利用紫杂铜生产低氧铜杆的工艺与设备

吴茂林

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

铜杆一般是指直径为Φ8～25 mm的实心圆铜杆，含铜量不低于99.9%，是电线电缆生产的坯料。铜杆经过拉丝工序后，生产出各种规格大小的铜线芯，再根据客户的需求进行束绞及涂覆，生产出各类电线电缆产品。近些年来，我国利用紫杂铜再生的铜杆，产量巨大，主要还是用于生产规格较大的铜线，如建筑电缆等。而在质量要求严格、规格较小的电磁线生产方面，则较少涉足。与阴极铜连铸连轧法或上引法铜杆比较，虽然紫杂铜直接再生的铜杆杂质含量较高，但其性能指标仍可满足GB/T 3952—2016的相关要求[1]。

1 无氧铜杆与低氧铜杆的特点

铜杆按含氧量的不同，可分为无氧铜杆与低氧铜杆，其主要性能如下：1）氧含量。无氧铜杆的氧含量不超过 20×10-6；低氧铜杆氧含量为 100×10-6～400×10-6。2）工艺装备。无氧铜杆大多采用上引法，使用的主要设备是电炉、上引机等；而低氧铜杆采用连铸连轧法，使用的主要设备是精炼炉、铸机、轧机等。3）金相组织。无氧铜杆内部晶粒较粗；低氧铜杆晶粒较细。4）拉丝退火。无氧铜杆比较硬，拉丝放线时噪声大，退火时温度较高，多用于生产0.1 mm以下的细线，如漆包线的导体线芯；低氧铜杆韧性好、易拉丝，拉丝放线时噪声小，中间退火次数少。

2 生产原料

铜具有优良的再生特性，是一种可以反复利用的资源，可用于再生的铜资源主要有两大类：1）新资源。主要是指铜材加工过程中和铜材使用过程中产生的废料。如果采取严格管理的措施，可以对铜及铜合金进行合理分类，这些资源就可以在铜加工企业中直接得到利用。2）旧资源。主要是指各类工业产品、设备、备件中的铜制品及民间杂铜。这种资源来源十分复杂，如再生用铜只有在拆解工业产品之后才能得到。

铜是电线电缆制造业的基本原料，然而世界上铜资源十分有限，发达国家制定了废铜标准FRHC[2]。近年来，我国沿海地区的许多铜加工企业，在使用废铜上也有较大突破，被直接利用的废铜比例猛增。目前我国废铜的直接利用率已达50%以上。同时，我国也是铜资源缺乏的国家，每年需要从国外进口大量的铜。目前，无论是国外还是国内，直接利用100%紫杂铜连铸连轧生产符合相关国家标准的低氧铜杆已较为普遍。其中，紫杂铜直接应用最好的是将2号以上紫杂铜经严格挑选，直接投入反射炉进行精炼，经氧化、还原后使用连铸连轧设备生产低氧铜杆。

3 生产工艺技术

低氧铜杆生产工艺技术有熔炼、铜杆制备等工艺技术。

3.1 熔炼技术

目前，国内外处理废铜的铜熔炼技术主要有感应电炉熔炼、竖炉熔炼及反射炉熔炼等3种。

1）感应电炉熔炼。感应电炉的炉体主要由耐火材料及感应器组成。电流通过感应器产生交变磁场，在金属炉料中产生感应电动势，因其短路可在炉料中产生强大电流使金属炉料被加热和熔化[3]。感应炉分为无芯感应炉和有芯感应炉2种。感应电炉熔炼以电为能源，具有熔损低、操作方便、热效率高（一般为60%～82%）、温度均匀性好及容量小（最大为50 t）等特点，主要用于铜合金熔炼，很少用于生产铜杆。

2）竖炉熔炼。竖炉由炉基、炉体、烟囱、加料车、燃烧系统等部分组成。炉体内部衬有耐火材料，可分为炉身、熔化室、炉缸、炉底等不同的工作区。在熔化室周围，安装有数排高速烧嘴。工作期间，炉料经提升机送到加料口并装入炉内，炉料在下降过程中被火焰加热，并在熔化室附近熔化，铜液落入带斜坡的炉缸（炉底）并在形成液流后从铜槽流出。竖炉多使用天然气或甲烷、丙烷、石油液化气等气体燃料。在铜加工行业，它主要用于和连铸设备配合大规模生产品种比较单一的紫铜铸锭或铜杆，也是一种成熟可靠的生产工艺。与感应电炉熔炼工艺比较，竖炉热效率高、生产能力大、运行成本低，适合于年产30 kt以上规模的单一产品连续生产。

3）反射炉熔炼。反射炉由炉基、炉底、炉体及炉体支架、炉门、燃烧系统和烟道等部分构成。反射炉属于传统的周期式火法熔炼设备，具有容量大（最大达350 t）、结构简单、操作方便、容易控制以及对原料和燃料的适应性强等优点；主要缺点是热效率较低（一般只有15%～30%）、燃料和耐火材料消耗较大、占地面积较大。反射炉又分为固定式反射炉、倾动式反射炉2种。其中，倾动式反射炉（简称“倾动炉”）主要优点是综合了固定式反射炉和回转式反射炉的优点，氧化、排渣、还原作业均无需人工操作，机械化自动化程度高，烟尘收集方便，工人劳动强度低。固定式反射炉是目前国内杂铜处理厂广泛采用的一种传统熔炼设备，优点是炉体结构简单，造价低，建设周期短、项目见效快；缺点是机械化自动化程度低，烟尘收集系统复杂，工人劳动强度较大。

3.2 低氧铜杆制备技术

低氧铜杆制备技术主要有水平连铸法及连铸连轧法等2种。

1）水平连铸法。水平连铸法与上引式铸造法均采用多头连铸，可生产铜杆直径Φ8～12 mm。对于冷加工塑性差的合金铸件，后续工序常采用挤压工艺，这样减少了后续拉伸及退火次数，缩短了生产流程，降低了生产成本。

2）连铸连轧法。连铸连轧法为低氧铜杆的主要生产工艺。典型的连铸连轧机组由轮带式或钢带式连铸机、连轧机、冷却清洗、卷取、包装等装置组成。轮带式连铸是指采用由旋转的铸轮以及与该铸轮相互包络的钢带所组成的铸模进行浇注的1种特殊铸造方式。铸轮周边的凹槽呈船形，由1条无端钢带将铸轮和惰轮包覆起来，槽与钢之间的空间即为模腔。铸轮和钢带均采用水冷却。经流槽浇注的铜液温度和流量、铸轮的温度、冷却水的温度和流量、引拉速度等都受到精确控制，从而获得稳定的结晶组织和开轧温度。轮带式连铸不仅可以铸造铜杆，也可以铸造带坯。钢带式连铸是将金属熔体注入由上、下环形钢带和左、右环形青铜侧链组成的结晶腔，从而熔体被冷却和凝固成坯的一种特殊铸造方法。铸造过程在2条同步运行钢带之间进行。2条钢带分别套在上、下2个框架上，每个框架上的钢带可用2个、3个或4个导轮支撑。框架间的距离可以调整，从而可得到不同厚度的铸造带坯。下框架带上带有不锈钢绳连接起来的金属块，可用构成模腔的边块，它通过钢带的摩擦力与运动的钢带同步移动。调整两边块之间的距离，可得到不同宽度的铸造带坯。由于适中的含氧量可降低铜中有害杂质的影响，因此该法生产的铜杆导电率高、延伸性好、表面质量好，铜杆性能可满足高速拉丝机的需求。该法对原料的要求没有上引式铸造法、浸渍成型铸造法高，可采用较高比例的废料，所有工艺参数均可设定和自动控制。连铸连轧法的生产能力最大，产量5～60 t/h。目前，全世界80%以上的铜导线是采用连铸连轧铜杆为原料生产。

4 生产工艺流程

以反射炉熔炼—连铸连轧法工艺技术生产低氧铜杆为例，其工艺流程简述如下：用加料小车将打包紫杂铜及返回废铜杆加至反射炉内。加料熔化期时，炉料分批加入，采用天然气为燃料。氧化期时，鼓入压缩空气，并加入石英石造渣。还原期时，铜液中通入天然气作为还原剂，还原合格后的铜液经上流槽转注至连铸连轧机组的浇包内。浇包内的铜液经浇铸管流入连铸机，铜液在连铸机内连续铸造成铸坯。铸坯经过铣棱后，由夹送辊送入轧机进行轧制。铸坯在轧机内经粗轧、精轧，生成铜杆。铜杆在冷却管中经酒精清洗液清洗、冷却后，探伤涂蜡，经夹送辊导入弯曲辊道进入卷取绕杆机卷成梅花卷或盘卷。铜杆卷经压实、捆扎、打包后获得低氧铜杆。低氧铜杆生产工艺流程图详见图1。

图1 低氧铜杆生产工艺流程

5 烟气治理和节能减排

目前国内的紫杂铜直接利用行业，在紫杂铜的熔化和精炼过程中，会产生烟尘和有害气体（包括少量二噁英）。绝大多数企业采用湿法或干法除尘措施去除烟气中的粉尘，也包含处理含有致癌的二噁英粉尘。在原料入炉前进行检查，对原料预处理，保证原料中不含有电气元件、电缆、塑料包装物等有关杂物，减少二噁英产生。处理含尘气体一般采用二次燃烧→急冷→活性炭吸附→除酸→布袋收尘工艺。该工艺不仅可以除去一般粉尘，还可以除去烟尘中98%以上的二噁英粉尘[4]。各个收尘罩根据具体炉子专门设计，涵盖各个尘源，可以提高粉尘收集率。

利用紫杂铜直接再生铜杆与电解铜生产铜杆相比，再生铜生产由于工序少、流程短，可节约大量的能源。据统计，每吨再生铜减少能耗超过80%，节约能源4.6 t标准煤，节能效果显著，减少基建投资50%，治理三废费用少，对环境污染少，保护生态环境。

6 典型设备简介

采用紫杂铜为原料，以反射炉熔炼—连铸连轧法工艺技术生产低氧铜杆。该技术及装备具有以下技术特点：反射炉及精炼工艺采用富氧燃烧技术、增量燃烧技术、能量回收技术，既能用含铜量85%以上的紫杂铜，又能用电解铜，也可以用紫杂铜和电解铜混合作为原料，除杂提纯效果好，保证了产品质量。该工艺技术能直接利用紫杂铜生产出含铜量99.9%以上，电阻率低于0.017 241，且氧含量低于200×10-6的Φ8~25 mm低氧铜杆。反射炉熔炼—连铸连轧法工艺设备技术参数如下。

1）100 t反射炉。结构形式：倾动式（或固定式）；装炉量：100 t；熔池面积：20.25 m2；熔池深度：750 mm；天然气最大消耗量：1 100 Nm3/h；压缩空气最大消耗量：2 160 m3/h（压力 0.6 MPa）；炉膛最高温度：1 526℃；炉内最高炉气温度：1 300℃；最高排放炉气温度：200 ℃；生产周期：24 h。

2）连铸连轧机组。中间包容积：0.03 m3；转注管直径：Φ25.4 mm；结晶轮直径：Φ2 433 mm；铸造槽沟面积：3 225 mm2；钢带宽度：178 mm；粗轧机：4 架；精轧机：8架；成品铜杆规格：Φ8～25 mm；生产能力：14 t/h；最大卷质量：5 t。

7 结束语

利用紫杂铜生产低氧铜杆，省去了中间电解冶炼的过程，降低了能耗，提高了资源的利用率，减少了对环境的污染，可满足一定的铜杆市场需求。随着我国经济的高速发展及国家对可持续性发展的高度重视，铜线杆的生产和消费日益增加，产业政策要求大力发展循环经济，资源循环及高效利用。利用紫杂铜直接再生的铜杆延伸拉长产业链，实现了原料供应链、循环经济产业链和深加工价值链的有机结合，符合国家循环经济发展战略和产业政策，是国家鼓励发展的方向。因此，继续努力研究和创新各种利用紫杂铜生产低氧铜杆工艺和设备，对铜加工行业的发展具有重要的意义。