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世界炼铜工艺新秀
——氧气底吹炼铜工艺介绍
东营方圆有色金属
1.序言
1991—1992年，湖南水口山矿务局和北京有色金属设计研究总院等单位在日处理3-5 t炉料，年产3千吨粗铜炉子上进行了连续217天半工业试验，前后处理了铜精矿，铜精矿和含金硫精矿混合矿熔炼，取得了很好技术经济指标。1994年取得国家发明专利。
，中国东营方圆有色金属（以下简称方圆企业）决定采取氧气底吹炼铜新工艺，生产规模是年产10万吨粗铜，年处理矿量达成50万吨，为中国科技结果产业化进行工业化试验。经过论证、设计、施工于投产运行。【】9号文国务院正式将该项目列入“相关发挥科技支撑作用，促进经济平稳较快发展意见”中，将该技术列入“十一五”支撑计划关键督导实施。
10月27日，中国有色金属工业协会（以下简称有色协会）在东营市召开了氧气底吹炼铜技术交流会，会上康义会长发表了关键讲话，会后有色协会正式发文指出：“氧气底吹熔炼多金属捕集新工艺是中国自主研发、含有自主知识产权、在铜熔炼领域重大技术创新结果，是世界优异铜熔炼新技术之一”。
8月29日，有色协会组织业内教授对该项目进行科技结果判定，其中明确指出：“该项目是自主创新一个强化熔池熔炼新工艺，该项目技术优异，经济和社会效益显著，整体达成国际领先水平”。
12月30日该项目荣获有色协会科学技术进步一等奖。
1月12日该项目荣获山东省科学技术进步一等奖。
4月国家科技部组织教授对该项目进行了技术验收。
6月在德国汉堡举行国际铜业会议上和6月在德国杜塞尔多夫举行第六届欧洲有色金属国际会议上分别介绍了氧气底吹炼铜工艺生产运行和进展，受到了和会同行们关注和好评。
10月世界著名产铜企业——智利Codelo企业在它宣传招贴广告中正式将氧气底吹炼铜新工艺列为第四代铜熔池熔炼技术。（见图1）

图1铜发展冶炼史
2.熔池熔炼发展
上世纪七十年代发展起来熔池熔炼技术，关键是将参与反应富氧空气从反应炉侧面或顶部吹入或吹向熔体。如加拿大诺兰达技术，智利特尼恩特工艺，俄罗斯瓦纽科夫炼铜法和中国白银法。顶吹技术则有澳大利亚艾萨法、奥斯麦特法，还有日本三菱企业发明三菱法。世界上采取熔池熔炼技术厂家相关数据见表1。表1 采取熔池熔炼技术厂家相关数据
类别
国别
厂名
始建年份
炉子规格
加料方法
侧吹
加拿大
霍思厂
1973
Φ5.1*21.7
湿矿加料机
诺兰达
澳大利亚
南方铜厂
1991
Φ4.5*18.5
湿矿加料机
中国
大冶厂
1998
Φ4.7*18
湿矿加料机
智利
奥尔托诺特

Φ5.3*26.4
干矿喷吹
特尼恩特
智利
卡列通2台
1987
Φ5*22
干矿喷吹
Φ5*22
特尼恩特
智利
丘基卡马塔
1990
Φ5*23
干矿喷吹
波垂里罗斯
1985
Φ3.9*17
干矿喷吹
拉斯温特纳斯
1984
Φ4*15
干矿喷吹
维德拉利亚
1993
Φ3.9*15
干矿喷吹、渣精矿湿加
秘鲁
爱罗
1995
Φ4.5*20.8
湿精矿
墨西哥
拉卡瑞达
1997
Φ4.5*20
干矿喷吹
赞比亚
恩卡那
1994
Φ4.5*18.5

泰国
拉茶
1994
Φ5*22

瓦纽科夫
哈萨克
巴尔克什
八十年代末
宽2*长10*高6
湿精矿
俄罗斯
诺里尔斯克
九十年代
2*10*6.5
湿精矿
2*18*6.4
白银炉
中国
白银企业
1990
100m2
湿精矿
艾萨
澳大利亚
芒特艾萨
1987
Φ2.9
湿精矿
美国
塞浦路斯
1992
Φ4.3*13.6
湿精矿
比利时
霍博肯
1997
Φ4.5*12
废杂铜
印度
斯特莱体
1997
Φ3*9
湿精矿
中国
云南冶炼厂

Φ
湿精矿
奥斯麦特
津巴布韦
爱普雷斯
1993
Φ2*4.8
CU-Ni料
宾达拉
1995
Φ2.7*5.8
CU-Ni料
中国
中条山
1999
Φ4.4*11.9
湿精矿
铜陵
--
--
三菱法
日本
直岛
1974
Φ10.3
喷干料
韩国
温山
1998
Φ10
喷干料
印尼
格里斯克
1999
Φ10
喷干料
转炉喷精矿
日本
Onahama
1991
Φ4*9 4台
喷干料
Φ4*11 1台
智利
奥尔托诺特
--
Φ3.96*10.97 3台
喷干料
加拿大
加斯佩
1998
Φ4.27*16.15 1台
喷干料
Φ3.96*12.2 2台
从表1可见四十多年来炼铜行业一直致力和顶吹和侧吹熔池熔炼发展。中国除了引进闪速熔炼外，又引进了侧吹诺兰达技术和多家顶吹技术。除表中云冶和中条山以外还有安徽铜陵企业、内蒙金剑、甘肃金川、云南驰宏企业和大理、个旧云锡等多家引进了艾萨和奥斯麦特顶吹技术。还有侧吹瓦纽科夫炉工艺。
3.氧气底吹炼铜工艺
在中国外大力发展闪速熔炼和多种顶吹、侧吹熔池熔炼同时，中国方圆企业和北京有色设计研究总院却在主动计划氧气底吹炼铜新工艺，经过周密策划、精心设计、精心组织、精心施工，于正式投入运行，经过近三年来运行，它效果比预料要优越多。作为行业内一支新秀，被列为第四代熔池熔炼技术。氧气底吹造锍熔炼炉结构图示于图2

图2 底吹炉结构图
3.1氧气底吹炼铜工艺实质
3.1.1把氧气高度分散到液相中
闪速熔炼是将铜精矿和熔剂磨细均匀后高度分散到高温富氧空气中，有很大气—固相界面面积，在2-3秒内即快速完成化学反应。底吹熔池熔炼是将氧气经过多支氧枪分散很多细小气流喷入熔融冰铜，又被熔体分割成很多微小气泡，在气-液相之间形成巨大界面面积，反应快速进行，这种良好反应动力学条件是其它熔池熔炼过程所不及。
3.1.2吹流动性好冰铜。
顶吹、侧吹全部是吹渣层或是混有冰铜渣层，而底吹则是完全吹冰铜层。因为冰铜流动性比渣子要好约100倍，所以底吹炉内熔体流体力学状态对应要优越得多。表述其特征雷诺准数，修正弗劳德准数也差异很大，计算结果列于表2。

表2 雷诺准数、修正弗劳德准数比较表

雷诺准数
修正弗劳德准数
加拿大诺兰达侧吹
560
16.2
中国底吹熔炼
11750
215
顶吹奥斯麦特

9.55—10.53
P—S转炉

17.4
底吹熔炼炉中液相和气相搅动状态纵断面和横断面仿真图分别示于图3、4。

图3. 底吹炉纵断面流线图

图4. 底吹炉7°和22°氧枪处横断面流线图
从表2和图3、4可显著看出底吹熔池熔炼吹冰铜优越性是显著，它还带来传热条件好。在强制对流循环条件下表示热传输特征努歇尔（Nusselt）准数。据文件[1]报导侧吹诺兰达炉为38.7，而底吹熔炼炉为168，是侧吹4倍，可见传热条件好。底吹传质条件好，侧吹诺兰达炉传质速度为1.59Nm3O2/m3.S,而底吹熔炼炉为3.77 Nm3O2/m3.S，是侧吹2.4倍。
显然它液相和气相有较大接触面积，较长接触时间，又有很好流体动力学条件。（顶吹Isa和Ausmelt是用一支氧枪插入熔体深度200—300mm）。所以本工艺含有较高熔炼强度，熔炼过程中不需配任何燃料，实现了无碳自热熔炼，做到不直排CO2，能源消耗也很低，和国外熔池熔炼工艺如顶吹艾萨、奥斯麦特、三菱法，侧吹诺兰达、瓦纽科夫等炼铜方法相比，底吹熔炼能源消耗是最低，迎合了国务院对低碳经济发展要求。
3.1.3 底吹气泡顺势而上。
气泡顺势而上含有“气泵”作用，伴随气泡上浮能量逐步消失，所以无噪音。气泡上浮是自然过程对氧枪有保护作用。从底部到顶层历程长，形成气-液-固三相悬浊液体积大，有利于熔化和冶金化学反应过程进行，所以它熔炼强度高。
3,1,4,吹冰铜不易产生泡沫渣。
吹冰铜因总有硫化铁存在，且气流到渣层时，氧浓已经很低，所以不含有形成四氧化三铁条件，就不会产生泡沫渣。
3.2氧气底吹炼铜工艺关键技术特点
3.2.1原料适应性强
利用该项技术，不仅能处理铜、金、银等精矿，而且可处理低品位铜矿和复杂难处理多金属矿和含金、银高贵金属伴生矿，甚至垃圾矿全部能用该工艺设备高效处理，实现资源综合利用。原料起源广，大大拓宽了企业原料供给渠道，显著提升矿产资源利用率。企业已经处理过矿种有：高硫铜精矿、低硫铜精矿、氧化矿、金精矿、银精矿、高砷矿、高硅矿、块矿等，产地遍布世界各地。实践证实，其它炼铜工艺不好处理复杂矿料，底吹炉全部能处理，而且做到“吃干榨尽”，不仅铜回收率达成97.98%，金、银等贵金属回收率也全部超出97%。
3.2.2熔炼强度高
中国外多种熔池熔炼方法全部有一个相适应最好富氧浓度，不能够随意提升，大多在70%以下，部分达成95%以上，如氧气顶吹熔炼。俄罗斯诺里尔斯克冶炼厂瓦纽科夫炉氧浓为55-80%，我企业则保持在75%以上，是比较高。最关键是底吹熔炼氧利用率高，高达100%，单位时间、单位容积处理炉料量最大。熔炼强度以反应区容积计算，已达成18.82t/m3d。多种方法熔炼强度及富氧浓度见表3。
表3 多种熔炼方法床能力和富氧浓度

单位
Isa
瓦纽科夫
三菱法
奥斯麦特
方圆底吹炉
富氧浓度
%
42-52
55-80
42-48
40-45
75
按容积算床能力
t/m3d
13.4
8.3-11.7
——
5.5-6.0
18.82
3.2.3高氧浓、高负压、无粉尘、无烟害
因为送入炉内富氧浓度高达75%，烟气体积小，二氧化硫浓度高，控制炉子负压较高（-50～-200Pa），确保了炉子内烟气和尘埃不外溢。
3.2.4高氧压、高氧浓、高氧枪寿命、高作业率
我们曾做过一系列相关氧压试验。当炉前氧压为2.5kg/m2时，仍不会发生灌枪，但冶金反应过程不理想。当氧压达成4.5kg/m2左右时，在氧枪出口处会形成Fe3O4“蘑菇头”，能够很好起到保护氧枪作用。见图5。

图5 氧枪口蘑菇头
3.2.5不产生“泡沫渣”
“氧气底吹熔炼”工艺本身含有一个优势：生产安全可靠，不形成“泡沫渣”。现在，冰铜品位提升到60-65%全部已属于正常。当冰铜品位提升到60-65%，Fe/SiO2高达2.0-2.2时，全部没有产生“泡沫渣”。这就表明，“氧气底吹”吹是冰铜层，而因为总有FeS存在，也就不会产生过量Fe3O4，也就不易产生“泡沫渣”。
3.2.6生产能力调整范围大
“氧气底吹熔炼”主装备—底吹炉，含有一大优势是产能可大可小，调整范围大。当炉子规格一定时，它实际处理料量能力可在设计值基础上有上下50%波动范围。在最初设计时，大、中、小型冶炼厂，即从年产2万吨到20万吨粗铜企业，可依据本身情况设计不一样大小炉子。这是从国外引进工艺技术所无法比拟优点。
3.3氧气底吹炼铜工艺关键经济技术指标
该工艺经过近三年产业化生产实践，充足显现了其优越性，取得了良好经济技术指标。见表4
表4 吹氧造锍多金属捕集技术关键技术指标
项目
单位
设计值
实际值
(1)精矿处理量
t/d
1150
1680
(2)送风时率
%
95
95.6
(3)燃料率
%
2.46
0-0.8
(4)氧料比
m3/t
186.2
130-160
(5)脱硫率
%
68.19
65-70
(6)进锅炉烟气SO2浓度
%
14.68
>22
(7)渣型Fe/SiO2

1.7
1.6-2.0
(8)渣含铜
%
4
2.5-3.2
(9)烟尘率
%
2.5
1.5-1.8
(10)炉料粒度
mm
<15
<20
(11)炉料水分
%
8
6-8
(12)选矿弃渣含铜
%
0.42
0.32
(13)氧浓
%
70
70-75
(14)氧枪气体压力
MPa
0.4-0.6
0.5-0.65
(15)铜锍品位
%
55
60-65
(16)熔池温度
℃
1180-1200
1180±20
(17)总回收率
%
Cu 97.79
Cu 98.60

%
Au 97.75
Au 98.20

Ag 95
Ag 98.00
4.无碳自热熔炼
4.1自热熔炼程度高
“氧气底吹熔炼”工艺，因其独特炉体设计结构，使得它成为实现了完全自热熔炼一项冶炼工艺。其实，在投料试车之前，我们也曾有过担心：假如一开始投料量太小，可能无法满足“自热熔炼”条件，到时我们准备了用燃油烧嘴补热预备方案。但实际上，当投料量达成30t/h时，炉内就已经达成了能够维持自热熔炼热平衡，于是“点油嘴补热”计划也就没有必需了。这一实践直观地说明，因为排出烟气量小，炉子散热面积小，带走热量少，所以很轻易实现自热熔炼，最大程度利用了一切热能。
4.2能源消耗低
因为氧浓高，烟气量小，热损失少，炉料中不需要另外配煤。试生产早期，我们曾配入2%碎煤，以后逐步地降到1%、0.5%，直至以后完全不配煤。这么一来，我们不仅节省了燃料和煤燃烧所用氧气，确保了氧气充足有效利用，而且确保了二氧化碳烟气最小排放量，甚至做到了无碳排放。现在，多种关键炼铜工艺在熔炼过程配入燃料燃烧热，在热平衡中占百分比，和离炉烟气带走热量所占百分比，见表5。

表5 燃料燃烧热和烟气带走热在热平衡中百分比

热平衡中燃料热百分比(%)
配煤率
烟气带走热所占百分比(%)
备注
三菱熔炼炉
23.29

32.24
熔池4
澳大利亚Isa企业Isa炉
35.12
3.07
36.07
现代5
38.52
4.18
48.70
34.93
3.21
49.23
38.39
3.63
50.38
大冶诺兰达
38.53

46.38
铜冶金6
水口山底吹炉
22.06
3.3
26.49
现代
白银炉
36.59

48.84
铜冶金
41.89

47.66
金昌澳斯麦特
47.18
7.07
37.98
铜冶金6
方圆底吹炉
设计
17.69
2.64
24.79

生产
实际

20.84
瓦纽科夫炉
31.57

31.71
熔池
由表5可见，伴随燃料率增加，燃料燃烧热在热平衡中占百分比也在升高，有甚至高达40%，对应，烟气带走热也随之升高。“氧气底吹熔炼”工艺根本不配入其它燃料，所以烟气带走热量，即热损失，在多种熔炼工艺中也最少。
4.3无碳造锍熔炼
在现有熔炼工艺中，不管是闪速熔炼还是其它熔池熔炼工艺，全部需要配入一定碳质燃料，配煤率约为3-6%，燃料燃烧热在热收入中约占23-40%。“氧气底吹熔炼”工艺在造锍熔炼过程中，却能够做到不配煤。以处理每吨矿料计，可减排CO2 110-220kg，或以生产每吨粗铜计，约减排CO2 800kg。若年产20万吨粗铜，则可年减排CO2约16万吨。
5.展望
5.1该工艺含有投资省、运行成本低、规模可大可小、环境保护好、能耗低等优点，是中国小厂改造升级首选工艺。现在中国已经有四家企业经过广泛考察后决定采取该工艺。
5.2经过对该工艺深入理论研究和实践完善，它会更显示出它强大生命力，它综合能耗还能深入降低。
5.3实现该工艺过程计算机控制，建立数字模型，真正实现“数字”底吹炉。让它在世界炼铜工艺占相关键位置。
5.4辅助配套装置有待深入完善和合理化。