6.1 火法冶金（铜）

火法炼铜将硫化铜精矿经配料熔炼、吹炼、电解精炼，产出 LME A 级阴极铜。本节涵盖精矿配料、闪速/熔池熔炼、吹炼工艺及电解精炼电流密度计算。

6.1.1 精矿配料与熔炼

学习目标

确定精矿品位目标与熔剂配比，维持冰铜与炉渣化学平衡
比较闪速熔炼（Outokumpu）与熔池熔炼（Ausmelt）在既定产能下的适用性
设计炉渣成分（Fe/SiO₂）以兼顾流动性并控制铜损失
评估炉渣含铜超过 0.5% 时电炉贫化清渣的必要性

核心概念

术语	定义
铜精矿	浮选产品，典型 20–30% Cu、28–35% S、25–32% Fe，为熔炼进料
冰铜 Matte	不混溶 Cu–Fe–S 液相；闪速熔炼目标 60–65% Cu
炉渣	硅酸盐–铁氧化物熔体；Fe/SiO₂ 比控制黏度与铜损失
闪速熔炼	细精矿与氧气喷入反应塔，硫化物氧化放热，自热运行
Ausmelt	浸没喷枪熔池熔炼，产能灵活，中等规模常用
渣贫化	电炉还原回收渣中铜，加焦炭或硫化剂
自热熔炼	硫化物氧化放热满足工艺热需求，无需外加燃料

参数与指标

参数	典型值	单位	说明
精矿 Cu 品位	20–30	%	品位越高，单位铜 SO₂ 量越少
精矿 S 品位	28–35	%	决定自热能力与冰铜品位
炉渣 Fe/SiO₂	1.1–1.3	—	过低则渣黏、铜损失上升
闪速炉温度	1250–1300	°C	反应塔出口
冰铜品位（闪速）	60–65	% Cu	与吹炼负荷、渣铜平衡
渣含 Cu	0.3–0.6	% Cu	>0.5% 需渣贫化
氧富化	50–70	%	降低烟气量、提高反应强度
比熔炼强度	40–60	t/m²·d	闪速炉床面负荷

公式

精矿酸潜力： $AP = \%S \times 0.3125$
炉渣量平衡： $Slag (t) = (Fe_{in} - Fe_{\mathrm{to}}_{matte}) / (\%Fe_{slag} / 100)$
冰铜产量： $Matte (t) = Cu_{in} / (\%Cu_{matte} / 100)$
氧气需求（近似）： $O_{2} (t) = 0.25 \times S_{oxidised}$

工具与标准

常用软件：HSC Chemistry、FactSage（渣相平衡）、Metso Outotec 流程模拟
相关标准：ISO 9599（冰铜取样）、GB/T 3884（铜精矿化学分析）

操作步骤

分析精矿：Cu、Fe、S、SiO₂、CaO、Al₂O₃、As、Sb、Bi、Hg 等有害元素。
设定冰铜品位目标：闪速典型 62% Cu；过高增加渣铜，过低增加吹炼负荷。
计算熔剂需求：加石英使最终渣 Fe/SiO₂ = 1.1–1.3。
精矿混配：高砷与清洁精矿混配，控制 As < 0.5%；抑制 Bi、Hg 富集。
干燥磨细：水分 < 0.3%，70–90% 通过 74 μm，满足闪速喷吹。
选择炉型：>300 kt/a Cu 选闪速；50–200 kt/a 或复杂料选 Ausmelt。
闪速操作：喷吹精矿与富氧空气，控制反应温度 1250–1300°C。
放冰铜与渣：冰铜进保温炉；渣 Cu > 0.5% 送电炉贫化。
监控 KPI：冰铜品位、渣铜、燃料当量、烟气 SO₂ 浓度。

火法炼铜主流程

flowchart LR CONC[铜精矿] --> SMELT[闪速或熔池熔炼] SMELT --> MATTE[冰铜60至65%Cu] SMELT --> SLAG[炉渣] SLAG -->|渣Cu大于0.5%| EF[电炉贫化] MATTE --> CONV[吹炼] CONV --> BLISTER[粗铜] BLISTER --> ANODE[铸阳极] ANODE --> ER[电解精炼] ER --> CATH[LME阴极铜]

炉型选型

flowchart TD A[产能与精矿特性] --> B{年产Cu} B -->|大于300kt| C[闪速熔炼] B -->|50至200kt或复杂料| D[Ausmelt/ISASMELT] C --> E[控制Fe/SiO2与渣贫化] D --> E

熔炼炉型对照

炉型	规模 kt/a Cu	烟气 SO₂	检索
闪速	> 300	60–80%	Outokumpu
Ausmelt	50–200	中等	Sirosmelt

知识延伸

闪速熔炼与 Ausmelt 的选择本质上是热平衡、规模与原料适应性的权衡。闪速炉依赖细粉精矿与稳定硫化物氧化热，适合大型单一铜矿；Ausmelt 喷枪可处理复杂配比与中小规模，但单位投资与操作强度需单独评估。炉渣 Fe/SiO₂ 是控制渣黏度与铜物理夹带的关键杠杆——过低时冰铜珠被高黏渣包裹，渣铜可升至 0.8% 以上；过高则渣量增大、热损失增加。

精矿配料中 As、Sb、Bi 等有害元素不会在熔炼中挥发殆尽，而向冰铜→粗铜→阳极→阳极泥富集，影响电解与贵金属回收。混矿应在进厂前完成，而非在熔炼环节临时稀释。自热能力随精矿 S、Cu 品位下降而减弱，需评估是否补燃料或降低产能。

数量级示例：100 t 精矿（Cu 25%、Fe 28%），目标冰铜 62% Cu，约产 40 t 冰铜；若 90% Fe 入渣，Fe/SiO₂ = 1.2 时需约 21 t SiO₂ 熔剂。渣 Cu 0.6%、排渣 500 t/d 时，日铜损失约 3 t，是启动电炉贫化的直接依据。

常见误区

忽视有害元素混配 → As、Sb、Bi 在阳极泥与产品中富集
Fe/SiO₂ 过低 → 渣黏、冰铜夹带，渣铜 > 0.8%
湿精矿喷吹 → 反应塔蒸汽爆炸风险；须预干燥至 < 0.3% H₂O
跳过渣贫化 → 0.6% Cu 渣长期运行造成显著金属损失
冰铜品位过高（>68% Cu）→ 吹炼耐火材磨损、Fe₃O₄ 壳层

关联章节

6.3.1 二氧化硫制酸 — 闪速烟气 SO₂ 60–80%
6.1.2 吹炼 — 冰铜进转炉
5.3.3 浮选 — 上游精矿质量
7.1.3 大气污染控制 — 冶炼排放限值

自测要点

精矿 27% Cu、30% Fe、32% S，冰铜 63% Cu、90% Fe 入渣，估算冰铜量与渣 Fe/SiO₂ 需求。
渣 Cu 0.72%、400 t/d 排渣，估算年铜损失并判断是否需电炉贫化。
比较 25% Cu 与 22% Cu 精矿在相同处理量下的自热平衡差异。

6.1.2 吹炼

学习目标

描述 PS 转炉两阶段（造渣期、造铜期）循环
说明三菱连续吹炼对制酸烟气稳定性的优势
预测粗铜成分及杂质在渣、烟气中的分配
按冰铜进料与周期时间估算转炉鼓风量

核心概念

术语	定义
PS 转炉	Peirce-Smith 卧式转炉；分批造渣后造铜
造渣期	氧化 Fe、S，Fe 以 Fe₃O₄ 入渣
造铜期	氧化残余 S，产出 98–99.5% Cu 粗铜
三菱连续吹炼	连续法；烟气 SO₂ 浓度稳定
粗铜	电解前液态铜，常经火法精炼或直接铸阳极
Fe₃O₄ 壳层	风口线磁铁矿层，阻碍空气穿透
白冰铜	近纯 Cu₂S 相，最终脱硫前中间相

参数与指标

参数	典型值	单位	说明
冰铜进料品位	60–68	% Cu	来自闪速或熔池熔炼
粗铜品位	98–99.5	% Cu	Ni、Pb、Zn、Au、Ag 等仍残留
转炉渣 Fe₃O₄	35–45	%	返回熔炼回路
鼓风强度	2–4	Nm³/min·t 冰铜	视风口状态
PS 周期	6–10	h	含造渣、出渣
烟气 SO₂（PS）	10–15	%	低于闪速烟气
烟气 SO₂（闪速吹炼）	30–40	%	利于制酸
吹炼温度	1200–1250	°C	造铜期

公式

脱硫量： $S_{removed} (t) = Matte_{mass} \times (\%S_{matte} - \%S_{blister}) / 100$
空气需求（化学计量）：S → SO₂：32 g O₂ / 32 g S
转炉容量： $Matte_{\mathrm{per}}_{cycle} (t) = Shell_{volume} \times matte_{density} \times fill_{factor} (0.6-0.7)$

工具与标准

常用设备：风口监测、烟气 SO₂ 分析仪、炉口热电偶
相关标准：ISO 4743（粗铜 Cu 测定）、GB 25467（铜冶炼大气污染物排放限值）

操作步骤

装冰铜：进 60–65% Cu 冰铜，温度 > 1150°C。
造渣吹炼：风口鼓风，加硅石熔剂；Fe₃O₄ 饱和时撇渣。
监控风口：白焰表示穿透良好；黄焰提示壳层，需捅风口。
造铜吹炼：继续鼓风，监测 SO₂ 下降，取样确认白冰铜。
终点控制：粗铜 > 98.5% Cu 停风；避免过吹形成 Cu₂O。
出铜：粗铜进阳极炉或直接铸阳极。
返渣：转炉渣返闪速炉，回收夹带铜珠。
连续吹炼备选：三菱闪速吹炼，冰铜雾化与 O₂ 在竖炉反应。

PS 转炉两阶段循环

flowchart TD A[装冰铜] --> B[造渣期鼓风加硅石] B --> C[撇Fe3O4渣] C --> D[造铜期继续鼓风] D --> E{粗铜大于98.5%Cu?} E -->|是| F[出粗铜] E -->|否| D F --> G[返渣至熔炼]

知识延伸

PS 转炉与连续吹炼的核心差异在于烟气组成的时间稳定性。PS 分批操作导致 SO₂ 浓度周期性波动，制酸装置需更大缓冲与吸收能力；三菱等连续工艺使烟气 SO₂ 维持在 30–40%，与闪速熔炼烟气混合后更利于双接触双吸收（DCDA）制酸。选型时需同步评估制酸投资、环保许可与金属回收率。

造渣期硅石加入量决定 Fe₃O₄ 渣线位置，直接影响风口寿命与周期时间。Fe₃O₄ 壳层是 PS 转炉最常见操作故障——计划性风口捅通（15–30 min 间隔）比延长周期更经济。过吹形成 Cu₂O 泡沫渣，铜回收率可降 1–2%；欠吹则高硫粗铜在阳极炉二次脱硫，阳极脆裂与 SO₂ 逸散风险上升。

数量级示例：50 t、63% Cu、22% S 冰铜，终点 S 0.02%、Cu 回收 98.5%，粗铜约 31 t 量级，可用于校核鼓风时间与烟气制酸负荷。

常见误区

风口堵塞未处理 → 壳层停风，周期延长
过吹 → Cu₂O 泡沫渣，铜损失 1–2%
欠吹 → 高硫粗铜，阳极质量与环保风险
PS 烟气波动未纳入制酸设计 → 吸收系统超负荷
高 Fe₃O₄ 渣线 → 耐火材侵蚀，炉役缩短

关联章节

6.1.1 精矿熔炼 — 冰铜质量
6.3.1 二氧化硫制酸 — 转炉烟气处理
6.1.3 电解精炼 — 粗铜铸阳极

自测要点

50 t、63% Cu、22% S 冰铜吹炼至 S 0.02%，估算粗铜量（Cu 回收 98.5%）。
三菱连续吹炼为何比 PS 转炉更利于制酸？
周期由 7 h 延至 10 h，列出三项风口与熔剂诊断检查。

6.1.3 电解精炼

学习目标

设计电解槽参数：电流密度、电解液组成、温度
计算阴极产量与单位电耗
说明阳极泥中 Au、Ag、Se、Te 的回收路径
明确 LME A 级阴极铜质量要求

核心概念

术语	定义
电解精炼	阳极铜溶解、阴极电沉积，产出 ≥ 99.99% Cu
阳极板	粗铜浇铸板（约 340 kg），Cu > 99.3%
电解液	CuSO₄–H₂SO₄ 水溶液，传导离子
阳极泥	不溶残渣（Au、Ag、Se、Te、Pb）沉于槽底
LME A 级阴极铜	沉积铜片（60–65 kg），≥ 99.99% Cu
电流密度	单位阴极面积电流，决定产能
短路	阴阳极接触导致局部电流旁路与质量缺陷

参数与指标

参数	典型值	单位	说明
电解液 Cu	40–50	g/L	与阳极溶解平衡
电解液 H₂SO₄	160–220	g/L	导电并抑制 Cu₂O 析出
电解液温度	60–65	°C	过高则阳极泥悬浮增加
电流密度	260–340	A/m²	常用 300 A/m²
槽电压	0.28–0.35	V/槽	28–32 槽串联约 2.0 V
阳极周期	18–21	天	阳极消耗约 85% 更换
阴极周期	7–10	天	整板剥离
阴极 Cu 纯度	≥ 99.99	% Cu	LME A 级

公式

电流密度： $J = I / A$
阴极产量（Faraday）： $m (g) = I \times t \times M / (n \times F)$ — M = 63.55，n = 2，F = 96485 C/mol
单槽日产量： $Cu (t) = J \times A \times 24 \times M / (n \times F \times 10⁶)$
比电耗： $kWh/t Cu = (V_{total} \times I \times 24) / (Cu_{\mathrm{daily}}_{t} \times 1000)$

工具与标准

常用设备：ISA PROCESS 永久阴极、槽电压监测、XRF 阴极化验
相关标准：BS EN 1978（A 级阴极铜）、LME 合格交割规则、GB/T 467（阴极铜）

操作步骤

铸阳极：火法精炼至 99.3% Cu，轧平，极距 38 mm 装槽。
配制电解液：CuSO₄ 45 g/L、H₂SO₄ 180 g/L；加胶与硫脲作整平剂。
设定电流密度：起步 280 A/m²，稳定后 300–320 A/m²。
控温：热交换维持 62°C；避免 > 65°C。
监控添加剂：Cl⁻ < 50 mg/L；跟踪 Ni、As 积累。
出阴极：每 7 天剥离，检查结节与边缘效应。
收集阳极泥：每 3–4 周清理，送贵金属冶炼。
电解液 bleed：排出 Cu、Ni、As 积累；结晶或电积回收铜。

电解精炼物料流

flowchart LR ANODE[阳极溶解] --> EL[电解液CuSO4-H2SO4] EL --> CATHODE[阴极电沉积] ANODE --> MUD[阳极泥Au Ag Se Te] MUD --> PM[贵金属回收] EL -->|bleed| PURGE[净化除Ni As]

知识延伸

电解精炼产能几乎与阴极面积 × 电流密度线性相关，但质量约束上限约 340 A/m²——超过则粉末阴极、边缘结节增多，LME 检验不合格。H₂SO₄ 浓度偏低时 Cu₂O 在阴极表面析出（“ 水泥铜 ”），短路率上升；极距 < 32 mm 时阴阳极接触风险与火灾隐患显著增加。

Ni、As 等杂质在电解液中积累后向阴极共沉积，需定期 bleed 与净化。阳极泥中的 Au、Ag 往往是冶炼厂重要收益来源，洗涤与收集环节的金属损失应单独核算。与湿法电积（EW）相比，电解精炼阳极消耗、泥处理与添加剂管理更复杂，但可直接处理火法粗铜，适合冶炼一体化布局。

数量级示例：阴极面积 1 m²、电流 300 A，则 J = 300 A/m²；日产阴极铜约 9 kg/m²，40 m² 槽约 360 kg/d，可用于校核槽数与变压器容量。

常见误区

电流密度过高（>350 A/m²）→ 粉末阴极，LME 不合格
H₂SO₄ 过低 → Cu₂O 析出，短路增加
极距过窄（< 32 mm）→ 接触短路与火灾风险
忽视 Ni/As 积累 → 阴极杂质超标
阳极泥收集损失 → Au、Ag 收益流失

关联章节

6.1.2 吹炼 — 粗铜进料
6.2.3 电积（EW） — 阴极质量对比
9.1.2 C1/C2/C3 成本体系 — 精炼成本计入 AISC

自测要点

200 槽、每槽 40 m²、310 A/m²，估算年阴极铜产量。
槽电压由 0.30 V 升至 0.38 V/槽，对比电耗影响。
阳极泥含 80 g/t Au、1.2 kg/t Ag，说明贵金属回收的管理要点。