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銅的冶煉過程是銅產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié),了解銅的冶煉工藝對于分析企業(yè)的成本變化、生產(chǎn)動向、產(chǎn)量波動等方面都有較大的幫助。因此,本文首先從梳理銅的冶煉工藝入手,詳細(xì)探討了主流煉銅工藝,即火法煉銅的各個階段。其次,本文對比了傳統(tǒng)及現(xiàn)代冶煉技術(shù)的區(qū)別,從冶煉工藝的角度分析相應(yīng)的成本差異。最后,本文簡要討論了不同煉銅階段下,企業(yè)檢修對精煉銅產(chǎn)量的影響變化。
銅冶煉一般是指從銅精礦到精煉銅的形成過程,主要分為火法冶煉與濕法冶煉兩種技術(shù)路線。如圖 1、圖 2 所示,火法冶煉以硫化銅精礦為主,通過熔煉、吹煉、火法精煉、電解精煉等環(huán)節(jié)形成電解銅,而濕法冶煉以氧化銅礦為主,通過浸出、萃取等環(huán)節(jié)形成電解銅。
圖 1 火法煉銅工藝流程
圖 2 濕法煉銅工藝流程
兩種方式各有優(yōu)點(diǎn),火法煉銅的優(yōu)點(diǎn)主要是生產(chǎn)效率高,能耗較低,電解銅的質(zhì)量較好,且可以較好地回收銅礦中的有價(jià)金屬;缺點(diǎn)為硫化礦隨著持續(xù)的開采,品位逐漸下降,選礦費(fèi)用將成倍提高,同時因其需要增設(shè)控制 SO2污染的環(huán)保設(shè)施,所需設(shè)備流程相對復(fù)雜,整體投資成本較高,經(jīng)濟(jì)效益欠佳。濕法煉銅的優(yōu)點(diǎn)主要是不產(chǎn)生 SO2污染,所需設(shè)備相對簡單,整體投資成本較低,易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化;但其缺點(diǎn)為當(dāng)前技術(shù)水平下原料的約束較多,既難以回收有價(jià)金屬,同時其產(chǎn)生的硫酸亞鐵溶液可能會導(dǎo)致環(huán)境污染(見表 1)?,F(xiàn)階段,火法煉銅仍是主流,因此本文重點(diǎn)關(guān)注火法煉銅技術(shù)。
表 1 火法煉銅與濕法煉銅的對比
熔煉冰銅的工藝對比
火法冶煉可以粗略地分為“粗煉"和“精煉"兩個環(huán)節(jié),粗煉環(huán)節(jié)即:銅精礦——冰銅——粗銅,精煉環(huán)節(jié)即:粗銅——陽極銅——精煉銅。其中,從銅精礦到冰銅的過程是火法冶煉各種技術(shù)的主要差異所在,我們常見的一些技術(shù)術(shù)語,比如“頂吹"、“側(cè)吹"、“閃速"等,均屬于粗煉環(huán)節(jié)的各項(xiàng)技術(shù)。各個技術(shù)之間從流程、工藝、理念到優(yōu)劣勢等各個環(huán)節(jié)均有明顯差異,因此這里重點(diǎn)對比各類熔煉工藝的區(qū)別與優(yōu)劣。
1、 傳統(tǒng)工藝
熔煉冰銅的傳統(tǒng)工藝主要有密閉鼓風(fēng)爐、反射爐和電爐。主要區(qū)別在于熔煉的主要設(shè)備、化學(xué)反應(yīng)過程有差異,但本質(zhì)上都是使銅精礦產(chǎn)生氧化反應(yīng),目前均不是主流工藝,因此不做過多介紹,可以通過表 2 查看更多細(xì)節(jié)。(見表 2)
表 2 傳統(tǒng)冰銅熔煉工藝對比
現(xiàn)代熔池熔煉法優(yōu)點(diǎn)明顯,一方面,富氧空氣的股入可在短時間內(nèi)促進(jìn)爐料與空氣快速反應(yīng),熔煉能力強(qiáng)大。另一方面,對原料的水分和形狀要求相對較少,熔煉時的煙塵率較低,且熔池可通過分區(qū)來控制不同的氧勢位。不過此方法對噴嘴、噴槍及冶金爐等設(shè)備有嚴(yán)格的要求,設(shè)備較易損壞意味著需要經(jīng)常更換維修。
閃速熔煉法,基本原理是將預(yù)熱空氣和顆粒很小的干燥精礦以一定比例加入反應(yīng)塔頂部的精礦噴嘴中,在噴嘴內(nèi)空氣和精礦發(fā)生強(qiáng)烈混合下,迅速以懸浮狀態(tài)垂直噴入反應(yīng)塔內(nèi),當(dāng)爐料布滿反應(yīng)塔截面后立即燃燒。閃速熔煉結(jié)合了強(qiáng)化擴(kuò)散和強(qiáng)化熱交換兩種因素,熔煉過程的生產(chǎn)力顯著提高。閃速爐渣中 Fe3O4的含量較高,渣含銅量約為 1%-3%,意味著爐渣需要處理,主要依賴電爐貧化法或選礦法提銅。目前,常用的方法是奧托昆普閃速爐以及因科(INCO)閃速熔煉法。(見表 4)
表 4 閃速熔煉法工藝對比
閃速熔煉的優(yōu)點(diǎn)也較為明顯。一是由于充分利用銅精礦的表面積,焙燒和熔煉兩道工序在一次作業(yè)中完成,流程短、生產(chǎn)效率高。二是充分利用精礦中硫和鐵的氧化熱,燃料消耗較少、熱效率高。三是生產(chǎn)的冰品品位高、脫硫率易控制,煙氣中 SO2濃度高可用來制酸及減少污染等。不過,該方法仍有部分缺點(diǎn),一是對原料有要求,即銅精礦要充分干燥,熔劑需經(jīng)粉碎;二是爐渣含銅高、煙塵率高;三是設(shè)備投資大,所需輔助設(shè)備多,因此基本為大型工廠所用
吹煉粗銅的基本工藝
從冰銅——粗銅的過程稱為吹煉粗銅,這一步是為了除去冰銅中的鐵和硫及部分有害雜質(zhì),將冰銅進(jìn)行吹煉后,方能得到粗銅。吹煉的基本原理是將壓縮空氣在有石英熔劑存在的情況下,吹過爐內(nèi)熔融的冰銅,這一過程所需的熱主要由吹煉過程中發(fā)生的放熱反應(yīng)供給,無需消耗額外的燃料或電能。一般情況下,粗銅的含銅量約為 98.5%-99.5%,而爐渣成分中除了鐵和二氧化硅外,含銅量較高,通常會返回熔煉爐做進(jìn)一步回收處理。煙塵中的 SO2同樣需要收塵制酸處理。
傳統(tǒng)意義上,企業(yè)一般使用 PS 轉(zhuǎn)爐(臥式堿性爐襯轉(zhuǎn)爐)作為吹煉設(shè)備,相應(yīng)的配套設(shè)備有加熔劑設(shè)備、煙罩、傳動系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)。至上世紀(jì) 90 年代,“雙閃"工藝(閃速熔煉-閃速吹煉)問世后,部分大型企業(yè)逐步用此方法取代傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐吹煉方法。
“雙閃"工藝對原料要求嚴(yán)格,不僅在閃速熔煉前需將銅精礦干燥(含水率控制在 0.3%以內(nèi)),而且在閃速吹煉爐前需將熔煉的冰銅?;?,再采用立式磨制成冰銅粉后,才可實(shí)施吹煉步驟。相對于傳統(tǒng)冰銅的液態(tài)吹煉方式,這種工藝可將耗水量減少約 75%,硫的回收率可高達(dá) 99.9%。(見圖 4)
圖 4 “雙閃"工藝流程
表 5 不同企業(yè)生產(chǎn)的粗銅成分表