1.1废杂铜再生循环利用是铜工业的重要组成部分

　　废杂铜因其良好的再生利用特性，一直是铜冶炼和加工业的重要原料。在“城市矿产”中，再生铜作为来源最广和数量最大的有色金属资源而名列第一。随着国民经济各领域用铜量的不断增加，再生铜产业的比重将会逐步上升。

　　据有关机构统计，2010年中国消耗废杂铜含铜总量约为508万吨，其中进口废杂铜实物量436.4万吨，含铜约为304万吨，国内自产约157万吨，上年库存约47.7万吨。

　　国内废杂铜再生利用主要集中在冶炼和加工行业。有关统计， 2010年约有330万吨废杂铜(占65%)进入铜加工行业直接做成铜制品，约有178万吨废杂铜(占35%)进入废杂铜冶炼行业精炼成阴极铜，其中占总量8%进入熔炼铜精矿工厂的转炉或阳极炉处理，27%左右的废杂铜在专门冶炼废杂铜的工厂或生产系统处理。

　　1.2再生铜工业总体水平

　　我国再生铜工业总体水平与国外相比有很大的差距，突出表现在产业集中度低、技术装备水平落后、综合能耗高、污染物排放严重、资源有效利用率低。

　　一是先进技术和装备依赖进口。由于国家和相关研究部门在废杂铜冶炼和直接利用技术和装备研发方面投入较少，所以前几年国内基本没有自主知识产权的先进技术和装备，均依赖进口。

　　二是国内技术和装备研发取得进展。近几年国内拥有自主知识产权的先进技术和装备已相继出现，如顶吹炉、NGL炉、精炼摇炉、竖平炉，双式顶吹炉等，并在一些大型废杂铜冶炼项目中得到推广应用。

　　2. 废杂铜冶炼基本知识

　　2.1 废杂铜冶炼特点

　　由于废杂铜来源广，成分复杂，形状各异，所以其冶炼过程与矿铜相比存在很大的不同，有如下特点：

　　成分复杂。废杂铜中有很多属铜基合金，含有铁(Fe)、铅(Pb)、锌(Zn)、砷(As)、锑(Sb)、铋(Bi)、镍(Ni)等金属元素，在废电路板中还含有汞(Hg)、铬(Cr)、镉(Cd)以及用于阻燃剂的卤族元素如氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)和有机物等，所以冶炼过程脱除的杂质不同，操作条件不一样，造渣剂和炉渣渣型应杂质而异，产出的粗铜和阳极铜含杂质与铜精矿生产的产品差异较大不同。

　　固态冷料熔化慢。废杂铜均为固体冷料，有很多是打好的包块，所以加料方式和设备不同;块料传热不好，熔化慢。

　　熔化耗热多 。废杂铜原料中没有硫等可燃物，反应过程不能自热，所以要求外供热，消耗的燃料多。

　　挥发物多，烟气处理系统要求高。 废杂铜精炼过程中有大量的可挥发物进入烟气，如Pb、Zn和未燃尽的有机物等，有时烟气含尘高达100g/Nm3以上，生产中控制不当会严重粘结炉子出口、烟道和余热回收系统

　　渣量大，排渣次数多。废杂铜的精炼过程造渣率一般在5-10%，入炉物料品位低时造渣率更高。炉渣含铜高达20-35%，渣量大、粘度大，所以废杂铜精炼炉在结构上要考虑方便出渣作业。

　　烟气中有二恶英等有毒有害气体。在处理含有机物高的原料时，特别是电子线路板等，烟气处理系统控制不当，会有二恶英等有毒有害气体产生，需要特殊烟气处理工艺。

　　综合回收要求高。虽然废杂铜的杂质多，但是大多数为有价金属，如果能有效的回收，可获取更高的经济效益。

　　2.2 废杂铜冶炼产业链

　　废杂铜原料分为高品位和低品位两大类。高品位中96%以上优质的紫杂铜和黄杂铜大部分进入加工领域，质量较差的高品位废杂铜和低品位基本进入冶炼领域。

　　2.3 废杂铜冶炼流程

　　废杂铜火法冶炼技术上分为一段、二段和三段法。

　　一段法用于处理高品位的废杂铜。一段法处理铜品位>90%的紫杂铜、黄杂铜等，直接将其加入精炼炉内精炼成阳极。国内90%以上废杂铜采用一段法冶炼，如反射炉精炼、倾动炉精炼等。也有工厂在回转式阳极炉中加入废杂铜的，但是一般要求品位很高，加入的数量有限。

　　两段法用于处理中等低品位的废杂铜。两段法一般处理含铜>70%的废杂铜，其在熔炼炉或吹炼炉内先熔化，还原或吹炼成粗铜，再经过精炼炉冶炼成阳极铜。

　　三段法是将含铜低于70%的废杂铜及含铜(甚至低至含铜1%)的废料经鼓风炉或顶吹炉(包括ISA炉、TBRC炉、卡尔多炉等)熔炼成黑铜，再加入转炉吹炼、再经阳极炉精炼产出阳极铜。当用顶吹炉、ISA炉、TBRC炉、卡尔多炉熔炼时，可在同一台炉内完成熔炼和吹炼产出粗铜、再送阳极精炼炉。

　　国内以前有工厂采用三段法，但都相继关闭，原因是黑铜含硫低，小转炉吹炼热平衡难以控制，操作比较困难，成本高。目前国内几乎没有专门采用三段法工艺处理废杂铜的。

　　国外目前还有采用三段法工艺的，可以处理很低品位的杂料，配以完善的有价元素综合回收系统，经济效益非常好，但是适用于规模大的工厂。

　　3. 国外废杂铜处理技术特点

　　3.1 国外废杂铜的冶炼

　　国外废杂铜的冶炼和综合回收比较成功的企业主要集中在欧洲，典型的冶炼厂有奥地利的Brixlegg、德国的Kayser、比利时的Umicore、Metallo-Chimique和瑞典的Ronnskar等。有些冶炼废杂铜的工厂已经有近百年的历史，仍然沿用较老的鼓风炉和反射炉冶炼，有些工厂已经采用了现代化工艺及装备，如氧气顶吹加转炉工艺、倾动炉工艺等等，但是不管是老厂还是新厂，他们都有很强的生命力。

　　一是对原料适应性强。大多数工厂的工艺和装备能适应处理品位很低、成份复杂的原料

　　而且能够对有价金属进行有效回收，有些工厂能回收十多种单一金属，实现了资源最大化的回收利用。

　　二是环保和安全。随着欧洲城市的扩大和发展，大多数老厂已位于居民密集的城区，因此环境和安全要求十分苛刻，但是由于环保意识强烈，各家工厂都有完善的烟气、烟尘和废水处理设施，并且进行严格管理，所以均能做到清洁生产，满足欧洲严格的环保和安全生产标准。

　　三是原料预处理好。欧洲废杂铜基本是原料的预处理和冶炼、加工分开，进入冶炼、加工环节的废杂铜大多是经过预处理后的，如裸铜线、废铜包块、铜米等，电子废料也基本成碎屑状，这样大大减少了有机物进入冶炼、加工环节，避免有机物高温燃烧产生二恶英等毒性物质的可能性，同时也可对有机物进行有效回收利用。

　　四是机械化、自动化程度高。大多数工厂除有先进的炉窑和加料、浇铸设备外，还采用了DCS、PLC等自动化控制系统，提高了生产效率，降低了劳动强度，而且最大程度的避免依赖操作人员的素质来保障安全生产和产品质量。

　　4. 国内废杂铜冶炼技术现状

　　4.1 低品位物料冶炼

　　主要指含铜在80%以下的废杂铜、电子废料和含铜较高的炉渣、含铜烟尘等。目前国内对低品位物料主要采用传统的鼓风炉熔炼和卡尔多炉熔炼。

　　鼓风炉工艺

　　国内对低品位物料主要采用鼓风炉熔炼，将高低品位搭配后处理产出黑铜(含铜70-90%)，炉渣含铜在1%以下可直接弃去，如果产出的黑铜品位高，炉渣含铜可能大于1% ，则应该继续处理回收铜，有条件的可送炉渣选矿处理。目前国内在产的最大杂铜鼓风炉面积为2㎡，年产黑铜约为3万吨。鼓风炉处理低品位铜料的缺点是生产效率低、能耗高，而且需要大量的焦碳，产出的黑铜需铸锭，送火法精炼重新熔化还需消耗大量的燃料，能耗和生产成本都很高(约4000-5000元/吨黑铜)。

　　卡尔多炉工艺

　　江西铜业贵溪冶炼厂于2005年引进了卡尔多炉工艺。引进的卡尔多炉规格为11m3。原设计处理平均含铜品位在50%以下低品位铜物料，采用纯氧冶炼，可产出含铜98%的粗铜和含铜小于0.5的弃渣，每台炉年产5万t粗铜。

　　卡尔多炉于2009年5月投料试生产。处理废杂铜及含铜物料，包括2号废杂铜、黑铜、倾动炉渣、含铜废料(铜粉饼)等，入炉物料平均含铜70-80%，每炉产粗铜约40吨，粗铜品位98.5%左右。

　　卡尔多炉处理废杂铜优点：一是机械化、自动化程度高。炉子冶炼作业时可以作横向360°旋转;倒渣、出铜和加料时可以纵向倾转270°，加料采用轨道式料斗小车，加料方便快捷;出铜、排渣用包子，通过倾转炉子直接倒出;操作过程全部采用DCS系统自动控制，操作简便、安全和可靠。二是环保效果好。卡尔多炉结构紧凑，设备完全在一个相对密闭的空间内作业，因而有效防止了烟气的外溢，杜绝了低空污染。同时，工艺烟气和环集烟气分开处理，有效降低了操作烟气负压控制的相互影响，工艺烟气和环集烟气都采用布袋收尘器，收尘效率高，烟气完全达标排放。三是原料适应性强。既可处理高品位废杂铜，又可处理品位低的废杂铜及炉渣。四是传质、传热条件好。炉子在冶炼过程处于旋转中，传质、传热条件较好，同时供助油枪氧枪容易控制温度和炉气的氧势。

　　卡尔多炉应用存在的问题：单台炉产量小，仅在处理含铜70%以上的废杂铜才能年产5万吨铜;炉渣含铜在5%左右，还需送炉渣选矿处理;投资相对较高，需要引进技术和关键设备，单套系统投资约1.3亿元，包括厂房、国外技术引进和部分进口设备的全部费用，但不包括重油存储及输送系统、制氧站系统。另外从国内、外生产实践看，用卡尔多炉处理含铜品位在50%以下废料或纯电子废料，直接产出98%的粗铜是不经济的，存在生产周期长、渣含铜高、产量难以达标等问题，应该生产80%左右甚至品位更低的黑铜，再用转炉或其它炉子进一步处理，同时产出含铜小于0.5%的弃渣才是经济合理的。

　　4.2 高品位废铜处理

　　一般指含铜80%以上的铜，可采用一段法冶炼得到阳极铜或者加工铜材。

　　固定式反射炉

　　固定式反射炉是国内冶炼高品位废杂铜最古老的炉型，90%以上工厂采用。反射炉的规模从50～350吨不等，可直接产出阳极铜和含铜在15%左右的炉渣。

　　反射炉的优点是工艺成熟、投资省。

　　缺点是热利用率低，一般只有25～30%，生产效率低，氧化还原阶段，需人工持管在加料口作业，炉门在氧化还原时处无法密闭，炉口大量冒黑烟，环境污染严重，人工持管操作也不安全。

　　倾动炉

　　贵溪冶炼厂2001年引进德国Maerz公司的倾动炉，炉型为350t，用以处理含铜品位在92%以上的废杂铜。倾动炉由液压驱动，可在30度角度内来回转动到相应的炉位进行作业，自动化程度高，不用人工持管，炉体密闭，环保好。实际应用情况为处理平均含铜94%以上(与电解残极搭配)的铜料，采用重油加20%左右富氧空气助燃，压缩空气氧化，LPG还原，每炉年产阳极铜10万t左右，炉渣含铜约35%。2001年建设时整个工程投资 (不包括制氧站、空压机、燃油系统)约1.3亿元。

　　倾动炉的优点是：1、加料方便，布料均匀，熔化速度快;2、氧化强度高;3、扒渣方便，由于倾动炉在侧面有炉门和出渣口，加熔剂时炉体可向出渣口倾斜，人工扒渣比反射炉和回转炉都要方便;4、可使用气体还原剂，还原剂利用率高;5、可避免“跑铜”事故，安全性好;6、炉子密封性能好，炉压调节方便;7、炉子寿命长，维修方便。

　　倾动炉的缺点是：结构庞杂，投资高，技术多年没有发展。

　　5. 国内废杂铜冶炼技术和设备的最新进步

　　针对国内废杂铜冶炼技术长期落后，先进技术依赖进口的局面，近期国内有些单位和企业先后开发了一些先进的技术和设备，并已在一些大项目中开始应用，有些技术和装备已超过国外的水平。

　　从项目规模上看，由于国家“十一五”《再生有色金属产业推进计划》中提出要在珠江三角洲、长江三角洲、环渤海和成渝经济区等具备一定产业基础的区域支持改扩建20万吨再生铜项目6～8个，所以现在正在兴建和拟建的20万吨以上规模的再生铜冶炼项目就有5个以上，还有10万吨规模的冶炼项目和再生铜直接制杆的项目多个。

　　5.1 高品位铜料处理

　　由于高品位铜料量大，处理的工厂多，很多用传统落后工艺的工厂亟待升级换代，所以处理高品位铜料的先进工艺和装备为国内所急需。

　　NGL炉工艺及设备

　　NGL炉工艺及设备是由中国瑞林工程技术有限公司开发的，结合了倾动炉和回转式阳极炉的优点，侧面有大的加料门兼做渣门，另一侧有氧化还原口，底部有透气砖，炉体可在一定的角度内转动，采用燃料既可是气体燃料，也可使用粉煤等固体燃料，可采用普通空气助燃，也可采用富氧或纯氧助燃。

　　NGL炉自动化程度高，不用人工持管，炉体密闭，环保好。目前应用于处理平均含铜90%以上的铜料，炉渣含铜可控制在15%左右。

　　燃烧系统采用稀氧燃烧后，热效率可提高40%，减少碳排放45%，减少氮化物排放87%，不但大幅度的节能减排，每吨阳极铜还可节约近百元成本。目前设计的NGL炉能力有100t-270t，其中270t炉型已在国内5个工厂应用。目前国内用反射炉处理94%含铜物料时工厂最好的能耗指标约130 Kgce/ t阳极铜。如处理品位降到90%，估计能耗将增加到160 Kgce/ t阳极铜，而采用NGL炉工艺能耗仅为110 Kgce/ t阳极铜，可见采用新技术和装备可大幅度降低能耗。

　　精炼摇炉工艺与设备

　　精炼摇炉也是由中国瑞林工程技术有限公司开发的，是对倾动炉的改进和完善，并完全国产化，能力为350吨/台，适合规模较大的工厂，处理物料含铜在92%以上。与德国Maerz倾动炉相比，精炼摇炉操作炉位和氧化还原原理相同，最大的改进在于引入炉体透气砖氮气搅拌技术提高生产效率，对炉尾的排烟方式进行了改进，便于清理烟尘。燃烧系统采用稀氧燃烧后，提高了热效率，达到最大限度的节能减排效果。该炉型已在国内2个20万吨规模工厂应用。

　　5.2 低品位铜料或电子废料的处理

　　顶吹炉处理工艺

　　国内开发的顶吹炉设备与Kaldo炉类似，炉体可以360度旋转，但是工艺条件、渣型控制以及炉体结构与Kaldo炉有较大的改变。入炉物料含铜平均50%以下，可以产出80%左右的黑铜，同时产出含铜小于1%的弃渣。

　　顶吹炉与NGL炉配套使用时产出的黑铜以热态加入NGL炉精炼，同时在NGL炉中可加入90%以上品位的冷态废杂铜一起冶炼，形成一种可同时处理高、低品位废杂铜的组合工艺。该项技术和设备完全国产化，已在广西30万吨废杂铜项目中应用。

　　冶炼废杂铜的工厂并不存在大量SO2的污染，仅在燃料含硫高时烟气中才会有SO2存在。废杂铜的冶炼最大的污染来自于黑烟和烟尘，造成黑烟的现象主要是燃料燃烧不充分和还原剂反应不完全产生的。如果原料中含有有机物，黑烟现象更加严重，还有产生二恶英的可能性，所以废杂铜冶炼在环保方面的技术的进步最大体现在对黑烟和烟尘的治理。

　　目前新建的工厂都配备了完善的烟气处理系统，当原料中有大量有机物存在，如处理电子废料时，烟气应采用喷雾冷却，让温度从800℃以上骤冷到300℃以下，可以避免二恶英的生成。喷雾冷却可控制在绝热蒸发状态下进行，无废水产出，收下的烟尘是干尘，有利于收集和处理。整个烟气系统均设有检测仪表和PLC或DCS控制系统，根据冶炼的操作要求

　　进行调节，从而控制在最佳工艺状态，保证烟气的清洁排放。

　　6. 废杂铜冶炼技术和设备的发展趋势

　　废杂铜冶炼技术的发展必须适应原料品位越来越复杂、节能减排越来越严格的要求，结合国外废杂铜冶炼技术发展历程和现状，国内未来技术发展应侧重于以下几个方面：

　　6.1 中、高品位废杂铜混合一段法精炼技术

　　国内外目前一段法用的废杂铜品位在92%以上，仅能搭配处理少量低品位的废杂铜，未来应该研究将混合品位在80%以下的废杂铜一段法精炼到合格阳极铜的技术，让很多企业可以多搭配处理低品位的废料，以获取更高的经济效益。

　　一段法精炼技术向低品位发展的核心是引入富氧精炼，辅以氮气搅拌技术使精炼炉兼具转炉吹炼的一些功能，以提高氧化造渣速度，同时还要根据杂质成份研究不同渣型和造渣剂，保证杂质的有效脱除以及降低炉渣含铜。

　　NGL炉因其构造类似于阳极炉和转炉，可设较多风口，且扒渣方便，是未来混合一段精炼的理想炉型。

　　6.2 大规模低品位铜料处理技术和装备

　　卡尔多炉和鼓风炉处理低品位铜料能耗很高，而且单系列规模仅为年处理2～5万t铜金属，对于10万t规模工厂需要2套装置，投资和生产成本较高。 国外已有几家采用大型固定式氧气顶吹炉工艺(包括ISA、奥氏麦特、TBRC等工艺)处理低品位废杂铜的工厂，但是技术封锁非常严。目前中国瑞林工程技术有限公司和铜陵有色金属集团公司已确定自主开发规模为10万吨铜的固定式氧气顶吹炉系统。采用产、学、研、用相结合的技术攻关方法，参考氧气顶吹炉处理铜精矿的实践，研究处理冶炼低品位废杂铜时各种工艺参数，操作制度，炉渣渣型控制以及烟气高效净化和二恶英控制技术等。同时云南铜业也在开发一种双顶吹工艺，将铜精矿和废杂铜混合熔炼，充分利用铜精矿熔炼过程的余热，降低废杂铜冶炼能耗。

　　6.3 再生铜中有价金属综合回收技术

　　随着废杂铜中复合铜材料的不断增加，对废杂铜的处理应从主要回收铜和金银转向综合回收有价元素。对铜废料中的贱金属如Sn、Ni、Pb、Fe、As、Sb、Bi和稀贵金属如In、Se、Te、Pt、Pd等应能有效回收。如研究先采用火法冶炼进行富集，实现稀贵金属和贱金属的分离，然后采用湿法冶金方法实现单一金属的回收等。

　　国外典型工厂为比利时霍博肯冶炼厂。霍伯肯冶炼厂采用艾萨炉杂铜冶炼工艺。艾萨熔炼工艺对原料的适应性强，处理的原料非常杂，品种很多，从而拓展了其原料来源，每年处理各种Pb/Cu/Ni/贵金属二次物料约30万t，有200多种，包括工业副产品、再生废料、矿物原料。工厂回收的有价元素品种多达17种，年产铅9万t、铜3万t、锑3000t、锡1000t，铋400t、镍2000t、铟50t、硒600t、碲150t，金、银、铂、钯、铑的生产能力分别为100t/a，2400t/a,18t/a，24t/a，5t/a。除了金属产品之外，冶炼炉渣全部作为水泥原料及其它建筑材料销售。

　　6.4 高品位废杂铜直接生产火法精炼铜杆技术

　　由于废杂铜直接生产火法精炼铜杆有很好的经济效益和产品市场，而引进国外技术和设备费用昂贵，所以开发自主创新的技术势在必行。

　　根据前几年国内江钨集团和天津大无缝铜材有限公司引进西班亚的La FargaLacambra的技术和设备投入生产存在的问题，如专用造渣剂成本高、难以处理96%以下的废铜，两个工厂都无法实现连续生产，熔炼周期与轧机的生产不匹配，轧机的能力不能充分发挥，投入产出比欠佳等问题，国内已经在研究专用造渣剂和杂质脱除控制技术。如果与国内开发的高品位废杂铜精炼工艺相配合，将精炼炉和铜杆加工设备相集成，同时开发完善的自动化系统，可望用90%以下的废杂铜直接生产火法精炼铜杆，预计成套装置的技术经济指标将明显好于国外技术和设备。

　　(作者系中国瑞林工程技术有限公司总工程师)