铜冶炼综述

    铜是人类最早发现和使用的金属之一中国是世界上最早发现和使用铜的国家之一。中国又是世界上最早用湿法（胆铜法）炼铜的国家。1993年我国铜产量居世界第五位。

 

    1985～1989年世界矿山、冶炼厂和精炼厂的铜产量如下（kt）：

 

    年份    1985    1986    1987    1988    1989

    矿山    8425    8419    8790    8788    9190

    冶炼厂  8871    8877    9240    9421    9700

    精炼厂^① 9715    9904    10213   10571   10997

    ① 精炼铜产量为电解和火法精炼的一次及再生的精炼铜产量。

   

    铜和铜合金广泛用于电气工业、机械、建材和运输工具制造业等。美国1988年铜消耗量为2214kt，其中电气工业占70%，建筑业占17%，机械制造业占6%，运输工具占3%，军用品占1%，其它占3%。

 

    一、铜的资源

 

    铜广泛赋存与各种火成岩矿床与再生矿床中，其中铜储量较大的矿床有斑岩铜矿床和沉积型铜矿床。斑岩铜矿床特点是品位低、储量大、矿石可选性好，多为大型矿床。沉积型矿床铜品位高，这种类型矿床也常是大型的。

 

    已发现的铜矿物约160多种。原生硫化矿物中以黄铜矿（CuFeS₂）最多，其次为斑铜矿（Cu₅FeS₄）、辉铜矿（Cu₂S）和铜蓝（CuS）；次生氧化矿物主要有孔雀石（CuO₃·Cu（OH）₂）、蓝铜矿（2CuCO₃·Cu（OH）₂），硅孔雀石（CuSiO₃·2H₂O）和铜矾（Cu₃SO₄（OH）₄）。世界上原生铜约90%是从硫化矿炼出的。湿法冶金主要用于从氧化矿石提铜。

 

    世界上铜矿资源主要分布区域如下：

 

    （一）南、北美洲的西部山地，即美国、智利、秘鲁、墨西哥和加拿大等国。

 

    （二）非洲的赞比亚和扎伊尔。

 

    （三）哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦和俄罗斯的乌拉尔。

 

    （四）菲律宾、巴布亚新几内亚和澳大利亚的芒特艾萨地区。

 

    世界铜资源估计为1626Mt（以含铜量计），其中储量估计为402Mt。

 

    我国铜矿资源储量居世界第四位。主要矿区分布在江西、湖北、安徽、云南、四川、山西和甘肃等省及西藏东部。

 

    我国矿山规模一般不大，比较分散，矿石含铜一般低于1%。

 

    铜矿开采品位主要取决于采、选、炼生产费用和铜的售价，依经济效益而定。现在地下开采的铜矿品位有的低到0.75%，露天开采的有的低于0.5%。

 

    二、铜矿的开采和选矿

 

    斑岩铜矿由于储量大，剥采比小和矿石可选性好，一般采用大规模露天开采，机械化程度高，其采选生产成本均低，经济效益好。如美国宾厄姆铜矿、中国德兴铜矿等大型斑岩铜矿床均属此例。品位较高，覆盖岩层较厚的中小型铜矿床，一般采用地下开采。

 

    铜矿石选矿通常是用物理方法将矿石中的铜矿物分离而富集到高品位的铜精矿中。铜精矿含铜品位一般为20%～30%，尾矿含铜0.05%～0.1%。

 

    三、火法炼铜

 

    硫化铜精矿适于火法炼铜，现今全世界矿铜产量的85%～90%是从硫化铜矿用火法炼铜生产出来的。火法炼铜一般包括：① 浮选铜精矿的焙烧或烧结；② 铜精矿或焙烧矿的造锍熔炼；③ 铜锍吹炼成粗铜；④ 粗铜火法精炼；⑤ 阳极铜电解精炼。经冶炼产出最终产品—电解铜。

 

    （一）焙烧的目的是将硫化铜精矿中的硫部分或全部氧化以SO₂的形式脱除。焙烧在流态化焙烧炉中进行，产物为焙烧矿。焙烧工序现在主要用于反射炉熔炼。近年来发展的许多强化熔炼方法，均直接熔炼浮选铜精矿，不再采用焙烧工序。

 

    （二）铜锍熔炼是火法炼铜最重要的冶炼过程，熔炼的目的是将铜精矿中的铜形成含铜、硫、铁及贵金属等的钢铳，然后吹炼成粗铜；铜精矿中的脉石成分与熔剂形成含铜尽可能低的炉渣，直接废弃或回收铜后废弃。熔炼排出的SO₂烟气用以制造硫酸或其它硫制品。

 

    铜铳熔炼以往多在反射炉、鼓风炉和电炉等传统冶金炉内进行。这些传统方法的主要缺点是：1、不能充分利用硫化物炉料氧化产生的反应热作为能量；2、产出低浓度SO₂烟气，不能经济地制酸，对环境造成严重污染。因此，传统熔炼工艺，正逐渐地为节能、环境保护好的强化熔炼新工艺代替。

 

    近三四十年来，不少新的强化铜铳熔炼工艺已在工业上广泛推广采用，归纳起来有两大类：一是悬浮熔炼，如奥托昆普闪速熔炼，INCO氧气闪速熔炼和KHD公司的连续顶吹旋涡熔炼法等；另一类是熔池熔炼，如诺兰达熔炼法，三菱法，瓦纽柯夫法，艾萨法和我国的白银法等。这些方法的共同特点是运用富氧技术，强化熔炼过程，充分利用炉料氧化反应热的能量，在自热或接近自热熔炼的条件下进行熔炼，产出高浓度的SO₂烟气，可有效地回收、制造硫酸或其它硫产品，环境保护好，节能和经济效益好。

 

    奥托昆普闪速熔炼经长期实践证明是较成熟的一种现代炼铜法，近年来发展很快，现在世界上有炼铜和炼镍的奥托昆普闪速炉共35座，约占世界炼铜能力的30%，成为新建或改建炼铜厂选用的工艺之一。INCO氧气闪速炉（含前苏联氧焰炉）目前有4座在运转。闪速熔炼除获得高品位铜锍外，还可以直接产出粗铜，如波兰格沃古夫二厂和澳大利亚奥林匹克坝冶炼厂。

 

    熔池熔炼是将富氧空气鼓入熔体中，熔池受气体激烈的搅动，加入的炉料在熔体中激烈地进行气、液、固三相间的物理化学反应，完成熔炼过程。诺兰达法、三菱法、瓦纽柯夫法、白银法等均是熔他熔炼法，且已有工业生产实践。诺兰达熔炼法有4台炉子、三菱法有2台炉子、瓦纽柯夫法有5台炉子、特尼恩特法有5台炉子在生产。此外，新开发的澳大利亚的艾萨熔炼法已有两家工厂投入工业生产。中国的水口山熔炼法也已达到工业试验阶段。

 

    富氧熔炼能够强化冶炼过程，大大减少烟气量和烟气带走的热量和烟尘量，降低烟气处理设施和酸厂的投资，提高冶炼直收率，节省能耗，提高炉子单位生产率；提高烟气SO₂浓度和硫的利用率，大大改善对环境的污染程度。所有新开发的强化炼铜新工艺均采用了富氧技术。一些传统炼铜工艺，如反射炉和鼓风炉采用富氧熔炼后也取得了效果。

 

    废热回收是铜冶炼节能降耗的重要途径。冶炼烟气的废热利用技术已比较成熟，普遍为各炼铜厂采用，成为炼铜厂设计不可缺少的部分。

 

    冶炼工艺过程应用计算机控制是一项重要的技术发展方向。闪速熔炼法和三菱法是较早实现计算机全过程自动控制的。贵溪冶炼厂引进的铜闪速炉工艺过程计算机在线控制，取得了成功。

 

    （三）铜锍吹炼仍以卧式转炉为主，少数厂采用虹吸式转炉、三菱法吹炼炉和连续吹炼炉。吹炼设备向大型化、机械化发展，卧式转炉最大的已达Φ4.2× 11.7m，广泛采用捅风眼机、炉口清理机、铸渣机和密闭烟罩等辅助机械设备。由奥托昆普公司和肯尼柯特公司联合开发的闪速吹炼工艺，已可以用于工业。

 

    （四）火法精炼广泛采用的回转式精炼炉已成为炼铜厂的标准精炼设备，只有少数厂处理冷态粗铜还采用反射炉。大部分铜阳极板是在双模或单模圆盘浇铸机上浇铸，并采用自动定量浇铸。近年来少数工厂采用了哈兹勒特连续浇铸机。精炼作业除少数还采用插树还原外，已广泛采用重油、天然气、液氨和液化石油气作为还原剂。

 

    （五）炼铜炉渣贫化有电炉法和浮选法。熔炼渣采用电炉贫化的较多，也有工厂采用浮选法的；而吹炼渣采用浮选法的较多。许多工厂不再返回熔炼炉。浮选法回收率较高，弃渣含铜低，但投资和生产费较高。采用何种方法须根据具体情况选取。

 

    （六）传统的电解精炼法仍占主导地位，为减轻手工劳动，广泛采用阴、阳极板的机械化作业线。不锈钢永久阴极的艾萨电解法近年逐步推广，目前世界上已有十余家电解精炼厂和二十余家电积厂采用了这种方法。周期反向电流法自70年代用于工业生产以来，已有十余家工厂推广应用。多数工厂将此法作为迅速增加生产能力或临时增产铜的措施。

 

    （七）对难于浮选和浸出的氧化铜矿或硫化氧化混合矿，可以采用离析法提铜。离析法有两段离析法和一段离析法两种，我国石菉铜矿采用直接加热一段回转窑离析法提铜，效果较好。离析法投资及生产费较高，适合处理原矿含铜品位2.5%～4%的矿石。

 

    四、湿法炼铜

 

    湿法炼铜是用溶剂浸出铜矿石或精矿，然后从含铜浸出液中提取铜的方法。目前该法主要用于处理氧化铜矿、低品位铜矿石和硫化矿废矿，也用于焙烧硫化矿的浸出提铜。世界上湿法炼铜的产铜量约占总产量的10%～15%，80年代末达1300kt/a。

 

    20世纪60～70年代我国曾用硫化铜精矿的焙烧－浸出－电积工艺建了一些小型工厂，因经济效益不佳，技术难题很多，大都停产。近年有移植此工艺的部分技术生产硫酸铜的。

 

    由于近年铜的高效萃取剂及萃取技术的迅速发展，能从含铜浓度很稀的浸出液中选择萃取铜离子，且又能反萃铜进入高酸高铜溶液，满足了电积铜工艺的要求。因此，原有用选冶方法难以回收的低品位铜矿石、含铜废石、难选氧化矿、坑采残柱、选矿尾矿等成了湿法炼铜的原料，扩大了铜冶炼的资源。近年来，美国、智利、赞比亚、秘鲁和墨西哥等国的许多矿山采用堆浸、就地浸出，搅拌槽浸等工艺来处理原来不能回收的铜资源，建设了一批溶剂萃取工厂。如赞比亚联合矿业公司尾矿搅拌浸出生产能力达100～120kt/a。我国德兴铜矿已进行了1000t矿石的工业规模堆浸试验。

 

    五、再生铜生产

 

    世界上消费的铜三分之一来自铜和铜合金废料再生的铜。因此，充分利用铜废料有重要意义。长期来各工业发达国家非常重视废铜料的回收利用。前西德约有40%的铜是从废料中回收的。美国1988年铜消费中有23%来自废铜料。英、法和意大利等国消费的铜50%左右来自废铜料。我国每年从废杂铜中回收的铜占总产铜量的30～40%。

 

    废铜料的回收利用要根据原料品种和成分来确定。对牌号清楚的铜合金废料，一般可以直接重熔铸成合金使用。对一些高级废铜料（＞95%Cu）和低级废铜料（10%～95%Cu），一般可采用熔铜竖炉、鼓风炉、转炉和精炼炉等冶金设备之中一段或几段处理，然后再经电解精炼成为电解铜。

 

    我国再生铜冶炼技术比较落后，厂家多，规模小，近年虽有采用阳极板定量浇铸和精炼炉废热利用等技术，但不普遍。精炼设备仍采用反射炉，手工劳动繁重。国外采用的倾动式精炼炉，机械化、自动化程度高，革除了氧化、还原、出铜、出渣等作业的手工劳动，是处理废杂铜冷料比较先进的设备。精炼作业铜水还原国内普遍采用重油，还原期黑烟弥授，严重污染环境，亟待改进技术。

 

    我国的炼铜工艺除贵冶80年代初引进闪速炉炼铜和白银－冶采用自己开发的白银炼铜法外，其它工厂仍采用传统的反射炉、密闭鼓风护和电炉熔炼，工厂技术装备水平普遍较低。近年来各厂均在进行技术改造，如大冶引进诺兰达熔炼法改造现有反射炉，铜陵－冶正在建设闪速炉替代密闭鼓风护。各炼铜厂技术装备水平也在不断提高。我国自己开发的水口山熔炼法已通过工业试验。