冶金百科 | 铜冶金工艺——奥图泰闪速炉直接炼铜

2023-04-03 10:40:06 来源：中冶有色技术网

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简介：奥图泰闪速炉直接炼铜以硫化铜精矿为原料生产金属铜，是一个单纯的氧化过程，从原理上讲，在一座炉内一步氧化得到粗铜是可能的，这也是铜冶金工作者长期追求的目标。但由于铜精矿含铁较高，这些铁在炼铜过程中，会氧化为FeO.(FeO或FeOa)与SiO造渣，一般生产1t铜产出2~5t炉渣。

奥图泰闪速炉直接炼铜

1)方法简介

奥图泰闪速炉直接炼铜以硫化铜精矿为原料生产金属铜，是一个单纯的氧化过程，从原理上讲，在一座炉内一步氧化得到粗铜是可能的，这也是铜冶金工作者长期追求的目标。但由于铜精矿含铁较高，这些铁在炼铜过程中，会氧化为FeO.(FeO或FeOa)与SiO造渣，一般生产1t铜产出2~5t炉渣。在炉内氧化生成金属铜的高氧势下，CuO和FeO的活度急剧增大，会造成渣含铜高、炉渣熔点高、黏度大、Fe、O过饱和析出等问题发生。因此，在实际工艺中，将过程分为熔炼和吹炼2个工序，分别在2座炉内进行;传统的P-S转炉吹炼，又分为造渣期、造铜期间断操作。这种方法对火法炼铜的主要原料————黄铜矿型铜精矿合理。但也有一些特殊类型的铜矿，如辉铜矿(CuS)型和斑铜矿(CuFeS)型，这些矿山产出的铜精矿具有高铜低铁的特点，类似较高品位的铜锍，冶炼中产出的渣量少，采用一步直接氧化得到粗铜更为合理。针对这类铜精矿，奥图泰公司自20世纪60年代开始发展了闪速炉一步直接生产粗铜的方法(Direct to blister copper process，DB process)，截至目前，已在波兰 Glogow Ⅱ(1978年)、澳大利亚Olympic Dam(1998年)、赞比亚KCM Nchanga(2008年)3家炼铜厂得到工业应用。

用于直接炼铜的闪速炉结构与一般奥图泰闪速熔炼炉大致相同，但由于炉内直接生成粗铜，其比重高、渗透性强，在侧墙、炉底、水冷元件、放铜口结构及配置上有多方面改进，其与闪速吹炼炉应有很多相互借鉴之处。

图3-35为闪速炉直接炼铜工艺流程图。铜精矿干燥至含水0.3%，与熔剂(SiO、CaO)、返回的烟尘配料混合后，通过中央喷射型喷嘴与富氧空气(O80%左右)一起喷洒到闪速炉反应塔中，在1400℃高温下发生生成粗铜及炉渣的物理化学反应。熔融产物下落到沉淀池中分离为粗铜和炉渣，分别从排渣口和排铜口定期排出。粗铜通过流槽排入阳极炉精炼，炉渣经流槽排入电炉贫化。SO烟气及烟尘通过直升烟道进入余热锅炉、电收尘，回收余热和烟尘，再经动力波洗涤、电除雾后制酸。炉渣含铜高，根据渣型不同，在14.4%和22.5%之间，主要以CuO存在，少量为金属铜。炉渣贫化电炉中有一层0.25m厚的焦炭，在高温还原性条件下，CuO得以还原。此外，FeO么也会部分还原，使得炉渣性能改善，有利于粗铜颗粒从渣中沉淀分离。贫化电炉产出的粗铜，定期通过流槽加入阳极炉。贫化后的炉渣，依据渣含铜高低直接弃去或进一步选矿处理。

闪速炉直接炼铜工艺流程图

图3-35 闪速炉直接炼铜工艺流程图

由于3家直接炼铜厂铜精矿含铁量及脉石成分存在差异，它们所采用的炉渣体系并不一致，如表3-12所示。由于精矿中含SiO较高，因此，直接炼铜不能像连续吹炼一样，以Ca0为主要熔剂，造铁酸钙炉渣。Olympic Dam(OD)铜精矿Fe含量在6%~12%，炉渣m(Fe)/m(SiO)为2，因而使得渣量较小，在该炉渣体系中，铁尖晶石接近饱和。Glogow Ⅱ(KGHM)精矿Fe含量约为3%，但其SiO、CaO、MgO、Al，O等脉石总含量高达42%~50%，熔炼中未添加任何熔剂，而采用高SiO、CaO的自熔渣型，因此炉渣量较少。

由表3-12可见，Glogow Ⅱ炉渣的m(Fe)/m(SiO)仅为0.2，含 CaO 高达14%，还含有9.4%的AlO和6.2%的MgO，钙硅石(wollastonite)有可能从炉渣熔体中过饱和析出。该渣型中Cu0活度系数较大，因而渣含铜较低。赞比亚KCM矿铁含量较波兰Glogow Ⅱ高得多，且含有较高的SiO和MgO，为降低炉渣熔点，必须添加一定量的CaO。

几家闪速炉直接炼铜及连续吹炼厂炉渣组成炉渣

表3-12 几家闪速炉直接炼铜及连续吹炼厂炉渣组成炉渣

2)技术特点

①高效环保。将熔炼、吹炼合并在一座冶金炉内进行，在生产效率、能耗和环保等几个方面，都有明显优势。铜冶炼能耗在150kgce/t以下。SO排放量应比双闪法工艺更低，小于2kg/t铜。

②投资及运行费用低。据测算，投资及运行费用均比传统工艺低20%左右。③通过精确控制料/O比，控制炉内只有炉渣和粗铜2个熔体相，无CuS相存在，不易生成泡沫渣。粗铜含硫低于1%，即可确保不会生成Cu，S相。奥图泰闪速炉利用铜精矿失重加料器、中央扩散精矿喷嘴等装置，对料/O比实现实时精准控制，这是其与熔池熔炼技术相比较，较为突出的优点。熔池熔炼一般通过加料皮带从加料口将炉料加入熔池中，而富氧空气则通过风口或喷枪喷射至熔体内，由于炉料水分和粒度波动，其在一个时间段内从统计平均的角度，可精准控制料/O比，但要实现瞬时精准控制，从原理上有难度。

④仅适用于辉铜矿(CuS)型和斑铜矿(CuFeS)型铜精矿。以黄铜矿(CuFeS)型铜精矿为原料，铜直收率仅略高于50%，目前经济上不合理。但目前国内外部分冶金工作者，仍在致力于黄铜矿型铜精矿闪速炉直接炼铜的研究，部分工作已有一定进展。根据闪速炉结构特征及其工作原理，在反应塔内控制高氧势，完成造铜及造渣反应，在沉淀池中加入一定量焦炭，控制还原性条件，使CuO和FeO部分还原，可降低渣含铜。

3)技术指标

①富氧空气：常温，080%;

②烟气SO浓度：30%～40%;

③烟尘率：5%～8%;

④粗铜温度：1230~1270℃。

4)国内外应用情况

闪速炉直接炼铜仅适用于特殊类型低铁铜精矿，目前仅在国外3家炼铜厂得到应用。第1家为波兰GlogowⅡ冶炼厂，1978年建成投产，后经几次改扩建，产能已从最初的6.5万t/a发展至27万t/a。第2家为澳大利亚Olympic Dam冶炼厂，1988年建成投产，初期产能5.5万t/a，目前已发展至20万t/a。第3家为赞比亚KCM Nchanga冶炼厂，2008年建成投产，产能为20万t/a。KCM公司铜精矿含钴较高，因此，Nchanga 冶炼厂炉渣经2段电炉贫化，第1段贫化回收铜，产出粗铜送阳极炉精炼，第2段电炉贫化产出铁钴铜合金，使原料中所含钴得到回收。

5)总体评价

闪速炉直接炼铜把铜冶金技术推向了一个新的高度。其技术上的成就一是炉渣化学方面，扩展了炼铜炉渣渣型。英国国家物理实验室(NPL)在国际上多家矿冶公司资助下，联合国际上多家知名大学和研究机构，经过近30年的研究，建立多元高温熔体热力学数据库(Mtox Data Base)，目前，多元复杂炉渣体系性质，如熔点、黏度等，已可用热力学方法计算，推进了研发工作的开展;二是在闪速炉结构上，进行了多方面的改进，以适应单座闪速炉内直接产出粗铜的要求。

闪速炉直接炼铜技术仅适用于特殊低铁类型的铜精矿，而我国目前未发现有产出这类铜矿的大型矿山，因此，引进这一技术在国内建厂的可能性很小。中国有色矿业集团在赞比亚的谦比西铜矿，其含铜矿物为斑铜矿，铜精矿品位在40%以上，而且铜矿中含钴，适合采用闪速炉直接炼铜技术冶炼。