純銅廢料回收利用現(xiàn)狀淺析

前言

我國銅礦資源匱乏，超過70%的銅精礦依賴進(jìn)口，造成了我國銅冶煉企業(yè)成本居高不下。廢雜銅作為礦產(chǎn)銅的補(bǔ)充部分，是實(shí)現(xiàn)中國銅產(chǎn)業(yè)自給自足的重要一環(huán)。廢雜銅的再生利用得到了國家政策的大力支持，中華人民共和國國務(wù)院發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》指出，當(dāng)前重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域和優(yōu)先主題包括節(jié)能環(huán)保和資源綜合利用，特別是廢棄物的資源化利用技術(shù)。2011年2月10日，工業(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、則政部共同印發(fā)了《再生有色金屬產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃》，這不僅有助于實(shí)現(xiàn)金屬資源循環(huán)化利用，而且也有利于企業(yè)的技術(shù)裝備升級(jí)。《重慶市第十一個(gè)五年規(guī)劃再生資源回收利用體系建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃》指出了我市資源回收利用體系存在的問題，規(guī)劃了再生資源循環(huán)利用總體目標(biāo)和發(fā)展方向。

與以銅礦為原料的原生銅相比，以廢雜銅為原料的再生銅生產(chǎn)具有流程短、能耗低、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。廢雜銅的回收再利用不僅能夠緩解國家銅礦資源短缺的瓶頸，而且節(jié)能減排效果顯著，對(duì)銅礦資源貧乏而銅消耗量大的中國而言，具有重要的意義。

廢雜銅來源及分類

廢雜銅按照含銅量的多少可分為低品位廢雜銅（含銅＜90%）、高品位廢雜銅（含銅＞90%）和純銅廢料（含銅100%）。低品位廢雜銅通常成分復(fù)雜，常直接熔煉成不同牌號(hào)的銅合金外售；高品位廢雜銅和純銅廢料多經(jīng)火法處理鑄成陽極銅，再電解精煉成電解銅，并在電解過程中回收其他有價(jià)元素。純銅廢料因含銅量最高，成分單一，且往往形態(tài)不似其他廢雜銅復(fù)雜，成為銅二次資源回收利用的重要部分。

純銅廢料的主要來源包括：銅材加工廠和銅加工制造廠產(chǎn)生的純銅邊角料、切頭、廢次材、半成品、線材、廢品、報(bào)廢的純銅裸線和銅管等其它純銅制品。純銅廢料一般需要經(jīng)過拆解、分揀等預(yù)處理，處理后不允許有水垢、油污、涂層等，不含有任何雜質(zhì)和銅合金，也不含有毛絲、車屑、磨屑和厚度小于1mm的銅板。

純銅廢料的回收利用方法

為了實(shí)現(xiàn)純銅廢料的回收再利用，國內(nèi)外的生產(chǎn)企業(yè)和科研單位進(jìn)行了大量的探索和實(shí)踐工作，有些已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，有些仍處于研究階段，其中主要包括兩種方式：火法處理和直接電解處理。

目前，回收純銅廢料的方法以火法為主，主要過程是：純銅廢料首先經(jīng)過人工揀選，剔除不符合要求的廢料，然后去除雜質(zhì)、油污等，接著投入高溫爐熔化、鑄錠，最后電解精煉制得精銅。火法處理廢雜銅開始主要用于處理企業(yè)內(nèi)部因切割、連鑄等產(chǎn)生的邊角料，隨著工藝的成熟，逐漸推廣到用于各種廢雜銅的直接精煉，具有處理量大，對(duì)原料要求低等特點(diǎn)。FRHC（火法精煉高導(dǎo)電銅）廢雜銅精煉工藝是由西班牙拉法格公司20世紀(jì)80年代中期開發(fā)成功的一項(xiàng)廢雜銅熔煉、連鑄、連軋生產(chǎn)的專利技術(shù)，通過化學(xué)精煉和深度氧化還原，使廢雜銅中的雜質(zhì)形成維化合物，生產(chǎn)的低氧光亮銅桿含銅量大于99.93%，導(dǎo)電率從100.4%IACS提高到100.9%IACS。美國對(duì)廢雜銅的分類更為嚴(yán)格，因此，回收工藝也更加細(xì)化。其中火法熔煉是很重要的部分。我國再生銅行業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，研發(fā)了很多成熟的工藝，火法處理主要包括反射爐工藝、傾動(dòng)爐工藝和卡爾多爐工藝反射爐熔煉廢雜銅時(shí)，在氧化階段可進(jìn)一步脫除其中的雜質(zhì)，但其自動(dòng)化程度不高，環(huán)境污染嚴(yán)重。傾動(dòng)爐在熔煉的不同階段可傾斜爐體，便于通入氣體和排除熔渣，但具有爐體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。卡爾多爐工藝是一種強(qiáng)氧化熔煉方法，對(duì)原料要求低，不僅能夠處理純銅廢料，甚至可處理銅含量20%～60%的廢雜銅。但因其爐子壽命短、成本高，未能得到大規(guī)模應(yīng)用。

然而，純銅廢料熔鑄是高耗能過程，若能夠省略熔鑄過程，直接進(jìn)行電解精煉生產(chǎn)精煉銅或銅粉，不僅可以大大節(jié)約能源消耗，而且可減少環(huán)境污染。有學(xué)者進(jìn)行了純銅廢料的直接電解回收，取得了較好的效果。但迄今，尚未有廢雜銅直接電解工藝實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，其中很重要的一個(gè)原因是：對(duì)直接電解過程中的流場、濃度場、溫度場研究不夠深入，致使實(shí)驗(yàn)室直接電解實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)放大化生產(chǎn)。

直接電解處理純銅廢料與銅電解精煉過程類似，但其是將預(yù)處理過的純銅廢料放入陽極框內(nèi)作為陽極，用鈦板、不銹鋼板或純銅片作為陰極，硫酸銅-硫酸溶液作為電解液。M.Aghazadeh等研究了從黃銅廢料中直接電解生產(chǎn)銅的工藝，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法考察了電流密度等因素對(duì)陰極沉積銅的表面質(zhì)量的影響。Figueroa，M.和Gana，R.對(duì)單對(duì)電極和多對(duì)電極直接電解回收銅進(jìn)行了詳盡的研究，成果顯著。特別是水平旋轉(zhuǎn)陰極和垂直旋轉(zhuǎn)陰極的使用，為銅電解新工藝提供了新的思路。

我國學(xué)者梅光貴、鐘竹前等早在20世紀(jì)90年代即提出用框式陽極室盛裝廢雜銅進(jìn)行電解，后又提出導(dǎo)電框和非導(dǎo)電框的使用。但迄今均未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。其原因主要是：（1）框式陽極室中形狀各異的廢雜銅隨著電解過程的進(jìn)行發(fā)生不均勻溶解，易出現(xiàn)其與導(dǎo)電棒接觸不良的情況，這勢必會(huì)引起局部電解液溫度過高、槽電壓升高，導(dǎo)致電解過程不能順利進(jìn)行；（2）囿于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室條件和實(shí)驗(yàn)手段的限制，未能對(duì)直接電解過程中電解液流動(dòng)規(guī)律、電解質(zhì)傳輸變化做深入的研究。

展望

我國目前廢雜銅直接電解法尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，但其與火法直接精煉相比，具有較大的優(yōu)越性：

（1）電解法主體設(shè)備是電解槽，這與反射爐等爐窯相比，具有設(shè)備簡單、投資小的特點(diǎn)，而且電解槽的尺寸可根據(jù)生產(chǎn)情況靈活設(shè)計(jì)，檢修維護(hù)也相對(duì)簡單。

（2）電解過程由于不涉及高溫，作業(yè)環(huán)境相對(duì)安全，對(duì)工人健康危害性小，產(chǎn)生煙塵少。

（3）工藝流程靈活，可根據(jù)原料的性質(zhì)和產(chǎn)品的要求等對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以生產(chǎn)滿足客戶不同需求的產(chǎn)品。隨著我國礦產(chǎn)資源的日益貧乏和國家對(duì)環(huán)保要求的提高，廢雜銅的精細(xì)化回收是必然趨勢，而含銅量最高的純銅廢料是回收再利用的重要部分。因此，采取經(jīng)濟(jì)可行的工藝回收純銅廢料，實(shí)現(xiàn)其資源化利用，并同時(shí)減少環(huán)境污染，對(duì)我國銅資源的補(bǔ)給和環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

前人為我國廢雜銅特別是純銅廢料的直接電解提供了很好的思路和方向，但需要我們對(duì)電解過程進(jìn)行更全面和細(xì)致的研究，探究電解液流動(dòng)過程中電解質(zhì)的傳輸規(guī)律、熱量的傳遞規(guī)律，及其與槽電壓的關(guān)系。

然而，因電解液流動(dòng)的復(fù)雜性和電解質(zhì)、溫度等多因素的交錯(cuò)耦合，單單依靠無數(shù)次實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)方法研究這一綜合過程中各因素的變化是難以實(shí)現(xiàn)的，必須借助新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一突破。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬以其直觀性和可靠性為冶金領(lǐng)域的許多復(fù)雜流動(dòng)與傳熱問題提供了有效的研究方法。過去僅僅依靠實(shí)驗(yàn)手段才能得到的某些復(fù)雜結(jié)果，現(xiàn)在已經(jīng)完全可以借助計(jì)算流體力學(xué)軟件模擬快速有效地獲取，同時(shí)可以利用模擬計(jì)算得到的優(yōu)化方案指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)工作。這種實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合、“軟-硬”兼施的方法，定能為我國廢雜銅特別是純銅廢料的綜合回收利用提供更好的手段和空間。