譚芳香 黃以偉

(1.廣西壯族自治區(qū)知識(shí)產(chǎn)權(quán)發(fā)展研究中心，南寧 530029；2.南寧同達(dá)盛混凝土有限公司，南寧 530000)

隨著銅及其合金應(yīng)用的日益廣泛，特別是電子行業(yè)的快速發(fā)展，電子廢料量急劇增加，廢雜銅的組成朝著含銅越來(lái)越低、成分越來(lái)越復(fù)雜的方向發(fā)展，廢雜銅處理和利用的技術(shù)難度越來(lái)越高，環(huán)境污染的壓力進(jìn)一步加大。廢雜銅處理和利用的工藝及裝備水平對(duì)我國(guó)再生銅產(chǎn)業(yè)的節(jié)能、減排效果乃至整個(gè)銅行業(yè)的發(fā)展都有重大影響。目前廢雜銅冶煉工藝及設(shè)備主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：1)冷料入爐，物料形狀參差不齊，加料和熔化速度慢，幾乎占作業(yè)周期的1/2，生產(chǎn)效率低；2)消耗的燃料占比80%以上，能耗大；3)廢雜銅中雜質(zhì)元素組成復(fù)雜，含有多種金屬和非金屬元素，大大增加了火法精煉的難度，同時(shí)火法精煉工序和液態(tài)熔融粗銅的除雜要求不同，氧化、造渣頻率高，甚至造堿性渣等，周期長(zhǎng)、難度大；4)排渣頻次及渣量多，廢雜銅精煉造渣率在一定范圍內(nèi)隨著入爐品位的降低而升高，渣量多且黏度大，在結(jié)構(gòu)上要考慮出渣的便利性；5)煙氣含較多揮發(fā)物，要求煙氣設(shè)備能力較高，處理不當(dāng)，爐子出口、煙道和余熱回收系統(tǒng)會(huì)嚴(yán)重粘結(jié)[1-2]。目前國(guó)內(nèi)多采用固定式反射爐進(jìn)行廢雜銅精煉，主要采用“二段法”，其缺點(diǎn)在于氧化還原劑利用率低、機(jī)械化程度低、渣含銅高、環(huán)境污染嚴(yán)重等[2-3]。國(guó)外主要采用傾動(dòng)爐“二段法”處理廢雜銅，具有清潔高效等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)在于缺乏熔體微攪動(dòng)裝置，傳熱、傳質(zhì)效能低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等[4-7]。本文試驗(yàn)所用NGL爐為一圓筒形可傾轉(zhuǎn)的適用于冷裝料的銅火法精煉工業(yè)爐，具有操作靈活方便、便于出渣、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、雜質(zhì)脫除快、精煉效率高、能耗低的優(yōu)點(diǎn)，克服了固定式陽(yáng)極爐的操作強(qiáng)度大、環(huán)境污染嚴(yán)重、安全隱患突出及能耗偏高等缺點(diǎn)，且爐子本體造價(jià)低于傾動(dòng)爐，是一種既先進(jìn)又符合國(guó)情的新型冶金工業(yè)爐[8-19]。本文研究?jī)?nèi)容主要涉及采用NGL爐處理廢雜銅的工藝及生產(chǎn)實(shí)踐。

1 NGL爐冶煉工藝

1.1 NGL爐結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

NGL爐體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，爐體呈圓筒狀，工作時(shí)通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪，爐子可以繞它的橫軸作-8°～60°傾動(dòng)，非工作狀態(tài)可作360°旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)冶煉。爐內(nèi)砌筑鎂鉻轉(zhuǎn)，爐底有透氣磚透入氮?dú)膺M(jìn)行攪拌，燒嘴以一定的角度插入爐內(nèi)所需位置，并通過(guò)它們分別向爐內(nèi)噴入氧氣、天然氣和壓縮空氣，進(jìn)行氧化、還原反應(yīng)，最終產(chǎn)出陽(yáng)極銅。

在冶煉階段，爐子傾轉(zhuǎn)到相對(duì)水平面0～45°的位置，在此位置，爐體圍繞著它的縱中心軸以工藝所需的速度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為0.05～0.5 r/min。另外，爐體可以根據(jù)冶煉工藝要求，傾轉(zhuǎn)到不同的位置，如加料在0～60°，冶煉/還原/精煉在0～45°，出渣在 0～-8°，出銅在0～50°。

圖1 NGL爐體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of NGL furnace structure

1.2 NGL爐冶煉工藝流程

NGL爐冶煉工藝流程如圖2所示，該爐主要針對(duì)高品位廢雜銅(Cu≥85%)、殘極、不合格陽(yáng)極銅以及來(lái)自頂吹轉(zhuǎn)爐的液體粗銅(Cu≥92%)等原料。NGL爐主要包括爐體裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、燃燒系統(tǒng)、氧化還原風(fēng)管、加料系統(tǒng)、煙氣處理系統(tǒng)等，其冶煉工藝流程主要涉及原料打包、火法精煉、陽(yáng)極澆鑄、煙氣煙塵處理等[6-8]。高品位廢雜銅通過(guò)打包后，加入爐料采用稀氧燃燒并通以氮?dú)鈹嚢鑿?qiáng)化熔化冶煉，而后鼓入壓縮空氣氧化，并加入熔劑進(jìn)行造渣，排渣結(jié)束控制爐體傾轉(zhuǎn)還原后進(jìn)行澆鑄，煙氣煙塵的處理主要高溫?zé)煔饨?jīng)冷卻降溫后進(jìn)入布袋收塵器除塵[9-11]。

NGL爐冶煉工藝主要通過(guò)加大燒嘴的天然氣流量對(duì)爐內(nèi)的物料進(jìn)行熔煉[20]。爐內(nèi)物料熔化后，進(jìn)入氧化階段，將爐體慢慢搖至45°，由氧化還原風(fēng)管向爐內(nèi)吹入壓縮空氣進(jìn)行吹煉，同時(shí)加大爐內(nèi)負(fù)壓[21]，保持爐內(nèi)溫度在1 250 ℃以下氧化階段完成后，開(kāi)始出渣。后續(xù)進(jìn)入還原階段，將爐體慢慢搖至45°，氧化還原風(fēng)管向爐內(nèi)吹入天然氣，此時(shí)要減小爐內(nèi)負(fù)壓，待雜質(zhì)降至合格范圍后還原出銅[11-14]。

圖2 NGL爐冶煉工藝流程Fig.2 NGL furnace smelting process

1.3 冶煉工藝技術(shù)參數(shù)

1)銅品位≥85%；2)NGL爐氧化及還原終點(diǎn)溫度均為1 200～1 220 ℃，出渣含銅率≤25%；3)天然氣量控制60～109 m3/h，爐內(nèi)壓控制在-30～45 Pa。氧化過(guò)程氧氣量不小于140 m3/h，壓力穩(wěn)定在0.68 MPa，爐體在25°～45°傾動(dòng)。還原過(guò)程天然氣量約為95 m3/h，壓力維持在0.38～0.4 MPa，爐體在0°～45°傾動(dòng)。氧化和還原過(guò)程中，風(fēng)管入爐長(zhǎng)度約保持在150 mm。4)天然氣單耗和氧氣單耗分別控制在40 m3/tCu、110 m3/t陽(yáng)極銅，還原單耗控制在2～4 m3/tCu，還原劑利用率大于60%。

2 NGL爐冶煉廢雜銅生產(chǎn)實(shí)踐

文中選取14批冶煉作業(yè)作為研究對(duì)象產(chǎn)出陽(yáng)極銅情況總結(jié)于表1。1#和2#NGL爐同時(shí)運(yùn)行，其中，1#NGL爐共運(yùn)行193爐次，產(chǎn)陽(yáng)極銅48 267 t，2#NGL爐共運(yùn)行269爐次，產(chǎn)陽(yáng)極銅67 289 t，兩個(gè)爐體共產(chǎn)陽(yáng)極銅115 556 t。

按4.7萬(wàn)元/tCu的價(jià)格計(jì)算，陽(yáng)極銅產(chǎn)值543 113萬(wàn)元，此外工藝還可產(chǎn)出有價(jià)金屬(精煉渣13 800元/t計(jì)算，煙灰5 110元/t計(jì)算)，工業(yè)總產(chǎn)值約583 171萬(wàn)元，利稅約18 615萬(wàn)元，可顯著提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

表1 NGL爐冶煉產(chǎn)出陽(yáng)極銅情況

3 與國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)的對(duì)比情況

國(guó)內(nèi)外“一段法”處理的廢雜銅要求入爐品位均在92%以上[22-25]，而本研究應(yīng)用的NGL爐，利用爐型優(yōu)勢(shì)，目前可處理混合品位在85%左右的廢雜銅。工藝集成氮?dú)鈹嚢杓跋⊙跞紵到y(tǒng)，天然氣單耗由設(shè)計(jì)值65 m3降至40 m3，熱效率可提高40%，節(jié)能30%，減少碳排放45%。NGL爐體加料門和出渣口合并，密閉性能好、自動(dòng)化程度高、環(huán)境污染小，可實(shí)現(xiàn)“一段法”工藝冶煉原料為Cu 85%以上廢雜銅，產(chǎn)出含Cu≥99.2%的陽(yáng)極銅的目標(biāo)。工藝技術(shù)進(jìn)一步提高后，可以處理混合品位80%以下的廢雜銅，且可搭配處理的更低品位的廢料，獲取更高的經(jīng)濟(jì)效益。各種廢雜銅處理系統(tǒng)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各種廢雜銅處理系統(tǒng)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)論

1)NGL爐冶煉工藝集成氮?dú)鈹嚢杓跋⊙跞紵到y(tǒng)后，可提高傳熱傳質(zhì)效果和反應(yīng)速率，天然氣單耗由設(shè)計(jì)值65 m3降至40 m3，節(jié)能效率明顯。

2)創(chuàng)新設(shè)計(jì)NGL爐體加料門和出渣口合并，自動(dòng)化程度高、密閉性良好、環(huán)境污染小。

3)采用NGL爐可實(shí)現(xiàn)“一段法”工藝冶煉原料為Cu 85%以上廢雜銅，采用富氧空氣氧化技術(shù)，雜質(zhì)脫除快、精煉效率高，產(chǎn)出含Cu≥99.2%的陽(yáng)極銅。