□文/盧斗江西部礦業(yè)投資（天津）有限公司

低品位 廢雜銅火法熔煉 技術(shù)述評

Comment on the Low-grade Scrap Copper Pyrometallurgical Technology

□文/盧斗江
西部礦業(yè)投資（天津）有限公司

本文著重介紹國內(nèi)低品位廢雜銅火法熔煉技術(shù)的進展，針對國外的富氧頂吹熔煉、卡爾多爐工藝進行了述評。

我國是銅礦資源較少的國家，礦產(chǎn)銅主要依賴進口銅精礦。因而充分利用國內(nèi)外廢雜銅資源，成為我國銅冶煉工業(yè)發(fā)展的重要組成部分。

廢雜銅因含雜質(zhì)的不同分高品位和低品位廢雜銅。含銅較高的廢純銅或廢純銅合金可以直接制取再生桿或銅合金產(chǎn)品。低品位雜銅因含銅量低，含雜質(zhì)高，要先經(jīng)火法熔煉鑄成陽極銅，然后電解精煉成電銅，并回收其他有價金屬。我國現(xiàn)有廢雜銅的預(yù)處理及再生利用技術(shù)與裝備，主要集中在高品位的廢雜銅。對低品位廢雜銅的處理能力較弱，主要原因是處理低品位廢雜銅的技術(shù)與裝備不適用。傳統(tǒng)的鼓風(fēng)爐-轉(zhuǎn)爐-陽極爐環(huán)境污染嚴重。而采用固定式陽極爐等處理低品位廢雜銅，經(jīng)濟運行不合理，處理不好會污染環(huán)境。

低品位廢雜銅含銅在20%~90%，且來源廣，成分復(fù)雜，形狀各異，處理難度比較大。但由于部分低品位廢雜銅（品位一般在25%~30%）價格僅相當(dāng)于相同品位銅精礦價格的 83%左右，再加上可以分揀出其他有價金屬、廢塑料等，故具有明顯的獲利優(yōu)勢。濕法冶金工藝由于除雜質(zhì)能力差，貴金屬回收率低，在廢雜銅回收利用領(lǐng)域很少采用。本文主要針對處理低品位廢雜銅的火法熔煉技術(shù)發(fā)展進行述評。

一、低品位廢雜銅火法熔煉應(yīng)滿足的條件

1. 低品位廢雜銅一般含有廢橡膠、樹脂、塑料等有機物，熔煉過程中容易產(chǎn)生二惡英污染，必須在高溫下分解，溫度控制在1 100~1 200℃，要有足夠的二次燃燒空間。

2. 原料中填料為CaCO3、BaCO3、硅酸鋁等，穩(wěn)定劑為Pb、Sn化合物，這些雜質(zhì)必須進入爐渣。原料來源復(fù)雜，要求爐渣成分、熔點波動范圍大。

3. 耐火材料的選擇。目前多選用高檔的耐火材料來適應(yīng)爐溫、渣型的大幅度波動。

4. 對原料、燃料適應(yīng)性強，并可以處理氧化礦。

5. 要充分利用有機物燃燒的熱量，燃料選擇范圍要廣。

6. 生產(chǎn)流程環(huán)節(jié)少，操作簡單，運行成本低。

7. 環(huán)境污染小，能夠滿足國家環(huán)保要求。

8. 爐壽命要長，維修成本低。

9. 最大限度地節(jié)省投資。

二、國內(nèi)低品位廢雜銅冶煉技術(shù)狀況

目前，國內(nèi)低品位廢雜銅以電子廢料、銅泥、陽極爐爐渣等物料為主，其熔煉多采用二段法，廢雜銅先在鼓風(fēng)爐內(nèi)還原熔煉成黑銅，或在轉(zhuǎn)爐內(nèi)吹煉成次粗銅，然后在陽極爐中或其他精煉爐中精煉成陽極銅。這種工藝流程復(fù)雜，設(shè)備多，能耗高，環(huán)保不能滿足要求。國內(nèi)處理低品位廢銅的相關(guān)技術(shù)綜述如下。

1. 鼓風(fēng)爐熔煉技術(shù)

國內(nèi)企業(yè)采用鼓風(fēng)爐處理廢線路板和銅泥。廢線路板一般含銅15%~20%。將廢線路板直接加入鼓風(fēng)爐中，以焦炭為原料，加入石灰石（或石灰英）等熔劑，其中鐵、鈣分別與二氧化硅直接造渣，形成熔融狀態(tài)的爐渣。銅則在還原氣氛中被回收，最終形成粗銅錠，含銅量一般在80%~90%之間，含有微量的貴金屬。銅錠由銅熔煉企業(yè)作為爐料，通過轉(zhuǎn)爐或陽極爐進一步回收銅和貴金屬。鼓風(fēng)爐處理廢電路板的問題是環(huán)境污染不容易解決。

銅泥一般含銅25%~30%，來源于電子工業(yè)和電鍍行業(yè)。在廣東、江西、江蘇一些企業(yè)采用鼓風(fēng)爐熔煉技術(shù)處理銅泥。以氧化鈣為粘合劑，人工制成直徑大約100毫米的團礦，然后 再鼓風(fēng)爐熔煉，以焦炭為燃料和還原劑，最終產(chǎn)品為粗銅，其中含銅85%~90%，需要在陽極爐進一步精煉。

陽極爐渣一般含銅15%~40%。天津某企業(yè)采用鼓風(fēng)爐處理陽極爐渣。陽極爐渣經(jīng)破碎機破碎后，通過上料斗進入鼓風(fēng)爐頂部的加料口。日處理量在18~30噸，以焦炭作為燃料和還原劑，加入石灰石、石英石等熔劑，其中鐵、鈣分別與二氧化硅直接造渣，形成熔融狀態(tài)的爐渣。銅則在還原氣氛中被回收，產(chǎn)出次黑銅，含銅量一般在80%~85%之間，爐渣含銅在1%左右，作為棄渣處理。次黑銅錠進入固定式陽極爐精煉產(chǎn)出陽極銅。

2. 回轉(zhuǎn)式焚燒爐熔煉技術(shù)

國內(nèi)某公司采用回轉(zhuǎn)式焚燒爐處理廢電路板和電子廢料，工藝過程是：電子廢料加入回轉(zhuǎn)爐中，噴柴油點火并使電子廢料中的有機物自燃，溫度約為800℃，保證在焚燒過程中銅、貴金屬和玻璃纖維不熔化。燃燒產(chǎn)生的煙氣進入二次燃燒室，在1 200℃的溫度下繼續(xù)燃燒，使二惡英分解。通過二次燃燒室的煙氣迅速進入快速冷卻設(shè)施，使煙氣在幾秒鐘之內(nèi)降溫到400℃以下，避免了二惡英的再次合成，消除了污染。經(jīng)過焚燒之后的廢電路板，已經(jīng)沒有有機物的污染問題。焚燒料加入陽極爐中進行熔煉。該技術(shù)是目前處理廢電路板及電子廢料較好的技術(shù)。焚燒過程的熱能主要是廢電路板中有機物的燃燒，這樣可以使能耗大大的降低，達到節(jié)能的效果。

3. 陽極爐熔煉技術(shù)

目前國內(nèi)一些小型再生銅企業(yè)采用陽極爐熔煉部分低品位廢銅，但一般含銅平均品位都大于85%，經(jīng)過反復(fù)氧化還原后，得到陽極銅。為了彌補銅原料的不足，國內(nèi)大型再生銅冶煉企業(yè)通常采用配料的方式，加入部分低品位廢銅。

采用陽極爐熔煉低品位廢銅，需要反復(fù)氧化造渣、還原，能耗高、生產(chǎn)周期長、耐火材料損耗大，經(jīng)濟上不很合理。另外，由于低品位廢銅含有大量的有機物，在熔煉過程中產(chǎn)生含持久性有機污染物，環(huán)保問題難以解決。因此，低品位廢雜銅宜進行單獨熔煉，并對產(chǎn)生的煙氣進行有效的處理，從而做到經(jīng)濟合理，環(huán)保達標(biāo)。

三、國外低品位廢雜銅冶煉技術(shù)狀況

1. 卡爾多爐

卡爾多爐是瑞典波立登公司開發(fā)的一項冶煉技術(shù)，最早應(yīng)用于處理含鉛煙塵，目前被成功用來冶煉鉛精礦、廢雜銅、陽極泥等。波立登公司在應(yīng)用卡爾多爐處理廢雜銅的過程中，發(fā)現(xiàn)它是處理低品位廢銅最有競爭力的技術(shù)，經(jīng)濟效益很好。后來這種技術(shù)很快推廣到其他國家的許多具有不同生產(chǎn)能力的冶煉廠處理各種物料。

1992年意大利威尼斯附近的Nuova Samim銅冶煉廠利用波立登的卡爾多爐技術(shù)處理低品位廢雜銅，年產(chǎn)2.5萬噸粗銅。俄羅斯的Kasimov利用卡爾多爐技術(shù)處理廢雜銅和廢舊電子元件。印度SWIL銅業(yè)公司2000年引進波立登技術(shù)11m3的卡爾多爐處理廢雜銅，年產(chǎn)銅6萬噸。 2007年我國江西銅業(yè)引進卡爾多爐處理廢雜銅，年產(chǎn)銅5萬噸。

卡爾多爐有多種類型，但基本結(jié)構(gòu)類似，其爐子本體與煉鋼氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的形狀相似，由圓筒形的下部爐缸和喇叭形爐口兩部分組成，內(nèi)襯耐火磚。爐子本體在電機、減速傳動機的驅(qū)動下，既可以前后傾轉(zhuǎn)又可以繞爐子中心軸線轉(zhuǎn)動。正常作業(yè)時，爐體在相對水平位置28°的位置上不停轉(zhuǎn)動，熔體中不存在死角，爐內(nèi)攪拌激烈，傳熱傳質(zhì)條件非常好，適合廢雜銅的冶煉。頂部設(shè)有整體式煙罩和水冷煙道，煙氣進入收塵系統(tǒng)，環(huán)保條件好。頂吹噴槍通過煙罩從爐口插入爐內(nèi)。

卡爾多爐處理廢雜銅分加料、熔煉、放渣、吹煉、出銅5個步驟，在一臺爐內(nèi)分階段完成，粗銅品位可達到98%?？柖酄t處理廢雜銅工藝是國外二段法處理廢雜銅的一種先進工藝。其反應(yīng)過程通常用廢雜銅原料中的鐵作為還原劑 ，添加石英石熔劑。

卡爾多爐可以處理含銅15%~99%的廢雜銅，適應(yīng)性強，物料不用預(yù)處理，可以直接入爐?？梢钥刂蒲趸瓦€原氣氛，渣含銅可以得到有效控制。爐體結(jié)構(gòu)緊湊，密閉性強，環(huán)保條件好。但爐體轉(zhuǎn)動部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資昂貴，單爐產(chǎn)能小于10萬噸。爐內(nèi)間斷作業(yè)，爐內(nèi)溫差大，煙氣流速高，耐火磚損耗高，爐壽命較短，不適合大規(guī)模引進處理低品位廢雜銅。

2. 氧氣頂吹熔煉

氧氣頂吹熔煉分根據(jù)熔煉方式分氧氣頂吹浸沒式熔煉與非浸沒式熔煉。

氧氣頂吹浸沒式熔池熔煉的代表爐型是澳斯麥特爐與艾薩爐，兩者大同小異，都是在悉羅噴槍的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種噴槍頂吹熔池熔煉技術(shù)，只是在爐體結(jié)構(gòu)與噴槍構(gòu)造上存在差別。通過近十余年的發(fā)展，都獲得了不同程度的應(yīng)用和改善。澳斯麥特冶煉技術(shù)因其工藝的適用性和靈活性，在中國的原生銅冶金領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。

澳斯麥特爐為圓柱型爐體結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯耐火材料。其關(guān)鍵設(shè)備是一種直立浸沒式噴槍，從爐頂插入熔池的渣層進行熔煉，把燃料與氣體直接送入熔體的同時中，通過激烈攪拌，發(fā)生高強度的熔煉反應(yīng)。

噴槍由四根同心管制成，共四層，最內(nèi)層是粉煤和空氣（載煤風(fēng)），第二層是氧氣，第三層是空氣，最外層是用于保護第三層套筒壁的套筒空氣，同時供燃燒煙氣中的硫及其它可燃組分之用，最外層在熔體之上，不插入熔體，所有管材均為316L不銹鋼。

頂吹熔煉技術(shù)應(yīng)用于銅精礦冶煉已經(jīng)非常成熟，國外有應(yīng)用于處理廢渣和電子廢物的先例如日本同和公司。主要技術(shù)特點是：原料適應(yīng)性強、熔煉強度高、自動化程度高、環(huán)保條件好。主要缺點是:需要引進專利技術(shù)，價格昂貴；爐壽命短，需要高檔耐火材料，維修費用高；周期熔煉，槍頭（不銹鋼管）消耗大，運行成本高。

非浸沒式熔煉的代表爐型是自熱爐。自熱爐又稱“北鎳法”，應(yīng)用于金川集團公司高品位二次銅精礦的熔煉，是1991年從俄羅斯引進，圓柱型爐體結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯鎂鉻磚，形狀類似于艾薩爐和奧斯麥特爐，采用噴槍工業(yè)純氧（氧氣90%~99%）頂吹，噴槍是非浸沒式的,不插入熔池內(nèi)。主要處理金川公司高锍鎳磨浮分離后含銅50%~60%的二次銅精礦，現(xiàn)年產(chǎn)粗銅7萬噸。由于采用工業(yè)純氧吹煉，能夠充分利用金屬硫化物的氧化放熱，且利用率比較高，在不加入或少加入燃料的情況下，就能保證冶煉過程的正常進行，被稱為“自熱爐”。

主要特點是：

（1）對原料適應(yīng)性強，對原料物理形態(tài)及化學(xué)成分要求不高，可以處理粉料和塊料；

（2）生產(chǎn)率高；

（3）熱利用率高；

（4）煙氣量小。

主要缺點是：

（1）爐壽命短，維修費用高；

（2）槍頭消耗不銹鋼管，并需要高壓氧，運行成本高；

（3）爐體上部燃燒空間小。

根據(jù)頂吹熔煉的結(jié)構(gòu)特點及原理，采用頂吹熔煉處理低品位廢銅在技術(shù)上有一定可行性，但需要進一步探討。

四、國內(nèi)低品位廢雜銅熔煉技術(shù)的進展

近年來，中國銅冶煉技術(shù)發(fā)展迅速，在引進、消化、吸收富氧頂吹熔煉的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)富氧底吹和富氧雙側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)，取得了長足的進展。

1. 富氧底吹熔池熔煉

富氧底吹熔池?zé)掋~法、水口山煉銅法、氧氣底吹造锍捕金工藝均指同一種工藝方法。真正的富氧底吹煉銅法是在東營方圓有色金屬公司取得生產(chǎn)成功，被命名為“高富氧底吹熔池?zé)掋~新工藝”。

其主體核心設(shè)備是1臺臥式可回轉(zhuǎn)的反應(yīng)爐，內(nèi)襯鉻鎂磚，外形類似諾蘭達爐和智利的特尼恩特熔煉爐。區(qū)別是諾蘭達爐和智利特尼恩特爐通過風(fēng)口送氧，而底吹爐是通過氧槍送氧。底吹爐共有9支氧槍，分兩排布置：下排呈7o角，5支氧槍，上排呈22o角，4支氧槍。上下排的氧槍夾角為15o，錯開排列，采用富氧熔煉。與此配套的是主要有制氧站、硫酸系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)、余熱鍋爐、電收塵和渣緩冷、渣選礦系統(tǒng)。

底吹熔煉的技術(shù)特點：

（1）原料適應(yīng)性強。底吹熔煉爐可以處理塊料，也可以處理粉料。適宜處理含金、銀比較高的各種銅精礦，造锍捕金效果好，也特別適宜處理含砷較高的銅精礦，對銅精礦的品位要求不高。

（2）備料簡單。精礦不用制粒和干燥，濕精礦可直接入爐，煙塵率低。

（3）操作安全性高。富氧空氣從爐體底部先進入銅锍層參加反應(yīng)，不易形成泡沫渣。

（4）生產(chǎn)操作易于掌握。整套系統(tǒng)采用了DCS控制，自動化程度較高，易于掌握。

（5）完全自熱熔煉，能耗低。富氧濃度高達70%~80%，可降低燃料消耗，甚至不用外加任何燃料，煙氣量少，利于后續(xù)煙氣處理工序。

（6）銅回收率高。盡管底吹熔煉爐渣含銅比較高，銅直收率低，但經(jīng)過爐渣選礦后，渣尾礦含銅低，銅總回收率高。

（7）投資省。臥式爐結(jié)構(gòu)形式，廠房低。具有自主知識產(chǎn)權(quán)，可省去引進其他富氧熔煉技術(shù)高昂的許可證費用。

（8）環(huán)保條件好。采用高壓富氧空氣，不需要捅風(fēng)眼機，操作控制靈活，富氧空氣從爐底部進入，產(chǎn)生的噪音小。爐頂加料口容易維持負壓，不需要氣封措施，能有效防止煙氣外逸。

（9）作業(yè)率高。氧槍壽命較長，不需要頻繁停爐換槍，生產(chǎn)效率高。

目前富氧底吹熔池熔煉技術(shù)在銅精礦熔煉方面已顯示出高效、環(huán)保、節(jié)能的效果，應(yīng)用于低品位廢雜銅熔煉有一定的可行性，但尚需要理論研究、爐型改造和實踐驗證。

2. 富氧雙側(cè)吹熔池熔煉

針對低品位廢雜銅的火法熔煉，國內(nèi)目前正在金峰爐的基礎(chǔ)上研究一種新的爐型。該爐類似金峰爐，是一個具有固定爐床、橫斷面為矩形的豎爐，形象地說是“鼓風(fēng)爐座在前床上”。側(cè)墻、端墻和爐頂為水套結(jié)構(gòu)，爐底前床和爐頂下部的一段圍墻用鎂鉻磚砌筑，有上、下兩排風(fēng)眼，屬于雙側(cè)吹富氧熔池熔煉。冶煉工藝的冶煉機理和過程總體上與通用的銅冶煉工藝一致，其關(guān)鍵技術(shù)在于熔煉爐。雙側(cè)吹熔煉爐是一巨型熔池熔煉爐，爐體上部兩側(cè)共設(shè)置了兩排風(fēng)口。熔煉爐的主要特點是采用深熔池熔煉，風(fēng)口位于渣層，即富氧氣體直接通過爐渣進入熔池進行熔煉。深熔池熔煉保證爐渣與冰銅（粗銅）的充分的沉降分離，預(yù)計出爐渣含銅在0.6%以下，經(jīng)過電爐進一步貧化，渣含銅可以降低到0.5%以下。

該爐屬雙側(cè)吹熔池熔煉，能快速的完成廢雜銅的熔化、還原和造渣反應(yīng)。熔池可控制在氧化氣氛，也可控制在還原或中性氣氛。冶煉過程仍采用SiO2-CaO-FeO渣系，但熔劑僅選用石灰石，爐渣熔點可在1 150℃~1 400℃任意選擇。

基于爐渣對銅水套材質(zhì)基本不侵蝕，爐體采用銅水套拼裝，施工時間短，投資低。生產(chǎn)過程中維護量極小，維護費用很低。經(jīng)金峰銅業(yè)連續(xù)兩年多的生產(chǎn)實踐證明，爐壁依靠銅水套掛渣進行生產(chǎn)是安全可靠的。

爐膛上部的風(fēng)眼能有效的補充二次風(fēng)，并有足夠的空間保證將揮發(fā)的有機物在1 100℃~1 350℃的溫度下完全燃燒。鋅、銻、鎘進入煙塵后進一步回收，鉛和錫一部分進入煙塵一部分進入渣。鐵、錳、鋁氧化后進入渣中。

爐的燃料可以用焦粉或無煙煤，也可采用天然氣，亦可焦粉、天然氣混用。熔煉爐在-50Pa~-100Pa下工作，無溢散煙氣，爐體周圍勞動環(huán)境優(yōu)越。風(fēng)口不需要清理和更換，工人勞動強度小。生產(chǎn)過程采用DCS控制，自動化程度高。

廢雜銅冶煉過程中要重點控制反應(yīng)產(chǎn)生的煙氣，杜絕二惡英的生成。為嚴防二惡英在500℃以下重新合成，余熱鍋爐出口煙氣溫度一般控制在600℃~650℃。該煙氣采用噴水冷卻或動力波驟冷后，煙氣溫度迅速降低到200℃以下，采用布袋除塵器收下余塵，將煙氣放空。

雙側(cè)吹熔池熔煉有如下特點：

（1）拼裝銅水套：爐體采用銅水套拼裝，投資低，因而降低了耐火材料的消耗；

（2）渣含銅低：在一個爐內(nèi)完成熔煉與分離過程，預(yù)計渣含銅可達到≤0.5%，直收率高于其他爐型，預(yù)計可達到97%；

（3）能耗低：噸銅綜合能耗低，預(yù)計粗銅綜合能耗≤280Kg標(biāo)煤（國家粗銅能耗先進指標(biāo)為≤340 Kg標(biāo)煤）；

（4）環(huán)保效果好：爐體密封性強，生產(chǎn)過程中無煙氣外溢，車間操作環(huán)境好，同時，由于煙氣溫度高并采用富氧熔煉，因此，有機物得到較好的分解，煙氣量減少60%~70% ；

（5）廠房投資低：由于廠房高度低（目前的金峰爐總高約33米），與澳斯麥特爐（廠房總高約55米）相比，土建投資大幅降低；

（6）對原料的適應(yīng)性強：適宜處理低品位廢銅，同時也可以處理銅氧化礦。

目前該工藝還處于理論研究階段，應(yīng)用于低品位廢雜銅熔煉尚需要進一步的研究和論證。

五、結(jié)語

傳統(tǒng)的低品位廢雜銅的熔煉通常采用鼓風(fēng)爐熔煉－轉(zhuǎn)爐吹煉－陽極爐精煉的三段法，流程長、能耗高，環(huán)境污染嚴重，無論從經(jīng)濟還是環(huán)保方面分析，現(xiàn)在均已不可能采用。

采用陽極爐熔煉低品位廢雜銅，需要反復(fù)氧化還原，能耗高、生產(chǎn)周期長、耐火材料損耗大，經(jīng)濟上不合理。另外，由于低品位廢銅含有大量的有機物，在熔煉過程中產(chǎn)生含持久性有機污染物，環(huán)保問題難以解決。

引進卡爾多爐或澳斯麥特爐工藝，不但設(shè)備價格昂貴，運行成本高，而且需要支付高昂的專利費和技術(shù)服務(wù)費，一般的再生銅企業(yè)難以承受。

筆者認為在具有完全自有知識產(chǎn)權(quán)的富氧底吹熔煉或雙側(cè)吹熔煉的基礎(chǔ)上，進一步研究論證，并對爐型等進行改進和完善，研發(fā)出適合我國國情的低品位廢雜銅熔煉的新爐型，是低品位廢雜銅火法冶煉的發(fā)展趨勢和方向。

（略）