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文章推薦 | 周俊. 銅冶煉工藝技術的進展與我國銅冶煉廠的技術升級

文章推薦 | 周俊. 銅冶煉工藝技術的進展與我國銅冶煉廠的技術升級

摘  要


20世紀70年代以來世界銅冶煉工藝技術發展很快,出現了很多新工藝並應用於工業生產;20世紀90年代開始我國老的銅冶煉廠均先後進行了技術升級改造,進入21世紀後又建設了很多新的銅冶煉廠,均采用先進冶煉工藝;2008年以後國內自主開發的銅冶煉新工藝得到迅速推廣應用。綜述了世界銅精礦熔煉和銅鋶吹煉的技術進展,回顧了我國銅冶煉廠技術升級的曆程,總結了我國銅冶煉廠冶煉工藝選擇的經驗,對我國銅冶煉項目的冶煉工藝選擇提出了建議。

關鍵詞



銅冶煉工藝;熔煉;吹煉;閃速熔煉;熔池熔煉;連續吹煉;技術改造


思維導圖


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從硫化銅精礦生產金屬銅(粗銅)一般需要經過熔煉和吹煉兩個工序。反射爐、鼓風爐、電爐等傳統熔煉工藝的熔煉強度和生產能力低、能耗高、環境汙染嚴重,難以適應市場競爭和環保的要求;20世紀初開始應用的PS轉爐工藝一直是銅鋶吹煉的主導工藝,但其周期性作業的特點造成SO2低空汙染難以控製。因此,20世紀70年代以後,以富氧熔煉為特征的現代強化熔煉工藝紛紛實現了工業化,包括閃速熔煉和熔池熔煉工藝,逐步替代了傳統熔煉工藝;冶金工作者一直致力於開發應用新的連續吹煉工藝替代PS轉爐工藝,20世紀90年代以後,連續吹煉工藝的工業化應用有了突破性進展。

20世紀90年代以前,除了貴溪冶煉廠從日本全套引進的閃速熔煉工藝外,我國銅冶煉廠的熔煉工藝都是落後的傳統熔煉工藝,生產規模小,能耗是國際先進冶煉工藝的幾倍(1989年粗銅能耗達到1.1 t標煤),硫的捕集率普遍不到60%,環境汙染嚴重。1988年全國有粗銅冶煉廠12個,粗銅總產能36.8萬 t,其中7個重點粗銅冶煉廠的產能占全國的90%以上,包括貴溪冶煉廠、沈陽冶煉廠、中條山有色、銅陵有色、雲南冶煉廠、大冶有色、白銀有色。 在2005年山東陽穀祥光銅業有限公司引進閃速吹煉工藝之前,我國的銅鋶吹煉工藝以PS轉爐為主,還有很多落後的反射爐吹煉工藝(連吹爐),而PS轉爐大都是100 t以下的小轉爐,機械化、自動化程度低,勞動強度大,作業方式落後,環保設施不全,低空汙染嚴重。

1985年12月貴溪冶煉廠的投產標誌著我國銅冶煉工藝技術升級的開始,20世紀90年代開始各銅冶煉廠先後進行了技術改造,用現代強化熔煉工藝替代傳統熔煉工藝,部分冶煉廠采用連續吹煉工藝替代PS轉爐工藝。隨著經濟的發展,我國精煉銅消費量逐年大幅增長,進入21世紀後建設了很多新的銅冶煉廠,均采用先進的強化冶煉工藝。近幾年國內自主研發的先進熔池熔煉工藝和連續吹煉工藝也投入了工業生產。我國銅冶煉工藝技術升級走過了從引進技術到消化吸收再創新,再到國內自主研發應用先進冶煉工藝的曆程,使我國的銅冶煉技術整體上達到了世界先進水平。

本文綜述了世界銅精礦熔煉和銅鋶吹煉的技術現狀和進展,回顧了我國銅冶煉工藝技術升級的曆程,分析總結了我國銅冶煉工藝技術升級的經驗,對銅冶煉項目冶煉工藝的選擇提出了建議。
1 世界銅冶煉工藝技術的進展
1.1 銅精礦熔煉工藝技術的進展

鑒於傳統熔煉工藝存在的諸多問題,20世紀70年代開始世界各地紛紛開發應用新的現代強化熔煉工藝取代傳統熔煉工藝,強化熔煉工藝應用Z多的是奧托昆普閃速熔煉,目前占世界礦銅產量的50%左右,其次為TSL熔煉(艾薩/奧斯麥特)、三菱熔煉;氧氣底吹熔煉是完全由我國自主開發的強化熔煉工藝,富氧雙側吹熔煉是在瓦紐科夫熔煉的基礎上由我國自主開發的新工藝,這兩個新工藝2008年投入工業應用以來發展迅速,技術逐漸成熟;白銀熔煉1980年投產後,發展緩慢,直到2005年後在提高富氧濃度和產能、提高爐壽命等方麵開展了一些研發工作,年產能逐步提高到20萬t礦銅;特尼恩特熔煉、諾蘭達熔煉由於送風氧濃低、爐壽命短、硫捕集率低等原因,已屬淘汰工藝;因柯閃速熔煉、Contop熔煉、瓦紐科夫熔煉、傾動連續熔煉等,工藝技術沒有太大的發展,沒有得到推廣應用。目前國內應用的國外技術主要是奧托昆普閃速熔煉和TSL熔煉,尚沒有一套三菱熔煉係統。

1.1.1 奧托昆普閃速熔煉工藝技術的進展

第一台奧托昆普閃速爐於1949年在芬蘭投產,至今已70年,其工藝和設備技術不斷地創新發展,主要體現在:

●高濃度富氧熔煉,單爐產能高。采用常溫高濃度富氧熔煉,富氧濃度可以達到80%以上,甚至超過90%,單爐生產能力大幅提高,我國已有幾套閃速熔煉係統初始設計年產能超過40萬t礦銅。世界各地大部分閃速冶煉廠都進行了擴產改造,同一台閃速爐的生產能力可以提高到原設計能力的3倍以上;閃速爐對原料的適應性發生了根本性的變化,能夠處理各種品質的硫化銅、氧化銅精礦和銅鋶等,產出任意品位的銅鋶甚至是粗銅;燃料消耗顯著降低,多數閃速爐都可以在自熱狀態下運行,單位生產成本大幅降低;煙氣量大大降低,排煙和製酸的工程建設投資和運行成本明顯降低。

●硫化銅精礦一步煉銅。奧托昆普閃速熔煉工藝是目前唯一工業化的硫化銅精礦一步煉銅工藝,已設計6台,投產5台,目前有4台在生產。

●關鍵設備的開發及應用。適應高強度熔煉的爐體結構設計和冷卻技術有了很大的改進,爐體壽命可達10年左右。精礦噴嘴技術不斷地完善,精礦幹燥與輸送、裝料係統等輔助係統的新技術不斷地開發應用。
1.1.2 艾薩/奧斯麥特熔煉(TSL)工藝技術的進展
這兩個工藝(“頂吹浸沒式噴槍—TSL”熔煉)均起源於20世紀70年代澳大利亞John Floyd博士在CSIRO開發的Sirosmelt反應器。1992年8月首台工業艾薩爐在美國邁阿密冶煉廠投產,1999年首台工業奧斯麥特爐在我國的中條山侯馬冶煉廠投入銅精礦冶煉。由於TSL工藝占地小、原料預處理簡單,可以Z大限度地利用老廠的原有設施,因此多數TSL爐都是因老冶煉廠的技術升級而建設的。

芒特艾薩冶煉廠1998年將冰銅品位提高到62%,2000年單台艾薩爐年處理銅精礦達到100萬t;2002年將富氧濃度提高到60%以上。2005年投產的印度Sterlite冶煉廠精礦處理能力達到130萬t,2007年投產的秘魯南方銅業伊洛(Ilo)冶煉廠的精礦處理能力達到120萬t。艾薩爐爐體沒有水冷元件冷卻,通過爐體溫度的監測控製和操作溫度、爐渣渣型的穩定,爐壽命可以達到3年以上。芒特艾薩廠的噴槍壽命一般3~4周,Z長可以達到6~7周。

中國是應用TSL工藝Z多的國家,奧斯麥特熔煉、奧斯麥特吹煉、奧斯麥特C3吹煉工藝的首次工業應用都在中國。雲南銅業第一爐期穩定運行了28個月;對引進噴槍進行消化吸收和技術創新,實現了噴槍的國產化,噴槍壽命平均8.2 d;艾薩爐的作業率2006年達到94.1%,煙塵率1.37%,粗銅能耗0.493 kgce/t,全硫利用率96.34%,粗銅生產能力達到25萬t,渣含銅0.71%。2010年投產的大冶冶煉廠奧斯麥特爐設計能力達到年處理120萬t銅精礦。2009年由我國兩家礦業公司在讚比亞建設投產的謙比希艾薩熔煉工藝,設計年產15萬t粗銅,進行了集成化創新和全麵的設備國產化,自主開發了“艾薩爐煙道粘結燃燒控製技術”、“艾薩爐分層排放技術”,投產3個月後就達到了設計產能。

1.1.3 三菱連續煉銅工藝技術的進展

1974年3月投產的日本直島冶煉廠,1991年5月完成了技術改造,建成了年產銅20.4萬t的三菱冶煉係統替代原有的三菱係統。各三菱法冶煉廠均通過提高送風氧濃以提高冶煉強度,實現冶煉係統的大幅擴產:直島目前已達到27萬t礦銅生產能力;Kidd Creek冶煉廠原設計6萬t礦銅,1983年達到9萬t,1993年達到12.5萬t;溫山冶煉廠原設計16萬t礦銅,現已達到28萬t;印尼的Gresik冶煉廠原設計20萬t礦銅,現已達到30萬t,送風氧濃已接近70%。

因為三台爐子彼此用溜槽相連,人們曾一度擔心三台爐子相互製約,工藝不便靈活控製,但實際上,由於檢測控製技術的進步,三菱爐的給料量、溫度、噴槍的高度等關鍵操作條件均可以精確控製,生產操作穩定且易於掌握。直島冶煉廠通過對噴槍和噴槍之間布料的改進,熔煉爐的壽命達到了4年;通過控製Fe3O4掛渣,優化側壁銅水套的配置,吹煉爐的壽命也達到了4年。目前直島、Gresik、溫山三菱爐的作業率均在94%~95%。熔煉爐渣含Fe3O4很低,攪動後的爐渣流入電爐中得到很好的澄清分離,渣含銅較低,在銅鋶品位68%的條件下,棄渣含銅僅0.6%~0.7%。能充分利用過程反應熱處理冷料,不斷降低能耗,直島冶煉廠85%的電解殘極加入C爐,大約70%以上的外購銅雜料在C爐處理,全部的廢水處理中和渣經幹燥後由C爐處理,約一半的水淬吹煉渣返回C爐處理。

雖然三菱連續煉銅工藝已經有很大的技術進展,工藝技術指標優良,產能也已經達到30萬t,硫捕集率達到99.8%,但是三菱工藝的推廣應用沒有大的進展,目前4套在生產的係統中有3套屬日本公司控股的冶煉廠,這可能與日本三菱公司的技術輸出理念有關。
1.2 銅鋶吹煉工藝技術的進展
1.2.1 PS轉爐吹煉工藝的進展
PS轉爐應用於銅鋶吹煉至今已有100多年的曆史,目前全世界90%的銅鋶是由PS轉爐吹煉的。由於其操作簡單靈活、對入爐料的適應性強、能處理大量含銅冷料、粗銅質量好等優勢,一直是礦產粗銅生產的標準工藝路線,是銅鋶吹煉的主導工藝。PS轉爐並不必然造成低空SO2汙染,在環境敏感的日本和歐洲,銅鋶吹煉也主要是PS轉爐工藝,冶煉廠硫的捕集率也超過99.9%。

過去幾十年,PS轉爐越來越大,Z大已達直徑4.6 m、長19.7 m(美國San Manuel);目前國內PS轉爐直徑大都在4 m以上,Z大4.6 m。大部分冶煉廠都采用了機械化捅風眼機,采用吹煉終點的自動監測判斷技術(瑞典的Semtech)和吹煉過程的計算機控製技術,作業環境大大改善,勞動強度降低。爐口和廠房集煙新技術的應用,消除了逸散煙氣對環境的汙染。操作技術也不斷進步,高銅鋶品位吹煉大大提高了生產效率,穩定生產的銅鋶品位一般都達到62%以上,Z高67%;多數冶煉廠都采用富氧吹煉,Z高氧濃29%;部分冶煉廠2H1B作業方式的送風時率穩定地達到92%,煙氣接近於連續;3H2B作業方式大大提高了吹煉的作業效率,降低了投資和運行成本;通過操作管理和耐火材料質量的改善,風眼區壽命已經超過350爐。根據吹煉的熱平衡調整銅鋶品位、富氧濃度等,大量處理中間含銅物料(電解殘極、包殼、煙塵、銅泥、精煉渣等)和外購低品質粗銅、雜銅、電子廢料等,充分利用了熔體顯熱和過程反應熱。

1.2.2 銅鋶連續吹煉工藝的進展

盡管PS轉爐吹煉工藝仍有一定的優勢,目前及在可預見的將來仍然是銅鋶吹煉的主導工藝,但是由於其周期性作業和熔體在爐子之間用包子和行車的倒運,造成SO2煙氣低空逸散收集困難、煙氣量大SO2濃度低且波動大、製酸係統投資和運行成本高等問題,人們一直在開發連續吹煉工藝替代PS轉爐吹煉。

連續吹煉工藝的特征是:吹煉爐連續進料、連續排煙、工藝操作連續一致。為了控製粗銅含硫,連續吹煉工藝大多采用無銅鋶的爐渣—粗銅兩相操作,因而爐渣的氧化程度高,渣含銅和Fe3O4高,爐渣需要返回熔煉爐處理。為了提高吹煉的銅直收率,同時降低吹煉渣量以降低熔煉爐負荷,提高熔煉爐產能,必須提高吹煉的入爐銅鋶品位。過低的銅鋶品位還會使吹煉爐過熱。因此,高銅鋶品位是進行連續吹煉的前提條件之一,一般要求銅鋶品位為68%以上。

三菱連續吹煉是第一個工業化的連續吹煉工藝,由於解決了電解殘極等冷料的加入問題,能夠很好地控製吹煉熱平衡,入爐銅鋶品位一般控製在68%,送風氧濃可以達到40%。奧斯麥特吹煉,包括C3工藝,都是半連續吹煉,作業方式與PS轉爐相似。諾蘭達連續吹煉工藝吹煉的是諾蘭達爐產出的70%品位的液態和固態銅鋶,連續地產出含硫很高的“半粗銅”,銅鋶、半粗銅、粗銅、爐渣的輸送都是用行車和包子,連續送風,氧濃30%左右,煙氣連續進入酸廠製酸;半粗銅PS轉爐吹煉的煙氣則直接通過煙囪排放。風眼區壽命為3個月左右,每300天左右需要整爐大修。

澳大利亞Port Kembla冶煉廠1998年開始進行技術改造,用1台回轉式保溫爐和1台三菱吹煉爐(C爐)取代2台PS轉爐。用諾蘭達爐生產銅鋶,排入鋼包後用軌道車運到保溫爐,以一定的流量將銅鋶倒入C爐,粗銅由虹吸口排入回轉式陽極爐。這是第一個與三菱熔煉爐脫開的C爐,2000年初投產,遇到很多工藝問題,經過18個月的試生產,到2001年9月作業率僅為65%,已停產。

美國肯尼科特公司1970年代末尋找取代PS轉爐的工藝,提出了“固體銅鋶氧氣吹煉法”(SMOC法),與芬蘭奧托昆普公司一起,在閃速爐一步煉銅工藝的基礎上共同開發了閃速吹煉工藝,1995年7月在美國尤他冶煉廠首次投入工業生產,2005年引入中國。目前爐壽命已經超過5年,一個爐期的銅鋶處理量超過230萬t,粗銅產出量接近150萬t;吹煉爐作業率月度超過99%,年平均超過96%。采用“雙閃”工藝年產40萬t粗銅,陰極銅能耗200 kgce/t左右,製酸電耗不到70 kWh/t(不含HRS回收熱能),製酸能耗不到8 kgce/t,硫捕集率大於99.97%。經過20多年的運行和連續不斷的改進,閃速吹煉工藝已十分成熟,環境指標、技術經濟指標、操作運行等均優於其它連續吹煉工藝。

2 我國銅冶煉廠的工藝技術升級

我國銅冶煉廠的工藝技術升級到目前為止大致經曆了3個階段:

第一階段:引進國外先進工藝技術對老冶煉廠進行技術改造

老冶煉廠的技術改造始於銅陵有色第一冶煉廠,與日本住友金屬礦山合資,建設了金隆銅業10萬t閃速冶煉工程,於1997年4月投產。之後各主要銅冶煉廠均進行了技術改造,以解決存在的環保和生產工藝落後、能耗和成本高的問題。

老冶煉廠的技術改造要求所選擇的冶煉工藝能充分利用已有設施以降低投資,工藝條件要適合各冶煉廠原料和燃料的實際,就地改造、不停產或少停產以減少生產損失;工藝要成熟可靠且易於掌握,技術經濟和環保指標要先進,機械化自動化水平要高。由於有這些要求,各冶煉廠在新熔煉工藝的選擇上受到很大的製約,而且由於已有的設施設備與所選擇的新工藝能力不盡匹配,一邊生產一邊改造又使新工藝的配置空間受到限製,造成工廠總圖配置不盡合理,改造後遺留的問題較多,在國家環保日益嚴厲、市場成本競爭日益激烈的情況下,有些老冶煉廠又不得不再次進行技術升級改造。

老冶煉廠的改造除了銅陵一冶外,所選擇的工藝都是熔池熔煉,2008年之前改造的老冶煉廠除大冶用諾蘭達工藝外,其它都選擇了TSL工藝,而大冶2010年Z終還是停運了諾蘭達工藝,又選擇了奧斯麥特工藝。選擇TSL工藝的主要原因是:爐體結構簡單,占地小,便於配置,改造不影響生產,能有效利用已有的設施,對原料的適應性強,預處理簡單,可以用廉價的煤做燃料。2008年以後改造的老冶煉廠大多選擇國內開發的氧氣底吹和富氧雙側吹工藝。

TSL工藝的送風氧濃受到噴槍壽命和爐壽命的限製,因而擴產潛力很小;穩定生產的銅鋶品位一般低於60%,因而無法進行連續吹煉,且作業率較低。選擇該工藝的冶煉廠大多麵臨再改造的需要,用更先進的工藝取代TSL工藝。銅陵一冶(金隆)選擇的閃速熔煉工藝,同一台閃速爐經過多次擴產改造,年生產能力已由原設計的10萬t礦銅提高到了35萬t,且目前的能耗、回收率、作業率、成本等指標以及環保指標都很有競爭力,這說明了閃速熔煉工藝能夠適應不斷提高的市場競爭和環保要求,保持其工藝的先進性,是技術風險Z小的熔煉工藝。

第二階段:采用國內外先進工藝技術新建冶煉廠

1985年投產的貴溪冶煉廠是國內第一個采用國外先進工藝新建的銅冶煉廠。隨著中國經濟的快速增長,老冶煉廠技術升級改造、擴大產能已不能滿足銅消費的需求,因此,自2007年8月陽穀祥光銅業投產後,國內又相繼新建投產了很多銅冶煉廠,根據作者不完全統計,采用國外先進工藝新建的銅冶煉廠總能力達到了280萬t礦銅(不含中原冶煉廠),采用國內開發的新工藝,即氧氣底吹和富氧雙側吹工藝新建的銅冶煉廠總能力為203萬t(含中原冶煉廠)目前國內還有一些大的銅冶煉項目正在規劃或建設中,大多選擇了氧氣底吹或富氧雙側吹熔煉工藝,其產能比重還會進一步提高。

第三階段:銅鋶連續吹煉工藝的應用

在熔煉工藝技術升級的同時,銅鋶吹煉工藝技術也在升級,連續吹煉工藝的引進、開發和應用在我國取得了突破性的進展。自陽穀祥光銅業在國內首次應用銅鋶連續吹煉工藝並於2007年9月投產以來,國內又先後建設投產了4台閃速吹煉爐。與此同時,國內自主開發的連續吹煉工藝也實現了工業化,第一台氧氣底吹連續吹煉爐於2014年3月在河南豫光金鉛集團投產,第一台多槍頂吹連續吹煉爐2014年10月在赤峰雲銅投產。目前已投產及2019年即將投產的連續吹煉銅冶煉廠設計產能達到了360萬t,占統計的銅冶煉廠礦銅產能的47.2%,使我國成為世界上連續吹煉工藝產能比重Z大的國家。隨著連續吹煉工藝技術的不斷完善以及國家環保控製的更加嚴厲,將有更多的新建項目或老廠改造項目選擇連續吹煉工藝,其產能比重將進一步提高。毫無疑問,我國的銅鋶吹煉技術已經進入世界Z先進的技術行列。在連續吹煉總產能中,閃速吹煉為190萬t,占52.8%,氧氣底吹和多槍頂吹各80萬t,各占22.2%。目前閃速吹煉單爐年產能多為40萬t粗銅,實際產能還可以進一步提高;底吹吹煉單爐Z大產能為10萬t(不含東營方圓),多槍頂吹單爐Z大產能為15萬t,單爐產能30萬t的廣西南國銅業即將投產。

3 對我國銅冶煉廠工藝選擇的建議

從20世紀90年代老冶煉廠改造開始,冶煉工藝的選擇一直是熱門話題,國內銅冶煉業界對選擇閃速熔煉還是熔池熔煉,一直爭議很大,但時至今日,老冶煉廠均已完成了技術升級改造,又新建了很多銅冶煉廠,因此在冶煉工藝選擇上我們已經有很多經驗和教訓可以總結借鑒。作者認為,冶煉工藝的選擇應該從項目的戰略定位出發,綜合考慮設計規模、原料特性、建設條件(當地自然條件、人員素質、能源價格等),重點比較工藝的成熟可靠性(運行業績,達產速度,成本效益)、技術先進性(安全、環保、能耗、成本、自動化程度與勞動強度、職業衛生、技術經濟指標)、生產能力和擴產潛力、工藝的靈活性(原料、燃料、操作、單爐產能等),選擇Z適合的工藝。

3.1 熔煉工藝的選擇

20世紀90年代我國銅冶煉廠技術改造在選擇熔煉工藝時,大多認為閃速熔煉不能利用已有設施,投資高,生產成本高,對原料的適應性差等,因而除銅陵一冶外,均選擇了熔池熔煉工藝。2008年之前可供選擇的熔池熔煉工藝包括三菱法、TSL熔煉、瓦紐科夫法、諾蘭達熔煉、特尼恩特熔煉、白銀法、水口山法。三菱連續熔煉雖然有較好的工藝性能,但日本三菱公司對技術推廣應用的興致不高,國內冶煉廠對三菱工藝的了解很有限;20世紀90年代國內有很多代表團考察了瓦紐科夫法,但該法當時在蘇聯運行狀況不佳;特尼恩特熔煉的精礦需要深度幹燥,流程長,富氧濃度低,硫捕集率不到90%;水口山法沒有工業實踐,白銀法沒有大規模的生產實踐,產能低,指標有待進一步改善,因而沒有冶煉廠選擇這些工藝。根據當時的技術發展水平,2008年之前大冶選擇了諾蘭達熔煉,其他冶煉廠均選擇了TSL熔煉進行技術升級改造。

TSL熔煉工藝送風氧濃目前Z高為62%,穩定生產的Z高銅鋶品位為62%,一般低於60%;熔煉產出的爐渣—銅鋶熔體需要澄清爐,采用回轉式澄清爐,渣含銅高(芒特艾薩廠達2%~3%),采用電爐澄清,電耗高,渣含銅較高,達到0.8%以上。因此,2008年以後國內出現了氧氣底吹和富氧雙側吹熔煉以後,TSL工藝的優勢已經不明顯,有被更先進工藝取代的趨勢。

奧托昆普閃速熔煉工藝雖然工業應用已經70年,但由於該技術適應時代的要求不斷地創新發展,目前仍然是成熟的先進可靠的技術。閃速熔煉的自動化程度高,環保易控製;單套係統產能大,後續擴產的潛力大,高產能下的單位投資、單位能耗、運行成本低,規模效益明顯;煙氣量小,含水低,設備腐蝕小,煙氣SO2濃度高,製酸成本低;爐壽命長,係統作業率高。這些優勢使其特別適合產能大(大於30萬t)、以進口原料為主的項目。目前,閃速熔煉的關鍵設備,如精礦噴嘴、幹礦計量裝入係統、冷卻元件、精礦幹燥機、餘熱鍋爐等技術全部國產化,中原冶煉廠的閃速吹煉係統、東南銅業的“雙閃”項目已完全依托於國內技術設計、建設,完全擺脫了對國外技術的依賴。因此,閃速熔煉工藝仍然值得國內新建銅冶煉廠或老廠改造項目選擇,技術經濟的風險小。

富氧雙側吹熔煉工藝起源於瓦紐科夫熔煉工藝,工藝原理相同,爐型相似。高濃度富氧空氣通過風口吹入爐渣層形成泡沫層,銅精礦加入該泡沫層發生氣—固—液三相反應,強烈的攪拌強化了過程的傳熱傳質,送風氧濃可以高至90%,熔煉強度高,單位生產能力大;加入的銅精礦對爐渣進行還原、硫化、洗滌,爐渣含銅和Fe3O4低,操作上可以控製很高的爐渣Fe/SiO2(可至2以上);煙塵率不到2%,作業率超過99%;該工藝對原料的適應性強,不需要預處理直接入爐,可以處理複雜原料,可以使用焦粉或碎煤做燃料;銅鋶品位可以達到75%,因而能夠很好地與任何連續吹煉工藝相匹配運行。由於銅精礦用皮帶直接入爐,沒有TSL爐的噴槍,爐體小,因而熔煉廠房結構簡單,僅為TSL廠房的一半高度,投資低;工藝成熟,有幾家冶煉廠投產後一周內即可達到設計產能,且能穩定運行。雖然目前Z大年產能僅有15萬t粗銅,30萬t的熔煉爐尚未投產,但從冶金爐結構和現有熔煉爐運行經驗看,30萬t以上產能的熔煉爐運行不應該存在技術風險。

氧氣底吹熔煉工藝是完全由國內自主開發應用的新工藝,由於富氧空氣從底部送入,通過銅鋶層傳遞來氧化銅精礦完成熔煉過程,理論的渣含Fe3O4低,熔煉強度大;由於爐體沒有水冷,操作上控製較低的熔體溫度(爐渣溫度不到1200 ℃),熱效率高,能耗低,爐壽命可達3年,噴槍壽命可達半年;原料適應性強,不需要預處理,可處理複雜原料。目前Z大產能已經達到年處理150萬t銅精礦,穩定運行的銅鋶品位可以達到70%以上,因而可以與連續吹煉工藝匹配運行。氧氣底吹工藝工業生產時間雖不長,但已比較成熟,新投產的熔煉爐在很短的時間內即可在設計投料量下穩定運行,因此在世界銅冶煉行業受到很大的關注。雖然該工藝還存在送風壓力高、爐口漏風大、加料口粘結、渣含銅高、擴產潛力受限等不足,對於新建和改造的、設計能力不超過30萬t的冶煉廠,氧氣底吹工藝是一個很好的選擇。

由於三菱熔煉的特點,熔煉過程在銅鋶相中完成,因而在銅鋶品位很高的條件下,渣含銅和Fe3O4低,煙塵率低;由於無包子和行車,逸散煙氣少,煙氣SO2濃度高,硫捕集率高;單套係統生產能力達到30萬t,有一定的規模效益;熔煉和吹煉的富氧濃度較高,煙氣連續,製酸成本低;中間物料能回爐處理,熱利用率高;工藝控製簡單;車間配置緊湊,占地小。雖然三菱熔煉還存在噴槍係統複雜、送風壓力高、粗銅含硫高、熔體溜槽長(有熱、氣逸散)等問題,但是三菱連續煉銅工藝從工藝性能、技術經濟指標、環保、操作控製等方麵都有較大的優勢,對於新建冶煉廠如果有三菱公司的技術支持,三菱工藝是不錯的選擇。

3.2 銅鋶吹煉工藝的選擇

PS轉爐工藝成熟可靠,設備和操作簡單,自熱吹煉,能夠利用剩餘熱量處理工廠的含銅中間物料(粗銅殼、殘陽極、煙塵、冷冰銅等),還能處理外購的冷雜銅,生產成本低,除雜能力強,粗銅質量好,工藝控製靈活。對於外購粗銅、銅鋶及其它含銅物料供應充足的項目,選擇PS轉爐工藝仍然有其合理性。但是,由於PS轉爐低空逸散煙氣收集處理困難,采用連續吹煉工藝取代PS轉爐工藝是銅鋶吹煉工藝的發展趨勢。

奧斯麥特熔煉—奧斯麥特吹煉工藝,無論是侯馬冶煉廠的熔體銅鋶吹煉,還是雲錫公司的固體銅鋶吹煉,由於其都是按爐次周期性地進行進料造渣、氧化造銅、放銅排渣作業,加料不連續、吹煉作業不連續、煙氣不連續,因此都不能算是連續吹煉。吹煉的不同作業期煙氣量和SO2濃度波動大,SO2濃度低,製酸困難,投資和運行成本高;需要加煤補充熱量,能耗高;由於熔煉爐提供的銅鋶品位低(小於60%),渣含銅高(16%~18%)、渣量大,因而直收率低(80%左右),因過熱而不能采用富氧或高濃度富氧吹煉,生產能力低;噴槍壽命短,作業率低。與PS轉爐工藝相比,僅是取消了銅鋶用包子和行車輸送,但工藝控製更複雜,因此用奧斯麥特吹煉取代PS轉爐吹煉很難說是一個工藝技術的進步。

氧氣底吹吹煉工業應用的時間還很短,生產能力目前Z大為10萬t粗銅(東營方圓的兩步煉銅除外),存在氧槍壽命短、更換氧槍困難、作業率低、冷料加入困難、送風氧濃低、粗銅含硫高等問題,氧氣底吹吹煉工藝尚需不斷完善。

多槍頂吹吹煉爐源於三菱C爐,其工藝原理、爐渣渣型與三菱C爐相同,爐型結構相似。三菱吹煉的銅鋶品位為68%,送風氧濃為32%~40%。而多槍頂吹吹煉的銅鋶品位為75%,對熔煉爐操作控製要求更高,需要特別防止熔煉作業出現泡沫渣事故。由於冷料加入困難,僅能處理電解殘極,因而吹煉的熱平衡受限,送風氧濃難以提高,目前僅為27%。由於國內已有多槍頂吹連續吹煉成熟的操作經驗,三菱C爐已有40多年的運行業績,目前的Z大產能已達30萬t粗銅,因此,多槍頂吹連續吹煉工藝經過後續的不斷完善,是很有前景的連續吹煉工藝。

閃速吹煉工藝是在閃速爐一步煉銅工藝的基礎上開發應用的連續吹煉工藝,連續加料、連續送風、連續排煙。從1995年首次工業應用以來,特別是在中國幾個大型冶煉廠的應用,通過工藝、設備的不斷改進,該工藝已經非常成熟可靠。閃速吹煉采用固體銅鋶高濃度富氧吹煉,煙氣量小,煙氣連續穩定,SO2濃度高,為煙氣製酸創造了很好的條件,製酸的電耗和單位能耗是其他連續吹煉工藝無法比擬的;固體銅鋶吹煉可以將熔煉和吹煉在時間和空間上分開,不再相互製約,為高作業率創造了條件,可以與任何能夠生產高品位銅鋶的熔煉工藝相匹配生產,如氧氣底吹、富氧雙側吹等;爐體密閉性好,環保條件好,“雙閃”工藝硫的捕集率超過99.9%;閃速吹煉爐的單爐產能大,目前年生產能力已經達到45萬t粗銅,還有進一步提高的潛力,特別適合大規模生產。對於30萬t以上產能的冶煉廠,采用閃速吹煉工藝的單位投資和單位成本低,具有一定的投資和成本優勢。

4 結語

隨著銅冶煉工藝技術的不斷進步和我國銅消費量的增長,我國銅冶煉廠完成了冶煉工藝技術的升級,銅精礦熔煉和銅鋶吹煉工藝技術均達到了世界先進水平。進入21世紀後,我國銅冶煉廠對國外引進技術進行了再創新,實現了核心工藝和設備技術的國產化,基本擺脫了對國外技術的依賴;國內自主開發的銅冶煉工藝技術廣泛應用,產能比重上升很快,並有望在短期內超過國外引進技術的產能比重;我國銅鋶連續吹煉工藝的產能比重已接近一半,並還在進一步提高。目前我國在運行的銅精礦熔煉工藝有閃速熔煉、氧氣底吹熔煉、富氧雙側吹熔煉、白銀法熔煉、TSL熔煉,在運行的銅鋶吹煉工藝有PS轉爐吹煉、閃速吹煉、氧氣底吹吹煉、多槍頂吹吹煉工藝。在這些工藝中,閃速熔煉、氧氣底吹、富氧雙側吹熔煉和連續吹煉工藝將成為新的銅冶煉項目的優先選擇工藝,而隨著這些工藝在我國的應用和工藝技術水平的不斷提高,我國銅冶煉廠必將引領世界銅冶煉工藝技術的進步。


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