一種特殊的高銅低鐵銅精礦冶煉工藝探討

楊慧蘭，王 瑋，何 峰

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031）

1 引言

銅精礦分為硫化銅精礦和氧化銅精礦兩大類［1］，根據(jù)其類別冶煉方法大致分為火法工藝和濕法工藝。一般來說，硫化銅精礦采用熔煉-吹煉-精煉的火法工藝路線［2］，且占據(jù)主導(dǎo)地位，而氧化銅精礦采用浸出-萃取-電積的濕法工藝路線。

常見的硫化銅精礦含銅品位在20%～28%之間，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的大小，單套系統(tǒng)年生產(chǎn)能力＞30 萬 t 銅的主流冶煉工藝是閃速熔煉+閃速吹煉“雙閃”工藝，單套系統(tǒng)年生產(chǎn)能力≤30 萬 t 銅的主流冶煉工藝是側(cè)吹熔煉+多槍頂吹連續(xù)吹煉工藝［3］。不論采用哪一種工藝，都有造锍熔煉過程，即在熔煉過程中加入石英熔劑造渣，產(chǎn)物為冰銅和熔煉渣，其中冰銅中銅含量為55%～70%，需進一步吹煉處理，熔煉渣為CaO-FeO-SiO2，系三元渣，渣中鐵硅比在1～2 之間，熔點約1200 ℃。

非洲某礦區(qū)產(chǎn)出的一種銅精礦（本文中稱其為“特殊銅精礦”），銅含量高達64%，而鐵含量很少，僅為2.2%，礦石中Fe/SiO2低至0.28，不能像常規(guī)硫化銅精礦熔煉一樣，通過加入SiO2造出低熔點、低黏度的渣型，因此該特殊銅精礦的冶煉不適合直接采用常規(guī)的熔煉-吹煉-精煉的工藝方案。隨著非洲地區(qū)類似的礦石不斷被大量開采，探索一種環(huán)保、節(jié)能、成熟可靠的冶煉工藝，將具有極大的工程應(yīng)用價值。

2 特殊銅精礦分析

銅精礦各類礦物及其主要組成、銅含量見表1［1］。其中硫化銅礦有黃銅礦、斑銅礦、輝銅礦等，以黃銅礦最為常見；氧化銅礦有孔雀石、赤銅礦、黑銅礦等。

表1 銅精礦類別及特點

非洲某礦區(qū)產(chǎn)出的一種特殊銅精礦，與常見的黃銅礦相比，具有銅高、鐵低、硫低［4］、鐵硅比很低的特點，成分對比見表2。

表2 銅精礦成分對比 %

特殊銅精礦與常見黃銅礦的主要成分含量差異很大。一是特殊銅精礦含銅高達64%，甚至超過了熔煉產(chǎn)物冰銅的品位。二是特殊銅精礦中Fe/SiO2過低，不能通過加入SiO2造出低熔點、低黏度的渣型，高熔點爐渣將大大增加能源消耗和降低設(shè)備壽命。三是特殊銅精礦中S 含量低，熱值少，熔煉過程中需要加入大量燃料。

特殊銅精礦的化學(xué)物相分析結(jié)果如表3 所示［5］。

表3 特殊銅精礦的化學(xué)物相分析結(jié)果 %

分析結(jié)果表明，該特殊銅精礦中約80%的銅以輝銅礦形式存在，另含有少量的黑銅礦和赤銅礦。

3 特殊銅精礦可行的冶煉工藝

3.1 閃速爐一步直接煉銅

由于該特殊銅精礦的主要礦物是輝銅礦，其成分為硫化銅，類似于常規(guī)的造锍熔煉產(chǎn)物——冰銅，因此從理論上來說，采用直接吹煉的一步煉銅法是較為合適的工藝。一步煉銅技術(shù)具有流程短、環(huán)保效益好、投資成本低等優(yōu)勢，符合當前短流程冶煉技術(shù)的發(fā)展方向［6］。

目前有成熟工業(yè)實踐的一步煉銅工藝只有奧托昆普閃速爐一步直接煉銅，該工藝由于其連續(xù)性及短流程化，爐體漏風(fēng)少、煙氣量少且煙氣中SO2濃度高，能有效節(jié)省熔煉生產(chǎn)系統(tǒng)和制酸生產(chǎn)系統(tǒng)的投資及運行成本。Glogow、Olympic Dam 冶煉廠的生產(chǎn)實踐表明：產(chǎn)生渣量少的精礦，如高品位的低鐵輝銅礦和斑銅礦，采用閃速一步煉銅工藝是一種經(jīng)濟可行的選擇［7］。

為了降低爐渣熔點及黏度，需配入CaO［8］。圖1 和圖2 分別為渣含CaO 為12%時閃速爐一步直接煉銅的爐渣相圖及黏度。可以看出，渣含CaO 為12%時可達到較好的熔煉條件：渣的熔化溫度為1250～1300 ℃；1244℃度時渣的黏度＜0.5 Pa·s。

圖1 閃速爐一步直接煉銅的爐渣相圖

圖2 閃速爐一步直接煉銅的爐渣黏度

閃速爐一步直接煉銅采用高氧勢操作，導(dǎo)致爐渣含銅高，降低了銅的直收率，需要對爐渣中的銅進行回收。而爐渣中的銅主要以氧化亞銅形態(tài)存在，直接采用渣選礦并不能保證銅的回收率。從目前行業(yè)的普遍做法來看，幾座一步煉銅工廠都采用了還原電爐將渣中的氧化亞銅還原，并與渣分離后得以回收。由此，采用閃速爐一步直接煉銅的冶煉工藝流程為：蒸汽干燥+閃速爐一步直接煉銅+電爐貧化+精煉。采用該工藝的一次投資大，適合產(chǎn)能較大（年產(chǎn)銅＞30 萬 t）的冶煉項目。

3.2 側(cè)吹熔煉+多槍頂吹連續(xù)吹煉

另一種適用于中等產(chǎn)能的主流工藝是側(cè)吹熔煉+多槍頂吹連續(xù)吹煉。側(cè)吹熔煉屬于熔池熔煉，高濃度富氧空氣通過風(fēng)口吹入爐渣層，發(fā)生氣-固-液三相反應(yīng)，強烈地攪拌強化了過程的傳熱傳質(zhì)，送風(fēng)氧的濃度同樣可以高至90%，熔煉強度高，單位生產(chǎn)能力大；加入的銅精礦對爐渣進行還原、硫化、洗滌，使得爐渣含銅低。該工藝對原料的適應(yīng)性強，不需要預(yù)處理直接入爐，備料和熔煉廠房結(jié)構(gòu)簡單，投資低。經(jīng)過長時間的生產(chǎn)實踐檢驗，側(cè)吹熔煉工藝已經(jīng)相當成熟。有幾家冶煉廠采用此法，投產(chǎn)后一周內(nèi)即可達到設(shè)計產(chǎn)能，且能穩(wěn)定運行［9］。

吹煉則采用與側(cè)吹熔煉匹配的多槍頂吹連續(xù)吹煉。多槍頂吹爐具有爐體密閉、結(jié)構(gòu)簡單的特點，和側(cè)吹爐采用溜槽連接，操作環(huán)境較高。該工藝因取消了吹煉主廠房的吊車，還節(jié)省了投資。此外還具有吹煉煙氣量較小、煙氣成分和煙氣量穩(wěn)定，有利于制酸等優(yōu)點。此法同樣有大量成功的生產(chǎn)實踐。

采用側(cè)吹熔煉+多槍頂吹連續(xù)吹煉的冶煉工藝流程為：配料+側(cè)吹熔煉+多槍頂吹吹煉+精煉。該工藝投資少，適合產(chǎn)能中等規(guī)模（年產(chǎn)銅≤30 萬 t）的冶煉項目。

對于輝銅礦的冶煉，為了滿足其熔煉造渣和熱量適宜的需要，需配入含F(xiàn)e、含S 的礦種，如黃銅礦或硫鐵礦［10］。圖3 和圖4 比較了不配入硫鐵礦和配入硫鐵礦的冶煉爐渣在不同溫度下的黏度變化。可以得出，不加硫鐵礦時，熔煉溫度需達到1500 ℃才能使爐渣黏度降低到0.5 Pa·s，這配入硫鐵礦后，爐渣黏度在溫度達到1359 ℃時降低至0.5 Pa·s。這說明配入硫鐵礦能有效降低爐渣的黏度，從而降低熔煉溫度，改善生產(chǎn)操作條件。

圖3 不配硫鐵礦時爐渣黏度

圖4 配入硫鐵礦時爐渣黏度

3.3 濕法工藝

濕法工藝適用于處理氧化銅精礦，而特殊銅精礦主要為硫化銅精礦，若采用濕法冶煉工藝，需要在冶煉前增加氧化焙燒工序，將其中的硫化銅轉(zhuǎn)化成氧化銅。

采用濕法冶煉的工藝流程為：氧化焙燒+一段浸出+二段浸出+電積，產(chǎn)出電銅，氧化焙燒煙氣收塵后制酸［11］。

4 火法工藝和濕法工藝對比

工藝方案的選擇與項目的規(guī)模有著很大關(guān)系。假定項目規(guī)模為15 萬 t，火法工藝采用側(cè)吹熔煉+多槍頂吹連續(xù)吹煉，濕法工藝則采用氧化焙燒+一段浸出+二段浸出+電積。兩個方案在發(fā)展?jié)撃堋⑼獠拷ㄔO(shè)條件、技經(jīng)指標、環(huán)保等方面的對比見表4。

表4 工藝對比及評價結(jié)果

通過比較可知，火法工藝和濕法工藝各有優(yōu)劣，均有成功的工業(yè)實踐。剛果金盧阿拉巴銅冶煉廠采用側(cè)吹熔煉+多槍頂吹吹煉工藝處理輝銅礦并配入硫鐵礦，使熔煉渣Fe/SiO2＞1；華剛礦業(yè)二期采用氧化焙燒+一段浸出+二段浸出+電積的工藝；KAMOA 項目由于銅產(chǎn)能達到50 萬 t/a，采用的是閃速爐一步直接煉銅。

5 結(jié)論及建議

（1）由于特殊銅精礦鐵含量少，F(xiàn)e/SiO2低至0.28，難以正常造渣，不適合直接采用傳統(tǒng)的熔煉+吹煉的火法工藝。

（2）采用閃速爐一步直接煉銅工藝處理特殊銅精礦是一種經(jīng)濟可行的選擇，但該工藝一次投資大，適合產(chǎn)能較大（年產(chǎn)銅＞30 萬 t）的冶煉項目。

（3）側(cè)吹熔煉+多槍頂吹連續(xù)吹煉是一種適用于中等產(chǎn)能的主流工藝，但處理特殊銅精礦時，造渣需要配入含F(xiàn)e、含S 的礦種，如黃銅礦或硫鐵礦。

（4）采用濕法工藝處理特殊銅精礦之前，需要經(jīng)過氧化焙燒工序，將其中的硫化銅轉(zhuǎn)化成氧化銅。

（5）火法工藝和濕法工藝各有優(yōu)劣，冶煉工藝的選擇應(yīng)該從項目的戰(zhàn)略定位出發(fā)，綜合考慮生產(chǎn)規(guī)模、建設(shè)條件、企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略等具體情況，在成熟可靠、安全環(huán)保、技術(shù)先進的工藝中選取最合適的工藝。