焙烧流态化焙烧炉炉体设计(「西安矿源」铜系列｜铜的冶炼方法)

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最主要的铜矿床有两种：一为原生的斑岩铜矿床,约占全部铜资源的66%,美国、智利、秘鲁等国最多;一为水成岩中次生的层状铜矿床,约占全部铜资源的25%，著名的赞比亚-扎伊尔铜矿带即属此类。已发现的铜矿物约 160多种。原生硫化矿中以黄铜矿(CuFeS2)最多，其次为斑铜矿(Cu5FeS4),次生氧化矿中主要有孔雀石（CuCO3·Cu(OH)2）、蓝铜矿[2CuCO3·Cu(OH)2]等。

70年代末全世界具有开采价值的铜矿金属储量约 5亿吨,海底锰结核的铜储量估计约4亿吨。1979年世界各国(中国除外)为了充分利用资源，各国都非常重视杂铜的回收。1980年工业发达国家(不包括苏联)的杂铜回收量约占总产铜量的15%。同年美国回收杂铜58万吨，占全国铜消费量的31%。

中国铜矿分布较广，已探明的铜矿床多为斑岩铜矿、含铜黄铁矿、矽卡岩铜矿.铜是优良的导电和导热体，仅次于银。常温下铜的电导率为银的94%，热导率为银的73.2%。铜在干燥空气中不氧化，在含有二氧化碳的湿空气中表面形成一层铜绿;与碱溶液反应很慢，但易与氨形成络合物。铜的标准电极电势为+0.337伏，铜不能置换酸溶液中的氢，但溶于有氧化作用的酸中。二价铜的电化当量为0.0003294克/库仑。

铜和铜合金如青铜、黄铜、白铜等，广泛用于制造电工器材、机械、建筑材料和运输工具等。

铜有多种化合物，主要用于化工、医药、农药等方面。与金属铜的用量相比，用于化合物的铜量很少，只占铜消费量的1%左右。

美国1979年铜消费量的比例为：电气工业58%，建筑工业18%,机械制造业9%,运输工具9%，其他6%。伦敦市场铜的平均价格为：1978年67美分/磅,1979年93美分/磅(1磅=0.4536公斤)。

炼铜原料以硫化矿为主，品位一般为1%左右,坑内采矿的边界品位为0.4%，露天采矿可降至0.3%，采出的矿石须先经选矿得到含铜20～30%的精矿，再行冶炼。炼铜的方法分火法和湿法，以火法为主。火法生产的铜占世界总产铜量80%以上。

火 法 炼 铜 主要原料是硫化铜精矿，一般包括焙烧、熔炼、吹炼、精炼等工序 焙烧 分半氧化焙烧和全氧化焙烧(“死焙烧”)，分别脱除精矿中部分或全部的硫，同时除去部分砷、锑等易挥发的杂质。此过程为放热反应，通常不需另加燃料。造锍熔炼一般采用半氧化焙烧，以保持形成冰铜时所需硫量;还原熔炼采用全氧化焙烧;此外，硫化铜精矿湿法冶金中的焙烧,是把铜转化为可溶性硫酸盐,称硫酸化焙烧。焙烧用的流态化焙烧炉(沸腾炉) 熔炼 主要是造锍熔炼，其目的是使铜精矿或焙烧矿中的部分铁氧化，并与脉石、熔剂等造渣除去，产出含铜较高的冰铜(x Cu2S·yFeS)。冰铜中铜、铁、硫的总量常占80～90%，炉料中的贵金属，几乎全部进入冰铜。 冰铜含量取决于精矿品位和焙烧熔炼过程的脱硫率，世界冰铜品位一般含铜40～55%。生产高品位冰铜,可更多地利用硫化物反应热，还可缩短下一工序的吹炼时间。熔炼炉渣含铜与冰铜品位有关, 弃渣含铜一般在 0.4～0.5%。

熔炼过程主要反应为：

2CuFeS2─→Cu2S+2FeS+S

Cu2O+FeS─→Cu2S+FeO

2FeS+3O2+SiO2─→2FeO·SiO2+2SO2

2FeO+SiO2─→2FeO·SiO2

造锍熔炼的传统设备为鼓风炉、反射炉、电炉等，新建的现代化大型炼铜厂多采用闪速炉。

鼓风炉熔炼 鼓风炉是竖式炉，中国很早就用它直接炼铜。传统的方法为烧结块鼓风炉熔炼。硫化铜精矿先经烧结焙烧脱去部分硫，制成烧结块，与熔剂、焦炭等按批料呈层状加入炉内，熔炼产出冰铜和弃渣，此法烟气含SO2低，不易经济地回收硫。为消除烟害,回收精矿中的硫，20世纪50年代,发展了精矿鼓风炉熔炼法,即将硫化铜精矿混捏成膏状，再配以部分块料、熔剂、焦炭等分批从炉顶中心加料口加入炉内，形成料封，减少漏气,提高SO2浓度。混捏料在炉内经热烟气干燥、焙烧形成烧结料柱，块状物料也呈柱状环绕在烧结料柱的周围，以保持透气性，使熔炼作业正常进行。中国沈阳冶炼厂、富春江冶炼厂等采用此法。

反射炉熔炼 适于处理浮选的粉状精矿。反射炉熔炼过程脱硫率低，仅20～30%，适于处理含铜品位较高的精矿。如原料含铜低、含硫高，熔炼前要先进行焙烧。反射炉生产规模可大型化,对原料、燃料的适应性强,长期来一直是炼铜的主要设备，至80年代初，全世界保有的反射炉能力仍居炼铜设备的首位。但反射炉烟气量大，且含SO2仅1%左右，回收困难。反射炉的热效率仅25～30%，熔炼过程的反应热利用较少，所需热量主要靠外加燃料供给。70年代以来，世界各国都在研究改进反射炉熔炼，有的采用氧气喷撒装置将精矿喷入炉内，加强密封,以提高SO2浓度。中国白银公司第一冶炼厂将铜精矿加到反射炉中的溶体内，鼓风熔炼，提高了熔炼强度，烟气可用于制取硫酸。

反射炉为长方形，用优质耐火材料砌筑。燃烧器设在炉头部，烟气从炉尾排出，炉料由炉顶或侧墙上部加入,冰铜从侧墙底部的冰铜口放出,炉渣从侧墙或端墙下的放渣口排出。炉头温度1500～1550℃,炉尾温度1250～1300℃，出炉烟气1200℃左右。熔炼焙烧矿时，燃料率10～15%，床能率3～6吨/(米2·日)。铜精矿直接入炉,燃料率16～25%,床能率为2～4吨/(米2·日)，称生精矿熔炼。中国大冶冶炼厂采用 270平方米反射炉熔炼生精矿。

电炉熔炼 炼铜采用电阻电弧炉即矿热电炉，对物料的适应性非常广泛，一般多用于电价低廉的地区和处理含难熔脉石较多的精矿。电炉熔炼的烟气量较少，若控制适当，烟气中SO2浓度可达5%左右，有利于硫的回收。

铜熔炼电炉多为长方形，少数为圆形。大型电炉一般长30～35米，宽8～10米，高4～5米,采用六根直径为1.2～1.8米的自焙电极，由三台单相变压器供电。电炉视在功率3000～50000千伏安，单位炉床面积功率100千瓦/米2左右，床能率3～6吨/(米2·日),炉料电耗400～500千瓦·时/吨,电极糊消耗约2～3公斤/吨。中国云南冶炼厂采用30000千伏安电炉熔炼含镁高的铜精矿。

闪速熔炼是将硫化铜精矿和熔剂的混合料干燥至含水0.3%以下,与热风(或氧气、或富氧空气)混合，喷入炉内迅速氧化和熔化，生成冰铜和炉渣。其优点是熔炼强度高，可较充分地利用硫化物氧化反应热，降低熔炼过程的能耗。烟气中SO2浓度可超过8%。闪速熔炼可在较大范围内调节冰铜品位,一般控制在50%左右,这样对下一步吹炼有利。但炉渣含铜较高，须进一步处理。

闪速炉有奥托昆普 (Outokumpu)型和国际镍公司(International Nickel Co.)型两种。70年代末世界上已有几十个工厂采用奥托昆普型闪速炉，中国贵溪冶炼厂也采用此种炉型。

冰铜吹炼 利用硫化亚铁比硫化亚铜易于氧化的特点，在卧式转炉中，往熔融的冰铜中鼓入空气，使硫化亚铁氧化成氧化亚铁,并与加入的石英熔剂造渣除去,同时部分脱除其他杂质，而后继续鼓风，使硫化亚铜中的硫氧化进入烟气，得到含铜98～99%的粗铜，贵金属也进入粗铜中。

一个吹炼周期分为两个阶段：第一阶段,将FeS氧化成FeO，造渣除去,得到白冰铜(Cu2S)。冶炼温度1150～1250℃。

主要反应是：

2FeS+3O2─→2FeO+2SO2

2FeO+SiO2─→2FeO·SiO2

第二阶段，冶炼温度1200～1280℃将白冰铜按以下反应吹炼成粗铜：

2Cu2S+3O2─→2Cu2O+2SO2

Cu2S+2Cu2O─→6Cu+SO2

冰铜吹炼是放热反应,可自热进行,通常还须加入部分冷料吸收其过剩热量。吹炼后的炉渣含铜较高，一般为2～5%，返回熔炼炉或以选矿、电炉贫化等方法处理。吹炼烟气含SO2浓度较高,一般为8～12%,可以制酸。吹炼一般用卧式转炉,间断操作。表压约1公斤力/cm²的空气通过沿转炉长度方向安设的一排风眼鼓入熔体，加料、排渣、出铜和排烟都经过炉体上的炉口。

粗铜精炼

分火法精炼和电解精炼。火法精炼是利用某些杂质对氧的亲和力大于铜，而其氧化物又不熔于铜液等性质，通过氧化造渣或挥发除去。其过程是将液态铜加入精炼炉升温或固态铜料加入炉内熔化，然后向铜液中鼓风氧化,使杂质挥发、造渣;扒出炉渣后,用插入青木或向铜液注入重油、石油气或氨等方法还原其中的氧化铜。还原过程中用木炭或焦炭覆盖铜液表面，以防再氧化。精炼后可铸成电解精炼所用的铜阳极或铜锭。精炼炉渣含铜较高，可返回转炉处理。精炼作业在反射炉或回转精炼炉内进行。

火法精炼的产品叫火精铜，一般含铜99.5%以上。火精铜中常含有金、银等贵金属和少量杂质，通常要进行电解精炼。若金、银和有害杂质含量很少，可直接铸成商品铜锭。

电解精炼是以火法精炼的铜为阳极，以电解铜片为阴极，在含硫酸铜的酸性溶液中进行。电解可产出含铜99.95%以上的电铜,而金、银、硒、碲等富集在阳极泥中。电解液一般含铜40～50克/升，温度58～62℃,槽电压0.2～0.3伏,电流密度200～300安/米2,电流效率95～97%,残极率约为15～20%,每吨电铜耗直流电220～300千瓦小时。中国上海冶炼厂铜电解车间电流密度为 330A/㎡。

电解过程中，大部分铁、镍、锌和一部分砷、锑等进入溶液，使电解液中的杂质逐渐积累，铜含量也不断增高，硫酸浓度则逐渐降低。因此，必须定期引出部分溶液进行净化，并补充一定量的硫酸。净液过程为：直接浓缩、结晶，析出硫酸铜;结晶母液用电解法脱铜,析出黑铜，同时除去砷、锑;电解脱铜后的溶液经蒸发浓缩或冷却结晶产出粗硫酸镍;母液作为部分补充硫酸,返回电解液中。此外，还可向引出的电解液中加铜，鼓风氧化，使铜溶解以生产更多的硫酸铜。电解脱铜时应注意防止剧毒的砷化氢析出(见水溶液电解)。

火法炼铜的其他方法 已应用于工业生产的方法还有：三菱法(Mitsubishi process) 将硫化铜精矿和熔剂喷入熔炼炉的熔体内，熔炼成冰铜和炉渣，而后流至贫化炉产出弃渣，冰铜再流至吹炼炉产出粗铜。此法于1974年投入生产。

诺兰达法(Noranda process) 制粒的精矿和熔剂加到一座圆筒型回转炉内，熔炼成高品位冰铜。所产炉渣含铜较高，须经浮选选出铜精矿返回炉内处理。此法于1973年投入生产。

氧气顶吹旋转转炉法 用以处理高品位铜精矿。将铜精矿制成粒或压成块加入炉内，由顶部喷枪吹氧，燃料也由顶部喷入，产出粗铜和炉渣。中国用此法处理高冰镍浮选所得铜精矿。

离析法 用于处理难选的结合性氧化铜矿。将含铜1～5%的矿石磨细，加热至750～800℃后，混以2～5%的煤粉和0.2～0.5%的食盐，矿石中的铜生成气态氯化亚铜(Cu3Cl3)并为氢还原成金属铜而附着于炭粒表面，经浮选得到含铜50%左右的铜精矿，然后熔炼成粗铜。此法能耗高，很少采用。

湿法炼铜用溶剂浸出铜矿石或精矿，而后从浸出液中提取铜。主要过程包括浸出(见浸取)、净化、提取等工序。目前世界上湿法炼铜的产量约占总产量的12%。20世纪60年代以来,为了消除SO2污染，对用湿法冶炼硫化铜矿进行了许多研究，但因经济指标尚不如火法，湿法工艺大多停留在试验和小规模生产阶段。