高品位杂铜NGL炉冶炼工艺及生产实践

谭芳香 黄以伟

(1.广西壮族自治区知识产权发展研究中心，南宁 530029；2.南宁同达盛混凝土有限公司，南宁 530000)

随着铜及其合金应用的日益广泛，特别是电子行业的快速发展，电子废料量急剧增加，废杂铜的组成朝着含铜越来越低、成分越来越复杂的方向发展，废杂铜处理和利用的技术难度越来越高，环境污染的压力进一步加大。废杂铜处理和利用的工艺及装备水平对我国再生铜产业的节能、减排效果乃至整个铜行业的发展都有重大影响。目前废杂铜冶炼工艺及设备主要存在以下几个问题：1)冷料入炉，物料形状参差不齐，加料和熔化速度慢，几乎占作业周期的1/2，生产效率低；2)消耗的燃料占比80%以上，能耗大；3)废杂铜中杂质元素组成复杂，含有多种金属和非金属元素，大大增加了火法精炼的难度，同时火法精炼工序和液态熔融粗铜的除杂要求不同，氧化、造渣频率高，甚至造碱性渣等，周期长、难度大；4)排渣频次及渣量多，废杂铜精炼造渣率在一定范围内随着入炉品位的降低而升高，渣量多且黏度大，在结构上要考虑出渣的便利性；5)烟气含较多挥发物，要求烟气设备能力较高，处理不当，炉子出口、烟道和余热回收系统会严重粘结[1-2]。目前国内多采用固定式反射炉进行废杂铜精炼，主要采用“二段法”，其缺点在于氧化还原剂利用率低、机械化程度低、渣含铜高、环境污染严重等[2-3]。国外主要采用倾动炉“二段法”处理废杂铜，具有清洁高效等优点，但缺点在于缺乏熔体微搅动装置，传热、传质效能低，结构复杂等[4-7]。本文试验所用NGL炉为一圆筒形可倾转的适用于冷装料的铜火法精炼工业炉，具有操作灵活方便、便于出渣、燃料适应性强、杂质脱除快、精炼效率高、能耗低的优点，克服了固定式阳极炉的操作强度大、环境污染严重、安全隐患突出及能耗偏高等缺点，且炉子本体造价低于倾动炉，是一种既先进又符合国情的新型冶金工业炉[8-19]。本文研究内容主要涉及采用NGL炉处理废杂铜的工艺及生产实践。

1 NGL炉冶炼工艺

1.1 NGL炉结构特点

NGL炉体结构示意图如图1所示，炉体呈圆筒状，工作时通过电机带动驱动轮，炉子可以绕它的横轴作-8°～60°倾动，非工作状态可作360°旋转，可实现倾转冶炼。炉内砌筑镁铬转，炉底有透气砖透入氮气进行搅拌，烧嘴以一定的角度插入炉内所需位置，并通过它们分别向炉内喷入氧气、天然气和压缩空气，进行氧化、还原反应，最终产出阳极铜。

在冶炼阶段，炉子倾转到相对水平面0～45°的位置，在此位置，炉体围绕着它的纵中心轴以工艺所需的速度旋转，旋转速度为0.05～0.5 r/min。另外，炉体可以根据冶炼工艺要求，倾转到不同的位置，如加料在0～60°，冶炼/还原/精炼在0～45°，出渣在 0～-8°，出铜在0～50°。

图1 NGL炉体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of NGL furnace structure

1.2 NGL炉冶炼工艺流程

NGL炉冶炼工艺流程如图2所示，该炉主要针对高品位废杂铜(Cu≥85%)、残极、不合格阳极铜以及来自顶吹转炉的液体粗铜(Cu≥92%)等原料。NGL炉主要包括炉体装置、驱动装置、燃烧系统、氧化还原风管、加料系统、烟气处理系统等，其冶炼工艺流程主要涉及原料打包、火法精炼、阳极浇铸、烟气烟尘处理等[6-8]。高品位废杂铜通过打包后，加入炉料采用稀氧燃烧并通以氮气搅拌强化熔化冶炼，而后鼓入压缩空气氧化，并加入熔剂进行造渣，排渣结束控制炉体倾转还原后进行浇铸，烟气烟尘的处理主要高温烟气经冷却降温后进入布袋收尘器除尘[9-11]。

NGL炉冶炼工艺主要通过加大烧嘴的天然气流量对炉内的物料进行熔炼[20]。炉内物料熔化后，进入氧化阶段，将炉体慢慢摇至45°，由氧化还原风管向炉内吹入压缩空气进行吹炼，同时加大炉内负压[21]，保持炉内温度在1 250 ℃以下氧化阶段完成后，开始出渣。后续进入还原阶段，将炉体慢慢摇至45°，氧化还原风管向炉内吹入天然气，此时要减小炉内负压，待杂质降至合格范围后还原出铜[11-14]。

图2 NGL炉冶炼工艺流程Fig.2 NGL furnace smelting process

1.3 冶炼工艺技术参数

1)铜品位≥85%；2)NGL炉氧化及还原终点温度均为1 200～1 220 ℃，出渣含铜率≤25%；3)天然气量控制60～109 m3/h，炉内压控制在-30～45 Pa。氧化过程氧气量不小于140 m3/h，压力稳定在0.68 MPa，炉体在25°～45°倾动。还原过程天然气量约为95 m3/h，压力维持在0.38～0.4 MPa，炉体在0°～45°倾动。氧化和还原过程中，风管入炉长度约保持在150 mm。4)天然气单耗和氧气单耗分别控制在40 m3/tCu、110 m3/t阳极铜，还原单耗控制在2～4 m3/tCu，还原剂利用率大于60%。

2 NGL炉冶炼废杂铜生产实践

文中选取14批冶炼作业作为研究对象产出阳极铜情况总结于表1。1#和2#NGL炉同时运行，其中，1#NGL炉共运行193炉次，产阳极铜48 267 t，2#NGL炉共运行269炉次，产阳极铜67 289 t，两个炉体共产阳极铜115 556 t。

按4.7万元/tCu的价格计算，阳极铜产值543 113万元，此外工艺还可产出有价金属(精炼渣13 800元/t计算，烟灰5 110元/t计算)，工业总产值约583 171万元，利税约18 615万元，可显著提升企业经济效益。

表1 NGL炉冶炼产出阳极铜情况

3 与国内外同类技术的对比情况

国内外“一段法”处理的废杂铜要求入炉品位均在92%以上[22-25]，而本研究应用的NGL炉，利用炉型优势，目前可处理混合品位在85%左右的废杂铜。工艺集成氮气搅拌及稀氧燃烧系统，天然气单耗由设计值65 m3降至40 m3，热效率可提高40%，节能30%，减少碳排放45%。NGL炉体加料门和出渣口合并，密闭性能好、自动化程度高、环境污染小，可实现“一段法”工艺冶炼原料为Cu 85%以上废杂铜，产出含Cu≥99.2%的阳极铜的目标。工艺技术进一步提高后，可以处理混合品位80%以下的废杂铜，且可搭配处理的更低品位的废料，获取更高的经济效益。各种废杂铜处理系统的主要技术经济指标对比结果见表2。

表2 各种废杂铜处理系统的主要技术经济指标对比

4 结论

1)NGL炉冶炼工艺集成氮气搅拌及稀氧燃烧系统后，可提高传热传质效果和反应速率，天然气单耗由设计值65 m3降至40 m3，节能效率明显。

2)创新设计NGL炉体加料门和出渣口合并，自动化程度高、密闭性良好、环境污染小。

3)采用NGL炉可实现“一段法”工艺冶炼原料为Cu 85%以上废杂铜，采用富氧空气氧化技术，杂质脱除快、精炼效率高，产出含Cu≥99.2%的阳极铜。