低品位 废杂铜火法熔炼 技术述评

□文/卢斗江西部矿业投资（天津）有限公司

低品位 废杂铜火法熔炼 技术述评

Comment on the Low-grade Scrap Copper Pyrometallurgical Technology

□文/卢斗江
西部矿业投资（天津）有限公司

本文着重介绍国内低品位废杂铜火法熔炼技术的进展，针对国外的富氧顶吹熔炼、卡尔多炉工艺进行了述评。

我国是铜矿资源较少的国家，矿产铜主要依赖进口铜精矿。因而充分利用国内外废杂铜资源，成为我国铜冶炼工业发展的重要组成部分。

废杂铜因含杂质的不同分高品位和低品位废杂铜。含铜较高的废纯铜或废纯铜合金可以直接制取再生杆或铜合金产品。低品位杂铜因含铜量低，含杂质高，要先经火法熔炼铸成阳极铜，然后电解精炼成电铜，并回收其他有价金属。我国现有废杂铜的预处理及再生利用技术与装备，主要集中在高品位的废杂铜。对低品位废杂铜的处理能力较弱，主要原因是处理低品位废杂铜的技术与装备不适用。传统的鼓风炉-转炉-阳极炉环境污染严重。而采用固定式阳极炉等处理低品位废杂铜，经济运行不合理，处理不好会污染环境。

低品位废杂铜含铜在20%~90%，且来源广，成分复杂，形状各异，处理难度比较大。但由于部分低品位废杂铜（品位一般在25%~30%）价格仅相当于相同品位铜精矿价格的 83%左右，再加上可以分拣出其他有价金属、废塑料等，故具有明显的获利优势。湿法冶金工艺由于除杂质能力差，贵金属回收率低，在废杂铜回收利用领域很少采用。本文主要针对处理低品位废杂铜的火法熔炼技术发展进行述评。

一、低品位废杂铜火法熔炼应满足的条件

1. 低品位废杂铜一般含有废橡胶、树脂、塑料等有机物，熔炼过程中容易产生二恶英污染，必须在高温下分解，温度控制在1 100~1 200℃，要有足够的二次燃烧空间。

2. 原料中填料为CaCO3、BaCO3、硅酸铝等，稳定剂为Pb、Sn化合物，这些杂质必须进入炉渣。原料来源复杂，要求炉渣成分、熔点波动范围大。

3. 耐火材料的选择。目前多选用高档的耐火材料来适应炉温、渣型的大幅度波动。

4. 对原料、燃料适应性强，并可以处理氧化矿。

5. 要充分利用有机物燃烧的热量，燃料选择范围要广。

6. 生产流程环节少，操作简单，运行成本低。

7. 环境污染小，能够满足国家环保要求。

8. 炉寿命要长，维修成本低。

9. 最大限度地节省投资。

二、国内低品位废杂铜冶炼技术状况

目前，国内低品位废杂铜以电子废料、铜泥、阳极炉炉渣等物料为主，其熔炼多采用二段法，废杂铜先在鼓风炉内还原熔炼成黑铜，或在转炉内吹炼成次粗铜，然后在阳极炉中或其他精炼炉中精炼成阳极铜。这种工艺流程复杂，设备多，能耗高，环保不能满足要求。国内处理低品位废铜的相关技术综述如下。

1. 鼓风炉熔炼技术

国内企业采用鼓风炉处理废线路板和铜泥。废线路板一般含铜15%~20%。将废线路板直接加入鼓风炉中，以焦炭为原料，加入石灰石（或石灰英）等熔剂，其中铁、钙分别与二氧化硅直接造渣，形成熔融状态的炉渣。铜则在还原气氛中被回收，最终形成粗铜锭，含铜量一般在80%~90%之间，含有微量的贵金属。铜锭由铜熔炼企业作为炉料，通过转炉或阳极炉进一步回收铜和贵金属。鼓风炉处理废电路板的问题是环境污染不容易解决。

铜泥一般含铜25%~30%，来源于电子工业和电镀行业。在广东、江西、江苏一些企业采用鼓风炉熔炼技术处理铜泥。以氧化钙为粘合剂，人工制成直径大约100毫米的团矿，然后 再鼓风炉熔炼，以焦炭为燃料和还原剂，最终产品为粗铜，其中含铜85%~90%，需要在阳极炉进一步精炼。

阳极炉渣一般含铜15%~40%。天津某企业采用鼓风炉处理阳极炉渣。阳极炉渣经破碎机破碎后，通过上料斗进入鼓风炉顶部的加料口。日处理量在18~30吨，以焦炭作为燃料和还原剂，加入石灰石、石英石等熔剂，其中铁、钙分别与二氧化硅直接造渣，形成熔融状态的炉渣。铜则在还原气氛中被回收，产出次黑铜，含铜量一般在80%~85%之间，炉渣含铜在1%左右，作为弃渣处理。次黑铜锭进入固定式阳极炉精炼产出阳极铜。

2. 回转式焚烧炉熔炼技术

国内某公司采用回转式焚烧炉处理废电路板和电子废料，工艺过程是：电子废料加入回转炉中，喷柴油点火并使电子废料中的有机物自燃，温度约为800℃，保证在焚烧过程中铜、贵金属和玻璃纤维不熔化。燃烧产生的烟气进入二次燃烧室，在1 200℃的温度下继续燃烧，使二恶英分解。通过二次燃烧室的烟气迅速进入快速冷却设施，使烟气在几秒钟之内降温到400℃以下，避免了二恶英的再次合成，消除了污染。经过焚烧之后的废电路板，已经没有有机物的污染问题。焚烧料加入阳极炉中进行熔炼。该技术是目前处理废电路板及电子废料较好的技术。焚烧过程的热能主要是废电路板中有机物的燃烧，这样可以使能耗大大的降低，达到节能的效果。

3. 阳极炉熔炼技术

目前国内一些小型再生铜企业采用阳极炉熔炼部分低品位废铜，但一般含铜平均品位都大于85%，经过反复氧化还原后，得到阳极铜。为了弥补铜原料的不足，国内大型再生铜冶炼企业通常采用配料的方式，加入部分低品位废铜。

采用阳极炉熔炼低品位废铜，需要反复氧化造渣、还原，能耗高、生产周期长、耐火材料损耗大，经济上不很合理。另外，由于低品位废铜含有大量的有机物，在熔炼过程中产生含持久性有机污染物，环保问题难以解决。因此，低品位废杂铜宜进行单独熔炼，并对产生的烟气进行有效的处理，从而做到经济合理，环保达标。

三、国外低品位废杂铜冶炼技术状况

1. 卡尔多炉

卡尔多炉是瑞典波立登公司开发的一项冶炼技术，最早应用于处理含铅烟尘，目前被成功用来冶炼铅精矿、废杂铜、阳极泥等。波立登公司在应用卡尔多炉处理废杂铜的过程中，发现它是处理低品位废铜最有竞争力的技术，经济效益很好。后来这种技术很快推广到其他国家的许多具有不同生产能力的冶炼厂处理各种物料。

1992年意大利威尼斯附近的Nuova Samim铜冶炼厂利用波立登的卡尔多炉技术处理低品位废杂铜，年产2.5万吨粗铜。俄罗斯的Kasimov利用卡尔多炉技术处理废杂铜和废旧电子元件。印度SWIL铜业公司2000年引进波立登技术11m3的卡尔多炉处理废杂铜，年产铜6万吨。 2007年我国江西铜业引进卡尔多炉处理废杂铜，年产铜5万吨。

卡尔多炉有多种类型，但基本结构类似，其炉子本体与炼钢氧气顶吹转炉的形状相似，由圆筒形的下部炉缸和喇叭形炉口两部分组成，内衬耐火砖。炉子本体在电机、减速传动机的驱动下，既可以前后倾转又可以绕炉子中心轴线转动。正常作业时，炉体在相对水平位置28°的位置上不停转动，熔体中不存在死角，炉内搅拌激烈，传热传质条件非常好，适合废杂铜的冶炼。顶部设有整体式烟罩和水冷烟道，烟气进入收尘系统，环保条件好。顶吹喷枪通过烟罩从炉口插入炉内。

卡尔多炉处理废杂铜分加料、熔炼、放渣、吹炼、出铜5个步骤，在一台炉内分阶段完成，粗铜品位可达到98%。卡尔多炉处理废杂铜工艺是国外二段法处理废杂铜的一种先进工艺。其反应过程通常用废杂铜原料中的铁作为还原剂 ，添加石英石熔剂。

卡尔多炉可以处理含铜15%~99%的废杂铜，适应性强，物料不用预处理，可以直接入炉。可以控制氧化和还原气氛，渣含铜可以得到有效控制。炉体结构紧凑，密闭性强，环保条件好。但炉体转动部件多，结构复杂，投资昂贵，单炉产能小于10万吨。炉内间断作业，炉内温差大，烟气流速高，耐火砖损耗高，炉寿命较短，不适合大规模引进处理低品位废杂铜。

2. 氧气顶吹熔炼

氧气顶吹熔炼分根据熔炼方式分氧气顶吹浸没式熔炼与非浸没式熔炼。

氧气顶吹浸没式熔池熔炼的代表炉型是澳斯麦特炉与艾萨炉，两者大同小异，都是在悉罗喷枪的基础上发展起来的一种喷枪顶吹熔池熔炼技术，只是在炉体结构与喷枪构造上存在差别。通过近十余年的发展，都获得了不同程度的应用和改善。澳斯麦特冶炼技术因其工艺的适用性和灵活性，在中国的原生铜冶金领域应用比较广泛。

澳斯麦特炉为圆柱型炉体结构，内衬耐火材料。其关键设备是一种直立浸没式喷枪，从炉顶插入熔池的渣层进行熔炼，把燃料与气体直接送入熔体的同时中，通过激烈搅拌，发生高强度的熔炼反应。

喷枪由四根同心管制成，共四层，最内层是粉煤和空气（载煤风），第二层是氧气，第三层是空气，最外层是用于保护第三层套筒壁的套筒空气，同时供燃烧烟气中的硫及其它可燃组分之用，最外层在熔体之上，不插入熔体，所有管材均为316L不锈钢。

顶吹熔炼技术应用于铜精矿冶炼已经非常成熟，国外有应用于处理废渣和电子废物的先例如日本同和公司。主要技术特点是：原料适应性强、熔炼强度高、自动化程度高、环保条件好。主要缺点是:需要引进专利技术，价格昂贵；炉寿命短，需要高档耐火材料，维修费用高；周期熔炼，枪头（不锈钢管）消耗大，运行成本高。

非浸没式熔炼的代表炉型是自热炉。自热炉又称“北镍法”，应用于金川集团公司高品位二次铜精矿的熔炼，是1991年从俄罗斯引进，圆柱型炉体结构，内衬镁铬砖，形状类似于艾萨炉和奥斯麦特炉，采用喷枪工业纯氧（氧气90%~99%）顶吹，喷枪是非浸没式的,不插入熔池内。主要处理金川公司高锍镍磨浮分离后含铜50%~60%的二次铜精矿，现年产粗铜7万吨。由于采用工业纯氧吹炼，能够充分利用金属硫化物的氧化放热，且利用率比较高，在不加入或少加入燃料的情况下，就能保证冶炼过程的正常进行，被称为“自热炉”。

主要特点是：

（1）对原料适应性强，对原料物理形态及化学成分要求不高，可以处理粉料和块料；

（2）生产率高；

（3）热利用率高；

（4）烟气量小。

主要缺点是：

（1）炉寿命短，维修费用高；

（2）枪头消耗不锈钢管，并需要高压氧，运行成本高；

（3）炉体上部燃烧空间小。

根据顶吹熔炼的结构特点及原理，采用顶吹熔炼处理低品位废铜在技术上有一定可行性，但需要进一步探讨。

四、国内低品位废杂铜熔炼技术的进展

近年来，中国铜冶炼技术发展迅速，在引进、消化、吸收富氧顶吹熔炼的基础上，自主研发富氧底吹和富氧双侧吹熔池熔炼技术，取得了长足的进展。

1. 富氧底吹熔池熔炼

富氧底吹熔池炼铜法、水口山炼铜法、氧气底吹造锍捕金工艺均指同一种工艺方法。真正的富氧底吹炼铜法是在东营方圆有色金属公司取得生产成功，被命名为“高富氧底吹熔池炼铜新工艺”。

其主体核心设备是1台卧式可回转的反应炉，内衬铬镁砖，外形类似诺兰达炉和智利的特尼恩特熔炼炉。区别是诺兰达炉和智利特尼恩特炉通过风口送氧，而底吹炉是通过氧枪送氧。底吹炉共有9支氧枪，分两排布置：下排呈7o角，5支氧枪，上排呈22o角，4支氧枪。上下排的氧枪夹角为15o，错开排列，采用富氧熔炼。与此配套的是主要有制氧站、硫酸系统、转炉系统、余热锅炉、电收尘和渣缓冷、渣选矿系统。

底吹熔炼的技术特点：

（1）原料适应性强。底吹熔炼炉可以处理块料，也可以处理粉料。适宜处理含金、银比较高的各种铜精矿，造锍捕金效果好，也特别适宜处理含砷较高的铜精矿，对铜精矿的品位要求不高。

（2）备料简单。精矿不用制粒和干燥，湿精矿可直接入炉，烟尘率低。

（3）操作安全性高。富氧空气从炉体底部先进入铜锍层参加反应，不易形成泡沫渣。

（4）生产操作易于掌握。整套系统采用了DCS控制，自动化程度较高，易于掌握。

（5）完全自热熔炼，能耗低。富氧浓度高达70%~80%，可降低燃料消耗，甚至不用外加任何燃料，烟气量少，利于后续烟气处理工序。

（6）铜回收率高。尽管底吹熔炼炉渣含铜比较高，铜直收率低，但经过炉渣选矿后，渣尾矿含铜低，铜总回收率高。

（7）投资省。卧式炉结构形式，厂房低。具有自主知识产权，可省去引进其他富氧熔炼技术高昂的许可证费用。

（8）环保条件好。采用高压富氧空气，不需要捅风眼机，操作控制灵活，富氧空气从炉底部进入，产生的噪音小。炉顶加料口容易维持负压，不需要气封措施，能有效防止烟气外逸。

（9）作业率高。氧枪寿命较长，不需要频繁停炉换枪，生产效率高。

目前富氧底吹熔池熔炼技术在铜精矿熔炼方面已显示出高效、环保、节能的效果，应用于低品位废杂铜熔炼有一定的可行性，但尚需要理论研究、炉型改造和实践验证。

2. 富氧双侧吹熔池熔炼

针对低品位废杂铜的火法熔炼，国内目前正在金峰炉的基础上研究一种新的炉型。该炉类似金峰炉，是一个具有固定炉床、横断面为矩形的竖炉，形象地说是“鼓风炉座在前床上”。侧墙、端墙和炉顶为水套结构，炉底前床和炉顶下部的一段围墙用镁铬砖砌筑，有上、下两排风眼，属于双侧吹富氧熔池熔炼。冶炼工艺的冶炼机理和过程总体上与通用的铜冶炼工艺一致，其关键技术在于熔炼炉。双侧吹熔炼炉是一巨型熔池熔炼炉，炉体上部两侧共设置了两排风口。熔炼炉的主要特点是采用深熔池熔炼，风口位于渣层，即富氧气体直接通过炉渣进入熔池进行熔炼。深熔池熔炼保证炉渣与冰铜（粗铜）的充分的沉降分离，预计出炉渣含铜在0.6%以下，经过电炉进一步贫化，渣含铜可以降低到0.5%以下。

该炉属双侧吹熔池熔炼，能快速的完成废杂铜的熔化、还原和造渣反应。熔池可控制在氧化气氛，也可控制在还原或中性气氛。冶炼过程仍采用SiO2-CaO-FeO渣系，但熔剂仅选用石灰石，炉渣熔点可在1 150℃~1 400℃任意选择。

基于炉渣对铜水套材质基本不侵蚀，炉体采用铜水套拼装，施工时间短，投资低。生产过程中维护量极小，维护费用很低。经金峰铜业连续两年多的生产实践证明，炉壁依靠铜水套挂渣进行生产是安全可靠的。

炉膛上部的风眼能有效的补充二次风，并有足够的空间保证将挥发的有机物在1 100℃~1 350℃的温度下完全燃烧。锌、锑、镉进入烟尘后进一步回收，铅和锡一部分进入烟尘一部分进入渣。铁、锰、铝氧化后进入渣中。

炉的燃料可以用焦粉或无烟煤，也可采用天然气，亦可焦粉、天然气混用。熔炼炉在-50Pa~-100Pa下工作，无溢散烟气，炉体周围劳动环境优越。风口不需要清理和更换，工人劳动强度小。生产过程采用DCS控制，自动化程度高。

废杂铜冶炼过程中要重点控制反应产生的烟气，杜绝二恶英的生成。为严防二恶英在500℃以下重新合成，余热锅炉出口烟气温度一般控制在600℃~650℃。该烟气采用喷水冷却或动力波骤冷后，烟气温度迅速降低到200℃以下，采用布袋除尘器收下余尘，将烟气放空。

双侧吹熔池熔炼有如下特点：

（1）拼装铜水套：炉体采用铜水套拼装，投资低，因而降低了耐火材料的消耗；

（2）渣含铜低：在一个炉内完成熔炼与分离过程，预计渣含铜可达到≤0.5%，直收率高于其他炉型，预计可达到97%；

（3）能耗低：吨铜综合能耗低，预计粗铜综合能耗≤280Kg标煤（国家粗铜能耗先进指标为≤340 Kg标煤）；

（4）环保效果好：炉体密封性强，生产过程中无烟气外溢，车间操作环境好，同时，由于烟气温度高并采用富氧熔炼，因此，有机物得到较好的分解，烟气量减少60%~70% ；

（5）厂房投资低：由于厂房高度低（目前的金峰炉总高约33米），与澳斯麦特炉（厂房总高约55米）相比，土建投资大幅降低；

（6）对原料的适应性强：适宜处理低品位废铜，同时也可以处理铜氧化矿。

目前该工艺还处于理论研究阶段，应用于低品位废杂铜熔炼尚需要进一步的研究和论证。

五、结语

传统的低品位废杂铜的熔炼通常采用鼓风炉熔炼－转炉吹炼－阳极炉精炼的三段法，流程长、能耗高，环境污染严重，无论从经济还是环保方面分析，现在均已不可能采用。

采用阳极炉熔炼低品位废杂铜，需要反复氧化还原，能耗高、生产周期长、耐火材料损耗大，经济上不合理。另外，由于低品位废铜含有大量的有机物，在熔炼过程中产生含持久性有机污染物，环保问题难以解决。

引进卡尔多炉或澳斯麦特炉工艺，不但设备价格昂贵，运行成本高，而且需要支付高昂的专利费和技术服务费，一般的再生铜企业难以承受。

笔者认为在具有完全自有知识产权的富氧底吹熔炼或双侧吹熔炼的基础上，进一步研究论证，并对炉型等进行改进和完善，研发出适合我国国情的低品位废杂铜熔炼的新炉型，是低品位废杂铜火法冶炼的发展趋势和方向。

（略）