铜冶炼技术进步与发展

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l 提高电流密度是强化电解的最有效手段，但浓差极化问题这座大山阻遏了电流密度进一步提高，常规电解电流密度难以突破330 A/㎡。
l 祥光铜业与奥地利公司合作，首次开发出高电流密度的平行流电解技术，并成功应用祥光铜业二期电解工程，产能提高50%，电流密度提高到420 ~450A/㎡，是目前世界常规铜电解的最高电流密度。
l 熔炼工艺：熔炼工艺变革是火法炼铜领域最活跃部
分，20世纪50年代后，新的熔炼技术层出不穷，具有工业规模的熔炼工艺有近20多种。
1、传统熔炼﹙鼓风炉、反射炉、电炉﹚。
l 2、熔池熔炼﹙艾萨法、奥斯麦特法、瓦纽可夫法、诺兰达法、三菱法、特尼恩特法、白银法、氧气顶吹法、氧气底吹法等﹚。
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Cu2O +Me =2Cu+MeO
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传统火法精炼工艺流程图
氧气天然气
↓
↓
粗 ↓铜
阳极炉 ↓
氧化 ↓
排渣 ↓
还原 ↓
浇铸 ↓
阳极铜
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新火法精炼工艺流程图
粗 ↓铜阳极炉
↓ 氮气搅拌
↓ 排渣
↓ 浇铸 ↓ 阳极铜
祥光铜业传统工艺生产现场
祥光铜业新工艺生产现场
新工艺优点：取消了氧化和还原两个作业；实现了还原天然气零消耗；彻底解决了黑烟污染问题。
常规电解低87%，所以电解综合能耗差不多。 l 平行流技术的成功应用标志铜电解工艺技术又
上升一个新台阶。
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三、铜冶炼的未来发展
l 一步炼铜技术﹙或直接炼铜技术﹚
l 除少量特殊铜精矿外，目前世界上普通硫化铜精矿冶炼成粗铜一般都要经过熔炼和吹炼两步工序：
l
铜精矿先熔炼成冰铜﹙Cu50~70%﹚
还原作业：Cu2O + CmHn = Cu + CO2 + H2O
存在问题：周期长，还原效率40%，
能耗高，黑烟污染严重。
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l 生产数据表明，粗铜自身含有部分Cu2O， Cu2O和杂质Me反应：
l Cu2O +Me =2Cu+MeO △G＜0
l Me ﹙ Pb、Zn、As、Sb、Bi、S ﹚
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l 4、采用风内料外供料方式，强化传质传热。
原料粒子
工艺风
闪速冶炼供料方式是“风外料内”，即原料在工艺风内环。旋浮冶炼供料方式是“风内料外”，即原料在工艺风外环。优点：原料粒子和工艺风接触的面积大，着火反应快。
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祥光自主研发的旋浮型喷嘴
祥光旋浮型喷嘴
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芬兰中央扩散型喷嘴
l
Cu2O （过氧化） + FeS （欠氧化） →FeO+ Cu2S 。
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2、采用龙卷风形式分散物料，强化气粒混合和粒子碰撞。
l 闪速冶炼采用水平分布风分散物料，粒子呈伞状分布整个反应塔空间。
l 问题：一是高投料量时分布风的动量比物料的动量小，粒子不易分散，气粒混合不好；二是粒子悬浮状态下落，粒子间碰撞和反应机会少；三是高温粒子充满整个反应塔，对塔壁冲刷严重，而且热损失大，能源消耗高。
l 第一部分﹙反应塔上部﹚氧气和精矿粒子间反应
l 2CuFeS2+O2→2FeS+Cu2S+SO2
2FeS+3O2 →2FeO+2SO2 ；
l
6FeO+O2 →2Fe3O4 （过氧化）
l
2Cu2S+3O2 →2Cu2O（过氧化）+ 2SO2
l 第二部分﹙反应塔下部﹚粒子和粒子间碰撞反应
l
3Fe3O4 （过氧化） + FeS （欠氧化） → 10FeO+SO2
l 旋浮冶炼反应机理分为两部分，第一部分同闪速一样，主要是反应塔上部氧气和粒子反应，第二部分主要是反应塔下部过氧化粒子和欠氧化粒子间的碰撞再反应。
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l 旋浮冶炼的粒子碰撞反应机理确保了整个空间冶炼过程反应充分完全，为实现超强化冶炼奠定了理论基础。
l 以熔炼为例，旋浮熔炼主要反应如下：
l 祥光铜业是中国铜冶炼技术进步的代表之一，下面重点介绍一下祥光铜业在熔炼、吹炼、精炼、电解四大工序的创新和技术进步情况。
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祥光铜业公司简介
l 2007年，祥光一期20万吨铜冶炼工程首次引进“双闪”冶炼技术，成为世界第二、中国第一家双闪铜冶炼厂。
l 2009年，祥光二期50万吨铜冶炼工程没有依靠国外，没有引进，完全自主研发，自主建设。
l 随着现代铜冶炼向着节能、环保、超强化方向发展，闪速冶炼也暴露一些问题，如处理高杂矿和高投料量时，会出现反应不完全、烟尘率高、渣含铜高、强化冶炼困难等问题，制约闪速冶炼产能进一步提高和可持续发展。
l 祥光铜业通过理论研究、计算机仿真、设备研制、工业试验等，开发出一种具有完全自主知识产权的超强化旋浮熔炼和旋浮吹炼技术。
l （3）自热熔炼，节约能源。正常生产时，不需要添加燃料、不仅可以自热熔炼，而且热量过盛，能处理占总精矿量10%左右的氧化矿。
l （4）原料适应性强，处理高杂矿。闪速熔炼只能处理干净铜精矿，旋浮熔炼因碰撞反应效率高，脱杂能力强，适应处理各种高杂质矿，克服了闪速熔炼的缺陷，祥光每年处理占总精矿量20%的高杂矿。
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祥光铜业新工艺产品图片
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﹙三﹚高电密电解新技术-平行流技术
l 自1869年首次使用铜电解精炼工艺至今，电解工艺技术没有发生大的改变，基本都是采用两种常规电解工艺，一种是始极片电解工艺，电流密度为220-280A/ ㎡，一种是永久阴极电解工艺，电流密度为260-330 A/㎡。
铜冶炼技术进步与发展
阳谷祥光铜业有限公司
山东祥光铜业有限公司
周松林
目录
l 一、铜冶炼技术概况 l 二、铜冶炼技术进步 l 三、铜冶炼未来发展
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一、铜冶炼技术概况
l 铜冶炼技术分火法冶炼和湿法冶炼两部分，火法冶炼是主流铜冶炼方法，世界约90%铜是采用火法冶炼。火法炼铜工序：
l
熔炼、吹炼、精炼、电解
阳谷祥光铜业有限公司欢迎到祥光铜业参观指导！
l （5）喷嘴无故障，全年免维修。旋浮喷嘴结构巧妙，没有损耗件，故障率基本为零。
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﹙二﹚粗铜精炼新技术-自氧化精炼技术
l 粗铜火法精炼自问世以来，国内外冶炼厂一直都是采用传统氧化还原精炼工艺。
l 氧化作业： 2Me + O2 = 2MeO Me表示杂质
l
4Cu + O2 = 2Cu2O
l 渣贫化试验结果： l 1、加铜精矿贫化，可以生产冰铜，冰铜品位 l 55～60%，尾渣含铜 0.3～0.4%。 l 2、加碳还原贫化，可以生产粗铜，粗铜品位 l 95～98%，尾渣含铜0.5～0.6%。 l 一步炼铜工业试验结果预示： l 一步炼铜短流程是铜冶炼未来发展方向！
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谢谢
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l 3、空间熔炼﹙芬兰奥托昆普闪速熔炼、加拿大因科闪速熔炼、旋浮熔炼等﹚。
l 传统熔炼因效率、能耗、环保问题基本被淘汰，熔池熔炼和空间熔炼有各自的特点和优势，目前闪速熔炼是世界主要铜熔炼工艺，世界50%铜是闪速熔炼生产。
l 吹炼、精炼、电解工艺变化相对较少。
l 吹炼工艺：转炉吹炼；闪速吹炼；旋浮吹炼。
旋浮喷嘴在350吨/小时投料量时的工作状况
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旋浮冶炼及喷嘴优点：
l （1）生产能力大，超强化冶炼。投料量达350t/h，目前闪速熔炼的投料量在120～200t/h左右。祥光是目前世界单系统产能最大的铜冶炼厂。
l （2）反应效率高，指标良好。反应完全，没有生料，作业率98%，烟尘率4%，熔炼渣含铜1.2%，热负荷3000MJ/m3.h。
l 热力学分析， Cu2O和这些杂质反应非常容易，只要氧化亚铜能与杂质相遇，就会发生激烈化学反应。
l 可见，火法精炼的关键不是先氧化后还原，而是如何创造自身氧和杂质反应的动力学条件，提高自身氧和杂质反应效率。
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l 新精炼工艺原理：
l 取消精炼生产中氧化和还原两个作业过程，直接通入惰性气体搅拌，提供良好动力学条件，利用粗铜中自身氧和杂质反应，达到一步脱杂精炼目的。
本都有，既有传统的冶炼技术，也有世界先进的冶炼
技术。
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二、铜冶炼技术进步
l 铜冶炼的技术进步在有色冶金行业是比较快的，特别是改革开放以来，中国铜冶炼技术发展迅猛，一方面引进了国外各种先进的铜冶炼技术，并在消化吸收基础上再创新，另一方面自主研发，来自百度文库成具有完全自主知识产权的技术。使中国目前集中了当今世界各种先进的铜冶炼技术。
l
冰铜然后吹炼成粗铜﹙Cu98.5%﹚。
l 普通铜精矿一步炼成粗铜至今没有突破的瓶颈主要是
氧势控制问题，因熔炼和吹炼过程处于不同的氧势，
若冶炼过程控制高氧势，则必然产生大量Fe3O4和 Cu2O,造成铜渣分离困难，无法正常生产。
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l 一步炼铜是有色冶金工作者追求奋斗的目标。 l 2012年，祥光利用旋浮喷嘴和吹炼炉进行了5
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平行流技术原理：
l 常规电解的电解液在电解槽的运动方式是“上进下出”或“下进上出”，高电流密度电解时，阳极板边铜离子富集，阴极板边铜离子贫乏，形成浓差极化，导致阴极铜质量差、电解生产困难。
l 平行流技术原理：就是改变电解液在电解槽中的运动方式，采用“侧进上出”形式，具体说，就是通过特殊装置使电解液在阴极板的两面以一定的速度进入电解槽，使电解液平行于阴极板板面向上流动( 左图)，同时，电解液在阴极和阳极之间形成上下循环运动(右图 ) ，消除了浓差极化，确保了高电密电解的正常生产。
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旋浮冶炼技术特点﹙与闪速冶炼不同点﹚：
l 碰撞反应、龙卷风、脉动、风内料外
l 1、采用粒子碰撞反应机理，确保反应充分完全。
l 空间冶炼过程中，由于原料性质和工艺条件不同，反应速度不一样，会出现粒子过氧化和欠氧化现象。
l 闪速冶炼反应机理主要是反应塔上部氧气和原料粒子的反应，若初始反应不好，产生的过氧化粒子和欠氧化粒子下落过程中没有再反应机会，所以整体反应不完全。
l 生产规模：年产阴极铜50万吨、黄金20吨、白银600吨、硫酸 170万吨、稀有金属1000吨。
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（一）超强化熔炼和吹炼技术-旋浮冶炼技术
l 闪速冶炼﹙熔炼、吹炼﹚属空间冶炼范畴，是一种先进的强化冶炼技术，其核心技术和关键设备长期被国外垄断，我国企业需花费大量外汇购买技术许可证和关键设备喷嘴。
l 精炼工艺：回转阳极炉；反射阳极炉。
l 电解工艺：常规电解；高电流密度电解。
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中国铜冶炼技术现状：
l 中国是铜冶炼大国，连续11年铜产量世界第一，2012 年铜产量达562万吨，占世界产量的30%。
l 中国, 562
中国, 562
l 中国可以说是铜冶炼技术的博物馆，各种冶炼技术基
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平行流电解工艺流程
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电解平行流装置和生产现场
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平行流电解技术特点：
l 1、电流密度可以突破420 A/㎡，产能比常规电解提高50%以上。
l 2、电解电流效率98.5%以上，比常规电解电流效率高1%。
l 3、高纯阴极铜质量同常规电解基本一样。 l 4、直流电耗比常规电解高49%，蒸汽单耗比
次铜精矿一步冶炼粗铜的大规模工业试验，取得了令人满意的结果。
l 试验结果： l 共处理铜精矿9618吨，生产粗铜2166吨。 l 粗铜含Cu98.5~99.3%，粗铜含S0.4~0.8%,炉
渣含Cu6~12%。
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l 此外，祥光针对一步炼铜渣进行了半工业试验，主要是采用侧吹炉进行两种贫化试验。
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龙卷风是自然界中具有极强扩散卷吸能力的高速旋流体。旋浮冶炼正是借鉴龙卷风的形式来分散物料，粒子呈旋流状态分布在反应塔中央。优点：一是气粒混合好；二是粒子碰撞反应机会多；三是高温粒子集中在反应塔中央，对塔壁冲刷少，热损失少，可以自热冶炼。
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l 3、采用中央脉动氧气，强化粒子脉动碰撞反应。