饶勇平1，张深根2,3，林映春3，丁云集3，黄崇祺4，欧惠2
（1. 赣州江钨新型合金材料有限公司，江西 赣州 341000；2. 南昌大学物理与材料学院，江西 南昌 330031；3. 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083；4. 上海电缆研究所有限公司，上海 200093）
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引用格式：
①饶勇平, 张深根, 林映春, 丁云集, 黄崇祺, 欧惠. 废杂铜直接制杆产业化成套技术[J]. 铜业工程,2024(3):119-130.
②RAO Yongping, ZHANG Shengen, LIN Yingchun, DING Yunji, HUANG Chongqi, OU Hui. Industrialized complete technology of direct making rod with scrap copper [J]. Copper Engineering, 2024(3):119-130.
doi: 10.3969/j.issn.1009-3842.2024.03.011
中国废杂铜约94%用于再生铜杆，但存在废杂铜分类回收体系及渠道不规范、制杆技术和装备落后、评估标准和体系不完善等问题，以致再生铜杆品质不高。本文针对上述难题，在国家科技支撑计划项目等支持下，通过产学研合作，历经十年，研制出废杂铜预处理系统，建立了废杂铜原料分类体系，实现了废杂铜快速除杂；集成创新了“竖炉+精炼炉+保温炉”新型冶金炉组，成功地以铜含量92%及以上的废杂铜连续生产出合格的电工用铜液（Cu+Ag≥99.90%，O<400×10⁻⁶），实现了低品位废杂铜直接制杆；创新了五轮式连铸、两辊式连轧及其整个辅助系统，实现了连铸液位自动控制与冶金炉组联动控制，稳定生产出了高质量再生铜杆并建立了示范线。再生铜杆经国家电线电缆检测中心检测，主成分（Cu+Ag）≥99.90%，导电率≥100.5％IACS，氧含量＜400×10⁻⁶ ，延伸率≥38%，达到了国标和行标的要求。
根据《中国矿产资源报告2022》，中国铜矿资源储量约为3400万t，约占全球总量的4.0%，静态保障年限不足20%，对外依存度75%以上，供需矛盾极为突出。废杂铜的循环利用对缓解中国铜供给紧张局面意义重大，是保障中国铜产业可持续发展的重要举措。
废杂铜来源广泛、成分复杂、铜品位高低不一，导致其回收工艺不同。高品位废杂铜直接通过精炼生产铜产品，包括一段法、二段法或三段法火法。火法精炼得到的阳极铜再经电解生产高纯度阴极铜。国内再生铜企业大多采用一段法或二段法工艺。
直接利用废杂铜是经严格分类后，通过熔剂或合金元素，经除杂或合金化得到合格的铜或铜合金。美国、德国等直接利用废杂铜的占比已达到总消费量的40%~60%。2023年中国直接利用废杂铜占比约为35%。直接利用废杂铜工艺操作简单、能耗低、回收率高、污染小、成本低，是废杂铜再生利用最经济的方法之一。
一段法主要适合处理高品位废杂铜（Cu>90%），通过氧化除去杂质得到合格的阳极铜，再经电解生产阴极铜。该工艺包含新型固定反射炉工艺、倾动炉工艺［（精炼摇炉、卧式精炼炉（NGL）］、新型热风富氧密闭环保鼓风炉工艺。
对于铜品位低于90%的废杂铜，一般采用两段法回收。先通过吹炼生产铜含量高于98%的粗铜，再经过火法精炼得到铜含量大于99%的阳极铜。目前国内典型的处理工艺有Pierce-Smith（PS）转炉—阳极炉精炼、卡尔多炉（顶吹转炉）—阳极炉精炼和顶吹熔炼炉（澳斯麦特炉/艾萨炉）—阳极炉精炼等。
废杂铜直接电解是一种短流程生产阴极铜的方法。然而，由于废杂铜经预处理后一般为碎块、碎屑或粉状物料，必须将废杂铜置于阳极框中进行电解。由于废杂铜物理规格形态差异性大，须开发具有高生产效率的电解框。此外，由于废杂铜成分复杂，杂质元素进入电解液后对电解铜的生产也是巨大的挑战。
综上可知，废杂铜的直接利用、一段法、二段法、三段法和直接电解等工艺主要问题有：1）直接利用，要求废杂铜的铜含量不低于97%，原料适应性低；2）火法精炼，可以利用铜含量低于90%的废杂铜，但需要经过电解提铜才能得到满足电工用铜要求的产品，且流程长，污染严重；3）直接电解因废杂铜中的杂质会进入电解质，难以稳定获得高质量的电解铜。
为此，本文针对铜含量不低于92%的废杂铜，研发“竖炉+精炼炉+保温炉”新型冶金炉组、连铸连轧、铜杆质量在线测控及全系统自动控制等技术和装备，以实现废杂铜直接制杆，实现废杂铜绿色低碳短流程高值利用，支撑中国再生铜杆产业高质量发展。
图1 总体研究思路
图2 圆筒筛
图3 不同铜合金的SEM图像：（a）Cu-Pb合金；（b）Cu-Fe合金；（c）Cu-Sn合金；（d）Cu-Al合金；（e）含有非金属夹杂物的铜合金；（f）含有多种杂质的铜合金
图5 （a）Al和（b）Fe含量及去除率
图6 金属氧化物分解压力与温度关系
图7 H在铜中的溶解度与温度的关系
图8 新型冶金炉组
图9 连铸连轧系统
图10 液位控制系统
图11 轧辊单独传动系统
图12 在线监控系统
本研究通过引进、消化和吸收国际上先进的废杂铜直接制杆装备，突破了产业化关键技术，实现了集成再创新，连续精炼出合格的铜液（Cu+Ag≥99.90%，氧含量＜400×10⁻⁶），直接连铸连轧生产电工用合格的再生铜杆，经国家电线电缆检测中心检测，铜杆主成分（Cu+Ag）≥99.90%，导电率≥100.5%IACS，氧含量<400×10⁻⁶，延伸率≥38%，达到国标和行标要求。
赣州江钨新型合金材料有限公司依托产学研研究成果，建立了具有完全自主知识产权的废杂铜直接制杆20万t/a示范线，稳定生产运行十年以上，各项指标达到了国际领先水平，技术、经济和环保效益显著，实现了废杂铜绿色高值化。
第一作者：饶勇平，中共党员，现任江钨控股集团公司赣州江钨新型合金材料有限公司党总支书记、董事长、总经理；国家行业标准《电工用火法精炼再生铜线坯》主要起草人、国家科技部“十二五”国家科技支撑计划“废杂铜直接制杆技术开发与示范”课题主要负责人，中国有色金属工业协会再生金属分会理事、江西省铜行业协会副会长。
通信作者：张深根，工学博士，北京科技大学教授，博士生导师，北科领军学者，杰出工程师奖获得者，国务院政府特殊津贴专家。1998年毕业于中南大学获材料加工工程博士学位，2002年破格晋升为教授。现任北京科技大学新材料技术研究院副院长、中国材料研究学会理事、中国再生资源产业技术创新战略联盟副理事长等。主要从事材料循环利用、稀土材料和危险固废无害化处置与资源化等研究。先后主持多项国家自然科学基金重点项目、国家科技攻关重大项目、国家科技支撑项目、国家重点研发计划项目、工信部绿色制造系统集成项目、国家发改委稀有稀土新材料专项、国际合作项目等，作为技术负责人之一参与建设国家新材料重点平台，在电子废弃物(WEEE)、再生金属、危险固废处置与资源化等领域取得了多项原创性研究成果。以第一完成人获国家技术发明二等奖1项、省部级一等奖5项，以第一发明人身份获中国专利银奖和优秀奖各1项、北京市发明专利奖二等奖2项、山东新旧动能转换高价值专利培育大赛一等奖、金砖国家工业创新大赛优秀奖；获“庆祝中华人民共和国成立70周年”纪念章(由中共中央、国务院、中央军委授予)；授权中国发明专利近160件、授权国外专利13件、申请PCT专利19件；出版专著6部；在J. Hazard. Mater., J. Clean. Prod., Resour. Conserv. & Recy., Waste Manage.等发表论文230余篇。
《铜业工程》创刊于1984年，由江西铜业集团有限公司主管主办，是我国铜工业领域全面反映铜产业链技术进步和金属材料科技创新的双月刊。中国工程院外籍院士、加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士徐政和为期刊特约主编。期刊为《有色金属领域高质量科技期刊分级目录（2023）》T3级别，同时被美国《化学文摘》、俄罗斯《文摘杂志》《中国核心期刊（遴选）数据库》《万方数据库》《维普中文科技期刊数据库》等国内外检索数据库平台收录。本刊主要刊登铜、铅锌、稀有金属、贵金属等有色金属在采选、冶金、加工、环保、分析测试等方面的最新科研成果及应用，以及有色金属领域产业数字化、“双碳”战略推进等研究论文和综述文章。
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