铜冶炼工艺研究的成果及应用

铜冶炼工艺研究的成果及应用摘要：简单介绍了目前铜冶炼工艺研究的成果及应用。关键词：铜冶炼工艺优点1概述随着世界经济的全球化，铜冶炼厂面临着更严峻的竞争和挑战，其焦点仍然是产品的质量和成本。各铜冶炼厂面对国际和国内市场的竞争，都在努力寻求适合自己实情的技术改造方案，希望通过改扩建，大幅度提高技术和装备水平，环保达标，能耗和成本大幅度降低。同时，各地的冶金机构和有关企业都在进行着深入的研究。2闪速炉熔炼闪速熔炼自1949年芬兰奥托昆普问世以来．经过不断改进、完善和发展，逐步取代了反射炉和鼓风炉的地位。今天它已成为当今铜冶金所采用最具有竞争力的熔炼技术．被普遍认为是标准的清洁炼铜工艺。2闪速熔炼的特点及发展2．1生产能力大闪速熔炼是一种悬浮熔炼，气一液一固三相在反应塔内1～2S就完成一系列反应过程，富氧的应用更加快了反应的速度，所以闪速炉特点是生产能力大。目前，全世界有闪速炉36台，平均每台年生产能力约17×10t。美国的BHP公司单台闪速炉能力已达30×10t／a，日本佐贺关冶炼厂单台闪速炉能力1999年突破了45×10t。闪速炉问世至今，生产规模基本是每10年以5×10t的速度在增长，而且这种增长还在持续。预计未来5年，单台闪速炉最大生产能力将达到50×10t。这种能力优势是任何其它冶炼炉无法比拟的。随着不断改进和发展，闪速炉生产潜力到底有多大尚且无法估量。现在，世界上已提出未来百万吨闪速炼铜厂的设计构想。2．2环境保护好闪速熔炼是一个连续稳定的过程，SO2浓度高，烟气成分平稳，有利于制酸和S的回收。目前，闪速熔炼工艺S的回收率基本达到95％以上，优于其它冶炼工艺，但尚有5％的潜力，不少闪速炼铜厂目前正在积极采取有效措施，进一步提高S的回收率，以适应未来更加严格的环保要求。闪速熔炼提高S的回收率关键不在于闪速炉本身，而在后续流程转炉和硫酸系统，其主要进展：一是PS转炉吹炼一连续转炉一闪速吹炼法；二是硫酸工序采用了动力波洗涤新技术；三是环集集烟系统完善和尾气处理技术。2．3自热熔炼闲速熔炼最大的优点之一是充分利用了铜精矿的巨大表面能，即最大限度地利用了精矿的自身反应热。随着闪速熔炼向高投料量、高球铜品位、高富氧浓度、高热负荷的“四高”方向发展，闪速炉自热熔炼已逐渐成为现实，这将大大减少能源消耗，目前世界上已有几家闪速炼铜厂实现了自热熔炼。此外，由于闪速炉富氧可以在21％～95％浓度范围内灵活方便的使用，不仅可以大大降低能源消耗和提高生产能力，而且减少了烟气量。这样，可以减少烟气处理设备(废热锅炉、电收尘、制酸等)的投资。有关资料表明l3J，对一个年产10×10t铜的新厂来说，富氧含量每增加l0％，则可节省投资200万美元。2．4生产稳炉龄长自动化程度高、生产稳定是闪速熔炼特点之一。目前世界上所有闪速炉基本都实现了工艺过程计算机在线控制，从而保证了闪速炉生产高质量稳定运行所以，闪速炉作业率明显高于其它工艺。此外，闪速炉的炉龄较长，一般立体冷却的闪速炉炉龄至少都在l0年以上，即闪速炉在此期间内不需进行停炉冷修。同闪速熔炼相比，熔池熔炼(艾萨炉、诺兰达炉、瓦纽可夫炉等)主要不足之一就是耐火砖损耗严重，炉寿命短，一般每年至少都需停炉大修一次；闪速炉炉龄目前正在朝15～20年方向前进。2．5闪速吹炼火法炼铜一般分为三个过程：首先将铜精矿熔炼成冰铜，然后将冰铜吹炼成粗铜，最后将粗铜精炼成阳极铜。90年代前，炼铜技术的进步和发展主要是在第一步，即熔炼过程；吹炼工艺并无实质性进展，基本上一直在采用PS转炉吹炼。转炉吹炼工艺烟气量波动大，不利于制酸和S的回收，而且在热冰铜包运输过程中so2烟气外逸，造成环境污染。9O年代后，吹炼工艺实现了质的飞跃。1995年闪速吹炼闸世并成功应用于美国肯尼柯特冶炼厂，将闪速炼铜整体工艺(闪速熔炼+闪速吹炼)S的回收率由95％提高到99．9％以上。2．6一步炼铜1999年澳大利亚奥林匹克坝闪速炼铜厂正式投产，实现了闪速炉高品位(Cu45％～50％)硫化铜精矿的一步炼铜，省去了吹炼工艺，这是铜冶炼史上新的里程碑。随着一步炼铜和闪速吹炼工艺的出现，未来世界铜工业从矿山到冶炼将发生较大变化。首先，矿山可以实现生产最优化，即利用浮选电位控制法同时生产高品位和低品位两种精矿，高品位精矿进人市场，低品位精矿可以就近冶炼成冰铜出售。其次，冶炼厂方面可以非常经济灵活地组织生产。即闪速炼铜厂可以用低品位精矿生产球铜或出售或继续冶炼成粗铜；也可以用高品位精矿或来自厂内外冰铜和精矿混合起来直接生产粗铜。3Comop工艺Comop工艺利用了旋涡熔炼和顶吹技术两种技术．旋涡熔炼是一种强化熔炼，旋涡室内温度高．热强度大．物料停留时同短，可以处理各种复杂原料。顶吹技术用于处理古铜炉渣，反应气氛易于控制．传质和传热速度快美国ElBas0情炼厂自1993年开始应用该技术．生产实践证明Contop工艺己经成熟。3.1工艺特点Comop(CONtinuousTop—feedOxygenProcess)即炉料高速连续地熔炼和吹炼。Contop炼铜法是由德国KHDHumtboltWedag公司在80年代末开始研究开发的炼铜新工艺。Contop炉主要包括旋涡熔炼室和顶吹反应室两部份，第一台旋涡炉安装在智利国家铜公司楚基卡马塔．1990年美国E1Paso冶炼厂通过多方面对比认为．Contop工艺是一种低费用的快速熔炼方式，烟气量少，能处理含铋和锌高的铜精矿因此计划建一座Contop炉，以砍掉焙烧炉和反射炉。使其精矿处理量从280000t／8增加到361000da．阳极产量从100ooot／a增加到134000t／a。该项目1993年3月投产。在投产初期，ElPaso冶炼厂和A~Dco’s技术服务中心对旋涡炉进行了许多改进，使其在技术上更趋合理。目前世界上采用Contop工艺炼铜的工厂虽为数不多。但该工艺适合反射炉的改造，能充分利用了旋涡熔炼温度高、热强度大、炉料停留时间短和顶吹反应易于控制的特点，必将成为在技术上更具竞争性的炼铜工艺。3.2优点与闪速熔炼相比，Contop熔炼强度大。易于控制，可以处理复杂铜精矿并维持稳定的铜铙品位，机械夹带烟尘很低，弃渣含铜较低。Contop技术在炼铜工业中的竞争能力正在不断增长。4用碳酸钠作助熔剂的粗铜精炼新方法矿产粗铜传统火法精炼作业，是使用碳氢化合物做还原剂。除去粗铜中的氧和硫。国外的铜冶炼技术研究单位。现在在研究取代使用碳氢化合物做还原剂的新精炼方法4.1工业应用潜力报道说．用碳酸钠作反应剂来精炼粗铜的新方法，可以处理氧含量超过1500ppm、硫含量在700～1000ppm之间的粗铜。那么，这个新方法用于熔炼转炉粗铜应该是可行的。因为在Peiree—Smith转炉间歇作业周期末尾。熔体中的硫和氧的含量有一种典型的趋势，由于喷人空气。熔体中硫的含量几乎是直线下降．其浓度达到500～1000ppm。而氧的含量却随着空气的喷人而大量上升。通常。在将粗铜装人阳极炉完全脱硫之前，转炉操作一般可将铜熔体中的氧含量提升到3000～5000ppm。当熔融铜中的氧含量达到这个水平时，其中的硫含量就只有几百ppm了。但是在采用浸没式喷管喷人碳酸钠时，推荐使用气体搅拌，以改善苏打与铜的接触，从而提高体系的质量交换效率。4.2与传统火法精炼比较报道说，这个新方法与传统火法精炼相比，新方法具有以下几个优点：(1)使用新方法所得的铜熔体中残留的氧量，比传统火法精炼所得的铜熔体中的氧量差不多低一个数量级．这可以大大地降低铜被氧化而随着熔渣流走的损失，若要回收渣中的铜，就要将这种炉渣放在生产流程中循环，这样的回收方法是不经济的，而且这种熔融状态下的氧化渣，通常在撇渣时会对耐火材料产生腐蚀.(2)虽然，冶炼厂将熔炼炉和转炉产生的全部炉气都送到硫酸厂去制造硫酸．可以将硫的固定率达到95％～97％，但是，现在欧洲、日本和美国的某些州制定的环保新标准，要求硫的固定率要达到97％-99．9％，要捕获和固定这最后的几个百分点的硫，是很费钱的，因为需要复杂的处理设备来处理体积很大的稀释气体，这就会产生基本建设费用问题，的确如此，对处理连续吹炼转炉产出的粗铜来说更加必要，而新方法是以Na~so的形式将从粗铜中除去的硫收集起来，不像传统的火法精炼那样使其向空中散发；(3)传统火法精炼需要鼓人空气脱硫，再用碳氢化合物还原，需要相当长的时间(3h，对处理连续吹炼转炉产出的粗铜来说．需要的时间更长)，而现在提出的新方法预计可以减少整个过程的时间，还可能减少所需要阳极炉的数量，预计可明显地减少人力和降低矿物燃料的消耗量。4.3还需研究的问题报道说．除了质量交换的局限性还没有测定和其它杂质对炉渣流动性的影响以外．另外还有一些其它需要考虑的问题，如何回收生成渣中的铜就是需要考虑的问题之一。虽然铜在渣中的溶解度预计是很低的，但是现有的回转火法冶炼反应器的撇渣作业还不成熟，撇渣时熔渣可能会带走一些铜，这些含铜的渣，或者返回到熔炼炉或吹炼炉，或者采用其它方法将渣中的铜与碳酸钠、硫酸钠分开．将其收回。耐火材料的腐蚀也是一个问题．特别是以碳酸钠作为主要成分的渣，问题更多，预计反应过程生成的硫酸钠对耐火材料的腐蚀性小一些，因为其中的Na20的化学活性低。在除去次要元素这方面．还需要将新方法与传统的转炉吹炼／'A法精炼作些比较研究．新方法使用的炉渣体系对除去次要元素被证明是有效的。另一方面，因为铜熔体中的氧含量保持在较低水平，杂质的行为到底如何，还不太清楚。试验人员认为，这个新方法在热力学上是可行的．虽然证明在较低温度下更有利于除去硫和氧，建立起反应动力学与渣的流动性之间的平衡。这两者在高温条件下更有利．三次试验都探讨了新方法的可行性，并确认了新方法的潜力。新方法与现在使用阳极炉除硫脱氧的方法相比．缩短工艺过程，进一步的试验包括另外的实验室试验、中间试验、或者工业规模试验．来验证反应动力学。5不锈钢阴极电解技术不锈钢阴极电解技术有多方面的优越性，但是目前要采用该工艺，不锈钢阴极、极板作业机组以及专用吊车需从国外引进，项目投资相对较高，一些老系统的改造，特别是资金有困难的企业难以实现。如何使国外先进技术在中国得到应用．，又可维持较低的投资是值得多方面探讨的问题。云冶的电解技术改造经过多方案的分析比较，最后推荐采用中极板的不锈钢阴极电解工艺，也就是保持阳极板尺寸不变。优点是新系统与现有老电解系统阳极板尺寸相同，方便管理，可利用现有的阳极浇铸机和阳极加工机组。由于阳极板尺寸不变，新系统的有些操作可与现在一样采用人工，仅需从国外引进不锈钢阴极板和阴极剥片机组，其余设备全部国产，还可利用一些现有设备。项目的投资比采用大极板的艾萨法节省三分之一，但工厂的技术水平和产品质量却有大幅度提高。云铜的电解方案就是设法使国外先进技术在适合中国国情的情况下得到应用，这一经验值得其他工厂借鉴。6因泰克炼铜工艺因泰克铜工艺使用高浓度氯化物电解质，在常压，温度80～85℃条件下，生产高纯铜颗粒(Cu99．99％)和元素硫。最近，澳大利亚一家公司对因泰克工艺作了详尽的研究，结果表明年产20万t铜的因泰克工厂投资大约是现行铜冶炼厂的一半，加工和投资费用是其年产5万t铜厂的一半。并且表明因泰克铜工艺加工费用低于目前最好的浸出／溶剂萃取电积技术。该工艺采用多级逆流浸出，在常压，温度80～85~C条件下，鼓人空气浸出，使铁以针铁矿复合物沉积，随后，采用二段净化工序分离杂质，使之以金属和其它形式产出。净化后的氯化亚铜／氯化钠溶液被送到隔膜电解槽，在电流密度1000～1500_A／条件下电积产出高纯度铜颗粒产品，且无需常规电极的剥极片作业，其电耗约为二价铜工艺的一半。该产品适于用粉未冶金方法直接转化为铜线和铜带产品。其它所有湿法生产铜的方法，前人已有论述。该工艺可处理低品位和受污染的铜精矿，而无不良后果，并将给矿主带来更高的利润率．Ph、Zn和沁也可以金属形式回收，其电积液具有较高的氧化电位，可高效地提取Au，并用活性碳选择吸附沉积，仅含微量cu和杂质。6.1工艺过程描述在多数电积工艺中，阳极(电解槽的正极)产生的氧气被排到空气中，造成阳极反应能的损失。而因泰克技术可以储存阳极能，溶解硫化物并产出元素硫，该工艺使用含阳极氧化物的高浓度氯化钠溶液浸出硫化铜矿物产出高纯铜产品，并附产Au、舡产品。原则的工艺流程，如图1所示。电解槽阳极产生的氧化物主要是卤素复合物(IL~LEX)和Cu2离子。该工艺在常压，温度80—85℃下，鼓人空气，采用三段逆流浸出，使铁以针铁矿复合物(正方针铁矿)形式沉淀。并可浸出Au，采用活性碳吸附，得到含少量cu和舷的高含量的_Au，也可以从浸出渣中回收金。在净化工序分离出金属银产品和各种杂质混合物。电积工序产出高纯cu，并再生浸出液。如果原料中的Ph和zn含量高时，该工艺也可以调整为产出金属Ph和Zn。6.2经济分析如前言所述，该工艺的主要的优点是低投资、低成本。下述优点阐明了矿主获得的大量的收益：(1)冶炼厂的进料品位无要求，可以是低品位受污染的原料，也可以在矿山就地生产，且回收较高。(2)由于该工艺具有处理低品位、受污染原料的能力，从而在相同的’情况下避免了矿