浅析铜冶炼技术的创新
摘要:随着世界铜冶炼工业的迅速发展，我国铜冶炼技术的研究技术也不断发展和创新。本文主要概述了铜冶炼技术的发展和进步，总结了铜熔炼、吹炼、火法精炼和电解精炼等技术方面的进展。为推动我国铜冶炼技术的进一步发展提供一定参考。
中国发现和使用铜的历史年代久远，至今铜在电力、电子和机械等工业建设中发挥了巨大作用。目前我国的精炼铜产量已经从20世纪80年代的100多万吨逐渐提升，但是铜消费需求在一定程度上还是依赖进口资源。这是由于我国铜工业存在的工艺落后、高污染和高能耗等问题制约了其发展困。目前，世界上原生铜产量中80%用火法冶炼生产，约20%用湿法冶炼生产，火法炼铜用于处理硫化铜矿的各种铜精矿、废杂铜，湿法炼铜通常用于处理氧化铜矿、低品位废矿、坑内残矿和难选复合矿等。火法炼铜仍然是主要的炼铜方法，并占据了主导地位，这是由于火法炼铜工艺具有以下几个特点:第一、其能将硫化精矿作为燃料，于高温条件下反应效率较高;第二、依据工艺的化学平衡反应来看，其是一个动态的平衡，能通过条件反应温度控制反应过程;第三、产能高，能适合大规模工业生产需求，而且回收和富集贵金属的效果好;第四、铜馏或粗铜与熔炼渣或吹炼渣易分离，不会对环境造成二次污染。近几十年来，随着世界工业技术的迅速发展，铜冶炼技术也不断进步，特别是铜的熔炼阶段。
本文主要通过介绍铜冶炼过程中的熔炼、吹炼、火法精炼和电解精炼等关键阶段，介绍了国内外的铜冶炼技术的主要进展。期望在我国铜冶炼工业在面对全球化的竞争中，通过研发合适自己的冶炼技术，在降低工业成本的基础上不断提升铜的产量和质量，增强我国的综合国力。
1铜冶炼技术的主要发展和进步
1.1铜熔炼技术
熔炼是火法炼铜最重要的冶炼过程，传统的熔炼工艺如鼓风炉、反射炉和电炉熔炼由于其生产能力低、能耗高、操作环境恶劣、烟气不利于回收制酸、环保压力巨大等缺点，已逐渐被高效、节能和低污染的富氧强化熔炼所取代。富氧强化熔炼运用富氧技术，强化熔炼过程，充分利用精矿氧化反应热量，在自热或接近自热的条件下进行熔炼，产出高浓度的二氧化硫烟气以便有效地回收硫，制造硫酸或其他硫产品，减少对环境的污染，节约能源，获取良好的经济效益。富氧强化熔炼总体可归为两大类:一是闪速熔炼，如奥托昆普(outokumpu )、因科(INCO)等;另一类是熔池熔炼，包括诺兰达法、特尼恩特法、艾萨法、澳斯麦特法、三菱法等。其中，熔池熔炼炉按鼓风部位或风口型式的不同，可划分为浸没顶吹式、浸没侧吹式、底吹式等。
（1）闪速熔炼技术。闪速熔炼是将经过深度脱水(含水小于0. 3%的粉状精矿，在喷嘴中与空气或氧气混合后，以高速度喷入高温的反应塔内，在悬浮状态下，短时间完成硫化物的分解、氧化和熔化等的过程，熔融硫化物和氧化物的混合熔体落下到反应塔底部的沉淀池中，汇集后继续完成梳与炉渣的最终形成，并进行沉清分离。炉渣在单独的贫化炉或闪速炉内贫化处理后再弃去。闪速熔炼克服了传统方法未能充分利用粉状精矿的巨大表面积，将焙烧和熔炼分阶段进行的缺点，炉料与气体密切接触，在悬浮状态下与气相进行传热和传质，大大减少了能源消耗，提高了硫利用率，改善了环境。
(2)浸没顶吹熔池熔炼技术。浸没顶吹熔炼工艺是熔池熔炼的一种工艺，是在熔池内将熔体护料汽体三相流体间造成的强烈搅拌与混合，大大强化热能传递、质量传递和化学反应的速率，以便在燃料需求和生产能力方面产生较高的经济效益。其喷枪是竖直浸没在熔渣层内，喷枪结构较为特殊，具有炉子尺寸比较紧凑，整体设备简单，工艺流程和操作不复杂，投资相对低等特点。对比闪速熔炼，原料不需经过特别处理，通过炉顶加料口加入炉内，炉料呈自由落体落到熔池面上，被气流搅动卷起的熔体混合消融。浸没顶吹熔炼的主要代表工艺为澳大利亚的澳斯麦特炼熔技术和艾萨熔炼技术。
世界上首家采用澳斯麦特炼铜技术的工厂是某公司，其是在澳斯麦特炼熔炼炉和澳斯麦特炼吹炼炉两炉之间，设置沉淀池对冰铜和渣进行分离，冰铜由溜槽进入吹炼炉。该工程在投产初期具有炉体晃动、耐火材料寿命、短渣含铜高等问题，但经过技术工艺的发展和改进，已经能稳定生产。艾萨熔炼与澳斯麦特熔炼原理基本相同，仅在喷枪和炉体机构上有部分差异，我国的云南铜业股份有限公司是世界上第三家采用艾萨熔炼技术的工厂。
(3)国内外其他铜熔炼技术。近十几年来，国内外竞争加强，各铜工业工厂不断开展新溶液工艺的开发，以寻找适合自己发展的工艺。除了闪速熔炼、浸没顶吹熔池熔炼外，还有浸没侧吹熔炼工艺(诺兰达炉、瓦纽科夫炉、白银炉)、氧气底吹熔炼等。我国也通过不断改进相关工艺技术来提高铜冶炼技术，如山东东营方圆有色金属公司同中国有色工程研究院共同研发的“氧气底吹熔炼多金属捕集技术”，内蒙古金峰铜业和山西恒曲华盛冶金公司合作研发的金峰冶炼炉，其通过采用双侧多风道侧吹，反应迅速，减少了熔炼过程中局部过氧化现象，降低了渣铜含量，弃渣含铜平均值在0. 15%
1.2冰铜吹炼技术
吹炼是火法炼铜的第二道工序，其主要作用是脱除铁和硫，降低杂质，为炼制合格的、富集金银等有价金属的粗铜奠定基础。
(1)转炉吹炼技术。所谓转炉吹炼是指Peirce和Smith于吹炼炉中应用碱性耐火材料作为内衬，即我们所说的PS转炉吹炼。目前，国内外吹炼的主要工艺还是PS转炉技术，这是由于PS转炉具有操作简单、能处理废统和残阳极等难处理的材料等特点。我国的铜陵、云铜、大冶等大型铜冶炼工厂均有采用PS转炉吹炼技术，相关的转炉设备也在不断扩大，同时由于PS转炉存在间断操作能引起烟气量波动，炉口漏风等问题，不少工厂对PS转炉技术都进行自我改进。如在转炉采用高品位冰铜(63 %)的吹炼或富氧吹炼技术来强化吹炼过程，通过采用伞齿传动减速机、加强水冷烟罩的密封性能等一系列设备和技术操作方面的改进。
(2)其他吹炼技术。随着铜产量的不断增加，转炉设备逐渐大型化，且在转炉操作和结构上进行了较大改动，但由于转炉吹炼过程是间歇式的周期性作业，由此而引起的烟气量波动大、炉口漏风、烟气二氧化硫浓度低、不利于制酸、吊车频繁作业、烟气的低空污染等问题依然是转炉吹炼函待解决的问题。针对以上问题，新的吹炼工艺和设备不断地在研究和开发，相继出现了三菱法吹炼、闪速吹炼、氧气顶吹等其他吹炼技术，开始改变着传统的P一转炉的主导局面，高效连续化的梳吹炼新工艺将实现几乎全部的硫的回收、无二氧化硫排放和低生产成本的目标。
1.3连续炼铜工艺
三菱法是由某公司发明的连续炼铜工艺，它成功的把熔炼、吹炼和炉渣贫化三台炉子结合在一起，消除了分批作业、来回倒包，实现了生产全过程的连续、稳定、均衡运行。具有机械自动化程度高、设备配置紧凑、占地面积少、热效率高、烟气稳定、能耗低、生产环境好、利于管理及维修等优点。目前，印度尼西亚的Gresik和澳大利亚的Kembla港炼铜厂等都相继采用该项技术。
2铜的火法精炼
经过PS转炉、闪速吹炼炉等吹炼而成的粗铜，其不仅含有较高的硫、氧等，还存铅、锌、砷等少量能对阴极铜电解精炼工艺造成影响的有害元素。
2.1粗铜的火法精炼
传统固定式精炼炉其主要依靠人工操作，存在劳动强度大、环保效果差、易跑铜、难控制等诸多缺陷，现已逐渐被机械化程度高、炉体密闭、易操作的回转式阳极炉所替代。目前回转式阳极炉的发展趋势主要有以下两点，一是同采用固体燃料和还原剂代替以重油或可燃气体，二是通过引进大型的阳极炉和阳极板浇铸机来增加粗铜精炼的效果。
2.2倾动炉用于杂铜的精炼
之前，我国杂铜精炼常用固定式反射炉，但由于其存在诸多缺点，后改用德国的Maerz公司开发的倾动式阳极炉，其主要解决了固定式反射炉精炼杂铜时渣量大的缺陷和重油还原产生黑烟污染的问题。该技术融合了固定式反射炉和回转式阳极炉的特点，不仅能处理废杂铜粗铜电解残极等固体铜料，还有利于环境保护，因此目前国内外应用该技术的工厂较多。如国内贵冶等冶炼工厂均有采用。此外，我国也有一些铜冶炼工厂不断开发新的吹炼技术，如山东祥光铜业自主研发了自氧化还原火法精炼铜的新工艺，不仅缩短了作业流程，还提高了生产效率。
3电解精炼
随着铜冶炼产能的不断提升，对铜电解精炼的要求也越来越高，针对铜电解精炼技术的革新也在不断发展和变化。目前，铜的电解精炼生产工艺主要可划分为两大类，一是传统的电解工艺;另一类是永久不锈钢阴极工艺。永久不锈钢阴极工艺具有流程简单，较传统的电解工艺省去了始极片的制作过程;全自动化机组及吊车的投入，使其机械自动化程度高，劳动强度小，操作简单;电流密度高、极距小、残极率低;蒸汽含量低，比传统的电解工艺低30% ~50%;产品稳定、质量好等特点。自2002年以来国内新建及在建的铜电解80%以上的产能均采用永久不锈钢阴极法，可见
