底吹連續煉銅三步與四步煉銅工藝評述及發展方向探討

文/蔣繼穆

編者按：蔣繼穆，男，生于1939年，教授級高級工程師，中國恩菲工程技術有限公司高級顧問專家，全國工程勘察設計大師，享受政府特殊津貼專家。作為有色金屬冶煉領域專家，蔣繼穆曾主持設計多個國內外有色冶煉領域重點工程，為行業技術進步、產業升級作出了重要貢獻。他作為中國自主冶煉技術——氧氣底吹煉銅、煉鉛技術的主要發明人，全面參與了技術的創新研發及推廣應用。

當前，氧氣底吹技術已經成為國內外銅、鉛冶煉領域的主流技術，針對冶煉行業的發展變革，本文從現有技術的開發應用等方面進行了全面論述，對技術的優勢、不足進行了深入分析，為未來技術的探索方向指明了道路。希望此文可以為行業技術創新提供思路指引和理念支持，助力國內冶煉行業聚力求強、自主創新、協同攻關、勇攀高峰，加速推進有色強國實現從跟跑到并跑到領跑的根本轉變。

工藝說明

2009年，中國恩菲工程技術有限公司、河南豫光金鉛集團與山東東營方圓集團共同向國家科技部申報“氧氣底吹連續煉銅清潔生產工藝關鍵技術及裝備研究”，獲準并被列為國家“863”研發課題。2012年，中國恩菲牽頭完成研發、結題并利用該成果，在河南豫光及山東方圓分別設計建成年產電銅10萬噸和20萬噸的兩家底吹連續煉銅產業化示范工廠。

中國恩菲設計時考慮吹煉爐爐壽短于熔煉爐，解決爐壽不等的措施有兩種：在豫只設一臺底吹吹煉爐，熔煉爐設置了銅锍冷卻、破碎、儲運返回吹煉的設施作為吹煉爐檢修、熔煉爐繼續生產的備用裝置；在東營熔煉爐后設置了兩臺底吹吹煉爐，一用一備，品字形配置，不設冷銅锍產出等備用裝置。

兩廠煉銅工藝均為“熔煉—吹煉—火法精煉—電解精煉”四步煉銅。即熔煉爐產高品位銅锍送底吹吹煉爐吹成粗銅，再將粗銅送陽極爐火法精煉后澆鑄成陽極，陽極電解精煉為陰極銅。

其中東營方圓利用兩臺底吹吹煉爐同時工作，交替作業，吹煉爐將銅锍吹成粗銅后繼續在吹煉爐中完成應在陽極爐中進行的氧化、還原精煉工序，直接生產陽極銅，取消了陽極爐，將傳統的四步煉銅法簡化為：“熔煉—吹煉加精煉—電解精煉”三步煉銅（方圓不算電解將其稱為兩步煉銅）。

豫光底吹連續煉銅示范工程于2014年、東營方圓于2015年相繼建成投產。兩家均為世界首次采用底吹連續煉銅工藝，屬產業化開發，沒有現成操作經驗可供借鑒，相繼花了三個月與六個月的摸索時間達到設計產能。經過近兩年的生產實踐，兩種工藝均實現產業化運行，并積累了操作經驗，可供新建工廠選擇。

工藝比較

由于豫光與方圓兩廠生產規模相差一倍，直接采用兩廠的單位產品成本、單位產品投資作比較，并不科學。再者，方圓冶煉廠在設計之初，為可靠起見，預留了陽極爐，但沒有增設冷銅锍產、儲、運等裝置，吹煉爐檢修，如果沒有陽極爐，只能全系統停產，顯然不合理，新建廠不能就此拷貝。（目前，方圓采取兩臺吹煉爐輪流檢修，檢修時適度減產，用原設計的一臺陽極精煉爐過度，維持系統生產。）

綜合看，兩種工藝的優缺點定性分析如下：

（一）三段（方圓稱兩段法）優點

1.流程短，省去陽極爐工序，省兩臺陽極爐及配套的煙氣收塵系統。省去這部分投資。

2.省去陽極爐操作工人，提高了勞動生產率，降低了工資總額。

3.省去一道粗銅溜槽和該道溜槽清理工作并少一道溜槽煙罩及其加熱裝置，減少環保煙氣量。

4.少了一道粗銅排放，降低了熔煉爐的配置高度，有利于熔煉爐安全排渣，降低了熔煉廠房高度及其建設投資。

5.吹煉爐放銅澆鑄期，可用于更換氧槍，不會因更換氧槍而引起煙氣波動，影響制酸。

事物是辯證的，有利必有弊。

（二）三段煉銅法需要繼續探討之處

1.吹煉爐由一個爐子連續作業改為由兩個爐子間斷作業。方圓目前的兩個吹煉爐同時作業，其中由一個爐子連續吹煉12小時，剩余12小時用于粗銅氧化、扒渣還原、澆鑄陽極板。兩個爐子循環往復交替作業。由于各作業階段溫度有差異，吹煉與精煉合并后對爐襯熱震高于單一連續吹煉爐，故其爐壽較短。根據兩廠信息，吹煉第一爐期壽命，豫光為18個月，方圓為6個月。據專家預測，單一吹煉爐爐壽可達2年，吹煉、精煉合并爐壽可達1年。三步煉銅耐火材料單耗高于四步煉銅。

2.吹煉精煉合并需要爐體能儲存日產銅量的2/3以上的操作容積（16%殘極循環、預留20%以上再吹煉啟動液，加上半天的澆鑄量）。這樣吹煉爐設計得足夠大。相對精煉與澆鑄這12小時的操作而言，是大馬拉小車，這有兩個不利點：一是爐子容量大，預留再啟動的陽極銅量就大，這部分陽極銅在爐內反復氧化與還原，相應多耗氧氣與還原劑。二是爐子大，澆鑄期保溫用氣量也相應增加。英國開發轉爐吹煉時，原本沒有陽極爐，從實踐中體會到加個小陽極爐儲存粗銅滿足澆鑄占時需要，可以大幅度提高轉爐的產能，而后又在陽極爐進一步脫雜調質提高陽極銅質量，形成了今日廣為應用的四步煉銅工藝。三步法是四步法工藝的回調。

3.四步煉銅連吹爐的銅、锍、渣層厚度基本固定，控制噴槍壓力與流量的穩定，相對簡單易行。而三步法中銅、锍、渣三層熔體高度由最小漸變至最大，澆鑄完成后，熔體變至最小，周而復始，總在變動中。操控噴槍流量、壓力穩定相對復雜些，其中由氧化轉還原，噴槍有換氣操作，在時間的把控上需要有經驗的操作員。新建企業投產、順產、達產時間相對長些。由于吹煉爐體容量太大，用于精煉，精煉渣難以扒除干凈，往往造成陽極板中帶渣，對電解造成不良影響。扒渣后，深度還原可消除陽極帶渣，但造成陽極含雜較高（被氧化入渣的雜質又被還原），會增加陽極泥產量及其處理費用。

4.三步煉銅工藝為降低吹煉負荷，采取盡量提高銅锍品位的措施。方圓入吹煉爐的銅锍含銅控制在75%～78%。因而熔煉渣含銅相對提高，渣精礦量增加。雖說不增加熔煉的燃料費，但增大了熔煉渣的儲、運、選及渣精礦的儲、運成本。再者高品位銅锍部分金屬化，其排送溜槽粘結后清理困難，溜槽需加蓋及時加熱保溫才行。

以上是定性敘述保留或取消銅冶煉過程的陽極爐精煉工序各自的優缺點，沒有定量。在某年產電銅40萬噸的工廠可研設計中，對采用豫光雙底吹爐四步連續煉銅工藝與采用方圓三底吹爐三步連續煉銅工藝，進行技術經濟定量分析，比較結果是：取消陽極爐的方圓三步煉銅方案，固定資產投資較四步法可降低約4000萬元，即噸銅投資可降低100元。但噸銅成本高約40元～50元。除前述因素外，發現兩臺連吹爐交替作業時，鍋爐循環泵電耗較一臺連吹爐的電耗大。

比較結果有兩種意見，一部分人認為取消陽極爐的三步煉銅工藝，優點明顯，是發展方向，隨操作經驗的累積與耐火材質的改進，吹煉爐爐壽會進一步延長，生產成本將會進一步降低。建議選用方圓方案，取消陽極爐精煉工序。另一部分人認為技術為經濟服務。豫光方案保留陽極爐的四步煉銅工藝噸銅成本更低、更經濟。在環保合格的條件下，經濟的就是先進的，應采用四步煉銅工藝。目前，兩種工藝均有工業實踐，從設計角度，放大2～4倍，對于擁有60多年設計經驗的底吹技術研發單位中國恩菲而言，都有十足把握，且不存在工程風險，業主可在綜合考慮投資、成本、建設環境、實施條件、人力保障等因素后，對工藝進行綜合選擇。如果四步煉銅工藝所產銅锍送粒化，吹煉采用冷態連續吹煉的模式，則四步煉銅工藝的熔煉主廠房高度可以降低，吹煉氧濃提高煙氣處理系統可以大幅減小，四步煉銅工藝的投資也可進一步減少。

發展方向探討

無論雙底吹還是三底吹（四步或三步）連續煉銅，均克服了轉爐吹煉造成的SO2的低空污染，較傳統煉銅工藝在環保領域前進了一大步。但底吹吹煉有其固有缺點，并非最經濟的吹煉方案。因為底吹噴槍的送風壓力需要＞6000kPa，如果直接吹煉熱銅锍，送風氧濃一般較低，送風量大，動力消耗高于其他吹煉工藝，即吹煉成本較高。只有在搭配處理大量高品位冷銅料的條件下，送風氧濃提高，才能體現底吹吹煉的優越性。如一個年產10萬噸礦銅的底吹吹煉爐可以搭配處理10萬t/a的高品位廢雜銅，并同時處理20萬t/a電銅的殘極，這種組合非常經濟合理，能充分發揮底吹吹煉的優越性。

毫無疑問，目前所有礦銅的熔煉工藝，在同等規模的條件下，還沒有比底吹熔煉工藝能耗更低、加工費用更低的。

吹煉則要區別對待。如果有大量冷銅料消耗富氧吹煉帶來多余的熱量，如前所述選用底吹吹煉是合理的。若無冷銅料，則選用近年開發的多槍頂吹吹煉較為經濟，因為其送風壓只有120kPa～200kPa，爐壽可達4年，單臺吹煉爐的吹煉能力已達年產電銅30萬噸，放大到40萬噸或更多一點，從工程角度和反應機理都沒問題。

現階段建廠，筆者認為環保、可靠、最經濟的煉銅工藝是底吹熔煉、多槍頂吹吹煉、回轉爐精煉、平行流（紊流）電解、熔煉渣選礦。

進一步簡化銅冶煉工藝，中國恩菲的研發動態集中在火法貧化和綜合回收方面。

熔煉渣目前最經濟的處理方案是渣緩冷后選礦。該方案占地面積大、勞動生產率低、投資偏高，有點拖泥帶水，環保狀況不理想。中國恩菲冶煉首席專家李東波正帶領團隊進行CR爐的開發工作，初試結果令人欣喜，有望走出一條簡短、環保、綜合回收、高效的新的渣處理方案。

隨著中國恩菲負壓水冷技術的研發成功，在底吹爐內加一道水冷隔墻，一端煉低品位銅锍，另一端直接吹成粗銅。這樣較為理想的煉銅工藝簡化為底吹爐熔煉成粗銅、粗銅回轉爐精煉、鑄錠后送電解車間，熔煉渣送CR爐綜合回收處理。