利用DTW技術(shù)優(yōu)化FRHC銅桿的熔煉工藝

劉海粟

(湖南金龍國際銅業(yè)有限公司，湖南 長沙 410219)

目前國內(nèi)利用廢雜銅制造FRHC銅桿的企業(yè)不在少數(shù)，但在熔煉階段仍有諸多問題，例如使用的反射爐熱效率低、添加的有效精煉劑少和生產(chǎn)管理粗獷等，所以對(duì)熔煉工藝的優(yōu)化勢(shì)在必行。本文重點(diǎn)介紹來自德國最新的DTW技術(shù)，利用該技術(shù)優(yōu)化FRHC銅桿熔煉工藝將會(huì)減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 簡介

FRHC的英文全稱是fire-refined high conductivity，即火法精煉高導(dǎo)銅(簡稱FRHC )。DTW的英文全稱是Direct-to-Wire，即直接制桿(簡稱DTW )。DTW技術(shù)是德國ANDRITZ Maerz公司采用的一項(xiàng)新技術(shù)，主要內(nèi)容是優(yōu)化利用廢銅制造火法精煉高導(dǎo)(簡稱FRHC)銅桿的生產(chǎn)，大到熔爐選型、生產(chǎn)管理，小到冷卻水壓力控制、螺栓的選擇，使每個(gè)細(xì)節(jié)都達(dá)到最佳。DTW技術(shù)由ANDRITZ Maerz公司和他的合作伙伴——METTOP公司共同開發(fā)。ANDRITZ Maerz公司在筑爐方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，著名的西班牙La Farga Lacambra公司在其COSMELT工藝中所用熔爐的前身，就來自于ANDRITZ Maerz公司。METTOP公司在銅冶金方面優(yōu)勢(shì)顯著，能通過采用先進(jìn)合理的精煉技術(shù)，最大限度地減少FRHC銅桿的生產(chǎn)費(fèi)用。

因?yàn)椴煌肺坏膹U銅所對(duì)應(yīng)的精煉方法不同，所以生產(chǎn)費(fèi)用與廢銅品位成反比例關(guān)系。對(duì)于高品位廢銅只需一個(gè)精煉步驟，加入二氧化硅、石灰石或者鐵這樣簡單便宜的精煉劑即可；而低品位廢銅可能需要多個(gè)精煉步驟，需要加入更多像硼酸這樣昂貴的添加劑來去除多余的雜質(zhì)，這樣費(fèi)用就上升了。通過圖1可以找到廢銅品位與生產(chǎn)費(fèi)用之間的最佳點(diǎn)，以此來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)化生產(chǎn)。

圖1 生產(chǎn)成本與廢雜銅品位的關(guān)系

2 熔煉工藝優(yōu)化

2.1 配料優(yōu)化

DTW工藝會(huì)用到各種型式和不同品位的廢銅，對(duì)廢銅品位有一定的要求。用廢銅冶煉生產(chǎn)銅桿的原材料分為3個(gè)級(jí)別(如表1)，1級(jí)廢銅是由清潔的、不鍍錫的、無包覆的和非合金化的銅線和電纜線所組成，務(wù)必不要用燒過的線，這些廢銅由標(biāo)準(zhǔn)含量為99%的非合金化的銅線組成。2級(jí)廢銅是由小直徑、沒有絕緣、通常為電話線的銅線、銅管，帶清漆或絕緣的銅排銅線以及干凈紫銅管棒所組成，最小含銅量為96%；3級(jí)廢銅是由非合金化廢銅組成的混合物，其標(biāo)準(zhǔn)含銅量為92%。采用低品位(3級(jí))的廢銅是從經(jīng)濟(jì)角度考慮的，但因?yàn)殡s質(zhì)太多在冶金方面還是受到了限制。通常3級(jí)廢銅在原料中的比例不能大于10%。

表1 DTW工藝用的廢雜銅級(jí)別

不同類型的金屬對(duì)銅的影響不一樣。比如，鎳和銅是互溶的金屬，很難將銅鎳用火法精煉的方法分離。鎳在銅液中結(jié)晶，造成脆性，使銅桿的抗拉強(qiáng)度、延伸率明顯降低，且使銅坯斷裂，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。因此需要在配料時(shí)將含鎳高的原料去除，對(duì)選銅人員進(jìn)行培訓(xùn)，讓其了解哪些原料含鎳高，從源頭上杜絕。通過光譜分析儀對(duì)質(zhì)量較差的銅桿分析檢測，及時(shí)將數(shù)據(jù)反饋，追尋問題原料，逐步積累含鎳高的原材料的種類。這只是對(duì)某種有害元素處理方法的介紹，還有其它有害元素的合理處理方式，DTW技術(shù)會(huì)對(duì)每個(gè)元素的每個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 氧化除渣優(yōu)化

絕大多數(shù)雜質(zhì)對(duì)氧的親和力都大于銅，這是氧化精煉的核心。對(duì)整個(gè)工藝流程而言，主要考慮的是時(shí)間和經(jīng)濟(jì)效益，可以用富氧空氣或者是工業(yè)純氧來加速氧化。氧化期間，比銅活潑的雜質(zhì)金屬容易被除去，如Fe、Al、Si、P和Zn，As、Sb、Ni、Pb和Sn也能被部分除去。氧化環(huán)節(jié)受原料中雜質(zhì)的影響較大，可以通過設(shè)計(jì)和選擇渣型來進(jìn)行控制。通常影響爐渣的因素有氣流速度、氧化時(shí)間和熔煉溫度。合理的造渣方式是既要去除雜質(zhì)，又要將雜質(zhì)的氧化物富集，同時(shí)還要兼顧渣的含銅量和渣的總量。爐渣的主要參數(shù)有熔點(diǎn)和液相線范圍、雜質(zhì)和銅的溶解度、粘度、渣含銅量、爐渣的總量、對(duì)耐火材料的侵蝕、熔體和爐渣的分離程度及添加劑等。

銅冶金中，最常見的爐渣體系是CaO-FeOx-SiO2。爐渣的組成和酸堿度決定了雜質(zhì)的去除情況。其他的一些成分也會(huì)影響渣的性質(zhì)，如Na2O、BaO、SrO、CaO等堿性氧化物；MnO、FeO、ZnO、MgO、BeO、Cr2O3、Fe2O3、Al2O3、TiO2等中性氧化物；SiO2、P2O5等酸性氧化物?？傮w而言，爐渣主要分為三種，其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

(1)F型酸性渣

以FeOX為主，優(yōu)點(diǎn)是熔點(diǎn)低、能很好的去除像PbO這樣的堿性氧化物；缺點(diǎn)是氧化時(shí)容易出現(xiàn)磁性問題，渣含銅量較高、粘度大、對(duì)As2O3等酸性氧化物去除效果較差。

(2)CF型堿性渣

以CaO為主，優(yōu)點(diǎn)是液相線范圍寬、能很好的去除酸性氧化物、氧化時(shí)沒有磁性物質(zhì)產(chǎn)生、渣含銅量較低(相比于F渣來說，但實(shí)際上還是很高)；缺點(diǎn)是熔點(diǎn)(約1300℃)比F渣高、SiO2的溶解度有限、不能很好的去除堿性氧化物、流動(dòng)性差、對(duì)耐火材料有強(qiáng)的侵蝕性。

(3)FCS型中性渣

CaO-FeOx-SiO2共同作用，優(yōu)點(diǎn)是熔點(diǎn)低、能很好的去除雜質(zhì)As和Sb(需要添加稀土Ce)、渣含銅量低、粘度適中；缺點(diǎn)是液相線范圍比F渣窄(能通過Na2O或者Cu2O來拓寬)。

對(duì)比三種渣型，發(fā)現(xiàn)各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以要根據(jù)不同原料，在雜質(zhì)含量、渣含銅量和渣粘度等各種因素中，找尋最佳的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)，選擇合理的渣型。DTW技術(shù)通過強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫分析，可以為不同原料選擇最優(yōu)化的渣型。

傳統(tǒng)渣型使用受限，因?yàn)橄馪b、Ni、Sn和Sb這樣的元素，由于具有和Cu相近的氧化焓，所以很難去除。另外雜質(zhì)的氧化程度與其在渣相中的分配系數(shù)有關(guān)，也就是說雜質(zhì)之間會(huì)相互影響。因此，很難說僅找到合適的渣型就足夠了，還需要進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)。為了克服這個(gè)困難，DTW技術(shù)提供兩種改善雜質(zhì)去除的措施，(1)反復(fù)氧化還原；(2)添加純堿或者其他的特殊化學(xué)試劑作為熔劑。

與此同時(shí)，還得考慮作業(yè)時(shí)間、對(duì)耐火材料的侵蝕和添加劑的費(fèi)用等因素。除渣程度(即扒渣后留在爐內(nèi)的渣)對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量來說很關(guān)鍵。因?yàn)樵谶€原期，未被扒出的雜質(zhì)會(huì)被重新還原進(jìn)入銅液。影響除渣作業(yè)的主要因素有渣型粘度、渣量和工人操作技能等，DTW技術(shù)都會(huì)對(duì)這些進(jìn)行優(yōu)化。

通常DTW有2套技術(shù)方案，即“添加熔劑工藝”和“無劑熔劑工藝”。 “無熔劑工藝”主要是用于雜質(zhì)含量較低的原料。當(dāng)原料雜質(zhì)含量較高時(shí)，需要采用“添加熔劑工藝”，通過熱力學(xué)計(jì)算軟件Factsage和試驗(yàn)來確定添加劑的種類和數(shù)量。使用添加劑時(shí)，高效短時(shí)的工藝，有助于最大限度減少對(duì)耐火材料的侵蝕。

2.3 還原優(yōu)化

國際上通用的FRHC銅桿標(biāo)準(zhǔn)是美國標(biāo)準(zhǔn)C11020，該標(biāo)準(zhǔn)要求Cu+Ag≥99.90%，O%≤0.04%，雜質(zhì)總和≤0.04%(400ppm)。表2列出的是歐洲標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)等同于ISO1337∶1980。如表2所示，最終FRHC銅桿要求的質(zhì)量是Cu+Ag≥99.90%，O%≤0.04%。還原工藝與最終要求的含氧量有關(guān)。非常關(guān)鍵的一點(diǎn)是，要根據(jù)還原劑(如新鮮樹木、LPG、天然氣和氫氣等)的不同，選擇合適的還原裝置和合理的還原工藝。DTW技術(shù)有適用于各種還原劑的先進(jìn)裝置，包括比較少見的NH3還原也有配套裝置。對(duì)于新的天然氣摻水蒸汽還原工藝也有專門的裝置，能對(duì)天然氣和水蒸汽進(jìn)行均勻化處理，提高還原效率。DTW技術(shù)對(duì)還原工藝的優(yōu)化包括，控制爐內(nèi)壓力、根據(jù)反應(yīng)過程智能化調(diào)節(jié)還原劑輸入量和在線檢測含氧量以便控制還原終點(diǎn)。特有的還原劑風(fēng)口系統(tǒng)能保證反應(yīng)高效進(jìn)行。特有的氮?dú)鈬姶迪到y(tǒng)能保證銅液成分均勻化，減少澆鑄時(shí)期偏析現(xiàn)象，從而保證FRHC銅桿的質(zhì)量。

表2 FRHC銅歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1977:1998

3 熔煉設(shè)備優(yōu)化

DTW技術(shù)既可以用于現(xiàn)有FRHC銅桿生產(chǎn)線的優(yōu)化，也可用于新建生產(chǎn)線的優(yōu)化。對(duì)現(xiàn)有熔爐的優(yōu)化包括爐門合理開閉，減少不必要的熱量損失；冷卻水量和水溫控制，保證溫度合理性；燒嘴位置精確，利用最優(yōu)化的火焰長度與角度使熱效率達(dá)到最佳等。對(duì)于新建項(xiàng)目，建議采用下列最先進(jìn)的熔爐。

3.1 滾筒爐

滾筒爐外形像滾動(dòng)的圓筒，因此得名。該爐廣泛用于FRHC銅桿生產(chǎn)中的熔化、精煉和鑄造環(huán)節(jié)，圓形的外貌能改善熔化效率，容量在20～40t之間。若需更大容量的爐子，可以配備一個(gè)帶爐床的豎爐，爐床能收集熔化了的銅，并通過一個(gè)溜槽流入到滾筒爐內(nèi)，進(jìn)行進(jìn)一步的精煉，最終達(dá)到FRHC銅桿的質(zhì)量要求。圖2為一臺(tái)可回轉(zhuǎn)的滾筒爐。

圖2 滾筒爐

滾筒爐是精煉效率最高的熔爐，因?yàn)樗休^深的熔池。氧化時(shí)通過高壓風(fēng)管深插銅液的方式，將壓縮空氣或者富氧空氣鼓入爐內(nèi)，還原劑的加入也是類似方法。氧含量是FRHC銅桿的一個(gè)重要參數(shù)，滾筒爐爐內(nèi)的氧含量比傾動(dòng)爐的低。精煉風(fēng)口在熔池下方，通過縱向軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)爐子轉(zhuǎn)動(dòng)從而增加了熔池深度。通過浸沒風(fēng)口和高速噴吹精煉氣體的方式，能增加反應(yīng)效率、減少材質(zhì)損耗和縮短作業(yè)時(shí)間。安裝的氮?dú)鈬姶迪到y(tǒng)有助于扒渣和使銅液成分均勻化。噴吹氣體同樣能加快氧化和還原速率。

3.2 傾動(dòng)反射爐

最早由德國ANDRITZ Maerz公司開發(fā)出來，這種爐子可用于大規(guī)模廢銅熔化、精煉和鑄造。相比于20～40t的小型熔化用滾筒爐，傾動(dòng)反射爐能快速大批量加料，熔池面積大，熱效率也非常高。從傾動(dòng)反射爐上側(cè)的大爐門進(jìn)行加料，加料裝置為可移動(dòng)的加料機(jī)或帶自動(dòng)稱重的大容量自動(dòng)加料機(jī)。加完一次料后，關(guān)上爐門讓廢銅熔化。不斷重復(fù)上述步驟，直至加滿料為止，可利用純氧或者富氧燒嘴來增加效率。180t傾動(dòng)爐的加料側(cè)如圖3所示。待廢銅全部熔化后，爐子轉(zhuǎn)動(dòng)到精煉位置以此來淹沒風(fēng)口。吹入的空氣用來去除雜質(zhì)和造渣。加入一些添加劑用來去除像鎳這樣的有害元素。用銅液中的氧含量來判斷氧化是否完成，當(dāng)氧化結(jié)束時(shí)，爐子回轉(zhuǎn)到初始位置。接著爐子轉(zhuǎn)動(dòng)到除渣位置，將熔池表面的爐渣扒去。燒嘴火焰和氣體噴吹系統(tǒng)所帶來的沖擊力會(huì)將爐渣吹向扒渣口。扒渣結(jié)束后，爐子又轉(zhuǎn)到精煉位置，開始還原。如有必要可進(jìn)行反復(fù)氧化-還原精煉，直到最終銅液成分達(dá)到要求為止。最后銅液進(jìn)入鑄機(jī)進(jìn)行澆鑄作業(yè)。由于傾動(dòng)爐具有特殊的爐頂結(jié)構(gòu)和氣密性良好的爐門系統(tǒng)，所以能很方便地調(diào)節(jié)爐壓，而且煙氣不會(huì)存留在生產(chǎn)現(xiàn)場，同時(shí)還保證銅液中氧含量低。

圖3 傾動(dòng)反射爐

3.3 HSF組合爐

德國ANDRITZ Maerz公司的爐床-豎爐(簡稱HSF組合爐)(圖4)，是在傳統(tǒng)陰極銅豎爐上發(fā)展起來的，能高效熔化大量廢銅。HSF爐是由1個(gè)爐床-豎爐和2個(gè)精煉滾筒爐形成的組合爐。如果用熱效率高的豎爐和靈活性強(qiáng)的傾動(dòng)反射爐形成組合爐，精煉效果可能會(huì)更佳。爐床-豎爐由2部分組成，一是豎爐部分，用來熔化；二是爐床部分，用來收集和容納銅液。廢料通過加料卷揚(yáng)機(jī)加入豎爐中，在豎爐下部，沿徑向安裝了4～8個(gè)燒嘴，作為熔化的初始熱源，熔化效率可達(dá)50t/h。流經(jīng)豎爐的廢熱氣可以對(duì)豎爐上部的廢銅料進(jìn)行預(yù)熱。熔融的銅液和爐渣流入爐床，進(jìn)行進(jìn)一步的加熱與處理。爐床可對(duì)熔融銅液和爐渣進(jìn)行最大限度的收集，容量為35～250t。爐床尾部有1～2個(gè)燒嘴，用來加熱爐床區(qū)域。爐床里燒嘴產(chǎn)生的多余廢熱氣流經(jīng)豎爐，有助于廢料的預(yù)熱和提高熱效率。將已熔和未熔的銅及時(shí)分離，能使熔池始終處于加熱狀態(tài)，這樣大大地減少了整個(gè)作業(yè)時(shí)間。

圖4 HSF組合爐

一旦爐床達(dá)到飽和，通過爐子底部的一個(gè)噴吹系統(tǒng)即可將浮渣去除。接下來，不含銅渣的銅液會(huì)通過一個(gè)已經(jīng)加熱的溜槽，進(jìn)入1～2個(gè)滾筒爐中，進(jìn)行進(jìn)一步的精煉和鑄造。

4 結(jié)束語

DTW主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)是良好的爐型設(shè)計(jì)、有效的還原劑加入系統(tǒng)和氮?dú)鈬姶迪到y(tǒng)，這些技術(shù)對(duì)銅液均勻化、除渣和反應(yīng)效率等方面都有幫助。DTW技術(shù)同時(shí)也會(huì)優(yōu)化各個(gè)細(xì)節(jié)，例如天然氣、氧氣、壓縮空氣、耗電、耐火材料內(nèi)襯、加料機(jī)的柴油、冷卻水、勞動(dòng)力和財(cái)務(wù)等。

熔爐工藝在整個(gè)FRHC銅桿的生產(chǎn)過程中至關(guān)重要，目前熔爐工藝管理粗放，憑經(jīng)驗(yàn)操作，存在很多問題。通過DTW技術(shù)優(yōu)化熔爐工藝是FRHC銅桿生產(chǎn)商的明智選擇。

[1]Timm Lux and Jorg Kohlhofer, Christine Wenzl.Maerz Direct-to-Wire?Technology Optimized FRHC Copper Production[R].2011