導(dǎo)言:作為五金之一，人類(lèi)應(yīng)用銅有著悠久的歷史。目前世界上生產(chǎn)電解銅的冶煉方法主分為兩大類(lèi):火法冶煉和濕法冶煉。目前精煉銅產(chǎn)量的80%以上是用火法冶煉生產(chǎn)的，濕法冶煉生產(chǎn)的精煉銅占20%左右。那么目前銅的冶煉技術(shù)有哪些新進(jìn)展呢?本文就帶大家盤(pán)點(diǎn)一下。

銅是史前金屬，早在原始社會(huì)就被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。由于銅的出現(xiàn)，石器時(shí)代隨之消亡，人類(lèi)逐漸邁入青銅器時(shí)代。

1865年歐洲發(fā)明了銅電解精煉，對(duì)銅冶煉技術(shù)進(jìn)步意義重大提及中國(guó)銅冶煉歷史，不得不提到濕法銅，濕法銅源于我國(guó)，古稱(chēng)“膽水浸銅法”。在唐、宋主要集中在江西鉛山、德興和廣東嶺水，年產(chǎn)量***高近2000噸。銅陵地區(qū)的古礦規(guī)模更大，年代跨度又長(zhǎng)，從商周到唐宋一直是采銅、冶銅的中心。近代煉我國(guó)銅工業(yè)處于落后地位，直到1949年前，全國(guó)只剩沈陽(yáng)冶煉廠、上海冶煉廠、昆明冶煉廠和重慶冶煉廠4家工廠維持少量生產(chǎn)，產(chǎn)量不足3000噸。1949年以后，新中國(guó)整個(gè)工業(yè)水平迅速提高，新建了銅陵、白銀、大冶和云南等大型煉銅廠。

目前世界上生產(chǎn)電解銅的冶煉方法主分為兩大類(lèi):火法冶煉和濕法冶煉。目前精煉銅產(chǎn)量的80%以上是用火法冶煉生產(chǎn)的，濕法冶煉生產(chǎn)的精煉銅占20%左右。

一、火法冶煉

火法煉銅是當(dāng)今生產(chǎn)銅的主要方法，占銅產(chǎn)量的80%左右，主要是處理硫化礦?；鸱掋~的優(yōu)點(diǎn)是原料適應(yīng)性強(qiáng)，能耗低，效率高，金屬回收率高?；鸱掋~可分兩類(lèi):一是傳統(tǒng)工藝:如鼓風(fēng)爐熔煉、反射爐熔煉、電爐熔煉。二是現(xiàn)代強(qiáng)化工藝:如閃速爐熔煉、熔池熔煉。

由于20世紀(jì)中葉以來(lái)全球性的能源和環(huán)境問(wèn)題突出，能源日趨緊張，環(huán)境保***規(guī)日益嚴(yán)格，勞動(dòng)成本逐步上漲，促使銅冶煉技術(shù)從20世紀(jì)80年代起獲得飛速發(fā)展，迫使傳統(tǒng)的方法不得不被新的強(qiáng)化方法來(lái)代替，傳統(tǒng)冶煉方法逐漸被淘汰。隨之興起的是以閃速熔煉和熔池熔煉為代表的強(qiáng)化冶煉先進(jìn)技術(shù)，其中***重要的突破是氧氣或富氧的廣泛應(yīng)用。經(jīng)過(guò)幾十年的努力，閃速熔煉與熔池熔煉已基本取代傳統(tǒng)火法冶煉工藝。

1、火法冶煉工藝流程

火法工藝過(guò)程主要包括四個(gè)主要步驟:造锍熔煉、銅锍(冰銅)吹煉、粗銅火法精煉和陽(yáng)極銅電解精煉。

造硫熔煉(銅精礦-冰銅):主要是使用銅精礦造冰銅熔煉，目的是使銅精礦部分鐵氧化，造渣除去，產(chǎn)出含銅較高的冰銅。

冰銅吹煉(冰銅-粗銅):將冰銅進(jìn)一步氧化、造渣脫除冰銅中的鐵和硫，生產(chǎn)粗銅。

火法精煉(粗銅-陽(yáng)極銅):將粗銅通過(guò)氧化造渣進(jìn)一步脫除雜質(zhì)元素，生產(chǎn)陽(yáng)極銅。

電解精煉(陽(yáng)極銅-陰極銅):通過(guò)引入直流電，陽(yáng)極銅溶解，在陰極析出純銅，雜質(zhì)進(jìn)入陽(yáng)極泥或電解液，從而實(shí)現(xiàn)銅和雜質(zhì)的分離，產(chǎn)出陰極銅。

火法煉銅一般流程圖

2、火法冶煉工藝分類(lèi)

(1)閃速熔煉

閃速熔煉(flash smelting)包括國(guó)際鎳公司因科(Inco)閃速爐、奧托昆普(Outokumpu)閃速爐和旋渦頂吹熔煉(ConTop)3種。閃速熔煉是充分利用細(xì)磨物料巨大的活性表面，強(qiáng)化冶煉反應(yīng)過(guò)程的熔煉方法。將精礦經(jīng)過(guò)深度干燥后，與熔劑經(jīng)干燥一起用富氧空氣噴入反應(yīng)塔內(nèi)，精礦粒子在空間懸浮1-3s時(shí)間，與高溫氧化性氣流迅速發(fā)生硫化礦物的氧化反應(yīng)，并放出大量的熱，完成熔煉反應(yīng)即造锍的過(guò)程。反應(yīng)的產(chǎn)物落入閃速爐的沉淀池中進(jìn)行沉降，使銅锍和渣得到進(jìn)一步的分離。這種方法主要用于銅、鎳等硫化礦的造锍熔煉。

閃速熔煉在20世紀(jì)50年代末開(kāi)始生產(chǎn)，已在四十多家企業(yè)推廣應(yīng)用，因?yàn)椴粩喔倪M(jìn)在節(jié)能環(huán)保方面有著顯著成績(jī)。該工藝技術(shù)具有生產(chǎn)能力大、能耗低、污染少等優(yōu)點(diǎn)，單套系統(tǒng)***大礦銅產(chǎn)能可達(dá)40萬(wàn)t/a以上，適用于規(guī)模20萬(wàn)t/a以上的工廠。但是要求原料進(jìn)行深度干燥到含水＜0.3%,精礦粒度＜1mm，原料中雜質(zhì)鉛加鋅不宜高于6%。工藝的缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜、煙塵率較高，渣含銅比較高，需要進(jìn)行貧化處理。

閃速熔煉中***具竟?fàn)幜?、發(fā)展***快并且工業(yè)應(yīng)用較多的當(dāng)屬奧托昆普閃速熔煉。采用該法生產(chǎn)的銅量約占世界銅產(chǎn)量的三分之一以上。閃速熔煉具有技術(shù)成熟可靠，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)強(qiáng)度大，作業(yè)成本低，環(huán)境保護(hù)好等優(yōu)勢(shì)，被稱(chēng)之為標(biāo)準(zhǔn)的清潔煉銅工藝。

奧托昆普閃速爐:該技術(shù)是當(dāng)前世界上***先進(jìn)的銅冶煉技術(shù)，具有節(jié)能、環(huán)保、***的特點(diǎn)。而通過(guò)計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行“雙閃”銅冶煉技術(shù)，更是在世界銅冶煉范圍處于***地位。由于環(huán)境要求越來(lái)越嚴(yán)厲，而老冶煉廠的P-S轉(zhuǎn)爐正在過(guò)時(shí)淘汰，不能滿足環(huán)境要求;從熱平衡問(wèn)題和造渣問(wèn)題角度看，采用P-S轉(zhuǎn)爐，熔煉的冰銅品位很難超過(guò)65%，而閃速吹煉由于可以使用高濃度富氧吹煉，熱平衡可以保證，因而閃速熔煉的冰銅品位可以達(dá)到甚至超過(guò)70%，使熔煉的效率很高，符合銅閃速熔煉“四高”--高投料、高品位、高氧濃、高熱負(fù)的技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

閃速熔煉工藝流程圖

(2)熔池熔煉

熔池熔煉包括特尼恩特?zé)掋~法、三菱法、奧斯麥特法、瓦紐柯夫煉銅法、艾薩熔煉法、諾蘭達(dá)法、頂吹旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)爐法(TBRC)、白銀煉銅法、水口山煉銅法和東營(yíng)底吹富氧熔煉法等。熔池熔煉是在細(xì)小的硫化精礦加入熔體的同時(shí)，向熔體鼓入空氣或工業(yè)氧氣，在劇烈攪拌的熔池內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)化熔煉。由于鼓風(fēng)向溶池中壓人了氣泡，當(dāng)氣泡通過(guò)熔池上升時(shí)，造成“熔體柱”運(yùn)動(dòng)，這樣便給熔體輸入了很大的功能。它的爐型有臥、立式、回轉(zhuǎn)式或固定式，鼓風(fēng)方式有側(cè)吹、頂吹、底吹三種。

熔池熔煉是20世紀(jì)70年代開(kāi)始在工業(yè)上應(yīng)用。由于熔池熔煉過(guò)程中的傳熱與傳質(zhì)效果好，可大大強(qiáng)化冶金過(guò)程，達(dá)到了提高設(shè)備生產(chǎn)率和降低冶煉過(guò)程能耗的目的。而且對(duì)爐料的要求不高，各種類(lèi)型的精礦，干的、濕的、大粒的、粉狀的都適用，爐子容積小，熱損失小，節(jié)能環(huán)保都比較好，特別是煙塵率明顯低于閃速熔煉。

奧斯麥特工藝:奧斯麥特頂吹浸沒(méi)噴qiang工藝已經(jīng)在有色金屬和貴金屬以及高溫處理各種廢料的商業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。2003 年底，包括奧斯麥特在南澳大利亞新建的示范工廠在內(nèi)，全世界有16 家冶煉廠應(yīng)用奧斯麥特工藝進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)，其中包括中國(guó)銅陵的金昌冶煉廠、印度的銅廠和韓國(guó)鋅公司的再生銅廠家銅廠。奧斯麥特法工廠可以是單臺(tái)或多臺(tái)爐子配置，通常不需復(fù)雜的物料和煙氣處理系統(tǒng)。由于該工藝簡(jiǎn)單、靈活和能效高,使用奧斯麥特工藝的設(shè)備成本比較低。奧斯麥特工藝注重減少外圍設(shè)備的規(guī)模和復(fù)雜性,因此在奧斯麥特爐系統(tǒng)內(nèi)或周?chē)M(jìn)行低成本改造使客戶可以減少尾氣處理規(guī)模，特別是硫的固定和酸廠、燃料和氣體輸送系統(tǒng)。原料簡(jiǎn)單并且給料不需要干燥和磨礦。

2011年世界銅冶煉產(chǎn)能主要冶煉廠

主要煉銅工藝對(duì)比

國(guó)內(nèi)主要銅企粗煉能力(截止2013年)

國(guó)外部分銅企冶煉工藝情況

需要注意的是再生銅冶煉也是火法冶煉的一種，銅本身是可再生資源，再生銅是煉銅的重要原料，根據(jù)國(guó)際銅業(yè)研究組織(ICSG)數(shù)據(jù)，在主要發(fā)達(dá)國(guó)家，再生銅產(chǎn)量的比重非常高，其中美國(guó)約占60%，日本約占45%，德國(guó)約占80%。

二、再生銅冶煉工藝

再生銅處理工藝取決于原料，約2/3的高品位銅廢料不需要熔煉處理而直接用于銅產(chǎn)品生產(chǎn)，1/3的廢雜銅需要熔煉處理。目前國(guó)內(nèi)外回收利用廢雜銅的方法很多，主要可分為兩大類(lèi):***類(lèi)是將高質(zhì)量的廢雜銅直接冶煉成紫精銅或銅合金后供用戶使用，稱(chēng)作直接利用;第二類(lèi)是將廢雜銅冶煉成陽(yáng)極板后經(jīng)電解精煉成電解銅后供用戶使用，稱(chēng)為間接利用。其中，第二類(lèi)方法根據(jù)原料分為高品位和低品位，從冶煉工藝上分為一段、二段和三段法冶煉。

一段法:銅品位＞98%的紫雜銅、黃雜銅、電解殘極等直接加入精煉爐內(nèi)精煉成陽(yáng)極，再電解生產(chǎn)陰極銅。

二段法:廢雜銅在熔煉爐內(nèi)先熔化，吹煉成粗銅，再經(jīng)過(guò)精煉爐-電解精煉，產(chǎn)出陰極銅。

三段法:廢雜銅及含銅廢料經(jīng)鼓風(fēng)爐(或ISA爐、TBRC爐、卡爾多爐等)熔煉-轉(zhuǎn)爐吹煉-陽(yáng)極精煉-電解，產(chǎn)出陰極銅。原料品位可以低至含銅1%。

三段法原料綜合利用率高，產(chǎn)出的煙塵成分簡(jiǎn)單、容易處理，粗銅品位較高，精煉爐操作比較容易，設(shè)備生產(chǎn)率也比較高等優(yōu)點(diǎn)，但又有過(guò)程復(fù)雜、設(shè)備多、投資大且燃料消耗多等缺點(diǎn)。因而，再生銅的冶煉一般采用兩段法與三段法相結(jié)合的工藝流程，此法有利于降低能耗并提高有價(jià)金屬的綜合回收利用。

三、主要冶煉工藝介紹

1、北德精煉凱撒冶煉廠凱撒回收再生系統(tǒng)(KRS)，北德精煉凱撒冶煉廠是目前世界上***大***先進(jìn)的再生銅精煉廠。凱撒冶煉廠用1臺(tái)ISA爐取代3臺(tái)鼓風(fēng)爐和1臺(tái)PS轉(zhuǎn)爐，處理含銅1%~80%的殘?jiān)碗s銅;ISA爐間斷地進(jìn)行熔煉和吹煉，含銅殘?jiān)碗s銅，先在ISA爐中進(jìn)行還原熔煉，產(chǎn)出黑銅和硅酸鹽爐渣，黑銅繼續(xù)吹煉，產(chǎn)出含銅95%的粗銅。

2、奧地利MontanwerkeBrixlegg冶煉廠鼓風(fēng)爐-轉(zhuǎn)爐-反射爐工藝

Montanwerke Brixlegg冶煉廠是奧地利***的銅冶煉廠，原料為廢雜銅，含銅在15%~99%。生產(chǎn)工藝由鼓風(fēng)爐、PS轉(zhuǎn)爐、固定式陽(yáng)極爐及電解組成，是典型的三段法。

該工藝的特點(diǎn)是:不同品位的殘?jiān)妥想s銅用不同的工藝流程生產(chǎn)不同的產(chǎn)品。含銅15%~70%的殘?jiān)舷冗M(jìn)鼓風(fēng)爐，用焦炭還原生產(chǎn)出黑銅，再進(jìn)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)出粗銅;含銅75%以上的黑銅和銅合金直接進(jìn)轉(zhuǎn)爐，生產(chǎn)出含銅96%以上的粗銅進(jìn)陽(yáng)極爐精煉;含銅品位較高的雜銅、粗銅則直接進(jìn)陽(yáng)極爐精煉;而含銅品位更高的光亮銅則無(wú)需冶煉處理，直接加入感應(yīng)電爐生產(chǎn)銅材，對(duì)原料的適應(yīng)性很強(qiáng)。

3、比利時(shí)me_x_tallo-Chimique 冶煉廠氧氣頂吹旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)爐(TBRC)冶煉工藝me_x_tallo-Chimique 冶煉廠的TBRC爐對(duì)原料的適應(yīng)性強(qiáng)，處理的原料非常雜，品種很多。主要原料為含銅25%~30%的工業(yè)殘?jiān)⒏鞣N銅合金(黃銅、青銅等)、廢舊電機(jī)、海綿銅、電纜、各種品位的雜銅等等，尤以處理含銅、鉛、錫的低品位工業(yè)殘?jiān)?、銅合金、難處理的雜銅為主。

4、卡爾多爐處理低品位廢雜銅，卡爾多爐處理低品位廢銅是一種先進(jìn)的熔煉技術(shù)，主要體現(xiàn)在金屬回收率高和環(huán)境效益好等方面，可以處理含銅15%-99%的廢雜銅，適應(yīng)性強(qiáng)，物料不用預(yù)處理，可以直接入爐，可以控制氧化和還原氣氛。處理低品位廢雜銅分加料、熔煉、放渣、吹煉、出銅5個(gè)步驟，在一臺(tái)爐內(nèi)分階段完成，粗銅品位可達(dá)到96%。其反應(yīng)過(guò)程通常用廢雜銅原料中的鐵作為還原劑，添加石英石熔劑。卡爾多爐處理廢雜銅工藝是國(guó)外二段法處理廢雜銅的一種先進(jìn)工藝，國(guó)內(nèi)大型冶煉廠，如江西銅業(yè)也引進(jìn)該方法處理廢雜銅。

5、NGL爐精煉廢雜銅工藝針對(duì)現(xiàn)有廢雜銅處理技術(shù)的不足，中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司研發(fā)了“NGL”爐廢雜銅火法精煉工藝。

NGL爐是結(jié)合傾動(dòng)爐和回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐的優(yōu)點(diǎn)而開(kāi)發(fā)的，側(cè)面有大的加料門(mén)和渣門(mén)，另一側(cè)有氧化還原口和透氣磚，爐體可在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。“NGL爐精煉廢雜銅成套工藝及裝備”***在廢雜銅精煉工藝中采用了氮?dú)鈹噭?dòng)技術(shù)，有效強(qiáng)化了精煉過(guò)程的傳質(zhì)傳熱，提高了生產(chǎn)效率。該工藝采用氧氣卷吸燃燒的方式供熱，大大提高了熱效率，縮短了生產(chǎn)周期，使排出的煙氣量減少了65%以上。

NGL爐精煉廢雜銅成套工藝及裝備于2010年開(kāi)始，分別在山東金升集團(tuán)東部銅業(yè)有限公司和廣西有色集團(tuán)再生金屬有限公司進(jìn)行了大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用，其4套250噸的NGL爐系統(tǒng)均于2012年投產(chǎn)。

濕法冶煉(SX-EW法)

濕法冶煉占銅生產(chǎn)量的10%~20%，是用溶劑浸出銅礦石或銅精礦使銅進(jìn)入溶液，然后從經(jīng)過(guò)凈化處理后的含銅溶液中回收銅的方法。主要用于處理低品位銅礦石、氧化銅礦和一些復(fù)雜的銅礦石。

濕法煉銅設(shè)備更簡(jiǎn)單，在礦山附近就近生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低，不生產(chǎn)硫酸，無(wú)SO2污染。但雜質(zhì)含量較高，且煉銅周期長(zhǎng)、效率低、產(chǎn)能規(guī)模小;貴金屬回收困難，回收率不確定;處理黃銅礦精礦的濕法工藝還沒(méi)有工業(yè)應(yīng)用，存在技術(shù)障礙。

雖然目前濕法煉銅在銅生產(chǎn)中所占比重不大，但從今后資源發(fā)展趨勢(shì)看，隨著礦石逐漸貧化，氧化礦、低品位難選礦石和多金屬?gòu)?fù)雜銅礦的利用日益增多，濕法煉銅將成為處理這些原料的有效途徑。

1、濕法冶煉工藝流程

濕法冶煉工藝過(guò)程主要包括四個(gè)步驟:浸出、萃取、反萃取、金屬制備(電積或置換)。氧化礦可以直接進(jìn)行浸出，低品位氧化礦采用堆浸，富礦采用曹浸。硫化礦在一般情況下需要先焙燒后再浸出，也可在高壓下直接浸出。浸出過(guò)程常用的溶劑有硫酸、an、硫酸高鐵溶液等。

濕法冶煉一般流程圖

2、火法冶煉工藝與濕法冶煉工藝比較

火法冶煉與濕法冶煉工藝對(duì)比

銅冶煉方法展望

世界銅冶煉發(fā)展趨勢(shì)銅冶煉的發(fā)展趨勢(shì)歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn):

(1)由于銅礦的性質(zhì)，為了回收其中的銀和硫，火法煉銅仍占主要地位，但濕法煉銅比例會(huì)有所提高。

(2)銅廠將是無(wú)污染工作，二氧化硫廢氣排放濃度將在300ppm以下，硫的實(shí)收率達(dá)到95%~99%。無(wú)廢水廢渣排放。

(3)火法煉銅將基本上是自熱熔煉。

(4)銅锍連續(xù)吹煉將會(huì)更廣泛的應(yīng)用。

(5)低品位礦將會(huì)用濕法冶金進(jìn)行利用。濕法冶煉中浸出和萃取效率將會(huì)進(jìn)一步提高。

(6)計(jì)算機(jī)在線控制將是主要的生產(chǎn)控制手段。

(7)工廠的規(guī)模將會(huì)更大型化，每一工序?qū)?huì)是單臺(tái)爐子生產(chǎn)，操作工作將會(huì)更加減少。

隨著環(huán)保政策的嚴(yán)厲和生產(chǎn)成本的增加，從世界范圍看，成本高、技術(shù)落后小型冶煉廠將陸續(xù)關(guān)閉，大中型冶煉廠將進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，降低成本。而通過(guò)技術(shù)升級(jí)改造，進(jìn)一步提高原料利用率，***大限度在冶煉過(guò)程中回收廢渣、廢水、廢氣中有價(jià)元素將是降成本***重要的手段。

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