【20220419】【专题】铜是如何炼成的：一文看懂铜冶炼工艺
铜冶炼工序是铜产业链中的重要一环，了解铜冶炼工序对分析企业成本变化、生产趋势、产量波动等很有帮助。因此本文首先从梳理铜冶炼工序入手，详细探讨了主流的铜冶炼工艺，即火法铜冶炼的各个阶段。其次，本文对比了传统与现代冶炼技术的差异，并从冶炼技术角度分析了相应的成本差异。最后，本文简单探讨了企业检修对铜冶炼不同阶段精铜产量的影响。
铜冶炼的基本方法
铜冶炼一般指从铜精矿到精炼铜的过程，主要分为火法冶金和湿法冶金两种技术路线。如图1、图2所示，火法冶金主要以硫化铜精矿为原料，经过冶炼、吹炼、火法冶金、电解精炼等环节形成电解铜；湿法冶金主要以氧化铜矿为原料，经过浸出、提取等环节形成电解铜。
每种方法都有各自的优点，火法冶金的优点是生产效率高、能耗低、电解铜品质好、铜矿石中有价金属回收率好。缺点是随着硫化矿的不断开采，品位逐渐降低，选矿成本会成倍增加。同时，由于需要增加环保设施控制SO2污染，所需设备和工艺相对复杂，综合投资成本高，经济效益差。湿法冶金的优点主要是不产生SO2污染，所需设备相对简单，综合投资成本低，容易实现机械化和自动化。但其缺点是在目前的技术水平下对原料的制约较多，有价金属回收难度大，同时其产生的硫酸亚铁溶液可能造成环境污染（见表1）。现阶段，火法冶金仍为主流，因此本文主要讨论火法冶金技术。
铜冰冶炼工艺对比
火法冶金大致可分为“粗炼”和“精炼”两个阶段，粗炼阶段为：铜精矿—冰铜—粗铜，精炼阶段为：粗铜—阳极铜—精炼铜。其中，从铜精矿到冰铜的流程是各种火法冶金技术的主要区别。一些常见的技术名词，如“顶吹”、“侧吹”、“闪速”等，都属于粗炼阶段的各种技术。各种技术在流程、技术、概念、优缺点等方面都有明显的区别，所以这里我们重点比较各种冶炼工艺的区别和优缺点。
1. 传统工艺
传统的冰铜冶炼工艺主要有密闭式高炉、反射炉、电炉等，主要区别在于主要冶炼设备和化学反应过程，但本质都是使铜精矿发生氧化反应，目前还不是主流工艺，在此就不详细介绍了，具体见表2。（见表2）
2. 现代技术
传统工艺生产效率低、烟气难以有效回收等问题促使冶炼工艺的改进，逐渐催生了现代铜冶炼工艺。现代铜冶炼工艺主要分为熔池冶炼和闪速冶炼，均起源于20世纪70年代。
现代熔池冶炼方法有效地利用富氧鼓风将炉料直接加入鼓风搅拌的熔池中，使气、液、固三相迅速完成反应。根据鼓风风口的位置不同，可分为侧吹、顶吹和底吹三种方法。顶吹熔池冶炼方法，如艾萨法、奥斯麦特法、三菱法和顶吹旋转炉法（TBRC），是从炉顶的喷枪吹入富氧空气，使熔体在翻滚过程中发生反应。侧吹熔池冶炼方法，如诺兰达法、瓦纽科夫法、特尼恩特法和西尔弗法，是从位于侧壁的风口吹入富氧空气，使炉料在熔池中熔化并氧化。 底吹熔池冶炼方法，如我国的水口山法，是将氧气从炉底直接吹入熔体中，使熔池剧烈搅动，发生反应。（见图3&表3）
现代熔池熔炼的优点是显而易见的，一方面，富氧空气的引入，可以促使炉料与空气在短时间内迅速反应，熔炼能力强。另一方面，对原料的水分、形状要求相对较低，熔炼时烟气率低，而且可以通过分区控制不同的氧势来控制熔池。但这种方法对喷嘴、喷枪、冶金炉等设备要求严格，设备较容易损坏，意味着需要经常更换和维修。
闪速熔炼的基本原理是将预热的空气和颗粒极小的干精矿按一定比例加入反应塔顶部的精矿喷嘴中，空气与精矿在喷嘴中强烈混合后以悬浮状态快速垂直喷入反应塔内，当炉料覆盖反应塔横截面时即刻燃烧。闪速熔炼将强化扩散和强化热交换两个因素结合起来，冶炼过程的生产率显著提高。闪速渣中Fe3O4含量较高，而渣中铜含量约为1%-3%，这就意味着需要对渣进行处理，主要依靠电炉贫化法或选矿法提取铜。目前常用的方法是闪速炉和INCO闪速熔炼法。（见表4）
闪速熔炼的优点也是相当明显的。第一，由于充分利用了铜精矿的表面积，使焙烧和冶炼工序在一次操作中完成，流程短，生产效率高。第二，充分利用了精矿中硫和铁的氧化热，燃料消耗少，热效率高。第三，生产的冰产品品位高，脱硫率易控制，可利用烟气中较高的SO2浓度制酸，减少污染。但这种方法也存在一些缺点。第一，对原料有要求，即必须将铜精矿充分干燥，并将熔剂粉碎；第二，炉渣含铜高，烟尘率大；第三，设备投资大，需辅助设备多，所以基本都是大厂采用。
吹泡铜的基本工艺流程
将冰铜转化成粗铜的过程叫吹粗铜，此步骤是为了除去冰铜中的铁、硫及一些有害杂质，只有将冰铜吹炼后才能得到粗铜。吹炼的基本原理是在有石英熔剂存在的条件下，将压缩空气吹过炉中熔融的冰铜。此过程所需的热量主要由吹炼过程中发生的放热反应供给，不需消耗额外的燃料或电力。一般粗铜的含铜量在98.5%-99.5%左右，炉渣成分除铁和二氧化硅外，含铜量较高，通常返回冶炼炉进一步回收利用。烟气中的SO2也需收集并用酸处理。
传统上，企业一般采用PS转炉（水平碱性炉衬转炉）作为精炼设备，相应的配套设备有熔剂设备、烟罩、传动系统、送风系统和排烟系统等。20世纪90年代，“双闪”工艺（闪速熔炼—闪速精炼）问世后，一些大型企业逐渐用该法取代了传统的转炉精炼法。
“双闪”工艺对原料要求严格，不仅在闪速熔炼前需要对铜精矿进行干燥（水分控制在0.3%以内），而且熔炼后的冰铜在进入闪速吹炼炉前需要进行造粒，再经立磨磨成冰铜粉后才能进行吹炼。与传统冰铜液态吹炼方法相比，该工艺可减少用水量约75%，硫磺回收率可高达99.9%。（见图4）
铜精炼工艺
为了提高铜的使用和加工性能，需要除去粗铜中的杂质，如镍、铅、砷等，回收金、银等有价金属。这就是粗铜的精炼过程。该过程一般分为两个阶段：一是采用火法将粗铜精炼成阳极铜，二是将阳极铜电解精炼成电解铜。
1.火法精炼
火法精炼是将粗铜转化成阳极铜的工艺过程，其基本过程是向精炼炉内的粗铜熔体中吹入空气，使熔体中对氧有较大亲和力的杂质，如锌、铁、铅、镍等氧化，这些杂质以氧化物形式浮在熔体表面形成炉渣，或蒸发到炉气中被除去。残余氧经还原除去后，即可浇铸成阳极板。概括起来，此工艺可分为加料、熔化、氧化、还原、浇注五个步骤。在还原步骤中，目前主流的还原剂有氨、液化石油气、重油等，我国以重油为主，每生产一吨铜需用还原剂4公斤左右。
精炼炉一般有固定式精炼反射炉、回转式精炼炉和倾动式精炼炉，其中回转式精炼炉精炼效果较好，产品质量较高，且节能降耗，生产成本较低，具有良好的经济效益。
精炼产物包括阳极板（Cu含量99.2%-99.7%）、炉渣、炉气和烟尘。其中，炉渣含铜量较高，约10%-30%，一般需返回转炉精炼或加入高炉进一步处理。炉气成分一般为O2、CO2、CO，不含SO2，可直接排放。
2.电解精炼
电解精炼是阳极铜—精炼铜的过程。其基本过程是将阳极板和起始电极片（纯铜或不锈钢）同时浸入电解槽内的电解液（硫酸和硫酸铜的水溶液）中。在直流电作用下，阳极上的铜以离子状态进入电解液，在阴极上发生电化学沉淀成为阴极铜（电解铜）。有价值的金属则以阳极泥的形式析出回收。此法的基本原理是利用铜与杂质不同的电位系列，将二者分离。
传统电解工艺中，阴极始片主要采用纯铜片，此工艺相对复杂，需要独立的生产系统，劳动强度大，生产过程中需定期更换始片，增加了成本。20世纪70年代后，开始使用永久性不锈钢阴极法，即阴极采用不锈钢始片，采用自动剥片机将阴极铜从不锈钢阴极上剥下。此法不仅不需要设立单独的始片生产车间，而且大大缩短了更换始片的周期，从而降低了生产和人工成本。目前，此法已被国内外冶炼厂广泛采用。永久性不锈钢阴极法又可分为ISA法、KIDD法和OT法，基本形式相同，但细节略有不同。（见表7）
铜冶炼工艺成本构成
了解了铜冶炼工艺流程之后，这里我们以火法铜冶炼工艺为基础，简单讨论一下冶炼过程的成本构成。铜冶炼成本主要分为五个部分，分别是冶炼成本、电解成本、烟气制酸成本、选渣成本、阳极泥处理成本。
冶炼成本主要包括冶炼、吹炼、火法精炼三个工序所涉及的原材料成本、辅助材料成本、燃料动力成本、生产人员工资、制造费用等。其中，原材料成本即铜精矿中铜的价格波动较大，应特别关注。铜精矿中铜的价格可分为进口铜精矿中铜价格和国产铜精矿中铜价格。前者根据铜精矿品位、基准铜价、TC/RC、扣缴率、汇率等的变化而波动；后者则根据铜精矿品位和基准铜价，通过不同的计价系数和价差确定。
电解成本包括电解精炼、电解液净化两个工序涉及的各项费用，但不涉及原材料成本。由于电解工序包括传统电解和永久不锈钢阴极电解，这里我们根据《云铜传统电解与艾萨电解全成本对比分析》一文中提到的数据，对比两种电解方式下的成本差异（见表10）。表中数据以云铜一个车间年产18万吨阴极铜所需的相关费用为依据。可以看出，两种工艺的全成本相差不大，艾萨电解全成本比传统电解高4元/吨铜，主要成本差异集中在基建投资成本上。但该分析并未考虑传统电解的阴极循环更换成本和艾萨电解减少人工、简化工序带来的机会成本。 因此与传统电解相比，艾萨电解的相关成本、技术经济指标等都会更优，需要补充的是，硫酸消耗带来的额外成本也要考虑在电解成本中。
烟气制酸成本主要指烟气中SO2浓度较高时制酸所需的处理费用和尾气脱硫费用。SO2鼓风机通常占硫酸总电耗的70%，且SO2浓度与烟气量成反比。因此，烟气浓度的提高有助于降低单位硫酸产品的电耗。同时，回收的余热可以从硫酸生产成本中扣除。
选渣成本要考虑矿渣的来源，由于其配套的辅助材料种类和数量不同，所以不同企业的冶炼工艺，要分别核算选渣成本。
阳极泥处理成本中波动最大的就是铜精矿中金、银的计价，计价方式和铜含量一样，分为进口、国产两种，这里就不再赘述了。
结合以上五种成本，以及前文提到的冶炼工艺，我们以《铜冶炼成本计算需考虑的问题》一文中的数据，比较一下不同冶炼工艺下的成本差异。
由于表中数据采集时间段不同，原料加工费、汇率不同，对各项目单位成本有一定影响，但总结起来有以下三点：①项目一的地理条件使其电价、燃料价格、人工成本较低，导致阴极铜生产成本较低。在实际生产过程中，闪速精炼相较于转炉精炼，能耗较低，建设运行费用也较低，因此同等条件下单位加工成本较低；②项目三与项目四对比，随着冶炼过程中配套设备的增加，精炼铜加工成本会有所上升；③项目二与项目三对比，在其他条件不变的情况下，企业生产规模扩大会降低其边际成本，从而降低精炼铜加工成本。
对我国冶炼厂二季度检修工作的思考
熟悉铜冶炼基本流程，对我们判断冶炼厂产量很有帮助。以冶炼厂检修为例，精炼环节和粗炼环节的检修实际影响是不一样的。根据SMM及我们的调研，表12列出了今年二季度有检修计划的冶炼厂及其对应的冶炼工序。
表格显示，除大冶有色为6天的小规模检修外，其余工厂基本都是30天(或以上)的较大规模检修。据了解，一般来说，检修时长在20天以内为精炼阶段的检修，超过20天的检修通常为粗炼和精炼阶段的联合检修。对于粗炼阶段的检修，如果冶炼厂能够正常采购粗铜或阳极铜，精铜产量不会受到太大影响。对于电解精炼阶段的检修，如果冶炼厂有闲置的电解槽，精铜产量不会受到影响。否则，短期精铜产量会受到一定影响。
但电解精炼检修对生产的具体影响仍需具体分析，一般分为大检修和小检修。一般情况下，公司的大检修为3年1次，对精铜产量会有比较大的影响。小检修通常指电解槽的检修，其对精铜产量的影响不能简单认为是公司年产量÷365天×检修天数，因为公司电解车间有若干个电解槽，检修一般是分批进行的。例如公司分3批对电解槽进行大检修，则对精铜产量的影响应按公司年产量÷365天×检修天数×1/3计算。
因此，企业检修对产量的影响应结合其生产方式、冶炼工艺、检修习惯、外界因素等综合考虑，才能做出相对准确的判断。
总结
综上所述，铜冶炼工艺大致可分为火法铜冶炼和湿法铜冶炼两大类，其中80%以上的精炼铜来自于火法铜冶炼。火法铜冶炼主要分为三个阶段：铜精矿先冶炼成冰铜，再吹炼成粗铜，最后精炼成电解铜。各企业冶炼技术的主要差异集中在冶炼冰铜阶段，传统与现代冶炼工艺差异较大。现代冶炼技术中，冶炼成本主要分为冶炼成本、电解成本、烟气制酸成本、选渣成本、阳极泥处理成本五个部分，不同的冶炼工艺有一定的成本差异。 此外，企业检修对精铜产量的影响还需结合企业生产方式、冶炼工艺、检修习惯等多方面综合判断。