓦纽科夫熔炼的基础上由我国自主开发的新工艺,这两个新工艺2008年投入工业应用以来发展迅速,技术逐渐成熟;白银熔炼1980年投产后,发展缓慢,直到2005年后在提高富氧浓度和产能、提高炉寿命等方面开展了一些研发工作,年产能逐步提高到20万t矿铜;特尼恩特熔炼、诺兰达熔炼由于送风氧浓低、炉寿命短、硫捕集率低等原因,已属淘汰工艺;因柯闪速熔炼、Contop熔炼、瓦纽科夫熔炼、倾动连续熔炼等,工艺技术没有太大的发展,没有得到推广应用。目前国内应用的国外技术主要是奥托昆普闪速熔炼和TSL熔炼,尚没有一套三菱熔炼系统。

1.1.1 奥托昆普闪速熔炼工艺技术的进展

第一台奥托昆普闪速炉于1949年在芬兰投产,至今已70年,其工艺和设备技术不断地创新发展,主要体现在:

●高浓度富氧熔炼,单炉产能高。采用常温高浓度富氧熔炼,富氧浓度可以达到80%以上,甚至超过90%,单炉生产能力大幅提高,我国已有几套闪速熔炼系统初始设计年产能超过40万t矿铜。世界各地大部分闪速冶炼厂都进行了扩产改造,同一台闪速炉的生产能力可以提高到原设计能力的3倍以上;闪速炉对原料的适应性发生了根本性的变化,能够处理各种品质的硫化铜、氧化铜精矿和铜锍等,产出任意品位的铜锍甚至是粗铜;燃料消耗显著降低,多数闪速炉都可以在自热状态下运行,单位生产成本大幅降低;烟气量大大降低,排烟和制酸的工程建设投资和运行成本明显降低。

●硫化铜精矿一步炼铜。奥托昆普闪速熔炼工艺是目前唯一工业化的硫化铜精矿一步炼铜工艺,已设计6台,投产5台,目前有4台在生产。

●关键设备的开发及应用。适应高强度熔炼的炉体结构设计和冷却技术有了很大的改进,炉体寿命可达10年左右。精矿喷嘴技术不断地完善,精矿干燥与输送、装料系统等辅助系统的新技术不断地开发应用。
1.1.2 艾萨/奥斯麦特熔炼(TSL)工艺技术的进展
这两个工艺(“顶吹浸没式喷枪—TSL”熔炼)均起源于20世纪70年代澳大利亚John Floyd博士在CSIRO开发的Sirosmelt反应器。1992年8月首台工业艾萨炉在美国迈阿密冶炼厂投产,1999年首台工业奥斯麦特炉在我国的中条山侯马冶炼厂投入铜精矿冶炼。由于TSL工艺占地小、原料预处理简单,可以最大限度地利用老厂的原有设施,因此多数TSL炉都是因老冶炼厂的技术升级而建设的。

芒特艾萨冶炼厂1998年将冰铜品位提高到62%,2000年单台艾萨炉年处理铜精矿达到100万t;2002年将富氧浓度提高到60%以上。2005年投产的印度Sterlite冶炼厂精矿处理能力达到130万t,2007年投产的秘鲁南方铜业伊洛(Ilo)冶炼厂的精矿处理能力达到120万t。艾萨炉炉体没有水冷元件冷却,通过炉体温度的监测控制和操作温度、炉渣渣型的稳定,炉寿命可以达到3年以上。芒特艾萨厂的喷枪寿命一般3~4周,最长可以达到6~7周。

中国是应用TSL工艺最多的国家,奥斯麦特熔炼、奥斯麦特吹炼、奥斯麦特C3吹炼工艺的首次工业应用都在中国。云南铜业第一炉期稳定运行了28个月;对引进喷枪进行消化吸收和技术创新,实现了喷枪的国产化,喷枪寿命平均8.2 d;艾萨炉的作业率2006年达到94.1%,烟尘率1.37%,粗铜能耗0.493 kgce/t,全硫利用率96.34%,粗铜生产能力达到25万t,渣含铜0.71%。2010年投产的大冶冶炼厂奥斯麦特炉设计能力达到年处理120万t铜精矿。2009年由我国两家矿业公司在赞比亚建设投产的谦比希艾萨熔炼工艺,设计年产15万t粗铜,进行了集成化创新和全面的设备国产化,自主开发了“艾萨炉烟道粘结燃烧控制技术”、“艾萨炉分层排放技术”,投产3个月后就达到了设计产能。

1.1.3 三菱连续炼铜工艺技术的进展

1974年3月投产的日本直岛冶炼厂,1991年5月完成了技术改造,建成了年产铜20.4万t的三菱冶炼系统替代原有的三菱系统。各三菱法冶炼厂均通过提高送风氧浓以提高冶炼强度,实现冶炼系统的大幅扩产:直岛目前已达到27万t矿铜生产能力;Kidd Creek冶炼厂原设计6万t矿铜,1983年达到9万t,1993年达到12.5万t;温山冶炼厂原设计16万t矿铜,现已达到28万t;印尼的Gresik冶炼厂原设计20万t矿铜,现已达到30万t,送风氧浓已接近70%。

因为三台炉子彼此用溜槽相连,人们曾一度担心三台炉子相互制约,工艺不便灵活控制,但实际上,由于检测控制技术的进步,三菱炉的给料量、温度、喷枪的高度等关键操作条件均可以精确控制,生产操作稳定且易于掌握。直岛冶炼厂通过对喷枪和喷枪之间布料的改进,熔炼炉的寿命达到了4年;通过控制Fe3O4挂渣,优化侧壁铜水套的配置,吹炼炉的寿命也达到了4年。目前直岛、Gresik、温山三菱炉的作业率均在94%~95%。熔炼炉渣含Fe3O4很低,搅动后的炉渣流入电炉中得到很好的澄清分离,渣含铜较低,在铜锍品位68%的条件下,弃渣含铜仅0.6%~0.7%。能充分利用过程反应热处理冷料,不断降低能耗,直岛冶炼厂85%的电解残极加入C炉,大约70%以上的外购铜杂料在C炉处理,全部的废水处理中和渣经干燥后由C炉处理,约一半的水淬吹炼渣返回C炉处理。

虽然三菱连续炼铜工艺已经有很大的技术进展,工艺技术指标优良,产能也已经达到30万t,硫捕集率达到99.8%,但是三菱工艺的推广应用没有大的进展,目前4套在生产的系统中有3套属日本公司控股的冶炼厂,这可能与日本三菱公司的技术输出理念有关。
1.2 铜锍吹炼工艺技术的进展
1.2.1 PS转炉吹炼工艺的进展
PS转炉应用于铜锍吹炼至今已有100多年的历史,目前全世界90%的铜锍是由PS转炉吹炼的。由于其操作简单灵活、对入炉料的适应性强、能处理大量含铜冷料、粗铜质量好等优势,一直是矿产粗铜生产的标准工艺路线,是铜锍吹炼的主导工艺。PS转炉并不必然造成低空SO2污染,在环境敏感的日本和欧洲,铜锍吹炼也主要是PS转炉工艺,冶炼厂硫的捕集率也超过99.9%。

过去几十年,PS转炉越来越大,最大已达直径4.6 m、长19.7 m(美国San Manuel);目前国内PS转炉直径大都在4 m以上,最大4.6 m。大部分冶炼厂都采用了机械化捅风眼机,采用吹炼终点的自动监测判断技术(瑞典的Semtech)和吹炼过程的计算机控制技术,作业环境大大改善,劳动强度降低。炉口和厂房集烟新技术的应用,消除了逸散烟气对环境的污染。操作技术也不断进步,高铜锍品位吹炼大大提高了生产效率,稳定生产的铜锍品位一般都达到62%以上,最高67%;多数冶炼厂都采用富氧吹炼,最高氧浓29%;部分冶炼厂2H1B作业方式的送风时率稳定地达到92%,烟气接近于连续;3H2B作业方式大大提高了吹炼的作业效率,降低了投资和运行成本;通过操作管理和耐火材料质量的改善,风眼区寿命已经超过350炉。根据吹炼的热平衡调整铜锍品位、富氧浓度等,大量处理中间含铜物料(电解残极、包壳、烟尘、铜泥、精炼渣等)和外购低品质粗铜、杂铜、电子废料等,充分利用了熔体显热和过程反应热。

1.2.2 铜锍连续吹炼工艺的进展

尽管PS转炉吹炼工艺仍有一定的优势,目前及在可预见的将来仍然是铜锍吹炼的主导工艺,但是由于其周期性作业和熔体在炉子之间用包子和行车的倒运,造成SO2烟气低空逸散收集困难、烟气量大SO2浓度低且波动大、制酸系统投资和运行成本高等问题,人们一直在开发连续吹炼工艺替代PS转炉吹炼。

连续吹炼工艺的特征是:吹炼炉连续进料、连续排烟、工艺操作连续一致。为了控制粗铜含硫,连续吹炼工艺大多采用无铜锍的炉渣—粗铜两相操作,因而炉渣的氧化程度高,渣含铜和Fe3O4高,炉渣需要返回熔炼炉处理。为了提高吹炼的铜直收率,同时降低吹炼渣量以降低熔炼炉负荷,提高熔炼炉产能,必须提高吹炼的入炉铜锍品位。过低的铜锍品位还会使吹炼炉过热。因此,高铜锍品位是进行连续吹炼的前提条件之一,一般要求铜锍品位为68%以上。

三菱连续吹炼是第一个工业化的连续吹炼工艺,由于解决了电解残极等冷料的加入问题,能够很好地控制吹炼热平衡,入炉铜锍品位一般控制在68%,送风氧浓可以达到40%。奥斯麦特吹炼,包括C3工艺,都是半连续吹炼,作业方式与PS转炉相似。诺兰达连续吹炼工艺吹炼的是诺兰达炉产出的70%品位的液态和固态铜锍,连续地产出含硫很高的“半粗铜”,铜锍、半粗铜、粗铜、炉渣的输送都是用行车和包子,连续送风,氧浓30%左右,烟气连续进入酸厂制酸;半粗铜PS转炉吹炼的烟气则直接通过烟囱排放。风眼区寿命为3个月左右,每300天左右需要整炉大修。

澳大利亚Port Kembla冶炼厂1998年开始进行技术改造,用1台回转式保温炉和1台三菱吹炼炉(C炉)取代2台PS转炉。用诺兰达炉生产铜锍,排入钢包后用轨道车运到保温炉,以一定的流量将铜锍倒入C炉,粗铜由虹吸口排入回转式阳极炉。这是第一个与三菱熔炼炉脱开的C炉,2000年初投产,遇到很多工艺问题,经过18个月的试生产,到2001年9月作业率仅为65%,已停产。

美国肯尼科特公司1970年代末寻找取代PS转炉的工艺,提出了“固体铜锍氧气吹炼法”(SMOC法),与芬兰奥托昆普公司一起,在闪速炉一步炼铜工艺的基础上共同开发了闪速吹炼工艺,1995年7月在美国尤他冶炼厂首次投入工业生产,2005年引入中国。目前炉寿命已经超过5年,一个炉期的铜锍处理量超过230万t,粗铜产出量接近150万t;吹炼炉作业率月度超过99%,年平均超过96%。采用“双闪”工艺年产40万t粗铜,阴极铜能耗200 kgce/t左右,制酸电耗不到70 kWh/t(不含HRS回收热能),制酸能耗不到8 kgce/t,硫捕集率大于99.97%。经过20多年的运行和连续不断的改进,闪速吹炼工艺已十分成熟,环境指标、技术经济指标、操作运行等均优于其它连续吹炼工艺。

2 我国铜冶炼厂的工艺技术升级

我国铜冶炼厂的工艺技术升级到目前为止大致经历了3个阶段:

第一阶段:引进国外先进工艺技术对老冶炼厂进行技术改造

老冶炼厂的技术改造始于铜陵有色第一冶炼厂,与日本住友金属矿山合资,建设了金隆铜业10万t闪速冶炼工程,于1997年4月投产。之后各主要铜冶炼厂均进行了技术改造,以解决存在的环保和生产工艺落后、能耗和成本高的问题。

老冶炼厂的技术改造要求所选择的冶炼工艺能充分利用已有设施以降低投资,工艺条件要适合各冶炼厂原料和燃料的实际,就地改造、不停产或少停产以减少生产损失;工艺要成熟可靠且易于掌握,技术经济和环保指标要先进,机械化自动化水平要高。由于有这些要求,各冶炼厂在新熔炼工艺的选择上受到很大的制约,而且由于已有的设施设备与所选择的新工艺能力不尽匹配,一边生产一边改造又使新工艺的配置空间受到限制,造成工厂总图配置不尽合理,改造后遗留的问题较多,在国家环保日益严厉、市场成本竞争日益激烈的情况下,有些老冶炼厂又不得不再次进行技术升级改造。

老冶炼厂的改造除了铜陵一冶外,所选择的工艺都是熔池熔炼,2008年之前改造的老冶炼厂除大冶用诺兰达工艺外,其它都选择了TSL工艺,而大冶2010年最终还是停运了诺兰达工艺,又选择了奥斯麦特工艺。选择TSL工艺的主要原因是:炉体结构简单,占地小,便于配置,改造不影响生产,能有效利用已有的设施,对原料的适应性强,预处理简单,可以用廉价的煤做燃料。2008年以后改造的老冶炼厂大多选择国内开发的氧气底吹和富氧双侧吹工艺。

TSL工艺的送风氧浓受到喷枪寿命和炉寿命的限制,因而扩产潜力很小;稳定生产的铜锍品位一般低于60%,因而无法进行连续吹炼,且作业率较低。选择该工艺的冶炼厂大多面临再改造的需要,用更先进的工艺取代TSL工艺。铜陵一冶(金隆)选择的闪速熔炼工艺,同一台闪速炉经过多次扩产改造,年生产能力已由原设计的10万t矿铜提高到了35万t,且目前的能耗、回收率、作业率、成本等指标以及环保指标都很有竞争力,这说明了闪速熔炼工艺能够适应不断提高的市场竞争和环保要求,保持其工艺的先进性,是技术风险最小的熔炼工艺。

第二阶段:采用国内外先进工艺技术新建冶炼厂

1985年投产的贵溪冶炼厂是国内第一个采用国外先进工艺新建的铜冶炼厂。随着中国经济的快速增长,老冶炼厂技术升级改造、扩大产能已不能满足铜消费的需求,因此,自2007年8月阳谷祥光铜业投产后,国内又相继新建投产了很多铜冶炼厂,根据作者不完全统计,采用国外先进工艺新建的铜冶炼厂总能力达到了280万t矿铜(不含中原冶炼厂),采用国内开发的新工艺,即氧气底吹和富氧双侧吹工艺新建的铜冶炼厂总能力为203万t(含中原冶炼厂)目前国内还有一些大的铜冶炼项目正在规划或建设中,大多选择了氧气底吹或富氧双侧吹熔炼工艺,其产能比重还会进一步提高。

第三阶段:铜锍连续吹炼工艺的应用

在熔炼工艺技术升级的同时,铜锍吹炼工艺技术也在升级,连续吹炼工艺的引进、开发和应用在我国取得了突破性的进展。自阳谷祥光铜业在国内首次应用铜锍连续吹炼工艺并于2007年9月投产以来,国内又先后建设投产了4台闪速吹炼炉。与此同时,国内自主开发的连续吹炼工艺也实现了工业化,第一台氧气底吹连续吹炼炉于2014年3月在河南豫光金铅集团投产,第一台多枪顶吹连续吹炼炉2014年10月在赤峰云铜投产。目前已投产及2019年即将投产的连续吹炼铜冶炼厂设计产能达到了360万t,占统计的铜冶炼厂矿铜产能的47.2%,使我国成为世界上连续吹炼工艺产能比重最大的国家。随着连续吹炼工艺技术的不断完善以及国家环保控制的更加严厉,将有更多的新建项目或老厂改造项目选择连续吹炼工艺,其产能比重将进一步提高。毫无疑问,我国的铜锍吹炼技术已经进入世界最先进的技术行列。在连续吹炼总产能中,闪速吹炼为190万t,占52.8%,氧气底吹和多枪顶吹各80万t,各占22.2%。目前闪速吹炼单炉年产能多为40万t粗铜,实际产能还可以进一步提高;底吹吹炼单炉最大产能为10万t(不含东营方圆),多枪顶吹单炉最大产能为15万t,单炉产能30万t的广西南国铜业即将投产。

3 对我国铜冶炼厂工艺选择的建议

从20世纪90年代老冶炼厂改造开始,冶炼工艺的选择一直是热门话题,国内铜冶炼业界对选择闪速熔炼还是熔池熔炼,一直争议很大,但时至今日,老冶炼厂均已完成了技术升级改造,又新建了很多铜冶炼厂,因此在冶炼工艺选择上我们已经有很多经验和教训可以总结借鉴。作者认为,冶炼工艺的选择应该从项目的战略定位出发,综合考虑设计规模、原料特性、建设条件(当地自然条件、人员素质、能源价格等),重点比较工艺的成熟可靠性(运行业绩,达产速度,成本效益)、技术先进性(安全、环保、能耗、成本、自动化程度与劳动强度、职业卫生、技术经济指标)、生产能力和扩产潜力、工艺的灵活性(原料、燃料、操作、单炉产能等),选择最适合的工艺。

3.1 熔炼工艺的选择

20世纪90年代我国铜冶炼厂技术改造在选择熔炼工艺时,大多认为闪速熔炼不能利用已有设施,投资高,生产成本高,对原料的适应性差等,因而除铜陵一冶外,均选择了熔池熔炼工艺。2008年之前可供选择的熔池熔炼工艺包括三菱法、TSL熔炼、瓦纽科夫法、诺兰达熔炼、特尼恩特熔炼、白银法、水口山法。三菱连续熔炼虽然有较好的工艺性能,但日本三菱公司对技术推广应用的兴致不高,国内冶炼厂对三菱工艺的了解很有限;20世纪90年代国内有很多代表团考察了瓦纽科夫法,但该法当时在苏联运行状况不佳;特尼恩特熔炼的精矿需要深度干燥,流程长,富氧浓度低,硫捕集率不到90%;水口山法没有工业实践,白银法没有大规模的生产实践,产能低,指标有待进一步改善,因而没有冶炼厂选择这些工艺。根据当时的技术发展水平,2008年之前大冶选择了诺兰达熔炼,其他冶炼厂均选择了TSL熔炼进行技术升级改造。

TSL熔炼工艺送风氧浓目前最高为62%,稳定生产的最高铜锍品位为62%,一般低于60%;熔炼产出的炉渣—铜锍熔体需要澄清炉,采用回转式澄清炉,渣含铜高(芒特艾萨厂达2%~3%),采用电炉澄清,电耗高,渣含铜较高,达到0.8%以上。因此,2008年以后国内出现了氧气底吹和富氧双侧吹熔炼以后,TSL工艺的优势已经不明显,有被更先进工艺取代的趋势。

奥托昆普闪速熔炼工艺虽然工业应用已经70年,但由于该技术适应时代的要求不断地创新发展,目前仍然是成熟的先进可靠的技术。闪速熔炼的自动化程度高,环保易控制;单套系统产能大,后续扩产的潜力大,高产能下的单位投资、单位能耗、运行成本低,规模效益明显;烟气量小,含水低,设备腐蚀小,烟气SO2浓度高,制酸成本低;炉寿命长,系统作业率高。这些优势使其特别适合产能大(大于30万t)、以进口原料为主的项目。目前,闪速熔炼的关键设备,如精矿喷嘴、干矿计量装入系统、冷却元件、精矿干燥机、余热锅炉等技术全部国产化,中原冶炼厂的闪速吹炼系统、东南铜业的“双闪”项目已完全依托于国内技术设计、建设,完全摆脱了对国外技术的依赖。因此,闪速熔炼工艺仍然值得国内新建铜冶炼厂或老厂改造项目选择,技术经济的风险小。

富氧双侧吹熔炼工艺起源于瓦纽科夫熔炼工艺,工艺原理相同,炉型相似。高浓度富氧空气通过风口吹入炉渣层形成泡沫层,铜精矿加入该泡沫层发生气—固—液三相反应,强烈的搅拌强化了过程的传热传质,送风氧浓可以高至90%,熔炼强度高,单位生产能力大;加入的铜精矿对炉渣进行还原、硫化、洗涤,炉渣含铜和Fe3O4低,操作上可以控制很高的炉渣Fe/SiO2(可至2以上);烟尘率不到2%,作业率超过99%;该工艺对原料的适应性强,不需要预处理直接入炉,可以处理复杂原料,可以使用焦粉或碎煤做燃料;铜锍品位可以达到75%,因而能够很好地与任何连续吹炼工艺相匹配运行。由于铜精矿用皮带直接入炉,没有TSL炉的喷枪,炉体小,因而熔炼厂房结构简单,仅为TSL厂房的一半高度,投资低;工艺成熟,有几家冶炼厂投产后一周内即可达到设计产能,且能稳定运行。虽然目前最大年产能仅有15万t粗铜,30万t的熔炼炉尚未投产,但从冶金炉结构和现有熔炼炉运行经验看,30万t以上产能的熔炼炉运行不应该存在技术风险。

氧气底吹熔炼工艺是完全由国内自主开发应用的新工艺,由于富氧空气从底部送入,通过铜锍层传递来氧化铜精矿完成熔炼过程,理论的渣含Fe3O4低,熔炼强度大;由于炉体没有水冷,操作上控制较低的熔体温度(炉渣温度不到1200 ℃),热效率高,能耗低,炉寿命可达3年,喷枪寿命可达半年;原料适应性强,不需要预处理,可处理复杂原料。目前最大产能已经达到年处理150万t铜精矿,稳定运行的铜锍品位可以达到70%以上,因而可以与连续吹炼工艺匹配运行。氧气底吹工艺工业生产时间虽不长,但已比较成熟,新投产的熔炼炉在很短的时间内即可在设计投料量下稳定运行,因此在世界铜冶炼行业受到很大的关注。虽然该工艺还存在送风压力高、炉口漏风大、加料口粘结、渣含铜高、扩产潜力受限等不足,对于新建和改造的、设计能力不超过30万t的冶炼厂,氧气底吹工艺是一个很好的选择。

由于三菱熔炼的特点,熔炼过程在铜锍相中完成,因而在铜锍品位很高的条件下,渣含铜和Fe3O4低,烟尘率低;由于无包子和行车,逸散烟气少,烟气SO2浓度高,硫捕集率高;单套系统生产能力达到30万t,有一定的规模效益;熔炼和吹炼的富氧浓度较高,烟气连续,制酸成本低;中间物料能回炉处理,热利用率高;工艺控制简单;车间配置紧凑,占地小。虽然三菱熔炼还存在喷枪系统复杂、送风压力高、粗铜含硫高、熔体溜槽长(有热、气逸散)等问题,但是三菱连续炼铜工艺从工艺性能、技术经济指标、环保、操作控制等方面都有较大的优势,对于新建冶炼厂如果有三菱公司的技术支持,三菱工艺是不错的选择。

3.2 铜锍吹炼工艺的选择

PS转炉工艺成熟可靠,设备和操作简单,自热吹炼,能够利用剩余热量处理工厂的含铜中间物料(粗铜壳、残阳极、烟尘、冷冰铜等),还能处理外购的冷杂铜,生产成本低,除杂能力强,粗铜质量好,工艺控制灵活。对于外购粗铜、铜锍及其它含铜物料供应充足的项目,选择PS转炉工艺仍然有其合理性。但是,由于PS转炉低空逸散烟气收集处理困难,采用连续吹炼工艺取代PS转炉工艺是铜锍吹炼工艺的发展趋势。

奥斯麦特熔炼—奥斯麦特吹炼工艺,无论是侯马冶炼厂的熔体铜锍吹炼,还是云锡公司的固体铜锍吹炼,由于其都是按炉次周期性地进行进料造渣、氧化造铜、放铜排渣作业,加料不连续、吹炼作业不连续、烟气不连续,因此都不能算是连续吹炼。吹炼的不同作业期烟气量和SO2浓度波动大,SO2浓度低,制酸困难,投资和运行成本高;需要加煤补充热量,能耗高;由于熔炼炉提供的铜锍品位低(小于60%),渣含铜高(16%~18%)、渣量大,因而直收率低(80%左右),因过热而不能采用富氧或高浓度富氧吹炼,生产能力低;喷枪寿命短,作业率低。与PS转炉工艺相比,仅是取消了铜锍用包子和行车输送,但工艺控制更复杂,因此用奥斯麦特吹炼取代PS转炉吹炼很难说是一个工艺技术的进步。

氧气底吹吹炼工业应用的时间还很短,生产能力目前最大为10万t粗铜(东营方圆的两步炼铜除外),存在氧枪寿命短、更换氧枪困难、作业率低、冷料加入困难、送风氧浓低、粗铜含硫高等问题,氧气底吹吹炼工艺尚需不断完善。

多枪顶吹吹炼炉源于三菱C炉,其工艺原理、炉渣渣型与三菱C炉相同,炉型结构相似。三菱吹炼的铜锍品位为68%,送风氧浓为32%~40%。而多枪顶吹吹炼的铜锍品位为75%,对熔炼炉操作控制要求更高,需要特别防止熔炼作业出现泡沫渣事故。由于冷料加入困难,仅能处理电解残极,因而吹炼的热平衡受限,送风氧浓难以提高,目前仅为27%。由于国内已有多枪顶吹连续吹炼成熟的操作经验,三菱C炉已有40多年的运行业绩,目前的最大产能已达30万t粗铜,因此,多枪顶吹连续吹炼工艺经过后续的不断完善,是很有前景的连续吹炼工艺。

闪速吹炼工艺是在闪速炉一步炼铜工艺的基础上开发应用的连续吹炼工艺,连续加料、连续送风、连续排烟。从1995年首次工业应用以来,特别是在中国几个大型冶炼厂的应用,通过工艺、设备的不断改进,该工艺已经非常成熟可靠。闪速吹炼采用固体铜锍高浓度富氧吹炼,烟气量小,烟气连续稳定,SO2浓度高,为烟气制酸创造了很好的条件,制酸的电耗和单位能耗是其他连续吹炼工艺无法比拟的;固体铜锍吹炼可以将熔炼和吹炼在时间和空间上分开,不再相互制约,为高作业率创造了条件,可以与任何能够生产高品位铜锍的熔炼工艺相匹配生产,如氧气底吹、富氧双侧吹等;炉体密闭性好,环保条件好,“双闪”工艺硫的捕集率超过99.9%;闪速吹炼炉的单炉产能大,目前年生产能力已经达到45万t粗铜,还有进一步提高的潜力,特别适合大规模生产。对于30万t以上产能的冶炼厂,采用闪速吹炼工艺的单位投资和单位成本低,具有一定的投资和成本优势。

4 结语

随着铜冶炼工艺技术的不断进步和我国铜消费量的增长,我国铜冶炼厂完成了冶炼工艺技术的升级,铜精矿熔炼和铜锍吹炼工艺技术均达到了世界先进水平。进入21世纪后,我国铜冶炼厂对国外引进技术进行了再创新,实现了核心工艺和设备技术的国产化,基本摆脱了对国外技术的依赖;国内自主开发的铜冶炼工艺技术广泛应用,产能比重上升很快,并有望在短期内超过国外引进技术的产能比重;我国铜锍连续吹炼工艺的产能比重已接近一半,并还在进一步提高。目前我国在运行的铜精矿熔炼工艺有闪速熔炼、氧气底吹熔炼、富氧双侧吹熔炼、白银法熔炼、TSL熔炼,在运行的铜锍吹炼工艺有PS转炉吹炼、闪速吹炼、氧气底吹吹炼、多枪顶吹吹炼工艺。在这些工艺中,闪速熔炼、氧气底吹、富氧双侧吹熔炼和连续吹炼工艺将成为新的铜冶炼项目的优先选择工艺,而随着这些工艺在我国的应用和工艺技术水平的不断提高,我国铜冶炼厂必将引领世界铜冶炼工艺技术的进步。


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