廢黃雜銅循環(huán)利用技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化實踐

郭淑梅 宋卡迪

摘 要：介紹了直接利用廢黃雜銅，生產(chǎn)易切削黃銅合金材料的工藝流程、關(guān)鍵技術(shù)以及形成的成套裝備技術(shù)。分析了廢黃雜銅循環(huán)再利用的相關(guān)問題。廢黃雜銅直接做原料應(yīng)用，可以實現(xiàn)綠色制造，生產(chǎn)出符合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：廢黃雜銅；循環(huán)利用；熔鑄；棒材；線材

中圖分類號：TF811 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-7394（2017）06-0008-08

由于銅及銅合金的耐蝕特性，一直以來廢舊銅就是一種資源，這種資源的再利用一直是人們關(guān)心的問題，[1-4]在環(huán)境保護的迫切性、重要性被人們充分重視的情況下，如何利用綠色環(huán)保再生資源，顯得尤為重要。本文在總結(jié)寧波長振銅業(yè)有限公司多年來對廢黃雜銅再生利用的實踐基礎(chǔ)上，探討了廢黃雜銅循環(huán)再利用的相關(guān)問題。

現(xiàn)有技術(shù)對廢雜銅分為三類：一類廢銅是指銅含量≥99.9%，可直接用于生產(chǎn)使用；二類含銅92% ～96%，直接利用的技術(shù)已經(jīng)工業(yè)化；三類含銅小于92% ，需要再次精煉。

廢雜銅通過精煉的辦法再生原金屬的工藝技術(shù)，優(yōu)點是回收得到高純度的銅，但其他合金元素或被浪費變渣或成為二次回收的原料。生產(chǎn)電解銅的投資、生產(chǎn)成本以及二次回收的成本，都使廢雜銅再利用的成本大幅上升。同時，會在生產(chǎn)地造成一定程度的污染。特別是廢黃雜銅的銅含量在50% ～70%，冶煉回收利用率低，所以直接利用是最經(jīng)濟的方向。

1 廢雜銅直接應(yīng)用工藝流程

用廢黃雜銅作為主要原料，直接生產(chǎn)黃銅合金產(chǎn)品的工藝流程，如圖1所示。

2 工藝實踐與討論

2.1 廢黃雜銅的預(yù)處理

廢黃雜銅，是指表觀基本呈黃色，或雖有鍍面或涂面，斷口為黃色的銅合金。黃雜銅會混有的衛(wèi)浴件鋅合金、不可避免的鐵基合金及鋁基合金等。但更多更復(fù)雜的是銅合金的部件、元件和其它材料結(jié)合或粘合在一起，不能通過拆分分離，而須經(jīng)過預(yù)處理。

黃雜銅原料的預(yù)處理，首先通過目視分類，把大塊的純一的塊物選出，不再進行其余工序，并在該工序分辨合金類別。

合金類別的分辨方法，是在銅合金四大類別的基礎(chǔ)上，通過色譜、樣品標(biāo)準(zhǔn)及廢件類型的方法初分。初分后的原料，可以進一步經(jīng)過光譜進行定量分析，確定合金成分，然后備用。表1列出了廢黃雜銅來料分類后的種類和比例。

從表1可以看出，經(jīng)過分類后，混雜的廢黃雜銅已經(jīng)歸類，利于后續(xù)物盡其用。

黃雜銅需要繼續(xù)經(jīng)過破碎分離。廢雜銅原料經(jīng)過履帶輸送進入破碎機破碎，破碎物通過二次磁選除鐵，繼續(xù)進行風(fēng)選，然而除去塑料、膠木等輕質(zhì)雜物。粗破碎料雖然經(jīng)過磁選、風(fēng)選，但仍有部分非銅物夾帶，需進一步挑揀收集非銅雜物以及非銅金屬。經(jīng)過上述處理后，最終達到塊狀均勻、組分均勻的目的。

2.2 廢黃雜銅的利用

黃雜銅無論如何細(xì)分，都無法改變“雜” 的特點。合金中的復(fù)雜元素是沒有方法進行預(yù)處理分離的，只有科學(xué)地利用這些原料，直接合金化生產(chǎn)出合格的鑄錠，才是關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.1 元素對合金的影響

探討元素對合金性能的影響和對制造工藝的影響是合理利用廢雜銅的基礎(chǔ)。

Fe是廢雜銅中最常見的元素，盡管在預(yù)處理過程進行了磁選，仍然是主要的雜質(zhì)元素。鐵的熔點高于銅合金，在黃銅熔體中溶解慢，特別是在磁選過程不易分選的鋼，要進行挑選。另外，在熔化過程中進行撈取，可以有效降低含量。鐵有細(xì)化晶粒的作用，也可以和其他元素生成金屬化合物，起到細(xì)化晶粒的作用，但含量在不同用途或不同合金牌號中要合理控制范圍，這會對合金生產(chǎn)應(yīng)用產(chǎn)生有利的效果。

Sn 的過剩處理。Sn增加黃銅的耐蝕性，抗脫鋅性和彈性，增加強度但對塑性有影響。不超過0.5%的Sn幾乎不影響黃銅合金的加工性，并且對需要錫焊的工藝有益，但如果合金中的Mn含量較高，合金的塑性變差，所以要嚴(yán)格控制錳的含量。

Al 的過剩處理。少量的鋁增加合金熔體的流動性，增加強度，降低塑性，控制合適的含量有細(xì)化晶粒的作用。但也會增加退火氧化表面的酸洗難度，廢料中的鋁青銅需進行挑揀，避免鋁含量過高無法去除。鋁在高鋅黃銅中易氧化，通過高溫熔煉的過程能除去0.1% ～0.2%左右的鋁，但氧化鋁易分散殘留在熔體中，對后續(xù)的加工產(chǎn)生不利影響，所以，需要用精煉劑對熔體進行精煉 。

Si 的過剩處理。一般的黃雜銅含硅的合金較少，但是近年來，由于無鉛易切削硅黃銅的應(yīng)用，使該元素的風(fēng)險增加。Si顯著降低黃銅的α相，使冷壓力加工性能變壞，然而，適量的Fe能部分消除其不利影響。

Ni 的過剩處理。少量鎳在銅合金中是一種穩(wěn)定的元素，能增加合金的強度，同時，不會產(chǎn)生明顯的加工性能影響，進行合理的配比，從而使鎳元素作為有益元素利用。鎳的含量不超過0.5%。

S 的處理。廢料中的硫，主要來源于潤滑油，特別是部分車屑料，含有車削冷卻潤滑劑，所以對含有油水的屑料在熔化前要進行脫油水處理。S 和O的作用相似，可生成硫化物，但硫化物渣不易上浮聚集，有殘留在熔體中的風(fēng)險。銅水需要通過精煉進行凈化。

Cr 的影響。Cr 在黃雜銅中是不容忽視的雜質(zhì)元素。因為部分廢黃銅是失效的衛(wèi)浴件，多是經(jīng)過電鍍Cr的表面。Cr 容易氧化，絕大部分會通過造渣除去。

Te 、Bi、Sb，這3個元素在無鉛易切削黃銅中，作為合金的添加元素，廢料需單獨回收隔離。黃雜銅中混入這3個元素后對合金的壓力加工性能有不利影響。目前的廢黃雜銅中，這幾種元素的含量不高，主要來源是切削加工屑混料。含量控制在0.1%以下，對工藝性能影響較小。未來隨著無鉛易切削黃銅用量的增加，合金進入失效期后，廢黃雜銅的回收利用不可避免會面臨這個問題。

2.2.2原料的配伍與配比

廢黃雜銅直接生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)牌號的產(chǎn)品，關(guān)鍵是控制合金成分和除雜、除渣。廢雜銅原料的利用，和用新金屬配比不同，純粹的計算配比不一定是合理的。把不同分類原料如何使用在不同的牌號、不同的用途以及不同機械加工方法中的產(chǎn)品配比稱之為配方，體現(xiàn)了一種合理的配伍原理，從而達到優(yōu)質(zhì)綜合利用。在熔煉過程中通過交互作用，對易切削相和金屬間化合物強化相的分布進行控制，使其達到符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能及客戶應(yīng)用性能的要求。微量元素的合理應(yīng)用可以起到精煉和變質(zhì)劑的效果。如：殘留油水的沫料使熔體的含氣量增加，適當(dāng)配置有除氣效果的廢料，由熔體的自反應(yīng)除氣；為了避免鑄錠組織粗大，利用原料中的雜質(zhì)元素，作為變質(zhì)劑，從而起到晶粒細(xì)化的結(jié)果。

2.3 熔鑄技術(shù)與設(shè)備

2.3.1熔煉爐的研究與改進

直接利用廢雜銅生產(chǎn)合格的鑄錠。若熔煉速度慢，熔煉溫度低，原料熔化不徹底，合金化效果差，就容易產(chǎn)生夾雜、夾渣，爐灰多，熔煉渣夾裹銅水，從而降低原料收率；若熔煉速度過快、熔煉溫度過高，則金屬揮發(fā)增加，特別是鋅的揮發(fā)氧化更快，熔體含氣量增加，熔體損耗增加，成分波動大。這就需要相匹配的裝備保證合理的工藝制度。

根據(jù)廢雜銅熔煉的特點，自主設(shè)計開發(fā)雙體并聯(lián)有芯工頻熔煉爐+保溫爐的爐組生產(chǎn)鑄錠。一臺熔煉爐化料熔煉時，另一臺進行精煉，兩臺設(shè)備交替進行。電氣控制程序化，熔煉過程通過無極功率調(diào)節(jié)，進而控制熔煉、精煉溫度。投料方式、投料順序?qū)U雜銅的應(yīng)用都會產(chǎn)生直接的影響，工作條件比用原生金屬要差的多，細(xì)碎原料的熔化若控制不好，則會大量變成氧化渣。針對這些問題，開發(fā)成功的自動化壓料、自動攪拌機械裝置，對爐內(nèi)熔煉過程進行強制干擾，從而促使原料充分合金化。

2.3.2精練技術(shù)

廢銅生產(chǎn)低氧光亮銅桿的除雜，可以通過火法氧化造渣去除，而廢黃雜銅卻不適合這種方法。根據(jù)元素的氧化熱力學(xué)，鋅容易被氧化，黃雜銅含鋅量超過30%，并且鋅是主要的合金元素，所以該方法不適用，只能選用精煉劑、除渣劑的方法。

添加精煉劑的目的是為了清除金屬熔體中的外來有害元素、氧化物、溶解的氣體和機械夾雜物等。熔劑的精煉機理是使夾雜造渣去除，主要去除或降低有害元素含量，從而提高再生黃銅制品的綜合性能。

根據(jù)精煉工藝合理使用覆蓋劑，能起到如下作用：（1）有效覆蓋，降低Pb、Zn等元素的氧化，減少爐渣量。（2）爐膛、爐頭結(jié)垢少，爐渣疏松易清理。（3）有效降低渣內(nèi)銅含量，降低金屬損耗。（4）對吸附、去除上浮至熔體表面的氧化物夾渣，具有較好的造渣作用。

2.3.3熔煉效果的評價

上述精煉工藝是否達到預(yù)期效果，可采用對熔煉爐灰量、爐灰淘洗后收集的合金砂頭量和收塵量進行測量比較。爐灰少、煙道灰少，說明燒損少，砂頭少，以及銅水和渣分離好。圖2至圖4，是對改造后的爐子（2#、4#、8#）熔煉效果的對比。

從圖2可看出，改造后的爐子爐灰減少，經(jīng)測試，爐灰比沒有改造的少5～10kg/爐。

從圖3可看出，爐子改進以后，收塵中鋅沒有增加，而有所減少。

從圖4可以看出，爐子改進以后，砂頭占比和當(dāng)月整體比較，明顯降低。說明爐灰與銅水分離效果好，從而減少了爐渣中的銅含量。

2.3.4 鑄錠生產(chǎn)技術(shù)

用水平連鑄的方法生產(chǎn)鑄錠，成材率高，生產(chǎn)效率高。一個爐體可以同時牽引2～8根鑄錠，也可以同時牽引不同規(guī)格的鑄錠，規(guī)格變化靈活方便。鑄錠在線鋸切自動堆垛，從而實現(xiàn)了自動化。

2.3.5壓力加工技術(shù)

以上述方法生產(chǎn)的鑄錠，可通過壓力加工的方法生產(chǎn)棒線材，加工方式和通用的加工方式?jīng)]有區(qū)別。由于和新金屬相比，廢雜銅生產(chǎn)的合金是一種含有多種微量元素的合金，其熱冷加工有其特性，這就要求對工藝參數(shù)根據(jù)產(chǎn)品性能進行調(diào)整。控制力學(xué)性能，根據(jù)熱處理和合金的硬化特性控制加工率。圖5是不同熱處理爐退火后的硬化曲線。退火設(shè)備對性能的一致性有影響。

熱處理效果和退火爐的熱循環(huán)相關(guān)，為了提高退火均勻性， 需要對退火爐進行優(yōu)化設(shè)計，從而使退火過程料溫更加均勻。圖6是普通爐子退火料溫曲線，圖7是優(yōu)化設(shè)計爐子的退火料溫曲線。設(shè)計制造的新型退火爐，使溫度均勻性有所提高。

3 產(chǎn)品與性能

根據(jù)廢雜銅合金主要合金元素的特點，適合于生產(chǎn)易切削黃銅合金材料。原料中的銅、鋅、鉛作為合金元素得到利用，從而使原料利用達到最大化。

經(jīng)過上述工藝過程生產(chǎn)的材料，根據(jù)客戶訂單要求，可以滿足GB、ASTM、EN、JIS標(biāo)準(zhǔn)的合金，包括了常用的易切削黃銅合金系列，以及C47900～C48600 易切削錫黃銅合金。主要應(yīng)用于制冷、閥門、汽車配件、連接器、接插件、五金配件和水暖衛(wèi)浴等領(lǐng)域。所生產(chǎn)的棒材品種包括：擠壓加工的圓棒、六角棒、方棒、矩形棒、異性棒以及連續(xù)鑄造的圓棒、異性棒等。適合的機加工方法分別有：車削、攻絲、鉆孔、冷鐓、滾花和熱模鍛等。所生產(chǎn)的高精度銅棒，可用于高速自動車床。

所生產(chǎn)的線材品種包括：圓線、六角線、異型線和來絲線等。適合的機加工方法有車削、攻絲、鉆孔、拔絲、冷彎和冷鐓等。代表產(chǎn)品及質(zhì)量水平如下：（1）熱模鍛黃銅棒。合金棒材成分控制精細(xì)，金屬充模盈滿，合金的熱鍛性能優(yōu)良，適用于汽車配件、各種閥門及制冷配件的熱變形生產(chǎn)。閥門、制冷配件有耐壓不泄漏的強制性標(biāo)準(zhǔn)，汽車有安全指標(biāo)的要求，所以是高要求產(chǎn)品。（2）復(fù)雜異型端面型材。開發(fā)成功百余種近終形復(fù)雜異型端面棒材。減少下游客戶制作元件過程中的工序，從而大大提高加工效率和材料利用率。異型材的制造難度大，對原料、工藝、裝備和技術(shù)要求較高。（3）空調(diào)四通閥用D型棒。多種規(guī)格的D型棒，硬釬焊性好，切削性能優(yōu)，拉削面光潔平整、耐磨，氣密效果好，該產(chǎn)品在行業(yè)領(lǐng)先。四通閥是空調(diào)制熱、制冷的切換閥，用D型棒做滑座，要求滑面平整光潔，使冷媒不泄漏。（4）自動車床用高精密棒，精度和直度高于國內(nèi)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。制造業(yè)在轉(zhuǎn)型升級過程中，對材料提出了更高的要求，材料制造也必須轉(zhuǎn)型。（5）接插件用銅合金線材。開關(guān)插頭用異矩形線材，能滿足國內(nèi)外插座訂單生產(chǎn)。插座有插入配合標(biāo)準(zhǔn)，所以對材料的精度和扭擰度都有嚴(yán)格要求。

以上主導(dǎo)產(chǎn)品的產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能優(yōu)良，說明再生黃雜銅可直接用于生產(chǎn)黃銅合金。廢料經(jīng)過合理配比和科學(xué)的加工工藝，所生產(chǎn)的產(chǎn)品品質(zhì)不降低。其中有些產(chǎn)品，由于微量元素的合金化作用，使合金的某一性能更優(yōu)，如：更易切削、耐磨強度提高等。

4 成套設(shè)備與技術(shù)

通歷多年實踐積累，不斷對裝備改良和研發(fā)，目前已形成了系統(tǒng)的、適合于再生銅合金壓力加工生產(chǎn)的裝備技術(shù)。（1）黃雜銅精細(xì)化預(yù)處理的系統(tǒng)設(shè)備集成及技術(shù)，自動化率70%。（2）鑄錠生產(chǎn)用工頻有芯熔煉、精煉、鑄造爐組和高效收塵系統(tǒng)。（3）水平連鑄鑄錠牽引、鋸切和堆垛自動化生產(chǎn)線，自動化率90%。（4）鑄錠熱擠壓用燃?xì)饧訜釥t、自動收線系統(tǒng)、縮尾檢查等配套裝備。（5）棒材冷加工自動化生產(chǎn)線、聯(lián)合拉拔機、精整設(shè)備。（6）線材拉伸倒拉機、熱處理退火爐等。該成套技術(shù)成熟、適用且性價比高，是廢雜銅再生生產(chǎn)黃銅合金的實用設(shè)備，可以進行技術(shù)輸出。

5 循環(huán)利用綠色制造

廢雜銅不可避免的含有某些有害物質(zhì)，如何對有害物質(zhì)排放進行控制，做到環(huán)保綠色制造，是廢雜銅利用企業(yè)的生存線。對進入公司原料中的鉛和制造環(huán)節(jié)所有可測物質(zhì)中的鉛進行平衡測算，Pb含量控制平衡收率達到99.65%。表2、表3列出了能耗指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)的比較，如表所示，已達到了先進水平。

6 結(jié)論

用廢黃雜銅直接生產(chǎn)易切削黃銅合金，是最經(jīng)濟的循環(huán)再生方法，能使資源利用達到最大化。用廢雜銅作原料直接利用，可以生產(chǎn)成分符合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量優(yōu)異的黃銅合金加工材。廢黃雜銅經(jīng)過分類、破碎除雜預(yù)處理，熔煉、精煉，從而鑄造出成分合格、質(zhì)量優(yōu)良的鑄錠。然后再經(jīng)熱、冷壓力加工。生產(chǎn)銅合金加工材等一系列程序，工藝技術(shù)成熟，并形成了系統(tǒng)的、適合于再生銅合金壓力加工的裝備技術(shù)。

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Recycling Utilization and Industrialized Practice of Brass and Honey

GUO Shu-mei， SONG Ka-di

（Ningbo Changzhen Copper co.， Ltd ， Ningbo 315473， China）

Abstract： This paper is introducing production process， key technology and production equipment about using brass and honey to produce free-cutting brass bar and coil. We can achieve the purpose of environmental production and manufacture good quality product in accordance with the standard by directly using brass and honey as raw material.

Key words： brass and honey； recycle utilization； smelting and casting； free-cutting brass

責(zé)任編輯 蔣云柯