有色冶金技術與裝備的創新成果
中國有色工程設計研究總院
近年來，伴隨著我國國民經濟的快速增長，中國有色金屬工業發展迅速。2005年，我國十種有色金屬產量達到1630多萬t，連續四年位居世界第一，成為了名符其實的有色金屬生產大國。在生產規模、產量持續增長的同時，我國有色金屬冶煉技術和裝備水平也有了長足的進步，整體水平已經達到、某些領域甚至超過當代國際先進水平。在這一過程中，中國有色工程設計研究總院憑借自己的技術實力、創新思維和工程化經驗，做出了自己的貢獻。
一、冶煉技術的新進展
銅
長期以來，在重有色金屬中，銅冶煉技術的發展最為活躍，尤其是火法冶煉。自從芬蘭奧托昆普閃速熔煉問世以來，推廣應用十分迅速，其原因在于它的熔煉強度高，爐壽命長，能耗低，可獲得穩定的高濃度SO2煙氣，硫回收率高，環境污染很小。我國已先后有江西貴溪冶煉廠、安徽金隆冶煉廠采用。該工藝過程是銅精礦經深度干燥（含水（0.3%）后噴入閃速爐，產出高品位銅锍用PS轉爐吹煉為粗銅，爐渣則經單獨的貧化電爐處理，以回收其中的銅。2002年，我院與金川集團有限公司合作，借鑒鎳冶煉的設計和生產經驗，研究將閃速爐與貧化電爐合二為一的合成爐用于煉銅，規模為20萬t/a陽極銅。這一重大創新與上述傳統閃速爐煉銅比較，具有如下顯著的優點：
1）將精礦熔煉、銅硫和爐渣沉降分離以及渣貧化三個功能結合成一體，減少熱損失，能耗降低。
2）熔煉爐與渣貧化電爐合為一體，爐子造價降低；一臺爐子較兩臺分開的爐子占地面積小，且無需階梯布置，因而廠房投資下降。初步估算，合成爐投資下降約10%。
3）由于在貧化區內插入電極，以電能補熱，爐況控制靈活，可保證熔體充分過熱，減少磁性鐵沉積結瘤，提高銅硫與渣的分離和渣貧化的效果，降低渣含銅。
4）借助于電極對熔池溫度的調節優勢，擴大了爐料處理量的允許調節范圍，增加了生產組織的靈活性。同時，簡化了操作，減輕了操作人員的勞動強度。
該項技術創新項目已于2005年8月一次投產成功。
進入上世紀七十年代，熔池熔煉技術相繼出現。熔池熔煉的一個重要特點是對原料的適應能力強，與傳統工藝（電爐、反射爐、鼓風爐）前后環節易于對接，對老廠改造具有十分明顯的優勢。繼“九五”期間我院與大冶有色金屬公司合作引進諾蘭達熔煉技術與國內技術創新相結合對大冶冶煉廠反射爐進行技術改造獲得成功后，我院在頂吹熔池熔煉技術的引進、消化、集成創新等方面又取得突出成就。
從二十世紀九十年代末期開始，由我院承擔整體設計，采用澳大利亞頂吹噴槍浸沒熔煉技術，相繼改造了國內三個銅冶煉廠，其簡況示于表1。
表1 國內采用頂吹浸沒噴槍熔煉技術的銅廠簡況
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業主名稱
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國外合作商
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處理能力（萬t/a）
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爐子直徑
（m）
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投產年份
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設計
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生產實際
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中條山有色公司
熔煉
吹煉
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Ausmelt
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20
6（銅锍）
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20~25
6~7
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4.4
4.4
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1999
1999
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云南銅業有限公司
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MIMPT
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60
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76
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4.4
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2002
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銅陵金昌冶煉廠
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Ausmelt
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33
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40
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4.4
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2003
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中條山有色金屬公司侯馬冶煉廠系我國首家采用Ausmelt熔煉技術，用于銅精礦熔煉和銅锍吹煉，其吹煉爐也是世界上第一座工業化生產爐，取代傳統的PS轉爐。1999年投產以來，熔煉爐生產順利，吹煉爐曾出現了種種問題，但經過該廠員工不懈努力，到2004年全流程達產。2005年，為了提高粗銅產能、提高煙氣SO2濃度和降低能耗，該廠進行了吹煉爐富氧吹煉工業試驗，在維持各項操作條件基本不變的情況下，富氧吹煉與原設計的空氣吹煉相比，煙氣SO2濃度 提高，單爐粗銅產能由38t增至50~60t，顯示了該工藝具有進一步開發和提高的潛在優勢。
云南銅業公司電爐熔煉流程沿用了44年，其工藝陳舊，裝備水平低，能耗高，污染嚴重。上世紀末期，隨著生產能力的迅速增長和環境保護的需要，采用新技術改造迫在眉睫。經過對國內外各種先進的銅熔煉工藝的考察和比較，最終選擇了澳大利亞MIM公司（現屬Xstrata）頂吹噴槍浸沒熔煉技術（艾薩法），并進行了集成創新。
該項目2002年5月投產，艾薩爐第一爐期就連續生產了28個月，創造了世界上艾薩熔煉工藝首期爐壽之最，生產能力、粗銅工藝能耗、噴槍壽命、作業率等都大大超過設計水平，主要技術經濟指標處于國際同類技術的水平，受到國內外的廣泛關注。該項目的技術創新成果獲得2004年度中國有色金屬工業科學技術一等獎。
銅陵金昌冶煉廠采用了Ausmelt熔煉技術改造原有鼓風爐熔煉，與侯馬冶煉廠相比，在爐頂煙道結構、爐子冷卻方式、銅锍和爐渣分離沉清設施等方面進行了10多項改進。投產初期，耐火材料襯里與燃油系統曾出現過一些問題，但很快得以解決。目前生產正常穩定，精礦處理能力已經遠遠超過了原設計能力。
鉛
鉛火法冶煉的傳統工藝是燒結焙燒—鼓風爐還原熔煉。由于能耗高、環境污染嚴重、勞動條件差，該工藝在鉛冶煉中的主導位置正在削弱，逐漸被新的強化熔煉工藝所取代。“十五”期間，最引人注目的是由我院和水口山有色金屬公司聯合開發的氧氣底吹熔煉—鼓風爐還原煉鉛法的工業化和推廣應用。
氧氣底吹熔煉—鼓風爐還原煉鉛工藝革除了傳統的燒結過程，系直接熔煉法的一種，具有如下特點：環保好，比較徹底地消除了SO2煙氣和鉛塵的逸散；能耗低，有效地利用了精礦熔煉的反應熱及高溫煙氣的余熱，從鉛精礦至粗鉛，單位產品綜合能耗＜350kg標煤/t；投資省，由于工藝流程短，產能高，相同生產規模較傳統流程投資低10～20%，較國外同類技術節省50%以上；回收率高，生產成本低，回收率：Pb＞97%，S＞95%，Au＞99%，Ag＞99%，據生產實際測算，較傳統流程每t粗鉛生產成本降低約10%；對原料適應性強，既可處理硫化鉛精礦，又可同時處理各種二次鉛原料。生產證實，原料含鉛品位波動在45%～65%均能正常作業，對老廠改造更具優勢，可充分利用原有設施，如備料、鼓風爐等，進一步節省投資。
氧氣底吹熔煉—鼓風爐還原煉鉛法，是熔池熔煉新技術與傳統工藝的完美結合，獲得2004年度國家科技進步二等獎。到目前為止，已有3個廠、4套生產裝置投產，2套生產裝置在建，還有5個項目正在我院進行高階段設計，推廣應用的前景喜人。已經投產和在建的工廠概況見表2。
表2. 已投產和在建的工廠概況
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企業名稱
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設計規模
（萬t/a粗鉛）
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實際生產
（萬t/a粗鉛）
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投產時期
（年·月）
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備注
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河南豫光金鉛公司
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5.0
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8.0
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2002.8
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已投產
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安徽池州冶煉廠
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3.0
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5.0
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2002.8
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已投產
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河南豫光金鉛公司
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5.0
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2005.3
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第二條生產線
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湖南水口山有色金屬公司
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10.0
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14.0
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2005.8
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已投產
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云南祥云飛龍集團
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6.0
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—
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2006.8（預計）
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建設中
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河南靈寶新凌公司
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5.0
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—
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2006.8（預計）
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建設中
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此外，云南冶金集團引進澳大利亞MIM技術，由我院整體設計，建設了年處理精礦量為16.5萬t的頂吹噴槍浸沒熔煉鉛廠，頂吹爐內徑Φ2.92m，2005年 7月投產，生產初期出現了一些問題，現已逐步走向正常。
錫
錫是我國的優勢產業，在國際上具有舉足輕重的地位。錫冶煉技術，如錫精礦反射爐連續熔煉、螺旋結晶機、煙化爐煉渣等都曾處于世界先進行列。
云南錫業公司是我國大型錫采、選、冶企業，屬下的個舊冶煉廠原采用間隙式反射爐還原熔煉，生產效率低、作業成本高、污染嚴重，企業缺乏競爭力，急待技術改造。經過對現今新的錫冶煉工藝Ausmelt法和Kaldo法的比較，選擇了先進、可靠、適用、經濟的Ausmelt工藝，并注重引進技術與云南錫業公司自有技術的結合，在消化吸收基礎上對引進技術進行優化和創新，形成Ausmelt爐還原焙煉，煙化爐煉渣和以結晶機、真空爐為主的火法精煉相結合的具有云錫特色的錫冶煉新工藝。整個設計有如下幾個特點：
1）用一臺Ausmelt爐（內徑Φ4.4m，設計處理錫精礦5萬t/a）取代原有10臺反射爐，3臺電爐和2臺鼓風爐，煙氣經兩級高效湍沖洗滌器，用石灰石乳洗滌吸收，從根本上解決了熔煉過程的環境污染。
2）充分利用云錫已有煙化爐成熟工藝，將Ausmelt技術的三段熔煉改為二段熔煉，即取消其強還原階段，將熱渣強還原改送原有的煙化爐進行，使Ausmelt爐的生產能力提高10%以上，終渣含Sn從1%～1.5%下降到0.2%，同時延長了爐壽命，降低了耐火材料消耗和作業成本。
3）由我院自行設計與Ausmelt爐配套的余熱鍋爐，產出過熱蒸汽推動6000kW汽輪發電機組發電。
4）基本實現計算機自動控制，大幅度提高勞動生產率，也為企業信息化管理奠定了良好的基礎。
該工程2002年4月試生產，一個月后通過指標考核，主要技術指標達到或超過設計值，2004年獲全國優秀工程設計銀獎。投產以來生產順利穩定，主要技術經濟指標達到世界水平。每年新增利稅2579萬元，節約燃煤1.1萬t。利用余熱發電量2845萬Kwh。Ausmelt爐熔煉系統用電自給有余，煙塵、SO2、鉛三類污染物排放濃度均低于國家排放標準，圓滿達到了技術改造的預期目標。
鎳
鎳冶煉技術的工程化一直是我院的優勢之一。金川合成閃速爐煉鎳1992年投產，在金川公司和我院廣大技術人員的努力下，第一爐期生產了5年7個月，處理精礦200余萬噸，產高鎳锍近28萬噸，主要技術經濟指標在國際同類工藝中處于先進水平。近年來，經過金川公司冶煉廠員工的不斷改進，裝備水平和作業率進一步提高，指標又有新的改善，尤其是生產能力幾乎翻一番。
幾十年來，我國鎳的精煉工藝一直是沿用傳統流程，即高鎳锍磨浮分離產出二次鎳精礦、二次銅精礦和一次合金，一次合金二次硫化生產二次高鎳锍再進行磨浮分離，所產二次合金送貴金屬車間回收，兩次磨浮分離所產二次鎳精礦熔鑄為硫化鎳陽極板經過電解生產電鎳，銅精礦經過熔煉、精煉、電解生產電銅。傳統工藝流程復雜，工序太多，造成消耗高，金屬回收率低，尤其是合金二次硫化，環境污染嚴重。近年來，我院與金川公司合作，進行了三項重大技術改進與創新。
其一，將銅鎳高锍（含Cu4～5%）或高锍磨浮產出的鎳精礦直接在硫酸介質內進行浸出，一段常壓、一段加壓，加壓浸出用純氧將高锍（或鎳精礦）中的鎳浸出轉變為NiSO4溶液，再將其返入常壓浸出，浸出液中含微量的Cu和Fe，然后送去生產電積鎳（采用Pb-Ag合金不溶陽極，鎳陰極片進行鎳電積）。如此簡化了流程，降低消耗，節約能源，提高了金屬回收率。
其二，采用以我院為主，從試驗研究到工業化自主開發的一次磁性合金直接硫酸浸出技術，設計兩段常壓逆流浸出。為了防止合金粗顆粒的沉積，設計了特殊結構的浸出槽。與傳統流程比較，該技術具有三個突出的優點：
1）貴金屬（Au+Pt+Pd）的回收率可提高15%左右；
2）減少操作工序，避免環境污染，改善勞動條件；
3）提高了貴金屬精礦品位，降低貴金屬回收成本。
其三，羰化冶金的應用和攻關。羰化冶金是在有壓力的條件下，使CO與鎳反應生成Ni（CO）4化合物，以與其他金屬分離，而Ni（CO）4在加溫時又會很快分解成Ni粉和CO，CO又可返回使用。這種技術大型特點是工藝流程短，能源消耗低，產品可以多樣化。國外二十世紀七十年代即已產業化，我國也建成了小型生產裝置。但由于技術裝備落后，勞動條件差等原因，未得到發展。2002年底，我院聯合設備制造廠為金川公司設計的500t/a規模羰基鎳中間試驗廠投入生產，原料為鎳高锍磨浮產出的銅鎳合金，產品有鎳粉、鎳丸和鐵粉。
采用羰化冶金法處理銅鎳合金，不產生廢渣和廢氣，金屬回收率高，貴金屬富集比大，產出的鎳粉和鎳丸純度高，有利于下一步的回收。該中間試驗廠的設計優于現有同類裝置之處在于：①羰化反應是在22MPa壓力下連續進行，反應速度快；②CO再生循環利用，不外排；③所有有害氣體和固體均經過高溫處理后外排，不造成環境污染。
鎳產品的深加工和延伸也是我院十分關注的技術方向，如大量用于電池生產的高純硫酸鎳。通常的生產工藝是利用金屬鎳為原料，在硫酸溶液內溶解后進行蒸發結晶制得，由于原料費用高，故相應制造成本高。2000年，我院為吉林鎳業公司設計了1萬t/a精制硫酸鎳工程，2001年12月試生產，第一批產品即達到質量要求，全流程暢通。該工程以鎳生產過程的高鎳锍為原料，采用一段常壓、二段加壓浸出，使鎳、銅、鈷得到徹底分離，并采取了一系列創新措施，控制Fe、Ca、Mg等雜質在極微量的范圍內（Ca、Mg<0.001%，Fe<0.001%）。投產后僅4個月，精制硫酸鎳的產能、質量和各項技術經濟指標均達到或優于設計值。生產成本大幅度降低，生產工藝和裝備都是國內首創，整體技術達到國際先進水平。
半導體材料—多晶硅
多晶硅是制造集成電路和太陽能電池的原材料，為信息產業和新能源產業的基石，也是我國鼓勵發展的高新技術產品和產業。
世界先進的多晶硅技術由美、日、德三國掌握，他們嚴格控制技術轉讓并壟斷全球硅材料市場。我國多晶硅市場年需求3000噸以上，幾乎全部依賴進口。我院從1983年開始研究開發先進的多晶硅生產技術，十五期間在2000t/a三氯氫硅生產線、300t/a多晶硅高技術產業化示范線和200t/a太陽能電池級多晶硅技改項目、1000t/a多晶硅高技術擴建項目上推廣應用，已形成了完整的、具備自主知識產權的技術體系。獨特的技術優勢體現在如下方面：
1）四氯化硅氫化技術。將副產物SiCl4加氫轉化成三氯氫硅，返回系統使用；
2）還原尾氣干法回收工藝。將還原尾氣中的H2、HCl、SiCl4、SiHCl3一一分離，回收的SiHCl3送還原生長多晶硅，SiCl4送氫化系統，HCl氣體送三氯氫硅合成工序；氫氣返回還原爐生產多晶硅。將傳統的濕法淋洗工藝改為干法全回收工藝，從根本上解決三廢產生，降低物料消耗，解決了環境污染問題。
3）三氯氫硅粗餾和精餾連續加壓提純工藝，將提純精餾過程中低溫冷卻水改用普通循環水，減少設備投資和電耗，降低運行成本。
4）三氯氫硅合成新工藝。包括氯化氫加壓合成，三氯氫硅合成產物加壓分離，合成尾氣全回收工藝，回收的氫氣和氯化氫混合氣體返回生產系統，從根本上解決合成工序環境污染問題。
5）還原過程熱能回收利用技術，回收還原過程中產生的熱能，使85%以上的副產熱能返回系統使用，降低系統能耗。
6）冷凍系統采用梯級熱交換方式，使冷量得到充分利用，降低能耗。
7）國家“863” 科技攻關項目支持的“24對棒大型節電還原爐成套裝置研究”，單臺設備產能超過2005年全國的總產量，還原系統采用特殊啟動條件，多晶硅生長全過程采用計算機控制，大大降低還原電耗和生產成本。
自主知識產權的多晶硅高技術系統的最大特點是：物料系統閉路循環、能量循環利用、原輔材料及電耗低。自主的技術路線使項目投資省，產品質量高，建設與改造擁有主動權。多晶硅生產成本可與國外公司抗衡，具有較大發展優勢。
二、裝備水平的提高
隨著有色金屬火法冶煉技術的發展，富氧的應用，冶煉強度不斷提高。為了適應這種需要，冶金爐及相關裝備的設計也在不斷改進和創新。
大型流態化焙燒爐。為了給濕法煉鋅準備原料，鋅精礦需經流態化焙燒。過去國內只能設計小型焙燒爐。我院在消化吸收引進技術基礎上，根據國內實際，加以改進和創新，將流態化焙燒爐大型化。先后完成了多臺爐床面積109m2的焙燒爐的設計，并根據生產規模完成了75 m2、60 m2、52 m2流化態焙燒爐的系列設計。開發設計了與之配套的拋料機、高效冷卻圓筒、流化態冷卻器等設備。目前，精礦流化態焙燒的所有設備均能自己設計和制造。
銅合成熔煉爐。上個世紀八十年代末期，在澳大利亞西方礦業公司的幫助下，我院設計了鎳合成閃速爐，在金川已生產十年。銅合成熔煉爐是在此基礎上吸取了近年來國內外有關有色冶煉爐的最新技術成果，與金川公司冶煉廠技術人員合作設計并建成的世界上第一臺用于煉銅的合成爐。
提出此方案之初，受到了國內外多方面的質疑，我們仔細研究、分析銅熔煉與鎳熔煉的共性和差別，認真對待，精心設計。采用了目前先進的水冷技術，整體彈性骨架，合理的磚體結構，高質量的耐火材料，成熟的液壓傳動電極和安全可靠、高效的導電裝置。所有這些，造就了銅合成熔煉爐的先進性、可靠性，2005年8月的投產和幾個月生產實踐已經充分證明了這一點。
頂吹熔煉爐。近幾年來，我院通過與國外公司的合作，通過消化引進技術，已經掌握了氧氣頂吹自熱爐煉銅、浸沒式噴槍富氧頂吹煉銅/煉鉛、浸沒式噴槍空氣頂吹煉錫等頂吹熔煉技術，正在研究開發設計浸沒式噴槍富氧頂吹鎳熔煉項目。對這些大型的頂吹爐的爐體鋼結構、水冷技術、磚體設計、噴槍的夾持與提升等設備，不僅吸收了國外技術，而且有自己的研究與開發，在取得有關許可的前提下，我院已能夠獨立設計大型、復雜的頂吹冶金爐，而且能夠保證技術先進、安全可靠。
氧氣底吹熔煉爐。氧氣底吹熔煉──鼓風爐還原煉鉛技術的核心設備為氧氣底吹熔煉爐。隨著該技術的推廣應用，近年來，ENFI研究開發設計了φ3.8×11m，φ4.1×14m，φ4.4×16.5m，φ4.8×18m系列氧氣底吹熔煉爐，可以滿足不同規模的鉛冶煉、銅冶煉的要求。底吹爐結構緊湊、密閉性好、操作方便，可有效的降低建設投資，提高硫的回收率，環保條件好。我院已掌握了大型底吹爐結構設計、磚體設計、合理地運用水冷技術，這些技術的運用可以保證底吹爐安全可靠地運行，達到較長的爐壽命。我院還開發設計了不同規格的系列氧槍，可以滿足不同工藝和不同規模的使用要求。
新型襯鈦加壓釜。隨著加壓浸出技術在有色冶金中的應用，加壓釜的設計至關重要。從上世紀七十年代起，國外冶金工業用的加壓釜都是碳鋼外殼，內搪鉛和襯耐酸磚以抗腐蝕，我院為金川公司和新疆阜康冶煉廠設計的加壓釜與此大同小異，其缺點是釜的有效容積利用率低，施工難度大，尤其是搪鉛的操作條件惡劣，故紛紛尋求設計制造釜的新材料和新結構。適合工業應用的耐蝕金屬材料首推鈦材，但鈦材接觸氧氣時易著火燃燒，若設計考慮不周，將引起重大安全事故，國外曾有過類似報道。我院技術人員深入研究了鈦材著火的機理，和生產企業、制造廠商共同研究，精心設計了具有自主知識產權、抗硫酸腐蝕、可用氧浸出的臥式襯鈦加壓浸出釜系列，容積從20m3－200m3，可在溫度160-180℃、壓力2MPa條件下連續運轉，多室通氧攪拌，不間斷進料和排料，過程自動控制。與常壓浸出釜相比，生產效率和金屬回收率大大提高，尤其適應于難溶浸的有色金屬礦物，可廣泛應用于銅、鋅、鎳、鈷、金等金屬的濕法提取，為我國首創。
余熱鍋爐。余熱鍋爐是有色冶金的關鍵設備，發揮著降溫收塵、節能降耗等重要作用。冶金工藝對余熱鍋爐系統的可靠性要求很高，因此長期以來依賴進口。通過消化引進技術和自行研發相結合，我院在有色冶金余熱鍋爐技術方面處于國內水平，由我院設計的余熱鍋爐完全可以替代國外引進產品。
有色冶金煙氣一般黏結性大、含塵量高、腐蝕性強，影響著余熱鍋爐長期可靠地運行。1997年我院自行研制開發了余熱鍋爐彈性振打清灰裝置，在中條山冶煉廠的2臺Ausmelt余熱鍋爐試用，取得良好的效果。隨后不斷改進完善，目前已是第三代ZL產品，在“十五”期間我院設計的余熱鍋爐中，大規模地推廣應用，獲得成功，推動了我院余熱鍋爐技術的產業化發展。
三、自動控制水平上臺階
隨著現代化工業的飛速發展，生產規模日趨大型化，工藝過程愈趨復雜，對生產過程自動化提出了更高的要求，有色金屬由于品種繁多，原料不一，工藝流程各異，因此對各種技術參數的檢測、控制及計算、工序之間的聯鎖及順控、設備的監控和保護等要求尤為復雜并需具有較高的精確度。
近年來，我院在冶煉技術不斷取得新進展的同時，十分關注自動控制水平的提高，不僅很好地消化和吸收國外相關的自動控制技術，還根據我們自己的經驗和實踐，對其進行改進和優化，主要體現在：
1）掌握國內外檢測儀表和控制手段的最新動態，選擇應用各種先進儀表和檢測元件，如環形給料機、質量流量計、雷達物位計、智能型變送器等，保證了對各種復雜冶煉過程中多種工藝參數檢測及控制的準確性和可靠性。
2）凡有條件的工業化項目均采用DCS控制系統，實現計算機自動控制。例如，吉林鎳業公司“1萬t/a精制硫酸鎳工程”，設計將工藝過程上的全部檢測和控制信號進入DCS系統，操作員在控制室即可看到全部工藝參數的測量值，實施控制參數的設置和修改。同時在控制室可看到各工藝設備的運行狀態，并能對其進行操作，使工藝過程實現了全部自動化，特別是解決了以往難于解決的一些問題，如加壓釜液面自動控制，加壓釜釜壓自動控制等。
值此全國有色金屬工業科學技術大會召開之際，中國有色工程設計研究總院及中國恩菲工程技術有限公司全體員工向大會致以熱烈祝賀。本文僅僅簡要回顧了近年來我院在有色金屬工業科技創新及成果工程化方面所做的工作，雖然取得了一定的成績，但距時代的要求相差甚遠。我們將在這次行業科技大會的鼓舞下，一如既往，努力奮斗，為進一步推動我國有色金屬工業科技與經濟的協調發展作出新的貢獻。
