1.1.2　中国铜冶炼工业概述

2019年我国精炼铜产量为978.4万吨/年[1]。我国铜冶炼行业生产集中度较高,矿产铜生产主要集中在江西铜业公司、铜陵有色公司、云南铜业公司、金川有色公司等7家大型企业。铜矿物原料的冶炼方法可分火法冶金与湿法冶金两大类。

近30多年来,我国铜工业规模和技术装备水平发展迅速,多家大型铜冶炼厂技术和装备已经达到了世界先进水平,污染严重的鼓风炉、电炉、反射炉已逐步被淘汰,取而代之的是引进、消化并自主创新的富氧强化熔炼工艺,如闪速熔炼工艺和艾萨、奥斯麦特等富氧顶吹熔池熔炼工艺及我国自主开发的方圆氧气底吹熔炼多金属捕集工艺和金峰炉富氧双侧吹熔池熔炼工艺。

随着国家对环保和节能减排的调控力度加大,我国铜工业骨干冶炼企业通过科技攻关和技术改造,大力引进和自主创新先进生产技术和装备,从产业结构上优化能源消耗、促进节能降耗,逐步淘汰了污染严重的鼓风炉、电炉和反射炉炼铜技术[2]。

1.1.2.1　铜冶炼行业主要原料、产品及副产品

(1)铜冶炼行业主要原料

矿产铜冶炼行业主要原料为铜精矿,其主要成分为硫化铜矿,我国铜精矿中Cu品位一般为18%~26%,进口矿Cu品位相对高一些,可达30%左右,还含有S、Pb、Zn等金属及Au、Ag等贵金属。

部分企业采用湿法冶炼工艺,从低品位铜矿、难选氧化矿、矿山含铜废石及其他金属冶炼固废中提取电积铜,主要生产地区为山西、安徽、江西、黑龙江、云南、湖北和新疆。

(2)铜冶炼行业产品及副产品

铜冶炼行业主要产品为粗铜和精铜,精铜包括电解铜和电积铜;少数企业也生产产品为阳极铜。

粗铜主要是以铜精矿为原料,经过火法熔炼、吹炼后产品,粗铜中铜含量为99%左右,并含有其他杂质。

以粗铜为原料,经过火法精炼后铸成阳极板,产品为阳极铜,一般企业阳极板直接送电解系统生产阴极铜,少数企业没有电解系统,以阳极铜为产品;阳极板(铜)经电解精炼,获得产品为精铜,即阴极铜(电解铜);精铜中铜含量为不低于99.95%。

铜冶炼行业主要副产品为硫酸;在火法冶炼过程中,硫化铜矿冶炼产生的烟气通常含有一定浓度的二氧化硫,为满足环境保护要求以及资源回收利用的原则,首选的回收产品就是工业硫酸。

1.1.2.2　我国铜冶炼主要工艺与技术水平

近30多年来,我国铜工业规模和技术装备水平发展迅速,在铜冶炼方面,自江西铜业公司贵溪冶炼厂1985年引进奥托昆普闪速熔炼技术开始,国内其他主要铜冶炼企业也先后引进了先进的铜冶炼技术和装备,多家大型铜冶炼厂技术和装备已经达到了世界先进水平,污染严重的鼓风炉、电炉、反射炉已逐步被淘汰,取而代之的是引进、消化并自主创新的闪速熔炼技术和诺兰达、艾萨、奥斯麦特等富氧熔池熔炼新技术。

(1)火法冶炼工艺

当前,全球矿铜产量的75%~80%是以硫化形态存在的矿床经开采、浮选得到的铜精矿为原料。火法炼铜是生产铜的主要方法,特别是硫化铜矿,基本全部采用火法冶炼工艺。火法冶炼工艺处理硫化铜矿的主要优点是适应性强,冶炼速度快,能充分利用硫化矿中的硫,能耗低,特别适于处理硫化铜矿。其生产过程一般由备料、熔炼、吹炼、火法精炼、电解精炼几个工序组成,最终产品为电解铜。

1)熔炼工序

富氧强化熔炼工艺是目前铜火法冶炼的主流技术,包括闪速熔炼工艺和熔池熔炼工艺;其中熔池熔炼工艺又分为顶吹、底吹和侧吹工艺。

① 闪速熔炼工艺。闪速熔炼的生产过程是用富氧空气或热风,将干精矿喷入专门设计的闪速炉的反应塔,精矿粒子在空间悬浮的1~3s时间内,与高温氧化性气流迅速发生硫化矿物的氧化反应,并放出大量的热,完成熔炼反应即造锍的过程。反应的产物落入闪速炉的沉淀池中进行沉降,使铜锍和渣得到进一步的分离。

该工艺技术具有生产能力大、能耗低、污染少等优点,单套系统每年最大矿铜产能可达40万吨以上,适用于规模20万吨/年以上的工厂。但是要求原料进行深度干燥到含水<0.3%,精矿粒度<1mm,原料中杂质铅加锌不宜高于6%。工艺的缺点是设备复杂、烟尘率较高,渣含铜比较高,需要进行贫化处理。

闪速熔炼工艺在能效和环保方面的特点:闪速熔炼的铜精矿氧化反应迅速,单位时间内放出的热量多,加快了熔炼速度,使熔炼的生产率大幅度提高,为反射炉与电炉熔炼的2倍。采用了富氧工艺后,在铜精矿含硫正常情况下可实现自热熔炼,大大降低了燃料的消耗。由于精矿中硫化物的氧化反应程度高,且采用高浓度的富氧空气熔炼,烟气量少,烟气中的SO₂浓度可提高到30%以上,有利于烟气制硫酸过程中硫的回收和环境保护,硫的捕集率和回收率均可达到98%以上。

闪速熔炼工艺是现代火法炼铜的主要工艺之一,目前世界约50%的粗铜冶炼能力采用闪速熔炼工艺。中国目前采用闪速熔炼工艺的冶炼厂主要有贵溪冶炼厂、金隆公司、金川集团公司铜冶炼厂和山东阳谷祥光铜业公司。

② 富氧熔池熔炼工艺。富氧熔池熔炼工艺是通过喷枪把富氧空气强制鼓入熔池,使熔池产生强烈搅动状态加快了化学反应的速度,充分利用了精矿中的硫、铁氧化放出的热量进行熔炼,同时产出高品位冰铜。熔炼过程中不足的热量由燃煤和燃油提供。对比闪速炉反应塔的熔炼过程,熔池熔炼也是一个悬浮颗粒与周围介质的热与质的传递过程。所不同的是,悬浮粒子是处在一个强烈搅动的液⁃气两相介质中,受着液体流动、气体流动及两种流体间的相互作用以及动量交换的影响。由于熔池熔炼过程的传热与传质效果好,可大大强化冶金过程,达到提高设备生产率和降低冶炼过程能耗的目的,因此20世纪70年代后熔池熔炼得到了迅速发展。

2)吹炼工序

① P.S转炉吹炼技术。1905年Peirce和Smith成功应用碱性耐火材料内衬卧式吹炼转炉,使PS转炉成功用于铜的吹炼,近百年来已成为世界上普遍采用的成熟工艺。转炉的铜锍吹炼过程中,向转炉中连续吹入空气,当熔体中FeS氧化造渣被除去后炉内仅剩Cu₂S(即白冰铜),Cu₂S继续吹炼氧化生成Cu₂O,Cu₂O再与未被氧化的Cu₂S发生交互反应获得金属铜。

该工艺成熟可靠,设备和操作简单,投资低,不加燃料吹炼,可用空气和低浓度的富氧空气。能够利用剩余热量处理工厂中的含铜中间物料(粗铜壳、残阳极、烟尘、冷冰铜等),还能够处理外购的冷杂铜,生产成本低。

该工艺适用范围广,无论生产规模大小,铜锍品位高低均可应用该工艺;P.S转炉吹炼工艺为分周期、间断作业;其缺点是炉体密闭差,漏风大,烟气SO₂浓度低,设备台数多,物料进出需要吊车装运,低空污染较严重。

② 闪速吹炼工艺。闪速吹炼工艺技术发明于1979年,在奥托昆普闪速熔炼直接生产粗铜的技术基础上发展而成,20世纪80年代中期在美国肯尼柯特应用成功。闪速吹炼工艺是将熔炼炉产出的熔融的铜锍进行水淬,磨细干燥后在闪速炉中用富氧空气进行吹炼得到粗铜,基本原理和工艺过程同闪速熔炼,但是加入的是高品位铜锍,吹炼过程连续作业。该工艺适用于年产20万吨粗铜以上大规模工厂。

闪速吹炼与闪速熔炼炉搭配使用即双闪工艺,由于该工艺为连续吹炼技术,取消一般吹炼工艺用吊车吊装铜包及渣包等操作,且设备密封性能好,无烟气泄漏,彻底解决铜冶炼行业吹炼工序低空污染问题,大大降低无组织排放造成的SO₂和含重金属烟尘污染程度。

③ 浸没吹炼工艺。浸没吹炼炉由炉顶加料孔加入干铜锍、熔剂、或底部熔池面上流入铜锍。富氧空气或空气进行吹炼作业。吹炼炉喷枪垂直插入固定的炉身,即奥斯迈特炉。

热态或冷态铜锍加入炉内,用空气或含氧30%~40%的富氧空气经喷枪吹入熔体进行吹炼。

3)火法精炼工序

① 反射炉精炼工艺。将待精炼的液态或固态矿粗铜或再生铜由加料设备加入1250~1360℃的反射炉,靠燃料燃烧将物料加温或融化,物料完全熔化后开始进行氧化精炼,除去粗铜里的杂质,得到符合浇铸要求的阳极铜。

② 回转炉精炼工艺。回转炉氧化精炼及还原过程和反射炉一样。回转式精炼炉采用机械传动,单台能力可达600t以上,自动化水平高,不需要人工持管操作,整个过程在相对密封的设备内进行,很少有烟气外泄,环保条件好。

回转炉不适应处理大量的固体物料,所以不能用于专门处理固体废杂铜,一般用于处理热态融熔粗铜。

③ 倾动炉精炼工艺。倾动炉是由瑞士麦尔兹炉窑公司开发成功的,它实际上是可倾动的反射炉,既有固定式反射炉加料、扒料方便的优点,又有回转炉可根据不同的精炼阶段转动炉体改变炉位的特点,所以多用于处理固体物料,如冷粗铜和废杂铜。倾动炉处理固体物料的精炼过程及原理与反射炉一样,仅是加料融化时间长,作业时炉体操作和回转炉相似。

4)电解精炼工序

① 常规电解精炼工艺。常规电解精炼工艺采用铜薄片(厚度0.3~0.7mm)经加工安装吊耳后制成铜始极片作为阴极,电解过程中铜离子析出于始极片上成为阴极铜。一片始极片仅能使用一个铜电解阴极周期,所以电解车间还需要配备种板槽,专门生产制作始极片用的铜薄片。种板槽所用的阳极和电解槽用的阳极一样,采用的阴极板又称母板,材质有不锈钢板、钛板和轧制铜板三种。当铜在阴极上沉积到合适的厚度后,将其从种板槽吊出剥下即送去制作始极片,母板送回种板槽循环使用。

与不锈钢阴极电解精炼工艺相比,它工艺流程长,设备多。由于铜始极片薄,容易变形,所以采用的电流密度低,生产效率低。

② 不锈钢阴极电解精炼工艺。最早的不锈钢阴极电解精炼工艺——ISA法电解工艺是澳大利亚汤斯维尔铜精炼公司于1979年开发的,目前国外已有ISA法、KIDD法、OT法、EPCM法,国内也相继开发出多种不锈钢阴极板。该技术使用不锈钢阴极板代替铜始极片作阴极,产出的阴极铜从不锈钢阴极板上剥下,不锈钢阴极板再返回电解槽中使用。由于不锈钢阴极板平直,所以可采用高电流密度进行生产,同常规电解相比,它工艺流程简单,生产效率高,产品质量好,因此具有常规电解及周期反向电解不可比拟的优点,是先进的电解精炼工艺技术。

(2)湿法冶炼工艺

针对低品位复杂矿、氧化铜矿、含铜废矿石低品位的氧化铜,使用堆浸—萃取—电积等技术生产出的精铜称为电积铜。

闪速熔炼工艺流程及产排污节点见图1⁃1。

熔池熔炼工艺流程及产排污节点见图1⁃2。

湿法炼铜工艺流程及产排污节点见图1⁃3。