乾貨分享!帶你走進銅冶煉工藝的精彩世界

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世界上由銅精礦生產電解銅的冶煉方法分為兩大類:火法冶煉和濕法冶煉。目前精鍊銅產量的80%以上是用火法冶煉生產的,濕法冶煉生產的精鍊銅佔20%左右,詳細情況如下。

一、火法冶煉

  火法煉銅是當今生產銅的主要方法,占銅產量的80%~90%,主要是處理硫化礦。火法煉銅的優點是原料適應性強,能耗低,效率高,金屬回收率高。火法煉銅可分兩類:一是傳統工藝:如鼓風爐熔煉、反射爐熔煉、電爐熔煉。二是現代強化工藝:如閃速爐熔煉、熔池熔煉。

  由於20世紀中葉以來全球性的能源和環境問題突出,能源日趨緊張,環境保護法規日益嚴格,勞動成本逐步上漲,促使銅冶煉技術從20世紀80年代起獲得飛速發展,迫使傳統的方法不得不被新的強化方法來代替,傳統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化冶煉先進技術,其中最重要的突破是氧氣或富氧的廣泛應用。經過幾十年的努力,閃速熔煉與熔池熔煉已基本取代傳統火法冶煉工藝。

  1、火法冶煉工藝流程

  火法工藝過程主要包括四個主要步驟:造鋶熔煉、銅鋶(冰銅)吹煉、粗銅火法精鍊和陽極銅電解精鍊。

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,產出含銅較高的冰銅。

冰銅吹煉(冰銅—粗銅):將冰銅進一步氧化、造渣脫除冰銅中的鐵和硫,生產粗銅。

火法精鍊(粗銅—陽極銅):將粗銅通過氧化造渣進一步脫除雜質元素,生產陽極銅。

電解精鍊(陽極銅—陰極銅):通過引入直流電,陽極銅溶解,在陰極析出純銅,雜質進入陽極泥或電解液,從而實現銅和雜質的分離,產出陰極銅。

圖1 火法煉銅一般流程圖

  2、火法冶煉工藝分類

(1)閃速熔煉

  閃速熔煉(flash smelting)包括國際鎳公司因科(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磨物料巨大的活性表面,強化冶煉反應過程的熔煉方法。將精礦經過深度乾燥後,與熔劑經乾燥一起用富氧空氣噴入反應塔內,精礦粒子在空間懸浮1-3s時間,與高溫氧化性氣流迅速發生硫化礦物的氧化反應,並放出大量的熱,完成熔煉反應即造鋶的過程。反應的產物落入閃速爐的沉澱池中進行沉降,使銅鋶和渣得到進一步的分離。這種方法主要用於銅、鎳等硫化礦的造鋶熔煉。

  閃速熔煉在20世紀50年代末開始生產,已在四十多家企業推廣應用,因為不斷改進在節能環保方面有著顯著成績。該工藝技術具有生產能力大、能耗低、污染少等優點,單套系統最大礦銅產能可達40萬t/a以上,適用於規模20萬t/a以上的工廠。但是要求原料進行深度乾燥到含水<0.3%,精礦粒度<1mm,原料中雜質鉛加鋅不宜高於6%。工藝的缺點是設備複雜、煙塵率較高,渣含銅比較高,需要進行貧化處理。

(2)熔池熔煉

  熔池熔煉包括特尼恩特煉銅法、三菱法、奧斯麥特法、瓦紐柯夫煉銅法、艾薩熔煉法、諾蘭達法、頂吹旋轉轉爐法(TBRC)、白銀煉銅法、水口山煉銅法和東營底吹富氧熔煉法等。熔池熔煉是在細小的硫化精礦加入熔體的同時,向熔體鼓入空氣或工業氧氣,在劇烈攪拌的熔池內進行強化熔煉。由於鼓風向溶池中壓人了氣泡,當氣泡通過熔池上升時,造成「熔體柱」運動,這樣便給熔體輸入了很大的功能。它的爐型有卧、立式、迴轉式或固定式,鼓風方式有側吹、頂吹、底吹三種。

  熔池熔煉是20世紀70年代開始在工業上應用。由於熔池熔煉過程中的傳熱與傳質效果好,可大大強化冶金過程,達到了提高設備生產率和降低冶煉過程能耗的目的。而且對爐料的要求不高,各種類型的精礦,乾的、濕的、大粒的、粉狀的都適用,爐子容積小,熱損失小,節能環保都比較好,特別是煙塵率明顯低於閃速熔煉。

表1 主要煉銅工藝匯總表

表2 主要煉銅工藝對比

表3 國內部分銅企冶煉工藝情況

表4 國外部分銅企冶煉工藝情況

   二、濕法冶煉(SX-EW法)

  濕法冶煉占銅生產量的10%~20%,是用溶劑浸出銅礦石或銅精礦使銅進入溶液,然後從經過凈化處理後的含銅溶液中回收銅的方法。主要用於處理低品位銅礦石、氧化銅礦和一些複雜的銅礦石。

  濕法煉銅設備更簡單,在礦山附近就近生產,生產成本低,不生產硫酸,無SO2污染。但雜質含量較高,且煉銅周期長、效率低、產能規模小;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有工業應用,存在技術障礙。

  雖然目前濕法煉銅在銅生產中所佔比重不大,但從今後資源發展趨勢看,隨著礦石逐漸貧化,氧化礦、低品位難選礦石和多金屬複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

濕法冶煉工藝過程主要包括四個步驟:浸出、萃取、反萃取、金屬製備(電積或置換)。氧化礦可以直接進行浸出,低品位氧化礦採用堆浸,富礦採用曹浸。硫化礦在一般情況下需要先焙燒後再浸出,也可在高壓下直接浸出。浸出過程常用的溶劑有硫酸、氨、硫酸高鐵溶液等。

圖2 濕法冶煉一般流程圖

圖3 濕法冶生產過程圖

2、火法冶煉工藝與濕法冶煉工藝比較

表5 火法冶煉與濕法冶煉工藝對比

  三、銅冶煉方法展望

  世界銅冶煉發展趨勢銅冶煉的發展趨勢歸納起來有以下幾點:

(1)由於銅礦的性質,為了回收其中的銀和硫,火法煉銅仍佔主要地位,但濕法煉銅比例會有所提高。

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

(3)火法煉銅將基本上是自熱熔煉。

(4)銅鋶連續吹煉將會更廣泛的應用。

(5)低品位礦將會用濕法冶金進行利用。濕法冶煉中浸出和萃取效率將會進一步提高。

(6)計算機在線控制將是主要的生產控制手段。

(7)工廠的規模將會更大型化,每一工序將會是單台爐子生產,操作工作將會更加減少。

  隨著環保政策的嚴厲和生產成本的增加,從世界範圍看,成本高、技術落後小型冶煉廠將陸續關閉,大中型冶煉廠將進一步擴大生產規模,降低成本。而通過技術升級改造,進一步提高原料利用率,最大限度在冶煉過程中回收廢渣、廢水、廢氣中有價元素將是降成本最重要的手段。

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