杨慧兰，王 玮，何 峰
（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西 南昌 330031）
铜精矿分为硫化铜精矿和氧化铜精矿两大类［1］，根据其类别冶炼方法大致分为火法工艺和湿法工艺。一般来说，硫化铜精矿采用熔炼-吹炼-精炼的火法工艺路线［2］，且占据主导地位，而氧化铜精矿采用浸出-萃取-电积的湿法工艺路线。
常见的硫化铜精矿含铜品位在20%～28%之间，根据生产规模的大小，单套系统年生产能力＞30 万 t 铜的主流冶炼工艺是闪速熔炼+闪速吹炼“双闪”工艺，单套系统年生产能力≤30 万 t 铜的主流冶炼工艺是侧吹熔炼+多枪顶吹连续吹炼工艺［3］。不论采用哪一种工艺，都有造锍熔炼过程，即在熔炼过程中加入石英熔剂造渣，产物为冰铜和熔炼渣，其中冰铜中铜含量为55%～70%，需进一步吹炼处理，熔炼渣为CaO-FeO-SiO2，系三元渣，渣中铁硅比在1～2 之间，熔点约1200 ℃。
非洲某矿区产出的一种铜精矿（本文中称其为“特殊铜精矿”），铜含量高达64%，而铁含量很少，仅为2.2%，矿石中Fe/SiO2低至0.28，不能像常规硫化铜精矿熔炼一样，通过加入SiO2造出低熔点、低黏度的渣型，因此该特殊铜精矿的冶炼不适合直接采用常规的熔炼-吹炼-精炼的工艺方案。随着非洲地区类似的矿石不断被大量开采，探索一种环保、节能、成熟可靠的冶炼工艺，将具有极大的工程应用价值。
铜精矿各类矿物及其主要组成、铜含量见表1［1］。其中硫化铜矿有黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿等，以黄铜矿最为常见；
氧化铜矿有孔雀石、赤铜矿、黑铜矿等。
表1 铜精矿类别及特点
非洲某矿区产出的一种特殊铜精矿，与常见的黄铜矿相比，具有铜高、铁低、硫低［4］、铁硅比很低的特点，成分对比见表2。
表2 铜精矿成分对比 %
特殊铜精矿与常见黄铜矿的主要成分含量差异很大。一是特殊铜精矿含铜高达64%，甚至超过了熔炼产物冰铜的品位。二是特殊铜精矿中Fe/SiO2过低，不能通过加入SiO2造出低熔点、低黏度的渣型，高熔点炉渣将大大增加能源消耗和降低设备寿命。三是特殊铜精矿中S 含量低，热值少，熔炼过程中需要加入大量燃料。
特殊铜精矿的化学物相分析结果如表3 所示［5］。
表3 特殊铜精矿的化学物相分析结果 %
分析结果表明，该特殊铜精矿中约80%的铜以辉铜矿形式存在，另含有少量的黑铜矿和赤铜矿。
3.1 闪速炉一步直接炼铜
由于该特殊铜精矿的主要矿物是辉铜矿，其成分为硫化铜，类似于常规的造锍熔炼产物——冰铜，因此从理论上来说，采用直接吹炼的一步炼铜法是较为合适的工艺。一步炼铜技术具有流程短、环保效益好、投资成本低等优势，符合当前短流程冶炼技术的发展方向［6］。
目前有成熟工业实践的一步炼铜工艺只有奥托昆普闪速炉一步直接炼铜，该工艺由于其连续性及短流程化，炉体漏风少、烟气量少且烟气中SO2浓度高，能有效节省熔炼生产系统和制酸生产系统的投资及运行成本。Glogow、Olympic Dam 冶炼厂的生产实践表明：产生渣量少的精矿，如高品位的低铁辉铜矿和斑铜矿，采用闪速一步炼铜工艺是一种经济可行的选择［7］。
为了降低炉渣熔点及黏度，需配入CaO［8］。图1 和图2 分别为渣含CaO 为12%时闪速炉一步直接炼铜的炉渣相图及黏度。可以看出，渣含CaO 为12%时可达到较好的熔炼条件：渣的熔化温度为1250～1300 ℃；
1244℃度时渣的黏度＜0.5 Pa·s。
图1 闪速炉一步直接炼铜的炉渣相图
图2 闪速炉一步直接炼铜的炉渣黏度
闪速炉一步直接炼铜采用高氧势操作，导致炉渣含铜高，降低了铜的直收率，需要对炉渣中的铜进行回收。而炉渣中的铜主要以氧化亚铜形态存在，直接采用渣选矿并不能保证铜的回收率。从目前行业的普遍做法来看，几座一步炼铜工厂都采用了还原电炉将渣中的氧化亚铜还原，并与渣分离后得以回收。由此，采用闪速炉一步直接炼铜的冶炼工艺流程为：蒸汽干燥+闪速炉一步直接炼铜+电炉贫化+精炼。采用该工艺的一次投资大，适合产能较大（年产铜＞30 万 t）的冶炼项目。
3.2 侧吹熔炼+多枪顶吹连续吹炼
另一种适用于中等产能的主流工艺是侧吹熔炼+多枪顶吹连续吹炼。侧吹熔炼属于熔池熔炼，高浓度富氧空气通过风口吹入炉渣层，发生气-固-液三相反应，强烈地搅拌强化了过程的传热传质，送风氧的浓度同样可以高至90%，熔炼强度高，单位生产能力大；
加入的铜精矿对炉渣进行还原、硫化、洗涤，使得炉渣含铜低。该工艺对原料的适应性强，不需要预处理直接入炉，备料和熔炼厂房结构简单，投资低。经过长时间的生产实践检验，侧吹熔炼工艺已经相当成熟。有几家冶炼厂采用此法，投产后一周内即可达到设计产能，且能稳定运行［9］。
吹炼则采用与侧吹熔炼匹配的多枪顶吹连续吹炼。多枪顶吹炉具有炉体密闭、结构简单的特点，和侧吹炉采用溜槽连接，操作环境较高。该工艺因取消了吹炼主厂房的吊车，还节省了投资。此外还具有吹炼烟气量较小、烟气成分和烟气量稳定，有利于制酸等优点。此法同样有大量成功的生产实践。
采用侧吹熔炼+多枪顶吹连续吹炼的冶炼工艺流程为：配料+侧吹熔炼+多枪顶吹吹炼+精炼。该工艺投资少，适合产能中等规模（年产铜≤30 万 t）的冶炼项目。
对于辉铜矿的冶炼，为了满足其熔炼造渣和热量适宜的需要，需配入含Fe、含S 的矿种，如黄铜矿或硫铁矿［10］。图3 和图4 比较了不配入硫铁矿和配入硫铁矿的冶炼炉渣在不同温度下的黏度变化。可以得出，不加硫铁矿时，熔炼温度需达到1500 ℃才能使炉渣黏度降低到0.5 Pa·s，这配入硫铁矿后，炉渣黏度在温度达到1359 ℃时降低至0.5 Pa·s。这说明配入硫铁矿能有效降低炉渣的黏度，从而降低熔炼温度，改善生产操作条件。
图3 不配硫铁矿时炉渣黏度
图4 配入硫铁矿时炉渣黏度
3.3 湿法工艺
湿法工艺适用于处理氧化铜精矿，而特殊铜精矿主要为硫化铜精矿，若采用湿法冶炼工艺，需要在冶炼前增加氧化焙烧工序，将其中的硫化铜转化成氧化铜。
采用湿法冶炼的工艺流程为：氧化焙烧+一段浸出+二段浸出+电积，产出电铜，氧化焙烧烟气收尘后制酸［11］。
工艺方案的选择与项目的规模有着很大关系。假定项目规模为15 万 t，火法工艺采用侧吹熔炼+多枪顶吹连续吹炼，湿法工艺则采用氧化焙烧+一段浸出+二段浸出+电积。两个方案在发展潜能、外部建设条件、技经指标、环保等方面的对比见表4。
表4 工艺对比及评价结果
通过比较可知，火法工艺和湿法工艺各有优劣，均有成功的工业实践。刚果金卢阿拉巴铜冶炼厂采用侧吹熔炼+多枪顶吹吹炼工艺处理辉铜矿并配入硫铁矿，使熔炼渣Fe/SiO2＞1；
华刚矿业二期采用氧化焙烧+一段浸出+二段浸出+电积的工艺；
KAMOA 项目由于铜产能达到50 万 t/a，采用的是闪速炉一步直接炼铜。
（1）由于特殊铜精矿铁含量少，Fe/SiO2低至0.28，难以正常造渣，不适合直接采用传统的熔炼+吹炼的火法工艺。
（2）采用闪速炉一步直接炼铜工艺处理特殊铜精矿是一种经济可行的选择，但该工艺一次投资大，适合产能较大（年产铜＞30 万 t）的冶炼项目。
（3）侧吹熔炼+多枪顶吹连续吹炼是一种适用于中等产能的主流工艺，但处理特殊铜精矿时，造渣需要配入含Fe、含S 的矿种，如黄铜矿或硫铁矿。
（4）采用湿法工艺处理特殊铜精矿之前，需要经过氧化焙烧工序，将其中的硫化铜转化成氧化铜。
（5）火法工艺和湿法工艺各有优劣，冶炼工艺的选择应该从项目的战略定位出发，综合考虑生产规模、建设条件、企业发展战略等具体情况，在成熟可靠、安全环保、技术先进的工艺中选取最合适的工艺。
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