有色冶金技术与装备的创新成果
中国有色工程设计研究总院
近年来，伴随着我国国民经济的快速增长，中国有色金属工业发展迅速。2005年，我国十种有色金属产量达到1630多万t，连续四年位居世界第一，成为了名符其实的有色金属生产大国。在生产规模、产量持续增长的同时，我国有色金属冶炼技术和装备水平也有了长足的进步，整体水平已经达到、某些领域甚至超过当代国际先进水平。在这一过程中，中国有色工程设计研究总院凭借自己的技术实力、创新思维和工程化经验，做出了自己的贡献。
一、冶炼技术的新进展
铜
长期以来，在重有色金属中，铜冶炼技术的发展最为活跃，尤其是火法冶炼。自从芬兰奥托昆普闪速熔炼问世以来，推广应用十分迅速，其原因在于它的熔炼强度高，炉寿命长，能耗低，可获得稳定的高浓度SO2烟气，硫回收率高，环境污染很小。我国已先后有江西贵溪冶炼厂、安徽金隆冶炼厂采用。该工艺过程是铜精矿经深度干燥（含水（0.3%）后喷入闪速炉，产出高品位铜锍用PS转炉吹炼为粗铜，炉渣则经单独的贫化电炉处理，以回收其中的铜。2002年，我院与金川集团有限公司合作，借鉴镍冶炼的设计和生产经验，研究将闪速炉与贫化电炉合二为一的合成炉用于炼铜，规模为20万t/a阳极铜。这一重大创新与上述传统闪速炉炼铜比较，具有如下显著的优点：
1）将精矿熔炼、铜硫和炉渣沉降分离以及渣贫化三个功能结合成一体，减少热损失，能耗降低。
2）熔炼炉与渣贫化电炉合为一体，炉子造价降低；一台炉子较两台分开的炉子占地面积小，且无需阶梯布置，因而厂房投资下降。初步估算，合成炉投资下降约10%。
3）由于在贫化区内插入电极，以电能补热，炉况控制灵活，可保证熔体充分过热，减少磁性铁沉积结瘤，提高铜硫与渣的分离和渣贫化的效果，降低渣含铜。
4）借助于电极对熔池温度的调节优势，扩大了炉料处理量的允许调节范围，增加了生产组织的灵活性。同时，简化了操作，减轻了操作人员的劳动强度。
该项技术创新项目已于2005年8月一次投产成功。
进入上世纪七十年代，熔池熔炼技术相继出现。熔池熔炼的一个重要特点是对原料的适应能力强，与传统工艺（电炉、反射炉、鼓风炉）前后环节易于对接，对老厂改造具有十分明显的优势。继“九五”期间我院与大冶有色金属公司合作引进诺兰达熔炼技术与国内技术创新相结合对大冶冶炼厂反射炉进行技术改造获得成功后，我院在顶吹熔池熔炼技术的引进、消化、集成创新等方面又取得突出成就。
从二十世纪九十年代末期开始，由我院承担整体设计，采用澳大利亚顶吹喷枪浸没熔炼技术，相继改造了国内三个铜冶炼厂，其简况示于表1。
表1 国内采用顶吹浸没喷枪熔炼技术的铜厂简况
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业主名称 |
国外合作商 |
处理能力（万t/a） |
炉子直径
（m） |
投产年份 |
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设计 |
生产实际 |
|
中条山有色公司
熔炼
吹炼 |
Ausmelt |
20
6（铜锍） |
20~25
6~7 |
4.4
4.4 |
1999
1999 |
|
云南铜业有限公司 |
MIMPT |
60 |
76 |
4.4 |
2002 |
|
铜陵金昌冶炼厂 |
Ausmelt |
33 |
40 |
4.4 |
2003 |
中条山有色金属公司侯马冶炼厂系我国首家采用Ausmelt熔炼技术，用于铜精矿熔炼和铜锍吹炼，其吹炼炉也是世界上第一座工业化生产炉，取代传统的PS转炉。1999年投产以来，熔炼炉生产顺利，吹炼炉曾出现了种种问题，但经过该厂员工不懈努力，到2004年全流程达产。2005年，为了提高粗铜产能、提高烟气SO2浓度和降低能耗，该厂进行了吹炼炉富氧吹炼工业试验，在维持各项操作条件基本不变的情况下，富氧吹炼与原设计的空气吹炼相比，烟气SO2浓度 提高，单炉粗铜产能由38t增至50~60t，显示了该工艺具有进一步开发和提高的潜在优势。
云南铜业公司电炉熔炼流程沿用了44年，其工艺陈旧，装备水平低，能耗高，污染严重。上世纪末期，随着生产能力的迅速增长和环境保护的需要，采用新技术改造迫在眉睫。经过对国内外各种先进的铜熔炼工艺的考察和比较，最终选择了澳大利亚MIM公司（现属Xstrata）顶吹喷枪浸没熔炼技术（艾萨法），并进行了集成创新。
该项目2002年5月投产，艾萨炉第一炉期就连续生产了28个月，创造了世界上艾萨熔炼工艺首期炉寿之最，生产能力、粗铜工艺能耗、喷枪寿命、作业率等都大大超过设计水平，主要技术经济指标处于国际同类技术的领先水平，受到国内外的广泛关注。该项目的技术创新成果获得2004年度中国有色金属工业科学技术一等奖。
铜陵金昌冶炼厂采用了Ausmelt熔炼技术改造原有鼓风炉熔炼，与侯马冶炼厂相比，在炉顶烟道结构、炉子冷却方式、铜锍和炉渣分离沉清设施等方面进行了10多项改进。投产初期，耐火材料衬里与燃油系统曾出现过一些问题，但很快得以解决。目前生产正常稳定，精矿处理能力已经远远超过了原设计能力。
铅
铅火法冶炼的传统工艺是烧结焙烧—鼓风炉还原熔炼。由于能耗高、环境污染严重、劳动条件差，该工艺在铅冶炼中的主导位置正在削弱，逐渐被新的强化熔炼工艺所取代。“十五”期间，最引人注目的是由我院和水口山有色金属公司联合开发的氧气底吹熔炼—鼓风炉还原炼铅法的工业化和推广应用。
氧气底吹熔炼—鼓风炉还原炼铅工艺革除了传统的烧结过程，系直接熔炼法的一种，具有如下特点：环保好，比较彻底地消除了SO2烟气和铅尘的逸散；能耗低，有效地利用了精矿熔炼的反应热及高温烟气的余热，从铅精矿至粗铅，单位产品综合能耗＜350kg标煤/t；投资省，由于工艺流程短，产能高，相同生产规模较传统流程投资低10～20%，较国外同类技术节省50%以上；回收率高，生产成本低，回收率：Pb＞97%，S＞95%，Au＞99%，Ag＞99%，据生产实际测算，较传统流程每t粗铅生产成本降低约10%；对原料适应性强，既可处理硫化铅精矿，又可同时处理各种二次铅原料。生产证实，原料含铅品位波动在45%～65%均能正常作业，对老厂改造更具优势，可充分利用原有设施，如备料、鼓风炉等，进一步节省投资。
氧气底吹熔炼—鼓风炉还原炼铅法，是熔池熔炼新技术与传统工艺的完美结合，获得2004年度国家科技进步二等奖。到目前为止，已有3个厂、4套生产装置投产，2套生产装置在建，还有5个项目正在我院进行高阶段设计，推广应用的前景喜人。已经投产和在建的工厂概况见表2。
表2. 已投产和在建的工厂概况
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企业名称 |
设计规模
（万t/a粗铅） |
实际生产
（万t/a粗铅） |
投产时期
（年·月） |
备注 |
|
河南豫光金铅公司 |
5.0 |
8.0 |
2002.8 |
已投产 |
|
安徽池州冶炼厂 |
3.0 |
5.0 |
2002.8 |
已投产 |
|
河南豫光金铅公司 |
5.0 |
|
2005.3 |
第二条生产线 |
|
湖南水口山有色金属公司 |
10.0 |
14.0 |
2005.8 |
已投产 |
|
云南祥云飞龙集团 |
6.0 |
— |
2006.8（预计） |
建设中 |
|
河南灵宝新凌公司 |
5.0 |
— |
2006.8（预计） |
建设中 |
此外，云南冶金集团引进澳大利亚MIM技术，由我院整体设计，建设了年处理精矿量为16.5万t的顶吹喷枪浸没熔炼铅厂，顶吹炉内径Φ2.92m，2005年 7月投产，生产初期出现了一些问题，现已逐步走向正常。
锡
锡是我国的优势产业，在国际上具有举足轻重的地位。锡冶炼技术，如锡精矿反射炉连续熔炼、螺旋结晶机、烟化炉炼渣等都曾处于世界先进行列。
云南锡业公司是我国最大的锡采、选、冶企业，属下的个旧冶炼厂原采用间隙式反射炉还原熔炼，生产效率低、作业成本高、污染严重，企业缺乏竞争力，急待技术改造。经过对现今新的锡冶炼工艺Ausmelt法和Kaldo法的比较，选择了先进、可靠、适用、经济的Ausmelt工艺，并注重引进技术与云南锡业公司自有技术的结合，在消化吸收基础上对引进技术进行优化和创新，形成Ausmelt炉还原焙炼，烟化炉炼渣和以结晶机、真空炉为主的火法精炼相结合的具有云锡特色的锡冶炼新工艺。整个设计有如下几个特点：
1）用一台Ausmelt炉（内径Φ4.4m，设计处理锡精矿5万t/a）取代原有10台反射炉，3台电炉和2台鼓风炉，烟气经两级高效湍冲洗涤器，用石灰石乳洗涤吸收，从根本上解决了熔炼过程的环境污染。
2）充分利用云锡已有烟化炉成熟工艺，将Ausmelt技术的三段熔炼改为二段熔炼，即取消其强还原阶段，将热渣强还原改送原有的烟化炉进行，使Ausmelt炉的生产能力提高10%以上，终渣含Sn从1%～1.5%下降到0.2%，同时延长了炉寿命，降低了耐火材料消耗和作业成本。
3）由我院自行设计与Ausmelt炉配套的余热锅炉，产出过热蒸汽推动6000kW汽轮发电机组发电。
4）基本实现计算机自动控制，大幅度提高劳动生产率，也为企业信息化管理奠定了良好的基础。
该工程2002年4月试生产，一个月后通过指标考核，主要技术指标达到或超过设计值，2004年获全国优秀工程设计银奖。投产以来生产顺利稳定，主要技术经济指标达到世界领先水平。每年新增利税2579万元，节约燃煤1.1万t。利用余热发电量2845万Kwh。Ausmelt炉熔炼系统用电自给有余，烟尘、SO2、铅三类污染物排放浓度均低于国家排放标准，圆满达到了技术改造的预期目标。
镍
镍冶炼技术的工程化一直是我院的优势之一。金川合成闪速炉炼镍1992年投产，在金川公司和我院广大技术人员的努力下，第一炉期生产了5年7个月，处理精矿200余万吨，产高镍锍近28万吨，主要技术经济指标在国际同类工艺中处于先进水平。近年来，经过金川公司冶炼厂员工的不断改进，装备水平和作业率进一步提高，指标又有新的改善，尤其是生产能力几乎翻一番。
几十年来，我国镍的精炼工艺一直是沿用传统流程，即高镍锍磨浮分离产出二次镍精矿、二次铜精矿和一次合金，一次合金二次硫化生产二次高镍锍再进行磨浮分离，所产二次合金送贵金属车间回收，两次磨浮分离所产二次镍精矿熔铸为硫化镍阳极板经过电解生产电镍，铜精矿经过熔炼、精炼、电解生产电铜。传统工艺流程复杂，工序太多，造成消耗高，金属回收率低，尤其是合金二次硫化，环境污染严重。近年来，我院与金川公司合作，进行了三项重大技术改进与创新。
其一，将铜镍高锍（含Cu4～5%）或高锍磨浮产出的镍精矿直接在硫酸介质内进行浸出，一段常压、一段加压，加压浸出用纯氧将高锍（或镍精矿）中的镍浸出转变为NiSO4溶液，再将其返入常压浸出，浸出液中含微量的Cu和Fe，然后送去生产电积镍（采用Pb-Ag合金不溶阳极，镍阴极片进行镍电积）。如此简化了流程，降低消耗，节约能源，提高了金属回收率。
其二，采用以我院为主，从试验研究到工业化自主开发的一次磁性合金直接硫酸浸出技术，设计两段常压逆流浸出。为了防止合金粗颗粒的沉积，设计了特殊结构的浸出槽。与传统流程比较，该技术具有三个突出的优点：
1）贵金属（Au+Pt+Pd）的回收率可提高15%左右；
2）减少操作工序，避免环境污染，改善劳动条件；
3）提高了贵金属精矿品位，降低贵金属回收成本。
其三，羰化冶金的应用和攻关。羰化冶金是在有压力的条件下，使CO与镍反应生成Ni（CO）4化合物，以与其他金属分离，而Ni（CO）4在加温时又会很快分解成Ni粉和CO，CO又可返回使用。这种技术最大的特点是工艺流程短，能源消耗低，产品可以多样化。国外二十世纪七十年代即已产业化，我国也建成了小型生产装置。但由于技术装备落后，劳动条件差等原因，未得到发展。2002年底，我院联合设备制造厂为金川公司设计的500t/a规模羰基镍中间试验厂投入生产，原料为镍高锍磨浮产出的铜镍合金，产品有镍粉、镍丸和铁粉。
采用羰化冶金法处理铜镍合金，不产生废渣和废气，金属回收率高，贵金属富集比大，产出的镍粉和镍丸纯度高，有利于下一步的回收。该中间试验厂的设计优于现有同类装置之处在于：①羰化反应是在22MPa压力下连续进行，反应速度快；②CO再生循环利用，不外排；③所有有害气体和固体均经过高温处理后外排，不造成环境污染。
镍产品的深加工和延伸也是我院十分关注的技术方向，如大量用于电池生产的高纯硫酸镍。通常的生产工艺是利用金属镍为原料，在硫酸溶液内溶解后进行蒸发结晶制得，由于原料费用高，故相应制造成本高。2000年，我院为吉林镍业公司设计了1万t/a精制硫酸镍工程，2001年12月试生产，第一批产品即达到质量要求，全流程畅通。该工程以镍生产过程的高镍锍为原料，采用一段常压、二段加压浸出，使镍、铜、钴得到彻底分离，并采取了一系列创新措施，控制Fe、Ca、Mg等杂质在极微量的范围内（Ca、Mg<0.001%，Fe<0.001%）。投产后仅4个月，精制硫酸镍的产能、质量和各项技术经济指标均达到或优于设计值。生产成本大幅度降低，生产工艺和装备都是国内首创，整体技术达到国际先进水平。
半导体材料—多晶硅
多晶硅是制造集成电路和太阳能电池的原材料，为信息产业和新能源产业的基石，也是我国鼓励发展的高新技术产品和产业。
世界先进的多晶硅技术由美、日、德三国掌握，他们严格控制技术转让并垄断全球硅材料市场。我国多晶硅市场年需求3000吨以上，几乎全部依赖进口。我院从1983年开始研究开发先进的多晶硅生产技术，十五期间在2000t/a三氯氢硅生产线、300t/a多晶硅高技术产业化示范线和200t/a太阳能电池级多晶硅技改项目、1000t/a多晶硅高技术扩建项目上推广应用，已形成了完整的、具备自主知识产权的技术体系。独特的技术优势体现在如下方面：
1）四氯化硅氢化技术。将副产物SiCl4加氢转化成三氯氢硅，返回系统使用；
2）还原尾气干法回收工艺。将还原尾气中的H2、HCl、SiCl4、SiHCl3一一分离，回收的SiHCl3送还原生长多晶硅，SiCl4送氢化系统，HCl气体送三氯氢硅合成工序；氢气返回还原炉生产多晶硅。将传统的湿法淋洗工艺改为干法全回收工艺，从根本上解决三废产生，降低物料消耗，解决了环境污染问题。
3）三氯氢硅粗馏和精馏连续加压提纯工艺，将提纯精馏过程中低温冷却水改用普通循环水，减少设备投资和电耗，降低运行成本。
4）三氯氢硅合成新工艺。包括氯化氢加压合成，三氯氢硅合成产物加压分离，合成尾气全回收工艺，回收的氢气和氯化氢混合气体返回生产系统，从根本上解决合成工序环境污染问题。
5）还原过程热能回收利用技术，回收还原过程中产生的热能，使85%以上的副产热能返回系统使用，降低系统能耗。
6）冷冻系统采用梯级热交换方式，使冷量得到充分利用，降低能耗。
7）国家“863” 科技攻关项目支持的“24对棒大型节电还原炉成套装置研究”，单台设备产能超过2005年全国的总产量，还原系统采用特殊启动条件，多晶硅生长全过程采用计算机控制，大大降低还原电耗和生产成本。
自主知识产权的多晶硅高技术系统的最大特点是：物料系统闭路循环、能量循环利用、原辅材料及电耗低。自主的技术路线使项目投资省，产品质量高，建设与改造拥有主动权。多晶硅生产成本可与国外公司抗衡，具有较大发展优势。
二、装备水平的提高
随着有色金属火法冶炼技术的发展，富氧的应用，冶炼强度不断提高。为了适应这种需要，冶金炉及相关装备的设计也在不断改进和创新。
大型流态化焙烧炉。为了给湿法炼锌准备原料，锌精矿需经流态化焙烧。过去国内只能设计小型焙烧炉。我院在消化吸收引进技术基础上，根据国内实际，加以改进和创新，将流态化焙烧炉大型化。先后完成了多台炉床面积109m2的焙烧炉的设计，并根据生产规模完成了75 m2、60 m2、52 m2流化态焙烧炉的系列设计。开发设计了与之配套的抛料机、高效冷却圆筒、流化态冷却器等设备。目前，精矿流化态焙烧的所有设备均能自己设计和制造。
铜合成熔炼炉。上个世纪八十年代末期，在澳大利亚西方矿业公司的帮助下，我院设计了镍合成闪速炉，在金川已生产十年。铜合成熔炼炉是在此基础上吸取了近年来国内外有关有色冶炼炉的最新技术成果，与金川公司冶炼厂技术人员合作设计并建成的世界上第一台用于炼铜的合成炉。
提出此方案之初，受到了国内外多方面的质疑，我们仔细研究、分析铜熔炼与镍熔炼的共性和差别，认真对待，精心设计。采用了目前最先进的水冷技术，整体弹性骨架，合理的砖体结构，高质量的耐火材料，成熟的液压传动电极和安全可靠、高效的导电装置。所有这些，造就了铜合成熔炼炉的先进性、可靠性，2005年8月的投产和几个月生产实践已经充分证明了这一点。
顶吹熔炼炉。近几年来，我院通过与国外公司的合作，通过消化引进技术，已经掌握了氧气顶吹自热炉炼铜、浸没式喷枪富氧顶吹炼铜/炼铅、浸没式喷枪空气顶吹炼锡等顶吹熔炼技术，正在研究开发设计浸没式喷枪富氧顶吹镍熔炼项目。对这些大型的顶吹炉的炉体钢结构、水冷技术、砖体设计、喷枪的夹持与提升等设备，不仅吸收了国外技术，而且有自己的研究与开发，在取得有关许可的前提下，我院已能够独立设计大型、复杂的顶吹冶金炉，而且能够保证技术先进、安全可靠。
氧气底吹熔炼炉。氧气底吹熔炼──鼓风炉还原炼铅技术的核心设备为氧气底吹熔炼炉。随着该技术的推广应用，近年来，ENFI研究开发设计了φ3.8×11m，φ4.1×14m，φ4.4×16.5m，φ4.8×18m系列氧气底吹熔炼炉，可以满足不同规模的铅冶炼、铜冶炼的要求。底吹炉结构紧凑、密闭性好、操作方便，可有效的降低建设投资，提高硫的回收率，环保条件好。我院已掌握了大型底吹炉结构设计、砖体设计、合理地运用水冷技术，这些技术的运用可以保证底吹炉安全可靠地运行，达到较长的炉寿命。我院还开发设计了不同规格的系列氧枪，可以满足不同工艺和不同规模的使用要求。
新型衬钛加压釜。随着加压浸出技术在有色冶金中的应用，加压釜的设计至关重要。从上世纪七十年代起，国外冶金工业用的加压釜都是碳钢外壳，内搪铅和衬耐酸砖以抗腐蚀，我院为金川公司和新疆阜康冶炼厂设计的加压釜与此大同小异，其缺点是釜的有效容积利用率低，施工难度大，尤其是搪铅的操作条件恶劣，故纷纷寻求设计制造釜的新材料和新结构。适合工业应用的耐蚀金属材料首推钛材，但钛材接触氧气时易着火燃烧，若设计考虑不周，将引起重大安全事故，国外曾有过类似报道。我院技术人员深入研究了钛材着火的机理，和生产企业、制造厂商共同研究，精心设计了具有自主知识产权、抗硫酸腐蚀、可用氧浸出的卧式衬钛加压浸出釜系列，容积从20m3－200m3，可在温度160-180℃、压力2MPa条件下连续运转，多室通氧搅拌，不间断进料和排料，过程自动控制。与常压浸出釜相比，生产效率和金属回收率大大提高，尤其适应于难溶浸的有色金属矿物，可广泛应用于铜、锌、镍、钴、金等金属的湿法提取，为我国首创。
余热锅炉。余热锅炉是有色冶金的关键设备，发挥着降温收尘、节能降耗等重要作用。冶金工艺对余热锅炉系统的可靠性要求很高，因此长期以来依赖进口。通过消化引进技术和自行研发相结合，我院在有色冶金余热锅炉技术方面处于国内领先水平，由我院设计的余热锅炉完全可以替代国外引进产品。
有色冶金烟气一般黏结性大、含尘量高、腐蚀性强，影响着余热锅炉长期可靠地运行。1997年我院自行研制开发了余热锅炉弹性振打清灰装置，在中条山冶炼厂的2台Ausmelt余热锅炉试用，取得良好的效果。随后不断改进完善，目前已是第三代专利产品，在“十五”期间我院设计的余热锅炉中，大规模地推广应用，获得成功，推动了我院余热锅炉技术的产业化发展。
三、自动控制水平上台阶
随着现代化工业的飞速发展，生产规模日趋大型化，工艺过程愈趋复杂，对生产过程自动化提出了更高的要求，有色金属由于品种繁多，原料不一，工艺流程各异，因此对各种技术参数的检测、控制及计算、工序之间的联锁及顺控、设备的监控和保护等要求尤为复杂并需具有较高的精确度。
近年来，我院在冶炼技术不断取得新进展的同时，十分关注自动控制水平的提高，不仅很好地消化和吸收国外相关的自动控制技术，还根据我们自己的经验和实践，对其进行改进和优化，主要体现在：
1）掌握国内外检测仪表和控制手段的最新动态，选择应用各种先进仪表和检测元件，如环形给料机、质量流量计、雷达物位计、智能型变送器等，保证了对各种复杂冶炼过程中多种工艺参数检测及控制的准确性和可靠性。
2）凡有条件的工业化项目均采用DCS控制系统，实现计算机自动控制。例如，吉林镍业公司“1万t/a精制硫酸镍工程”，设计将工艺过程上的全部检测和控制信号进入DCS系统，操作员在控制室即可看到全部工艺参数的测量值，实施控制参数的设置和修改。同时在控制室可看到各工艺设备的运行状态，并能对其进行操作，使工艺过程实现了全部自动化，特别是解决了以往难于解决的一些问题，如加压釜液面自动控制，加压釜釜压自动控制等。
值此全国有色金属工业科学技术大会召开之际，中国有色工程设计研究总院及中国恩菲工程技术有限公司全体员工向大会致以热烈祝贺。本文仅仅简要回顾了近年来我院在有色金属工业科技创新及成果工程化方面所做的工作，虽然取得了一定的成绩，但距时代的要求相差甚远。我们将在这次行业科技大会的鼓舞下，一如既往，努力奋斗，为进一步推动我国有色金属工业科技与经济的协调发展作出新的贡献。 |
