淺析銅冶煉技術(shù)的創(chuàng)新

摘要:隨著世界銅冶煉工業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)銅冶煉技術(shù)的研究技術(shù)也不斷發(fā)展和創(chuàng)新。本文主要概述了銅冶煉技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，總結(jié)了銅熔煉、吹煉、火法精煉和電解精煉等技術(shù)方面的進(jìn)展。為推動(dòng)我國(guó)銅冶煉技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供一定參考。

????中國(guó)發(fā)現(xiàn)和使用銅的歷史年代久遠(yuǎn)，至今銅在電力、電子和機(jī)械等工業(yè)建設(shè)中發(fā)揮了巨大作用。目前我國(guó)的精煉銅產(chǎn)量已經(jīng)從20世紀(jì)80年代的100多萬(wàn)噸逐漸提升，但是銅消費(fèi)需求在一定程度上還是依賴進(jìn)口資源。這是由于我國(guó)銅工業(yè)存在的工藝落后、高污染和高能耗等問(wèn)題制約了其發(fā)展困。目前，世界上原生銅產(chǎn)量中80%用火法冶煉生產(chǎn)，約20%用濕法冶煉生產(chǎn)，火法煉銅用于處理硫化銅礦的各種銅精礦、廢雜銅，濕法煉銅通常用于處理氧化銅礦、低品位廢礦、坑內(nèi)殘礦和難選復(fù)合礦等。火法煉銅仍然是主要的煉銅方法，并占據(jù)了主導(dǎo)地位，這是由于火法煉銅工藝具有以下幾個(gè)特點(diǎn):第一、其能將硫化精礦作為燃料，于高溫條件下反應(yīng)效率較高;第二、依據(jù)工藝的化學(xué)平衡反應(yīng)來(lái)看，其是一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，能通過(guò)條件反應(yīng)溫度控制反應(yīng)過(guò)程;第三、產(chǎn)能高，能適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)需求，而且回收和富集貴金屬的效果好;第四、銅餾或粗銅與熔煉渣或吹煉渣易分離，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。近幾十年來(lái)，隨著世界工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，銅冶煉技術(shù)也不斷進(jìn)步，特別是銅的熔煉階段。

本文主要通過(guò)介紹銅冶煉過(guò)程中的熔煉、吹煉、火法精煉和電解精煉等關(guān)鍵階段，介紹了國(guó)內(nèi)外的銅冶煉技術(shù)的主要進(jìn)展。期望在我國(guó)銅冶煉工業(yè)在面對(duì)全球化的競(jìng)爭(zhēng)中，通過(guò)研發(fā)合適自己的冶煉技術(shù)，在降低工業(yè)成本的基礎(chǔ)上不斷提升銅的產(chǎn)量和質(zhì)量，增強(qiáng)我國(guó)的綜合國(guó)力。

1銅冶煉技術(shù)的主要發(fā)展和進(jìn)步

1.1銅熔煉技術(shù)

????熔煉是火法煉銅最重要的冶煉過(guò)程，傳統(tǒng)的熔煉工藝如鼓風(fēng)爐、反射爐和電爐熔煉由于其生產(chǎn)能力低、能耗高、操作環(huán)境惡劣、煙氣不利于回收制酸、環(huán)保壓力巨大等缺點(diǎn)，已逐漸被高效、節(jié)能和低污染的富氧強(qiáng)化熔煉所取代。富氧強(qiáng)化熔煉運(yùn)用富氧技術(shù)，強(qiáng)化熔煉過(guò)程，充分利用精礦氧化反應(yīng)熱量，在自熱或接近自熱的條件下進(jìn)行熔煉，產(chǎn)出高濃度的二氧化硫煙氣以便有效地回收硫，制造硫酸或其他硫產(chǎn)品，減少對(duì)環(huán)境的污染，節(jié)約能源，獲取良好的經(jīng)濟(jì)效益。富氧強(qiáng)化熔煉總體可歸為兩大類:一是閃速熔煉，如奧托昆普(outokumpu )、因科(INCO)等;另一類是熔池熔煉，包括諾蘭達(dá)法、特尼恩特法、艾薩法、澳斯麥特法、三菱法等。其中，熔池熔煉爐按鼓風(fēng)部位或風(fēng)口型式的不同，可劃分為浸沒(méi)頂吹式、浸沒(méi)側(cè)吹式、底吹式等。

????（1）閃速熔煉技術(shù)。閃速熔煉是將經(jīng)過(guò)深度脫水(含水小于0. 3%的粉狀精礦，在噴嘴中與空氣或氧氣混合后，以高速度噴入高溫的反應(yīng)塔內(nèi)，在懸浮狀態(tài)下，短時(shí)間完成硫化物的分解、氧化和熔化等的過(guò)程，熔融硫化物和氧化物的混合熔體落下到反應(yīng)塔底部的沉淀池中，匯集后繼續(xù)完成梳與爐渣的最終形成，并進(jìn)行沉清分離。爐渣在單獨(dú)的貧化爐或閃速爐內(nèi)貧化處理后再棄去。閃速熔煉克服了傳統(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)，爐料與氣體密切接觸，在懸浮狀態(tài)下與氣相進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)，大大減少了能源消耗，提高了硫利用率，改善了環(huán)境。

????(2)浸沒(méi)頂吹熔池熔煉技術(shù)。浸沒(méi)頂吹熔煉工藝是熔池熔煉的一種工藝，是在熔池內(nèi)將熔體護(hù)料汽體三相流體間造成的強(qiáng)烈攪拌與混合，大大強(qiáng)化熱能傳遞、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)的速率，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。其噴槍是豎直浸沒(méi)在熔渣層內(nèi)，噴槍結(jié)構(gòu)較為特殊，具有爐子尺寸比較緊湊，整體設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝流程和操作不復(fù)雜，投資相對(duì)低等特點(diǎn)。對(duì)比閃速熔煉，原料不需經(jīng)過(guò)特別處理，通過(guò)爐頂加料口加入爐內(nèi)，爐料呈自由落體落到熔池面上，被氣流攪動(dòng)卷起的熔體混合消融。浸沒(méi)頂吹熔煉的主要代表工藝為澳大利亞的澳斯麥特?zé)捜奂夹g(shù)和艾薩熔煉技術(shù)。

????世界上首家采用澳斯麥特?zé)掋~技術(shù)的工廠是某公司，其是在澳斯麥特?zé)捜蹮挔t和澳斯麥特?zé)挻禑挔t兩爐之間，設(shè)置沉淀池對(duì)冰銅和渣進(jìn)行分離，冰銅由溜槽進(jìn)入吹煉爐。該工程在投產(chǎn)初期具有爐體晃動(dòng)、耐火材料壽命、短渣含銅高等問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)技術(shù)工藝的發(fā)展和改進(jìn)，已經(jīng)能穩(wěn)定生產(chǎn)。艾薩熔煉與澳斯麥特熔煉原理基本相同，僅在噴槍和爐體機(jī)構(gòu)上有部分差異，我國(guó)的云南銅業(yè)股份有限公司是世界上第三家采用艾薩熔煉技術(shù)的工廠。

(3)國(guó)內(nèi)外其他銅熔煉技術(shù)。近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)加強(qiáng)，各銅工業(yè)工廠不斷開(kāi)展新溶液工藝的開(kāi)發(fā)，以尋找適合自己發(fā)展的工藝。除了閃速熔煉、浸沒(méi)頂吹熔池熔煉外，還有浸沒(méi)側(cè)吹熔煉工藝(諾蘭達(dá)爐、瓦紐科夫爐、白銀爐)、氧氣底吹熔煉等。我國(guó)也通過(guò)不斷改進(jìn)相關(guān)工藝技術(shù)來(lái)提高銅冶煉技術(shù)，如山東東營(yíng)方圓有色金屬公司同中國(guó)有色工程研究院共同研發(fā)的“氧氣底吹熔煉多金屬捕集技術(shù)”，內(nèi)蒙古金峰銅業(yè)和山西恒曲華盛冶金公司合作研發(fā)的金峰冶煉爐，其通過(guò)采用雙側(cè)多風(fēng)道側(cè)吹，反應(yīng)迅速，減少了熔煉過(guò)程中局部過(guò)氧化現(xiàn)象，降低了渣銅含量，棄渣含銅平均值在0. 15% ?

1.2冰銅吹煉技術(shù)

????吹煉是火法煉銅的第二道工序，其主要作用是脫除鐵和硫，降低雜質(zhì)，為煉制合格的、富集金銀等有價(jià)金屬的粗銅奠定基礎(chǔ)。

????(1)轉(zhuǎn)爐吹煉技術(shù)。所謂轉(zhuǎn)爐吹煉是指Peirce和Smith于吹煉爐中應(yīng)用堿性耐火材料作為內(nèi)襯，即我們所說(shuō)的PS轉(zhuǎn)爐吹煉。目前，國(guó)內(nèi)外吹煉的主要工藝還是PS轉(zhuǎn)爐技術(shù)，這是由于PS轉(zhuǎn)爐具有操作簡(jiǎn)單、能處理廢統(tǒng)和殘陽(yáng)極等難處理的材料等特點(diǎn)。我國(guó)的銅陵、云銅、大冶等大型銅冶煉工廠均有采用PS轉(zhuǎn)爐吹煉技術(shù)，相關(guān)的轉(zhuǎn)爐設(shè)備也在不斷擴(kuò)大，同時(shí)由于PS轉(zhuǎn)爐存在間斷操作能引起煙氣量波動(dòng)，爐口漏風(fēng)等問(wèn)題，不少工廠對(duì)PS轉(zhuǎn)爐技術(shù)都進(jìn)行自我改進(jìn)。如在轉(zhuǎn)爐采用高品位冰銅(63 %)的吹煉或富氧吹煉技術(shù)來(lái)強(qiáng)化吹煉過(guò)程，通過(guò)采用傘齒傳動(dòng)減速機(jī)、加強(qiáng)水冷煙罩的密封性能等一系列設(shè)備和技術(shù)操作方面的改進(jìn)。

(2)其他吹煉技術(shù)。隨著銅產(chǎn)量的不斷增加，轉(zhuǎn)爐設(shè)備逐漸大型化，且在轉(zhuǎn)爐操作和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了較大改動(dòng)，但由于轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程是間歇式的周期性作業(yè)，由此而引起的煙氣量波動(dòng)大、爐口漏風(fēng)、煙氣二氧化硫濃度低、不利于制酸、吊車頻繁作業(yè)、煙氣的低空污染等問(wèn)題依然是轉(zhuǎn)爐吹煉函待解決的問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，新的吹煉工藝和設(shè)備不斷地在研究和開(kāi)發(fā)，相繼出現(xiàn)了三菱法吹煉、閃速吹煉、氧氣頂吹等其他吹煉技術(shù)，開(kāi)始改變著傳統(tǒng)的P一轉(zhuǎn)爐的主導(dǎo)局面，高效連續(xù)化的梳吹煉新工藝將實(shí)現(xiàn)幾乎全部的硫的回收、無(wú)二氧化硫排放和低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

1.3連續(xù)煉銅工藝

三菱法是由某公司發(fā)明的連續(xù)煉銅工藝，它成功的把熔煉、吹煉和爐渣貧化三臺(tái)爐子結(jié)合在一起，消除了分批作業(yè)、來(lái)回倒包，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)全過(guò)程的連續(xù)、穩(wěn)定、均衡運(yùn)行。具有機(jī)械自動(dòng)化程度高、設(shè)備配置緊湊、占地面積少、熱效率高、煙氣穩(wěn)定、能耗低、生產(chǎn)環(huán)境好、利于管理及維修等優(yōu)點(diǎn)。目前，印度尼西亞的Gresik和澳大利亞的Kembla港煉銅廠等都相繼采用該項(xiàng)技術(shù)。

2銅的火法精煉

經(jīng)過(guò)PS轉(zhuǎn)爐、閃速吹煉爐等吹煉而成的粗銅，其不僅含有較高的硫、氧等，還存鉛、鋅、砷等少量能對(duì)陰極銅電解精煉工藝造成影響的有害元素。

2.1粗銅的火法精煉

傳統(tǒng)固定式精煉爐其主要依靠人工操作，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、環(huán)保效果差、易跑銅、難控制等諸多缺陷，現(xiàn)已逐漸被機(jī)械化程度高、爐體密閉、易操作的回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐所替代。目前回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下兩點(diǎn)，一是同采用固體燃料和還原劑代替以重油或可燃?xì)怏w，二是通過(guò)引進(jìn)大型的陽(yáng)極爐和陽(yáng)極板澆鑄機(jī)來(lái)增加粗銅精煉的效果。

2.2傾動(dòng)爐用于雜銅的精煉

之前，我國(guó)雜銅精煉常用固定式反射爐，但由于其存在諸多缺點(diǎn)，后改用德國(guó)的Maerz公司開(kāi)發(fā)的傾動(dòng)式陽(yáng)極爐，其主要解決了固定式反射爐精煉雜銅時(shí)渣量大的缺陷和重油還原產(chǎn)生黑煙污染的問(wèn)題。該技術(shù)融合了固定式反射爐和回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐的特點(diǎn)，不僅能處理廢雜銅粗銅電解殘極等固體銅料，還有利于環(huán)境保護(hù)，因此目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用該技術(shù)的工廠較多。如國(guó)內(nèi)貴冶等冶煉工廠均有采用。此外，我國(guó)也有一些銅冶煉工廠不斷開(kāi)發(fā)新的吹煉技術(shù)，如山東祥光銅業(yè)自主研發(fā)了自氧化還原火法精煉銅的新工藝，不僅縮短了作業(yè)流程，還提高了生產(chǎn)效率。

3電解精煉

????隨著銅冶煉產(chǎn)能的不斷提升，對(duì)銅電解精煉的要求也越來(lái)越高，針對(duì)銅電解精煉技術(shù)的革新也在不斷發(fā)展和變化。目前，銅的電解精煉生產(chǎn)工藝主要可劃分為兩大類，一是傳統(tǒng)的電解工藝;另一類是永久不銹鋼陰極工藝。永久不銹鋼陰極工藝具有流程簡(jiǎn)單，較傳統(tǒng)的電解工藝省去了始極片的制作過(guò)程;全自動(dòng)化機(jī)組及吊車的投入，使其機(jī)械自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度小，操作簡(jiǎn)單;電流密度高、極距小、殘極率低;蒸汽含量低，比傳統(tǒng)的電解工藝低30% ~50%;產(chǎn)品穩(wěn)定、質(zhì)量好等特點(diǎn)。自2002年以來(lái)國(guó)內(nèi)新建及在建的銅電解80%以上的產(chǎn)能均采用永久不銹鋼陰極法，可見(jiàn)