1. 概述
近年來，世界銅冶煉技術工藝有了長足的發展。目前，世界上80%以上的銅是通過火法冶煉工藝生產的。特別是硫化銅礦，基本上全是用火法處理?；鸱ㄌ幚砹蚧~礦的主要優點是硫化精礦在反應過程可以充當燃料;在高溫下反應過程的效率高，冶煉速度快，能充分利用硫化礦中的硫;產能高，生產過程中金屬富集程度高，適應大規模工業生產要求等[1]?；鸱掋~工藝主要包含下述四個環節：銅精礦的造锍熔煉—銅锍吹煉成粗銅—粗銅火法精煉—陽極銅電解精煉[2]。其中相比于前兩個環節，粗銅火法精煉和陽極銅電解精煉所用工藝和設備比較單一，本文重點介紹熔煉和吹煉工藝。
2. 熔煉工藝
傳統的造锍熔煉工藝包括鼓風爐、反射爐和電爐熔煉，氧化脫硫程度很低，用空氣作氧化劑，生成低品位冰銅，熔化所需的熱少部分利用氧化反應熱，大部分需要額外加熱，產生的煙氣量大而SO2濃度低，不利于制酸[3]。目前世界上銅冶煉廠使用的主要造锍熔煉工藝為閃速熔煉和熔池熔煉。閃速熔煉工藝中，經干燥后的銅精礦與熔劑充分混合，通過精礦噴嘴與富氧空氣一起噴入爐內。在高溫環境下，呈懸浮狀態的銅精礦，迅速完成物理化學反應，生成的冰銅和爐渣落入沉淀池中澄清、分離。在熔池熔煉工藝中，精礦被拋到熔體的表面或者被噴入熔體內，通常向熔池中噴入氧氣和氮氣使熔池發生劇烈攪拌，精礦顆粒被液體包圍迅速融化。因此能夠產生維持熔煉作業所需的大部分熱量，使含有氧氣的氣泡和包裹硫化銅/鐵的溶液發生質量傳遞。熔池熔煉法按鼓風位置的不同可以分為頂吹，側吹，底吹三種類型。
(1)閃速熔煉
閃速熔煉是現代火法煉銅的主要方法。它克服了傳統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行的缺點，從而大大減少了能源消耗，提高了硫的利用率，改善了環境。
閃速熔煉法有奧托昆普爐、Inco爐和Contop爐三種，自1949年第一座芬蘭奧托昆普閃速爐誕生至今，閃速熔煉技術得到了長足的發展[4]。目前世界上有49座正在運行的閃速爐，閃速熔煉法生產能力占到世界粗銅冶煉能力的50%以上。閃速爐不僅作為主要的熔煉設備，而且也已開始逐步取代傳統的P-S轉爐作為連續吹煉的設備。熔煉強度高，單臺產能可達40萬噸/a陽極銅。環保條件好，自動化程度高。但閃速熔煉法也存在明顯的缺點：對原料適應性差，備料復雜，投資大;熔劑和原料先進行磨細再進行深度干燥，需額外消耗能源這不盡合理;專利費昂貴。
世界上產量前20的銅冶煉企業有一半都采用了閃速熔煉工藝，比如國內的江銅貴溪冶煉廠和銅陵金隆公司都采用閃速熔煉，山東祥光銅業公司采用雙閃(閃速熔煉+閃速吹煉)銅冶煉工藝。印度的Birla Copper，德國Aurubis公司的Hamburg，日本的Besshi/Ehime、Saganoseki/Oita，智利的Codelco Norte等也都采用了閃速熔煉工藝[5]。
(2)澳斯麥特/艾薩熔煉法
澳斯麥特熔煉法與艾薩熔煉法是20世紀70年代由澳大利亞聯邦科學工業研究組織(CSIRO)礦業工程部的研究小組發明的，兩者的基礎都是“賽洛”噴槍浸沒熔煉工藝，具有共同的祖先。擁有噴槍技術的這兩家公司，按各自的優勢和方向，延伸并提高了該項技術，形成了各具特點的澳斯麥特法和艾薩法。澳斯麥特/艾薩法與其他熔池熔煉一樣，都是在熔池內熔體-爐料-氣體之間造成強烈攪拌與混合，強化熱量傳遞、質量傳遞和化學反應速率，以便在燃料需求和生產能力方面產生較高的經濟效益[6]。
澳斯麥特/艾薩法屬于頂吹浸沒式固定爐床，噴槍豎直浸沒在熔渣層中，爐身為圓柱體，爐底為球缺形或反拱型。噴槍結構較為特殊，爐子尺寸比較緊湊，整體設備簡單，工藝流程和操作不復雜，投資與操作費用相對低。然而，近幾年未有新的推廣應用。頂吹氧槍較長，需要建設高大的廠房，建設成本高。且氧槍壽命短，氧槍3至14天更換一次，消耗大。
中條山有色金屬公司侯馬冶煉廠是世界上首家采用澳斯麥特煉銅技術的工廠，擁有一臺澳斯麥特熔煉爐和澳斯麥特吹煉爐[7]。云南銅業股份有限公司采用艾薩熔煉技術，山西華銅銅業有限公司是典型的澳斯麥特工藝冶煉廠，熔煉和吹煉都是采用澳斯麥特爐。銅陵有色金屬公司金昌冶煉廠于2003年采用澳斯麥特熔煉工藝取代了原有的密閉鼓風爐熔煉工藝。印度的Sterlite Smelter，秘魯的Ilo Smelter都采用艾薩熔煉法。
(3)諾蘭達法
諾蘭達熔煉工藝是由加拿大諾蘭達礦業公司發明的，1964年在魁北克諾蘭達研究中心開始進行諾蘭達熔煉工藝的研究。1973年建成第一座諾蘭達工業爐，將精礦直接熔煉成粗銅。后由于直接生產粗銅導致爐壽低和粗銅雜質含量高等原因，改為生產高品位銅锍。諾蘭達爐屬于浸沒側吹轉爐熔池熔煉工藝，精礦、燃料、熔劑等通過拋料機從爐頭拋入爐內，富氧空氣從爐子一側的一排風口鼓入。爐內空間分為熔煉區和沉降區，高品位銅锍從沉降區的銅锍口放出。
諾蘭達熔煉法自熱程度高，能耗低，與閃速熔煉相當;煙氣中SO2濃度高，可以制酸，硫的利用率高達96%;對原料適應性強，可以處理粉礦、塊礦、廢雜銅等。
采用諾蘭達熔煉技術的有我國的大冶有色金屬公司，智利的Altonorte，加拿大霍恩冶煉廠，美國肯尼科特礦物公司猶他冶煉廠，澳大利亞南方銅冶煉廠等[8]。
(4)特尼恩特法
特尼恩特熔煉技術是由智利國家銅公司特尼恩特分公司開發出的一種熔池熔煉技術，1977年工業化取得成功。特尼恩特爐為浸沒式側吹臥式轉爐，類似P-S轉爐和諾蘭達爐，但比P-S轉爐長得多，有風口區和沉淀區。一部分濕精礦和熔劑從爐子一端加料口加入，一部分干精礦通過特殊的風口噴入爐內熔池中，通過調節鼓風含氧量，能夠達到自熱熔煉。
特尼恩特法在智利的Codelco Norte、El Teniente ，贊比亞、秘魯、墨西哥和泰國等國都有應用。
(5)瓦紐科夫法
瓦紐科夫法是來自俄羅斯的一種側吹式熔池熔煉方法，1982年正式建成投產。該方法是一種噴吹乳化冶金新工藝，它以吹煉爐渣“乳濁液”為特點，熔煉和爐渣貧化都在同一個雙室設備內完成，設備為固定爐床，橫截面近似為矩形，熔煉區和貧化區上部由隔墻隔開，熔煉區兩側有風口噴吹富氧空氣。在側吹鼓泡乳化熔煉過程中有效抑制了磁性氧化鐵的生成，加速了相凝聚與分離。對原料的適應性強，熔煉強度高，需要水套冷卻。棄渣含銅低是其一大特點。
應用瓦紐科夫工藝的主要有俄羅斯的Norilsk，哈薩克斯坦也有應用。
(6)底吹法
底吹煉銅法由中國有色工程設計研究總院與山東東營方圓有色金屬公司共同研發，又稱“氧氣底吹熔煉多金屬捕集技術”，來源于水口山煉銅法。采用的熔煉設備為臥式底吹轉爐，爐型類似于P-S轉爐，富氧空氣從爐底底部的兩排氧槍內噴入熔體中，熔池攪拌強度很高，能夠實現自熱熔煉，無需額外的燃料加熱，能耗低。原料的適應性強、無需干燥和制粒。適用于處理低品位、復雜、難處理的多金屬礦料，含金銀高的貴金屬伴生礦，甚至垃圾礦料。由于采用底吹高速氣體噴吹，沒有風口堵塞問題，而且氣泡分散均勻，氣體利用率高。工藝流程短，配置簡單，技術裝備國內自主研發，投資費用低。
底吹煉銅法是一種新興的煉銅技術，自2008年在山東方圓有色金屬有限公司首次投產以來，陸續又有山東恒邦股份有限公司、包頭華鼎銅業發展有限公司、垣曲冶煉廠、青海銅業、中原黃金冶煉廠、靈寶市金城冶金股份有限公司和梅州金雁銅業等公司相繼采用，另外該技術還進軍到國外市場，越南生權老街大龍冶煉廠就采用了底吹煉銅工藝。
3. 吹煉工藝
造硫過程完成了銅與絕大部分鐵的分離，最后要除去銅锍中的鐵和硫以及其他雜質，從而獲得粗銅，還需要將銅锍進行吹煉。目前，銅锍的吹煉過程絕大多數是在P-S轉爐內進行的。整個過程分為兩個階段，第一階段，銅锍中的FeS與鼓入空氣中的氧氣發生強烈的氧化反應，生成FeO和SO2氣體，FeO與加入的石英熔劑反應造渣，使硫中含銅量逐漸升高。爐渣與銅锍由于互溶度小且密度不同而分層分離。吹煉第二階段，鼓入空氣中的氧與Cu2S發生強烈的氧化反應，生成Cu2O和SO2，Cu2O又與未氧化的Cu2S反應生成金屬Cu和SO2，直到生成的粗銅含銅98.5%以上時吹煉的第二階段結束。
(1)P-S轉爐吹煉
自1905年Peirce和Smith將P-S臥式側吹轉爐成功用于銅的吹煉以來，P-S轉爐吹煉在銅吹煉工藝中一直居于主導地位。P-S轉爐具有工藝簡單、技術成熟、富氧吹煉、設備大型化等優點。但P-S轉爐吹煉過程為間歇式周期性作業，使煙氣量大且二氧化硫濃度波動大，不利于制酸;吹煉過程的進料和放渣作業造成二氧化硫煙氣逸散，操作環境惡劣，污染空氣[2,9]。隨著環保要求日益嚴格，以及熔煉技術的發展，該技術已經無法滿足當前的要求[3]。
(2)閃速吹煉法
閃速吹煉與閃速熔煉非常類似，也是一種密閉的工藝，取消了露天運輸熔融冰銅物料，可以有效控制煙氣的逸出，滿足環境要求。閃速吹煉的基本流程是各種不同熔煉工藝生產的冰銅經過水淬后，進行干燥、磨碎，然后在閃速吹煉爐中用高濃度富氧空氣吹煉成粗銅。閃速吹煉爐采用富氧吹煉，煙氣量少，節約制酸成本;吹煉過程連續穩定，生產效率高;系統密閉，二氧化硫泄露少，符合環保要求;對熔煉階段要求低。閃速吹煉可以與閃速熔煉工藝聯用，構成“雙閃法”，也可以用于處理其他熔煉工藝生產的冰銅。
雙閃法熔煉爐產出的銅硫需要水淬，再經干燥和細磨，工序繁雜;每道工序均難以保證100%回收率，會產生部分機械損失;熱態高溫銅锍水淬物理熱幾乎全部損失，水淬后再干燥、破碎，增加人力和動力的消耗。再加上爐內大量水套，由冷卻水帶走熱量，熱能利用也不盡合理。
(3)澳斯麥特/艾薩吹煉
澳斯麥特/艾薩吹煉工藝屬于半連續工藝，單臺爐子進行半連續吹煉可以直接取代幾臺P-S轉爐。采用富氧吹煉能夠提高粗銅產能，增加煙氣二氧化硫濃度，有利于制酸。澳斯麥特/艾薩連續吹煉工藝的潛在優勢有生產率提高，粗銅中硫和其他有害雜質含量低;可以處理固態或液態冰銅;可以連續生產粗銅，不用停爐加入熔劑或排放爐渣;爐子和煙氣系統密封良好，硫的捕集率高。但澳斯麥特/艾薩吹煉爐存在噴槍壽命短的問題。
(4)三菱法
三菱法連續煉銅由熔煉爐、渣貧化爐和吹煉爐組成，三者用溜槽聯接，構成了連續煉銅。該法自1974年在日本直島冶煉廠投入工業生產以來，在生產實踐中不斷完善和改進。三菱法熔煉爐通過頂吹噴槍將精礦和熔劑噴入爐內，造成熔體激烈翻動，形成較好的質量和熱量交換。三菱吹煉爐需要連續地注入冰銅，連續排放粗銅和爐渣，因此需要與三菱熔煉爐、氧化電爐連在一起使用，且第一道工序的熔煉爐需要配置在較高的樓層位置，建筑成本高。三臺爐子相互制約，設備不便靈活控制，一旦某一處失調，就容易發生生產混亂。
采用三菱連續煉銅法的有日本直島冶煉廠，加拿大梯明斯，韓國翁山，印尼Gresik，澳大利亞肯布拉港，印度Birla Copper，日本小名浜等。
(5)底吹吹煉
底吹吹煉技術是我國氧氣底吹連續煉銅法的一項重要技術，半工業試驗證明了銅锍底吹連續吹煉工藝的可行性，目前已在豫光金鉛公司正式投產。與底吹熔煉類似，底吹吹煉爐也為臥式轉爐，富氧空氣直接吹入粗銅層，未出現粗銅過氧化和耐火材料明顯侵蝕的現象。且底吹爐和氧槍的壽命較長，在一年左右。
底吹連續煉銅的特點：工藝流程短，投資少，原料適應性強，操作環境好，勞動強度低，冶煉能耗低，富氧濃度高，自熱程度高，散熱少，冶煉采用高的Fe/SiO2比，渣量少，冶煉過程不易產生泡沫渣，操作安全。吹煉熱強度高，可以處理垃圾料，降低生產成本。爐子密閉性好，無SO2低空污染，環保條件好。
4. 結論
當前火法煉銅造锍熔煉階段普遍采用閃速熔煉和熔池熔煉工藝，這兩種工藝在冶煉強度、入爐原料、能耗、操作等方面各有優勢和不足。吹煉工藝除了傳統的P-S轉爐吹煉外，越來越多的連續吹煉工藝被開發和采用。從環保、節能和生產效率等方面來看，強化冶煉、富氧噴吹和連續煉銅是未來的發展趨勢。
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編輯：吉利娜
來源：東北大學
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