目前，廢雜銅熔煉再生生產(chǎn)低氧銅普遍采用反射爐。反射爐又稱(chēng)火焰反射爐，燒槍噴出的火焰直接加熱物料，被反射的火焰加熱爐頂、爐壁以及爐內(nèi)空間以形成熱輻射對(duì)物料加熱。反射爐是傳統(tǒng)的火法精煉設(shè)備，是一種表面加熱的膛式爐，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，可以處理冷料，也可以處理熱料，可以燃燒固體燃料、液體燃料或氣體燃料。反射爐容積、爐體尺寸可大可小，可采用范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)。

1、再生銅精煉爐結(jié)構(gòu)

再生銅精煉爐由爐基、爐底、爐墻、爐頂、爐門(mén)（加料口）、放銅口、煙道等部分所構(gòu)成。其附屬設(shè)備有加料裝置、鼓風(fēng)裝置、排煙裝置和余熱利用裝置等。

(1)爐基。爐基是整個(gè)爐子的基礎(chǔ)，承受爐子巨大的負(fù)荷，因此要求基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)。爐基可做成混凝土的、爐渣的或石塊的，其外圍為混凝土或鋼筋混凝土側(cè)墻。爐基底部留有孔道，以便安放加固爐子用的底部拉桿。

(2)爐底。爐底是再生銅精煉爐的重要組成部分，由于長(zhǎng)期處于高溫作用下，承受熔體的巨大壓力，不斷受到熔體沖刷和化學(xué)侵蝕，因此必須選擇適當(dāng)?shù)哪突鸩牧掀鲋虿捎脫v打燒結(jié)爐底，以延長(zhǎng)爐子的使用壽命。對(duì)爐底的要求是堅(jiān)實(shí)、耐腐蝕并在加熱時(shí)能自由膨脹。

(3)爐墻。爐墻直接砌在爐基上。爐墻經(jīng)受高溫熔體及高溫爐氣的物理化學(xué)作用，因此熔煉反射爐爐墻的內(nèi)層多用鎂磚、鎂鋁磚砌筑，外層用黏土磚砌筑，有些重要部位用鉻鎂磚砌筑。熔點(diǎn)較低的金屬熔化爐，如熔鋁反射爐的內(nèi)外墻均可用黏土磚砌筑。

(4)爐頂。反射爐爐頂從結(jié)構(gòu)形式上分為磚砌拱頂和吊掛爐頂。周期作業(yè)的反射爐及爐子寬度較小的反射爐，通常采用磚砌拱頂。大型銅熔煉反射爐多采用吊掛爐頂。

(5)放銅口。反射爐的放出口有洞眼式、扒口式和虹吸式三種形式。銅精煉反射爐采用普通洞眼式放銅口。洞眼的尺寸一般為和5～30mm，其位置可設(shè)在后端墻、側(cè)墻中部或尾部爐底的低處。煉錫反射爐采用水冷的洞眼式放錫口，即在普通磚砌洞眼放出口處的磚墻外嵌砌一冷卻水套。虹吸式產(chǎn)品放出口與前兩種產(chǎn)品放出口相比，具有操作方便、安全、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。

(6)附屬設(shè)備。附屬設(shè)備包括燒槍、吹管、加料爐門(mén)、扒渣爐門(mén)等等。燒槍是火焰發(fā)生器，由內(nèi)管、外管組成，結(jié)構(gòu)原理與氣焊焊槍類(lèi)似。

2、再生銅精煉爐原理

再生銅精煉反射爐精煉原理實(shí)質(zhì)上與礦銅的火法精煉原理相同，不過(guò)，由于廢雜銅雜質(zhì)含量高（有時(shí)高達(dá)4%），所以在操作上有其獨(dú)特特點(diǎn)，雜銅在反射爐中處理時(shí)，整個(gè)精煉過(guò)程包括熔化、氧化、還原、除渣、澆鑄等作業(yè)。整個(gè)作業(yè)的核心是氧化和還原。下面主要闡述氧化和還原。

（1）氧化過(guò)程

由于廢雜銅含銅98%以上，所以在氧化過(guò)程中，首先是銅的氧化：

4Cu+O2=2Cu2O

生成的Cu2O溶解于銅液，在操作溫度1100～1250℃條件下，Cu2O在銅中的雜質(zhì)金屬（Me）發(fā)生反應(yīng)：

Cu2O+Me=2Cu+MeO

反應(yīng)平衡常數(shù)：

K=[MeO]*[Cu]/[Cu2O]*[Me]

因?yàn)镸eO在銅里溶解度小，很容易飽和；而銅的濃度很大，雜質(zhì)氧化時(shí)幾乎不發(fā)生變化，故都可視為常數(shù)，因此上式可寫(xiě)成：

K*=[Me]/[Cu2O]

所以，Cu2O的濃度越大，雜質(zhì)金屬M(fèi)e的濃度就越小。因此，為了迅速完全地除去銅中的雜質(zhì)，必須使銅液中Cu2O的濃度達(dá)到飽和。升高溫度可以增加銅液中Cu2O的濃度，但溫度太高會(huì)使燃料消耗增加，也會(huì)使下一步還原時(shí)間延長(zhǎng)，所以氧化期間溫度以1100～1250℃為宜，此時(shí)Cu2O的飽和濃度為6%～8%。氧化除雜質(zhì)時(shí)，為了減少銅的損失和提高過(guò)程效率，常加入各種溶劑如石英砂，石灰和蘇打等，使各種雜質(zhì)生成硅酸鉛、砷酸鈣等造渣除去。脫硫是在氧化精煉最后進(jìn)行，這是因?yàn)橛衅渌麑?duì)氧親和勢(shì)大的金屬時(shí)，銅的硫化物不易被氧化，但只要氧化除雜質(zhì)金屬結(jié)束，立即就會(huì)發(fā)生劇烈的相互反應(yīng)，放出SO2：

CuS+2Cu2O=6Cu+SO2

這時(shí)銅水出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，稱(chēng)為“銅雨”。除硫結(jié)束就開(kāi)始了還原操作過(guò)程。

（2） 還原過(guò)程

還原過(guò)程主要是還原Cu2O，用重油、天然氣、液化石油氣和丙烷等作還原劑，我國(guó)工廠多用重油。并依靠重油分解產(chǎn)出的H2、CO等使Cu2O還原，反應(yīng)為：

Cu2O+H2=2Cu+H2O

Cu2O+CO=2Cu+CO2

2Cu2O+C=4Cu+CO2

4Cu2O+CH4=8Cu+CO2+2H2O

還原過(guò)程的終點(diǎn)控制十分重要，一般以達(dá)到銅中含氧0.03～0.05%（或 0.3～0.5%Cu2O）為限，含氧量過(guò)高，在經(jīng)過(guò)后續(xù)連鑄連鑄工序后生產(chǎn)的低氧銅桿組織將會(huì)產(chǎn)生一定量的CuO 共晶體，使銅桿硬度增加。當(dāng)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)或冷加工時(shí)， 這些氧化物周?chē)a(chǎn)生不均勻變形，結(jié)果使銅桿產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象。含氧量過(guò)低，銅業(yè)中含氫量將會(huì)上升，在后續(xù)出銅、澆鑄、軋制過(guò)程中，隨著銅溫度的降低，氫在液態(tài)銅中的溶解度將明顯下降，這時(shí)會(huì)析出大量氫氣。在冷卻速度較慢的情況下，凝固時(shí)析出的氫氣不可能全部以氣泡形式排出，而主要析出在鑄坯結(jié)晶前沿的銅液中，隨著結(jié)晶體的生長(zhǎng)逐漸富集于支晶之間。與此同時(shí)，在固液面附近支晶凝固收縮時(shí)產(chǎn)生疏松和支晶的表面缺陷，為氣孔的形核長(zhǎng)大提供了有利的條件。這就是鑄坯在冷卻速度較慢的情況下會(huì)產(chǎn)生沿晶氣孔的一個(gè)主要原因，當(dāng)帶有沿晶氣孔的鑄坯進(jìn)入軋機(jī)時(shí)，鑄坯表面同時(shí)受外力作用，氣孔隨金屬的變形而被壓縮或伸長(zhǎng)，并與沿晶界分布的疏松及夾雜等缺陷互助作用并串通，使之成為一個(gè)薄弱的晶界結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)。在軋制時(shí)，不但不能與銅材母體壓成一體，相反使沿晶裂紋發(fā)生擴(kuò)展，從而產(chǎn)生沿晶熱裂，并在其后各道次變形中逐步擴(kuò)大。此外，沿晶界分布的氣孔降低了鑄坯斷面承受拉力的有效面積，降低了晶界塑性變形能力，使鑄坯開(kāi)裂。這就是所謂的“氫病”。

3、再生銅精煉爐結(jié)構(gòu)改造及工藝技術(shù)改進(jìn)探討

（1）設(shè)置擋火墻

在再生銅精煉爐生產(chǎn)過(guò)程中，爐腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量煙氣經(jīng)煙道排出，高溫?zé)煔鈺?huì)帶走大量熱量，雖設(shè)有煙氣余熱回收裝置，但仍有相當(dāng)多的熱量隨煙帶走，造成了熱能損失，增加了燃?xì)獾南?。為此，在靠近爐頂煙道口向爐腔中心側(cè)設(shè)置一垂直的擋火墻，擋火墻底部距熔池液面保留一定高度，保證煙氣能夠排出。擋火墻能減少熱量損失的原理在于，高溫?zé)煔庠趽趸饓χ暗臓t腔空間內(nèi)形成旋滾氣流，減少了煙氣直接排出，延長(zhǎng)了高溫?zé)煔庠跔t腔內(nèi)的滯留時(shí)間，通過(guò)熱輻射對(duì)銅進(jìn)行持續(xù)加熱，達(dá)到減少熱量損失、降低燃?xì)庀牡哪康摹?/p>

（2）采用全氧燃燒技術(shù)

傳統(tǒng)的再生銅精煉爐生產(chǎn)工藝采用的是壓縮空氣作為助燃劑。眾所周知，空氣的組成中只有約占21%的氧(O2)能起到助燃作用于天然氣發(fā)生反應(yīng)，而約占78%的氮(N2)既不助燃，也不與任何物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，最終是隨煙氣一起排出的同時(shí)帶走大量的熱量，造成熱量損失。同時(shí)，由于受壓縮空氣的限制，天然氣可能不完全燃燒，從煙道排出，造成燃?xì)庀睦速M(fèi)。采用全氧燃燒技術(shù)，可以有效解決上述問(wèn)題。對(duì)燒槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，內(nèi)管通入天然氣，外管通入純氧。在燒槍前端，內(nèi)管長(zhǎng)度稍短于外管，這樣在燒槍前端天然氣與氧氣可以形成預(yù)混后燃燒。

CH4+2O2=CO2+2H2O

通過(guò)控制裝置調(diào)整天然氣與氧氣的供氣比例為1∶2，如此可以保證天然氣與氧氣在燒槍口能完全燃燒，料盡其用，避免了熱量損失與燃?xì)饫速M(fèi)。

（3）采用雙爐門(mén)加料

傳統(tǒng)的再生銅精煉爐普遍采用單爐門(mén)加料，爐門(mén)位于爐體正面中央，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)采用單爐門(mén)的精煉爐存在諸多弊端。采用雙爐門(mén)加料，相對(duì)于單爐門(mén)加料存在以下優(yōu)勢(shì)：1、縮小加料死角范圍。加料裝置是一根可旋轉(zhuǎn)的加料長(zhǎng)臂，一端固定在叉車(chē)前端的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)上，一端焊接有放料的平板。加料時(shí)，將打包好的廢銅放在平板上，叉車(chē)司機(jī)操作叉車(chē)通過(guò)加料口將加料臂伸入爐腔內(nèi)，旋轉(zhuǎn)加料臂是廢銅落入爐內(nèi)。因?yàn)榧恿峡诔叽缂敖嵌鹊南拗?，采用單爐門(mén)加料的精煉爐，加料臂可伸及范圍之外存在的加料死角范圍較大，而采用雙爐門(mén)加料可大大縮小死角的范圍。2、提高生產(chǎn)效率。兩個(gè)加料口同時(shí)加料，顯然可以縮短加料時(shí)間。在扒渣階段，受扒渣耙長(zhǎng)度的限制，遠(yuǎn)離扒渣口的渣料扒不到，只有通過(guò)將打氧管通過(guò)加料口伸入銅液使銅液沸騰，涌動(dòng)的銅液將渣料驅(qū)趕到扒渣口，然后扒除。采用單爐門(mén)加料時(shí)，同樣受爐門(mén)尺寸和角度以及打氧管長(zhǎng)度的限制，存在打氧死角，死角范圍內(nèi)的渣料不易被驅(qū)趕到扒渣口，只有延長(zhǎng)打氧時(shí)間以便將盡可能多的渣料驅(qū)趕至扒渣口扒除；采用雙爐門(mén)加料時(shí)，扒除遠(yuǎn)離扒渣口側(cè)銅液面的渣料，可將打氧管通過(guò)遠(yuǎn)離扒渣口側(cè)的加料口伸入銅液，使打氧死角范圍縮小，打氧驅(qū)趕渣料也更便捷，縮短的扒渣的時(shí)間。在還原階段，需將成包的木炭加入爐內(nèi)銅液表面，通過(guò)雙爐門(mén)加料口加木炭，既可以縮短加料的時(shí)間，還能使木炭在爐內(nèi)銅液表面分布根據(jù)均勻，保證銅液氧含量在工藝參數(shù)范圍內(nèi)。

（4）改變爐底面形式、爐體外殼采用整體鋼板焊接

傳統(tǒng)的再生銅精煉爐底面形式多為矩形，燒嘴開(kāi)在矩形一短邊中央，燒槍火焰噴射方向垂直兩短邊，越靠近短邊的廢銅距離火焰較遠(yuǎn)，四個(gè)直角點(diǎn)距離火焰最遠(yuǎn)，這部分銅只能靠臨近銅的熱傳遞及煙氣的熱輻射受熱，受熱最慢。將矩形底面的四個(gè)直角削去，改為8邊形，如下圖所示：

如此改造，可以減少與燒槍火焰距離較遠(yuǎn)部位的冷銅量，且更利于爐內(nèi)蓄熱，減少冷銅融化時(shí)間，降低天然氣消耗。

相應(yīng)的，爐體外殼由4個(gè)立面改為8個(gè)立面。傳統(tǒng)的再生銅精煉爐的爐體外殼多用多塊鋼板焊接而成，鋼板之間通過(guò)錨桿和加強(qiáng)筋加固。爐體外殼對(duì)爐體有定形作用，由于再生銅精煉是在高溫環(huán)境下進(jìn)行，受冷熱交替沖擊，多塊鋼板拼接而成的爐體外殼容易變形，隨著變形加深，可能造成爐體出現(xiàn)裂縫跑銅，甚至塌爐等嚴(yán)重事故。如果每個(gè)立面用一整塊鋼板，每塊鋼板連接處焊接，可以有效減少焊縫數(shù)量，每個(gè)立面再配以相應(yīng)數(shù)量的立柱支護(hù)，相應(yīng)的燒嘴、爐門(mén)加料口等開(kāi)口通過(guò)在相應(yīng)位置切割形成，如此便可以有效提高爐體的整體性、嚴(yán)密性和牢固性。

（5）采用天然氣還原技術(shù)

傳統(tǒng)的再生銅熔煉技術(shù)工藝普遍采用的還原劑為重油或者樹(shù)木等。采用重油還原，一是重油成本較高，二是重油在還原過(guò)程中因?yàn)槿紵煌耆俺龃罅康暮跓熢斐森h(huán)境污染。采用樹(shù)木插木還原，由于要采伐樹(shù)木，于環(huán)境不友好，另外插木時(shí)，受作業(yè)環(huán)境限制，整根樹(shù)木只有最多三分之一能插入到銅液里，且是靠近加料口的銅液，造成樹(shù)木大部分是在空氣中燃燒不經(jīng)濟(jì)，而且還原效果、效率低。改用天然氣還原技術(shù)，只需將天然氣吹管通過(guò)一根軟管與已有天然氣管道相連，中間設(shè)一道截止閥。采用天然氣還原的優(yōu)勢(shì)在于：一是環(huán)保、經(jīng)濟(jì)。天然氣本身就是一種清潔能源，主要成分為甲烷，基本不含硫，無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，燃燒后不會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，反應(yīng)式如下：

4Cu2O+CH4=8Cu+CO2+2H2O

天然氣在還原時(shí)釋放熱量，對(duì)銅液兼有保溫效果；二是還原效果好、效率高。還原時(shí)，操作工人可以將天然氣吹管置于銅液中任何部位，還原更加徹底。采用天然氣還原時(shí)，在銅液表面鋪一層木炭，能隔絕液面以上的氧融入到銅液中，提高銅液含氧量，影響還原效果。

（6）采用便捷測(cè)溫技術(shù)

再生銅精煉過(guò)程中溫度控制是一個(gè)相當(dāng)關(guān)鍵的因素，以往空氣燃燒的爐子中未使用熱電偶，無(wú)法檢測(cè)到爐膛的溫度。在通過(guò)技術(shù)革新，使用蓄熱燃燒和純氧燃燒技術(shù)，都需要檢測(cè)爐膛的溫度，因此需要安裝熱電偶。但安裝熱電偶的地點(diǎn)和保護(hù)措施極為難選，廢銅精煉使用的爐體機(jī)構(gòu)也制約了安裝熱電偶的地點(diǎn)，只能從爐頂打孔安裝。在以往爐臺(tái)制造時(shí)，為了測(cè)溫準(zhǔn)確，在爐頂打孔時(shí)直接打穿，為了保護(hù)熱電偶，在打好的孔里預(yù)埋Ф60的耐高溫不銹鋼管。但在銅的氧化過(guò)程中，有銅液夾渣濺在不銹鋼管內(nèi)，將孔堵塞，最后將熱電偶燒壞，使用壽命大概在兩個(gè)月左右。后來(lái)將不銹鋼管改用陶瓷管，熱電偶仍然不耐用。

再生銅精煉爐內(nèi)襯耐火層為鎂鋁鉻尖晶石磚，厚度為440mm，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，每三個(gè)月將燒損100mm，且當(dāng)耐火層燒損至150mm厚度時(shí)將不能使用。因此，根據(jù)內(nèi)襯耐火層燒損規(guī)律，設(shè)置三個(gè)不同深度的熱電偶孔，分別是150mm、200mm、300mm，三孔均位于爐頂最高溫區(qū)：距離燒嘴2.5米～3米處。

多個(gè)熱電偶孔的深度不同，精煉爐在第一次使用時(shí)，將熱電偶放于深度最深的熱電偶孔內(nèi)，通過(guò)檢測(cè)，得出一個(gè)參考值；在使用一段時(shí)間后，爐頂?shù)膬?nèi)襯耐火層燒損，使得熱電偶檢測(cè)的溫度上升，即將熱電偶放于第二個(gè)深度較淺的熱電偶孔內(nèi)進(jìn)行溫度測(cè)量，使用一段時(shí)間后，內(nèi)襯耐火層燒損，厚度變得更薄，依次類(lèi)推將熱電偶的位置進(jìn)行變換。

熱電偶第一次放于深度最深的熱電偶孔內(nèi)時(shí)，得出的參考值溫度用σ表示；爐膛內(nèi)準(zhǔn)確的溫度用手持式紅外線測(cè)溫儀測(cè)量，用ω表示；則中間的差值ξ=ω-σ；則平時(shí)爐膛內(nèi)的溫度為：σ+ξ。由于精煉爐在使用過(guò)程中，內(nèi)襯耐火層受損，使得內(nèi)襯耐火層內(nèi)壁與熱電偶孔之間的距離減小，即ξ在不斷變化，利用設(shè)置多個(gè)不同深度的熱電偶孔，保證熱電偶孔與內(nèi)襯耐火層內(nèi)壁之間的距離保持在一定的范圍內(nèi)，即保證中間的差值ξ的變化范圍在一定的范圍，增強(qiáng)對(duì)爐膛內(nèi)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

由于多個(gè)熱電偶孔的深度不同，即可達(dá)到長(zhǎng)期檢測(cè)的目的，也可達(dá)到對(duì)爐膛內(nèi)溫度進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)。

（7）增加保溫層、耐火層厚度，增加爐腔尺寸

增加保溫層厚度，可以提高保溫效果，減少熱量散失，節(jié)省燃料消耗，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)能減少高溫對(duì)作業(yè)環(huán)境的影響。增加耐火層厚度，除了提高保溫效果外，還能提高爐體的耐久性，延長(zhǎng)使用壽命，節(jié)約維護(hù)成本。

增加爐膛尺寸，一方面生產(chǎn)效率提高，每爐單次產(chǎn)銅量可以提高到到120噸，每噸銅產(chǎn)品成本降低；另一方面增加了熔煉過(guò)程的輻射受熱面積，降低爐膛出口煙溫，熔煉過(guò)程熱利用率提高。

以上，是結(jié)合再生銅精煉過(guò)程中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出的一些關(guān)于爐體結(jié)構(gòu)改造、工藝技術(shù)改進(jìn)等方面的探討，以期對(duì)廢雜銅再生行業(yè)在節(jié)能環(huán)保、提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面有所脾益。當(dāng)然，還有更多關(guān)于結(jié)構(gòu)及工藝的先進(jìn)改進(jìn)需要挖掘和整理。