利用紫雜銅生產(chǎn)低氧銅桿的工藝與設(shè)備

吳茂林

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

銅桿一般是指直徑為Φ8～25 mm的實心圓銅桿，含銅量不低于99.9%，是電線電纜生產(chǎn)的坯料。銅桿經(jīng)過拉絲工序后，生產(chǎn)出各種規(guī)格大小的銅線芯，再根據(jù)客戶的需求進(jìn)行束絞及涂覆，生產(chǎn)出各類電線電纜產(chǎn)品。近些年來，我國利用紫雜銅再生的銅桿，產(chǎn)量巨大，主要還是用于生產(chǎn)規(guī)格較大的銅線，如建筑電纜等。而在質(zhì)量要求嚴(yán)格、規(guī)格較小的電磁線生產(chǎn)方面，則較少涉足。與陰極銅連鑄連軋法或上引法銅桿比較，雖然紫雜銅直接再生的銅桿雜質(zhì)含量較高，但其性能指標(biāo)仍可滿足GB/T 3952—2016的相關(guān)要求[1]。

1 無氧銅桿與低氧銅桿的特點

銅桿按含氧量的不同，可分為無氧銅桿與低氧銅桿，其主要性能如下：1）氧含量。無氧銅桿的氧含量不超過 20×10-6；低氧銅桿氧含量為 100×10-6～400×10-6。2）工藝裝備。無氧銅桿大多采用上引法，使用的主要設(shè)備是電爐、上引機(jī)等；而低氧銅桿采用連鑄連軋法，使用的主要設(shè)備是精煉爐、鑄機(jī)、軋機(jī)等。3）金相組織。無氧銅桿內(nèi)部晶粒較粗；低氧銅桿晶粒較細(xì)。4）拉絲退火。無氧銅桿比較硬，拉絲放線時噪聲大，退火時溫度較高，多用于生產(chǎn)0.1 mm以下的細(xì)線，如漆包線的導(dǎo)體線芯；低氧銅桿韌性好、易拉絲，拉絲放線時噪聲小，中間退火次數(shù)少。

2 生產(chǎn)原料

銅具有優(yōu)良的再生特性，是一種可以反復(fù)利用的資源，可用于再生的銅資源主要有兩大類：1）新資源。主要是指銅材加工過程中和銅材使用過程中產(chǎn)生的廢料。如果采取嚴(yán)格管理的措施，可以對銅及銅合金進(jìn)行合理分類，這些資源就可以在銅加工企業(yè)中直接得到利用。2）舊資源。主要是指各類工業(yè)產(chǎn)品、設(shè)備、備件中的銅制品及民間雜銅。這種資源來源十分復(fù)雜，如再生用銅只有在拆解工業(yè)產(chǎn)品之后才能得到。

銅是電線電纜制造業(yè)的基本原料，然而世界上銅資源十分有限，發(fā)達(dá)國家制定了廢銅標(biāo)準(zhǔn)FRHC[2]。近年來，我國沿海地區(qū)的許多銅加工企業(yè)，在使用廢銅上也有較大突破，被直接利用的廢銅比例猛增。目前我國廢銅的直接利用率已達(dá)50%以上。同時，我國也是銅資源缺乏的國家，每年需要從國外進(jìn)口大量的銅。目前，無論是國外還是國內(nèi)，直接利用100%紫雜銅連鑄連軋生產(chǎn)符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的低氧銅桿已較為普遍。其中，紫雜銅直接應(yīng)用最好的是將2號以上紫雜銅經(jīng)嚴(yán)格挑選，直接投入反射爐進(jìn)行精煉，經(jīng)氧化、還原后使用連鑄連軋設(shè)備生產(chǎn)低氧銅桿。

3 生產(chǎn)工藝技術(shù)

低氧銅桿生產(chǎn)工藝技術(shù)有熔煉、銅桿制備等工藝技術(shù)。

3.1 熔煉技術(shù)

目前，國內(nèi)外處理廢銅的銅熔煉技術(shù)主要有感應(yīng)電爐熔煉、豎爐熔煉及反射爐熔煉等3種。

1）感應(yīng)電爐熔煉。感應(yīng)電爐的爐體主要由耐火材料及感應(yīng)器組成。電流通過感應(yīng)器產(chǎn)生交變磁場，在金屬爐料中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，因其短路可在爐料中產(chǎn)生強(qiáng)大電流使金屬爐料被加熱和熔化[3]。感應(yīng)爐分為無芯感應(yīng)爐和有芯感應(yīng)爐2種。感應(yīng)電爐熔煉以電為能源，具有熔損低、操作方便、熱效率高（一般為60%～82%）、溫度均勻性好及容量?。ㄗ畲鬄?0 t）等特點，主要用于銅合金熔煉，很少用于生產(chǎn)銅桿。

2）豎爐熔煉。豎爐由爐基、爐體、煙囪、加料車、燃燒系統(tǒng)等部分組成。爐體內(nèi)部襯有耐火材料，可分為爐身、熔化室、爐缸、爐底等不同的工作區(qū)。在熔化室周圍，安裝有數(shù)排高速燒嘴。工作期間，爐料經(jīng)提升機(jī)送到加料口并裝入爐內(nèi)，爐料在下降過程中被火焰加熱，并在熔化室附近熔化，銅液落入帶斜坡的爐缸（爐底）并在形成液流后從銅槽流出。豎爐多使用天然氣或甲烷、丙烷、石油液化氣等氣體燃料。在銅加工行業(yè)，它主要用于和連鑄設(shè)備配合大規(guī)模生產(chǎn)品種比較單一的紫銅鑄錠或銅桿，也是一種成熟可靠的生產(chǎn)工藝。與感應(yīng)電爐熔煉工藝比較，豎爐熱效率高、生產(chǎn)能力大、運行成本低，適合于年產(chǎn)30 kt以上規(guī)模的單一產(chǎn)品連續(xù)生產(chǎn)。

3）反射爐熔煉。反射爐由爐基、爐底、爐體及爐體支架、爐門、燃燒系統(tǒng)和煙道等部分構(gòu)成。反射爐屬于傳統(tǒng)的周期式火法熔煉設(shè)備，具有容量大（最大達(dá)350 t）、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、容易控制以及對原料和燃料的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點；主要缺點是熱效率較低（一般只有15%～30%）、燃料和耐火材料消耗較大、占地面積較大。反射爐又分為固定式反射爐、傾動式反射爐2種。其中，傾動式反射爐（簡稱“傾動爐”）主要優(yōu)點是綜合了固定式反射爐和回轉(zhuǎn)式反射爐的優(yōu)點，氧化、排渣、還原作業(yè)均無需人工操作，機(jī)械化自動化程度高，煙塵收集方便，工人勞動強(qiáng)度低。固定式反射爐是目前國內(nèi)雜銅處理廠廣泛采用的一種傳統(tǒng)熔煉設(shè)備，優(yōu)點是爐體結(jié)構(gòu)簡單，造價低，建設(shè)周期短、項目見效快；缺點是機(jī)械化自動化程度低，煙塵收集系統(tǒng)復(fù)雜，工人勞動強(qiáng)度較大。

3.2 低氧銅桿制備技術(shù)

低氧銅桿制備技術(shù)主要有水平連鑄法及連鑄連軋法等2種。

1）水平連鑄法。水平連鑄法與上引式鑄造法均采用多頭連鑄，可生產(chǎn)銅桿直徑Φ8～12 mm。對于冷加工塑性差的合金鑄件，后續(xù)工序常采用擠壓工藝，這樣減少了后續(xù)拉伸及退火次數(shù)，縮短了生產(chǎn)流程，降低了生產(chǎn)成本。

2）連鑄連軋法。連鑄連軋法為低氧銅桿的主要生產(chǎn)工藝。典型的連鑄連軋機(jī)組由輪帶式或鋼帶式連鑄機(jī)、連軋機(jī)、冷卻清洗、卷取、包裝等裝置組成。輪帶式連鑄是指采用由旋轉(zhuǎn)的鑄輪以及與該鑄輪相互包絡(luò)的鋼帶所組成的鑄模進(jìn)行澆注的1種特殊鑄造方式。鑄輪周邊的凹槽呈船形，由1條無端鋼帶將鑄輪和惰輪包覆起來，槽與鋼之間的空間即為模腔。鑄輪和鋼帶均采用水冷卻。經(jīng)流槽澆注的銅液溫度和流量、鑄輪的溫度、冷卻水的溫度和流量、引拉速度等都受到精確控制，從而獲得穩(wěn)定的結(jié)晶組織和開軋溫度。輪帶式連鑄不僅可以鑄造銅桿，也可以鑄造帶坯。鋼帶式連鑄是將金屬熔體注入由上、下環(huán)形鋼帶和左、右環(huán)形青銅側(cè)鏈組成的結(jié)晶腔，從而熔體被冷卻和凝固成坯的一種特殊鑄造方法。鑄造過程在2條同步運行鋼帶之間進(jìn)行。2條鋼帶分別套在上、下2個框架上，每個框架上的鋼帶可用2個、3個或4個導(dǎo)輪支撐?？蚣荛g的距離可以調(diào)整，從而可得到不同厚度的鑄造帶坯。下框架帶上帶有不銹鋼繩連接起來的金屬塊，可用構(gòu)成模腔的邊塊，它通過鋼帶的摩擦力與運動的鋼帶同步移動。調(diào)整兩邊塊之間的距離，可得到不同寬度的鑄造帶坯。由于適中的含氧量可降低銅中有害雜質(zhì)的影響，因此該法生產(chǎn)的銅桿導(dǎo)電率高、延伸性好、表面質(zhì)量好，銅桿性能可滿足高速拉絲機(jī)的需求。該法對原料的要求沒有上引式鑄造法、浸漬成型鑄造法高，可采用較高比例的廢料，所有工藝參數(shù)均可設(shè)定和自動控制。連鑄連軋法的生產(chǎn)能力最大，產(chǎn)量5～60 t/h。目前，全世界80%以上的銅導(dǎo)線是采用連鑄連軋銅桿為原料生產(chǎn)。

4 生產(chǎn)工藝流程

以反射爐熔煉—連鑄連軋法工藝技術(shù)生產(chǎn)低氧銅桿為例，其工藝流程簡述如下：用加料小車將打包紫雜銅及返回廢銅桿加至反射爐內(nèi)。加料熔化期時，爐料分批加入，采用天然氣為燃料。氧化期時，鼓入壓縮空氣，并加入石英石造渣。還原期時，銅液中通入天然氣作為還原劑，還原合格后的銅液經(jīng)上流槽轉(zhuǎn)注至連鑄連軋機(jī)組的澆包內(nèi)。澆包內(nèi)的銅液經(jīng)澆鑄管流入連鑄機(jī)，銅液在連鑄機(jī)內(nèi)連續(xù)鑄造成鑄坯。鑄坯經(jīng)過銑棱后，由夾送輥送入軋機(jī)進(jìn)行軋制。鑄坯在軋機(jī)內(nèi)經(jīng)粗軋、精軋，生成銅桿。銅桿在冷卻管中經(jīng)酒精清洗液清洗、冷卻后，探傷涂蠟，經(jīng)夾送輥導(dǎo)入彎曲輥道進(jìn)入卷取繞桿機(jī)卷成梅花卷或盤卷。銅桿卷經(jīng)壓實、捆扎、打包后獲得低氧銅桿。低氧銅桿生產(chǎn)工藝流程圖詳見圖1。

圖1 低氧銅桿生產(chǎn)工藝流程

5 煙氣治理和節(jié)能減排

目前國內(nèi)的紫雜銅直接利用行業(yè)，在紫雜銅的熔化和精煉過程中，會產(chǎn)生煙塵和有害氣體（包括少量二噁英）。絕大多數(shù)企業(yè)采用濕法或干法除塵措施去除煙氣中的粉塵，也包含處理含有致癌的二噁英粉塵。在原料入爐前進(jìn)行檢查，對原料預(yù)處理，保證原料中不含有電氣元件、電纜、塑料包裝物等有關(guān)雜物，減少二噁英產(chǎn)生。處理含塵氣體一般采用二次燃燒→急冷→活性炭吸附→除酸→布袋收塵工藝。該工藝不僅可以除去一般粉塵，還可以除去煙塵中98%以上的二噁英粉塵[4]。各個收塵罩根據(jù)具體爐子專門設(shè)計，涵蓋各個塵源，可以提高粉塵收集率。

利用紫雜銅直接再生銅桿與電解銅生產(chǎn)銅桿相比，再生銅生產(chǎn)由于工序少、流程短，可節(jié)約大量的能源。據(jù)統(tǒng)計，每噸再生銅減少能耗超過80%，節(jié)約能源4.6 t標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)能效果顯著，減少基建投資50%，治理三廢費用少，對環(huán)境污染少，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

6 典型設(shè)備簡介

采用紫雜銅為原料，以反射爐熔煉—連鑄連軋法工藝技術(shù)生產(chǎn)低氧銅桿。該技術(shù)及裝備具有以下技術(shù)特點：反射爐及精煉工藝采用富氧燃燒技術(shù)、增量燃燒技術(shù)、能量回收技術(shù)，既能用含銅量85%以上的紫雜銅，又能用電解銅，也可以用紫雜銅和電解銅混合作為原料，除雜提純效果好，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。該工藝技術(shù)能直接利用紫雜銅生產(chǎn)出含銅量99.9%以上，電阻率低于0.017 241，且氧含量低于200×10-6的Φ8~25 mm低氧銅桿。反射爐熔煉—連鑄連軋法工藝設(shè)備技術(shù)參數(shù)如下。

1）100 t反射爐。結(jié)構(gòu)形式：傾動式（或固定式）；裝爐量：100 t；熔池面積：20.25 m2；熔池深度：750 mm；天然氣最大消耗量：1 100 Nm3/h；壓縮空氣最大消耗量：2 160 m3/h（壓力 0.6 MPa）；爐膛最高溫度：1 526℃；爐內(nèi)最高爐氣溫度：1 300℃；最高排放爐氣溫度：200 ℃；生產(chǎn)周期：24 h。

2）連鑄連軋機(jī)組。中間包容積：0.03 m3；轉(zhuǎn)注管直徑：Φ25.4 mm；結(jié)晶輪直徑：Φ2 433 mm；鑄造槽溝面積：3 225 mm2；鋼帶寬度：178 mm；粗軋機(jī)：4 架；精軋機(jī)：8架；成品銅桿規(guī)格：Φ8～25 mm；生產(chǎn)能力：14 t/h；最大卷質(zhì)量：5 t。

7 結(jié)束語

利用紫雜銅生產(chǎn)低氧銅桿，省去了中間電解冶煉的過程，降低了能耗，提高了資源的利用率，減少了對環(huán)境的污染，可滿足一定的銅桿市場需求。隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及國家對可持續(xù)性發(fā)展的高度重視，銅線桿的生產(chǎn)和消費日益增加，產(chǎn)業(yè)政策要求大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，資源循環(huán)及高效利用。利用紫雜銅直接再生的銅桿延伸拉長產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)了原料供應(yīng)鏈、循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)鏈和深加工價值鏈的有機(jī)結(jié)合，符合國家循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)政策，是國家鼓勵發(fā)展的方向。因此，繼續(xù)努力研究和創(chuàng)新各種利用紫雜銅生產(chǎn)低氧銅桿工藝和設(shè)備，對銅加工行業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。