国内铜火法冶炼技术现状及展望

朱世会

摘要：铜的冶炼工艺分为火法和湿法两类，全世界80%以上的铜是通过火法冶炼生产出来的，而在中国则高达97%，火法冶炼占据着主导地位。自20世纪60年代以来，火法炼铜技术有了长足的发展。在80年代初期，中国铜冶炼行业也随着江铜贵溪冶炼厂引进的第一台闪速炉而开启了快速追赶世界先进水平的热潮。90年代以来，中国铜冶炼行业对引进技术不断改进，并自主研发了一系列新的冶炼技术。目前，中国的铜冶炼技术已经处于当代世界领先水平。鉴于此，本文将着重介绍国内新发展的铜冶炼工艺技术，并展望其未来的发展方向。

关键词：铜火法；冶炼技术

1 火法冶炼技术

1.1 熔炼技术

1.1.1 闪速熔炼

20世纪40年代，芬兰奥托昆普公司开发出奥托昆普闪速炉，20世纪50年代，加拿大国际镍业公司开发了因科闪速炉，形成了闪速熔炼技术的两种典型炉型。其中，奥托昆普闪速炉应用更为广泛，也是我国引进的炉型。自贵溪冶炼厂于1985年引进闪速熔炼技术以后，先后有金隆铜业、紫金铜业、祥光铜业（闪速熔炼+双速吹炼工艺，以下简称“双闪”）、金冠铜业（双闪）、广西金川防城港（双闪）、中原黄金和东南铜业（双闪）引入了闪速冶炼技术。其中祥光铜业通过消化吸收，形成了特色的“双旋浮”冶炼技术[3]。中国恩菲和金川集团联合开发了一种结合闪速炉和电炉技术的新炉型，即金川铜合成炉，将渣含铜降低到了0.7%以下。

1.1.2 顶吹熔炼

顶吹熔炼是将喷枪从炉子顶部插入，通过氧枪鼓入富氧空气，对熔体形成强烈的搅动，从而实现强化冶炼的目的。根据喷枪的插入深度和形式，可分为自热炉顶吹熔炼、三菱法和顶吹浸没熔炼。其中，以顶吹浸没熔炼技术应用最为广泛，分为奥斯麦特熔炼法和艾萨熔炼法。国内使用奥斯麦特熔炼法的企业主要有侯马冶炼厂（顶吹熔炼+顶吹吹炼工艺，以下简称“双顶吹”）、金昌冶炼厂、葫芦岛冶炼厂、云南锡业（双顶吹）和大冶冶炼厂。使用艾萨熔炼法的主要为云南铜业、昆鹏铜业和楚雄滇中铜业。

1.2 吹炼技术

P-S转炉吹炼技术自成功应用于铜吹炼工序以来，因其技术成熟、操作简单、除杂能力强和粗铜质量高等优点，一直占据着主导地位。但P-S转炉的操作过程分为造渣和造铜两个周期，为间歇操作，限制了其作业效率提高。由于P-S转炉技术具有捕集SO2的效率较低、烟气量波动较大以及易产生低空污染等缺点，难以适应日益严格的环保要求。因此，开发一种能够替代P-S转炉技术的绿色环保的吹炼技术，一直是国内外铜冶炼专家的重要研究方向，并形成了开发连续吹炼技术的热潮。国内采用的连续吹炼技术主要包括闪速吹炼、奥斯麦特炉吹炼、多枪顶吹吹炼和底吹吹炼[4]。

1.2.1 闪速吹炼

闪速吹炼炉与闪速熔炼炉相似。熔炼产生的品位约为70%的铜锍，经过细磨干燥，与石灰粉和烟尘等配料，之后与富氧空气通过铜锍喷嘴喷入反应塔内，在反应塔的高温空间内迅速完成吹炼反应，生成粗铜和吹炼渣。

闪速吹炼的优点包括：

1）吹炼反应集中于反应塔内高温空间的气流中，反应温度高，速度快，吹炼强度大，生产效率高。

2）生产连续、稳定、烟气波动小，SO2浓度高。

3）采用计算机控制，机械化和自动化程度高。

4）吹炼炉密闭性好，生产环境好。

5）由于采用冷态铜锍进料，熔炼和吹炼在时间和空间上相对独立，熔炼和吹炼作业相互制约少，系统作业率比较高。

6）低压供风，鼓风动力消耗少。

7）单系列产能大，适合大规模项目采用，具有单系列年产铜40万t的成功实践。

其缺点包括：

1）入炉物料要求比较高，需要细磨和干燥，消耗机械动力及燃料。

2）烟尘率高，一般为6%以上，物料循环量较大。

3）系统较复杂，投资额偏高。

1.2.2 顶吹吹炼

国内采用的顶吹吹炼技术包括奥斯麦特吹炼法和中国自主开发的多枪顶吹吹炼法。

1.2.2. 1 奥斯麦特吹炼法

奥斯麦特吹炼是在其熔炼技术的基础上发展而成，两者的炉型一样。1995年侯马冶炼厂引进顶吹浸没熔炼和吹炼技术，形成了世界首条“双顶吹”工业生产线。2010年云锡铜业也引入了“双顶吹”工业生产线。从这两家企业的应用情况看，顶吹吹炼工艺主要存在喷枪寿命短、没有实现连续作业等问题。如果熔炼工序能够产出较高品位的铜锍，吹炼工序具备连续作业的可能性，该工艺仍有提升的空间。

1.2.2. 2 多枪顶吹吹炼法

通过对三菱吹炼炉炉体结构、工艺操作进行优化升级，中国自主开发了两种多枪顶吹吹炼技术，分别为赤峰云铜开发的多枪顶吹技术和中国恩菲与烟台国润合作开发的多枪顶吹技术。二者在炉体结构和喷枪设计上具有明显不同，都具有较好的发展潜力和应用前景。

多枪顶吹连续吹炼技术具有以下特点：

1）漏风量少，烟气量小且稳定，SO2浓度高，烟气冷却、净化系统规模小。

2）生产过程连续进行，机械化和自动化程度高，操作人员少。

3）配置紧凑，占地面积少。

4）顶吹喷枪更换不影响生产，作业率高。

5）系统热利用率高，能够处理本系统的残极，还可以通过提高吹炼富氧浓度，在不增加设施的条件下，利用余热处理外购二次铜原料。

6）采用了与闪速吹炼相同的铁酸钙渣型，避免了硅酸铁渣过氧化产生泡沫渣的风险。

2 前景展望

2.1 绿色低碳

近年来，铜冶炼产业规模迅速扩张，行业竞争也随之日益加剧。我国铜冶炼行业对进口铜矿的依赖不断增强、加工费不断降低，严重压缩了盈利空间。与此同时，随着我国“双碳”目标的提出，有色金属工业必然要对铜冶炼产能总量进行控制。因此，控制国内产能将是铜冶炼行业发展的主基调，而增加海外布局也成为一条重要的出路[5,6,7]。

2013年，环境保护部和国家质量监督检验检疫总局颁布《铜、镍、钴行业污染物排放标准》国家标准第1号修改单。2019年，修订了《铜冶炼行业规范条件》等文件，对铜行业污染物的排放提出了更高的要求[8]。随着国家环保要求的不断提高，铜冶炼行业的环保成本将不断增加。将冶炼厂迁移到环境容量大的地区只是一时之选，而通过技术创新，实现污染物的零排放、污染物资源化，才是关系企业生存与盈利的关键。

随着高质量、高品位铜精矿的减少，未来铜冶炼工艺还需要面对成分越来越复杂、多变的原料。这些原料包括成分复杂的多金属精矿、外来含铜废弃物（如废杂铜和含铜固废等[9]）以及冶炼过程中产生但目前的冶炼技术难以回收的铜资源。

2.2 数字化智能化工厂转型

作为传统行业，国内铜冶炼企业在数字化、智能化方面起步较晚。随着中国人口红利的逐渐消失，火法铜冶炼连续化技术和绿色环保技术对冶炼工艺精细化控制提出了更高要求，提高铜冶炼企业的数字化和智能化水平将成为未来的发展趋势。

目前，江西铜业贵溪冶炼厂通过开展智能工厂一期建设，初步建成一套具有自动化、数字化、模型化、集成化和智能化等特征的铜冶炼智能工厂，逐步实现制造效率、成本质量和过程管控等资源的优化配置[10]。正在建设的大冶有色金属集团控股有限公司40万t高纯阴极铜项目，将实现散料行车、极板转运、电铜仓储和智能配电等作业智能化、无人化和少人化，并努力打造成为有色行业铜冶炼先进工艺的样板工厂[11]。广西金川有色金属有限公司铜系统工艺及数字化升级项目也已经开展智能工厂相关的设计工作。可以预见，未来将有更多有实力的铜冶炼企业加入到数字化和智能化改造和建设的行列中来。

3 结论

经过几十年的引进吸收及自主研发，我国铜冶炼技术已经步入国际先进行列。而当今世界正经历百年未有之大变局，新一轮科技革命和产业变革带来的激烈竞争前所未有，这将对我国铜冶炼行业的发展带来深远影响。无论是我国的“双碳”目标所提出总量控制要求，还是环保成本、劳动成本和原料成本的压力，都将促使铜冶炼行业的发展由大向强进行转变。因此，抓住机遇，通过技术创新，尽早实现工艺过程低碳化、绿色化、数字化和智能化，将是我国铜冶炼企业的生存之道。

参考文献

[1] 朱祖泽，贺家奇.现代铜冶金[M].北京：科学出版社，2003.

[2] 李东波，梁帅表，蒋继穆.现代氧气底吹炼铜技术[M].北京：冶金工业出版社，2019.

[3] 刘卫东.祥光铜业的旋浮冶炼技术[J].有色金属（冶炼部分），2015(9):15-19.

[4] 蒋继穆.连续炼铜杂谈[J].中国有色冶金，2020,49(5):1-8.

[5] 张楠.我国铜铅锌工业现状及发展趋势[J].硫酸工业，2021(4):1-5.

[6] 段绍甫.新起航在高质量发展中赢得主动[N].中国有色金属报，2022-01-01(2).

[7] 檀冰.铜冶炼企业发展趋势探讨[J].低碳世界，2020(3):73-74.