為了提升銅的使用、加工性能,需要除去粗銅中的雜質,如鎳、鉛、砷等,同時回收其中的有價金屬,如金、銀等,這便是粗銅的精煉工藝。該流程一般分為兩個階段,一是將粗銅火法精煉成陽極銅,二是將陽極銅電解精煉成電解銅。
1、 火法精煉
火法精煉是粗銅——陽極銅的過程,基本流程是在精煉爐內向粗銅熔體內鼓入空氣,使熔體中對氧親和力較大的雜質如鋅、鐵、鉛、鎳等發生氧化,以氧化物的形態浮于熔體表面形成爐渣,或揮發進入爐氣而除去,殘留的氧經還原脫去后,即可澆鑄成陽極板。歸納來看,這一過程可分為加料、熔化、氧化、還原、澆注五個步驟。在還原步驟中,目前主流的還原劑有氨氣、石油液化氣和重油,其中我國以重油為主,噸銅約需 4kg 還原劑。
精煉爐一般有固定式精煉反射爐、回轉式精煉爐以及傾動式精煉爐,其中,回轉式精煉爐的精煉效果較好,產品質量較高、節能且生產成本較低,具有良好的經濟效益。
精煉后的產物除了陽極板(含 Cu 量 99.2%-99.7%)外,還有爐渣、爐氣和煙塵。其中,爐渣的含銅量較高,約為 10%-30%,一般需要將其返回轉爐吹煉或加入鼓風爐做進一步處理。
爐氣中的成分一般為 O2、CO2、CO,不含 SO2,所以可將其直接排出。
表 6 某廠陽極板的主要成分表
2、 電解精煉
電解精煉是陽極銅——精煉銅的過程,基本流程是在電解槽中將陽極板和始極片(純銅或不銹鋼)同時浸入電解液(硫酸和硫酸銅的水溶液),在直流電的作用下,陽極上的銅以離子狀態進入電解液并在陰極上電化析出,成為陰極銅(電解銅),有價金屬以陽極泥的形式沉淀回收。此方法的基本原理是利用了銅和雜質的電位序不同來分離二者。
傳統電解工藝中,陰極始極片主要使用純銅片制作,此工藝相對復雜且需要獨立的生產系統,勞動強度大,生產過程中需要定期更換始極片而提升成本。上世紀 70 年代后,性不銹鋼陰極法投入使用,即陰極采用不銹鋼始極片,陰極銅由自動剝片機從不銹鋼陰極上剝取。這種方法不僅無需建立單獨的始極片生產車間,而且可大大減少更換始極片的周期,從而降低生產及勞動力成本。目前來看,這種方法得到了國內外冶煉廠的廣泛使用。性不銹鋼陰極法又可分為 ISA 法、KIDD 法及 OT 法,基本形式一樣,細節有些許不同。(見表7)
表 7 性不銹鋼陰極電解對比
表 8 不同企業生產的電解銅成分表
表 9 不同企業的陽極泥成分表
了解銅的冶煉工藝后,這里我們基于火法煉銅流程,簡單討論一下冶煉過程中的成本構成。銅冶煉成本主要分為五個部分,分別是熔煉成本、電解成本、煙氣制酸成本、渣選礦成本及陽極泥處理成本。
熔煉成本主要包含熔煉、吹煉及火法精煉的三個流程中所涉及的原材料成本、輔助材料成本、燃料及動力成本、生產人員薪酬及制造費用。其中,原材料成本即銅精礦中的含銅價格,變動較大,應重點關注。銅精礦含銅價格可分為進口銅精礦含銅價格和國產銅精礦含銅價格。其中前者根據銅精礦品位、基準銅價、TC/RC、扣減率和匯率的變化而波動;后者根據銅精礦品位、基準銅價取不同的計價系數及價差而定。
電解成本中包含電解精煉及電解液凈化的兩個流程中所涉及的各類成本,但不涉及原材料成本。因電解工藝中包含傳統電解法和性不銹鋼陰極電解法,這里我們基于《云銅傳統電解與 ISA 電解*成本對比分析》一文中所提及的數據,對比兩種電解方法下的成本差異(見表 10)。表中數據是基于云銅某車間生產 18 萬噸陰極銅所需的相關成本,可以看出兩種工藝的*成本相差不大,ISA 電解法的*成本較傳統電解法高 4 元/噸銅,主要成本差異集中于基建投資費用。不過,該分析未考慮傳統電解的陰極周期替換成本以及 ISA 電解法中勞動力的減少和流程的簡化所帶來的機會成本。因此,相對于傳統電解法,ISA 電解法的相關成本、技術經濟指標等將更勝。需要補充的是,電解成本中還應考慮硫酸消耗所帶來的額外成本。
表 10 兩種電解工藝的成本對比
煙氣制酸成本主要針對于煙氣中 SO2 濃度較高時回收制酸時所需的加工成本及尾氣脫硫成本。SO2鼓風機通常占整個硫酸電耗的 70%,而 SO2濃度與煙氣量成反比,因此煙氣濃度升高有助于降低單位硫酸產品的電耗。同時,回收的余熱可計價扣減硫酸生產成本。
渣選礦成本應考慮爐渣來源,因其配以不同種類、不同用量的輔助材料,所以渣選礦成本應根據不同企業的冶煉工藝分別計算。
陽極泥處理成本中波動較大的為銅精礦中金、銀的計價。同含銅計價方式一樣,分進口及國產兩種類比,此處不再贅述。
綜合上述的五類成本及前文所述的冶煉工藝,我們基于《銅冶煉成本計算需關注的問題》一文中的數據,對比不同冶煉工藝下的成本差異。(見表 11)
表 11 綜合各冶煉工藝的成本差異
因表中數據搜集的時間段不同,原料的加工費及匯率均有差異,對各項目間單位成本產生一定影響。不過,總結以下三點:①項目 1 的地理條件使其電價、燃料價及勞動成本較低,導致陰極銅生產成本較低,實際生產過程中,相較于轉爐吹煉,閃速吹煉的能耗較低,建設運營費用較低,因此相同條件下單位加工成本較低;②對比項目 3 和項目 4,精煉銅的加工成本會隨冶煉工藝中配套設備的增加而增加;③對比項目 2 和項目 3,在其他條件不變的情況下,企業生產規?;髸蛊溥呺H成本下降,從而降低精煉銅加工成本。
熟悉了解銅冶煉的基本工藝對于我們判斷冶煉廠的產量具有較大幫助。以冶煉廠檢修為例,對于精煉環節與粗煉環節的檢修,所產生的實際影響是不同的。根據 SMM 及我們調研情況,表 12 為今年二季度有檢修計劃的冶煉廠及其相應冶煉工藝。
表 12 二季度有檢修計劃的冶煉廠及其相應工藝
表中顯示,除了大冶有色是 6 天的小型檢修以外,其余各廠基本均為 30 天(或以上)的相對大型檢修。據了解,一般來說檢修時長在 20 天以內的為精煉階段的檢修,超過 20天的通常是粗煉與精煉階段共同檢修。對于粗煉階段檢修,若冶煉廠可正常外購粗銅或陽極銅,則精銅產量并無較大影響。對于電解精煉階段檢修,若冶煉廠有閑置電解槽則精通產量同樣不受影響,反之,則短期精銅產量將會受到一定影響。
然而,電解精煉檢修對產量的具體影響仍需分情況考慮,一般分為大檢修和小檢修。正常情況下,企業大檢修每三年一次,對精煉銅的產量會產生相對明顯的影響。小檢修通常指對電解槽的檢修,其對精煉銅產量的影響并不能簡單以企業年產量÷365 天×檢修天數來考慮,因為企業電解車間內設有若干個電解槽,一般采取分批檢修的方式進行。舉例來說,若企業分三批對電解槽進行檢修,則對精煉銅產量的影響應以企業年產量÷365 天×檢修天數×1/3 來計算。
因此,企業檢修對產量的影響究竟如何,應結合其生產方式、冶煉工藝、檢修習慣、外部因素等方面綜合考慮,從而做出相對準確的判斷。
綜上,銅冶煉工藝大致可分為火法煉銅及濕法煉銅兩類,八成以上的精煉銅來源于火法煉銅工藝?;鸱掋~主要分為三階段:銅精礦先熔煉成冰銅、再吹煉成粗銅、最終精煉成電解銅。企業主要的冶煉技術差異集中于熔煉冰銅的階段,傳統與現代的熔煉工藝區別較大。現代冶煉技術中,冶煉成本主要分為熔煉成本、電解成本、煙氣制酸成本、渣選礦成本及陽極泥處理成本五個部分,不同的冶煉工藝具有一定的成本差異。另外,企業檢修對精煉銅產量的影響也需要結合企業的生產方式、冶煉工藝、檢修習慣等多方面綜合判斷。