廢雜銅生產銅桿工藝改善研究

張秉檐

（江鎢新型合金材料有限公司，江西 贛州 341000）

廢雜銅生產銅桿工藝改善研究

張秉檐

（江鎢新型合金材料有限公司，江西 贛州 341000）

針對廢雜銅生產銅桿的傳統(tǒng)工藝存在資源利用率低、產品生產流程長、成本高、熱效率低、能耗高、環(huán)境污染嚴重的現(xiàn)狀，以Φ8 mm銅桿為研究對象，對生產工藝關鍵參數(shù)進行試驗研究.研究結果表明：新確定的工藝參數(shù)方案能夠達到銅桿延伸率不小于41%，抗拉強度大于170 N/mm2，電阻率不大于0.01724 Ω·mm2/m，工藝方案為廢雜銅工業(yè)化批量生產質量穩(wěn)定的銅桿奠定了基礎.

廢雜銅；直接利用工藝；Φ8 mm銅桿；抗拉強度

廢雜銅再生利用是循環(huán)經濟的重要組成部分[1].從廢雜銅到銅線桿傳統(tǒng)的方法要經過3個步驟[2]：第1步是廢雜銅的火法精煉，冶煉之后鑄成陽極板，進入第2步電解，電解過后產出的陰極銅再進入最后一步，將陰極銅重熔制桿，這種傳統(tǒng)工藝存在工藝流程長、能耗高、效率低等缺點[3].

江鎢新型合金材料公司成立于2008年，一期工程總投資額約9億元人民幣，是國內首家采用再生銅直接利用工藝技術生產火法精煉高導電低氧光亮銅桿（Cu-FRHC）的企業(yè).公司設計年生產規(guī)模為高導電銅桿及銅線40萬t，分二期建設：其中一期工程利用廢紫雜銅年加工12萬t銅桿產品及3萬t銅線產品；二期工程利用廢紫雜銅年加工18萬t銅桿產品及7萬t線材及管材等深加工產品.采用的工藝是廢銅的連續(xù)冶煉，從而得到可控雜質含量的液態(tài)銅，經過連鑄連軋生產出銅桿.生產方式采用熔煉→連鑄→連軋→銅線桿，一體化連續(xù)生產工藝，較傳統(tǒng)工藝節(jié)能.與國內目前銅冶煉工藝相比，公司生產具有資源利用率高、產品生產流程短、成本低、熱效率高、能耗低、環(huán)境污染少的特點.故加大對該類產品的研發(fā)對提高企業(yè)的市場競爭力及經濟效益具有重要意義.

1 試驗方法

1.1 原材料選取

廢雜銅是廢品和廢料的統(tǒng)稱，其來自3個方面：一是有色金屬冶煉過程中產生的廢品和廢料；二是各種機械加工過程中產生的廢品和廢料；三是使用過程中舊的、報廢的儀器、儀表、工具和機器設備等[4].

國內廢雜銅尚沒有制定較為完善的分類標準，基本上參照國外的標準，大致把廢雜銅分為三類：

1#廢雜銅：純度在95%-99%以上，主要是由干凈的非合金銅材料所組成，即：銅邊角料，銅圈、干凈銅管或管道、1#銅線和粗導線（不包括被燒焦的和易碎的細銅線），此類廢料可直接送加工廠使用.

2#廢雜銅：含銅在85%以上，包括干凈的、氧化的、帶皮的銅邊角料、銅圈、整流器部件、較干凈的帶少量焊錫的銅管材，氧化或帶皮銅線（不是被燒焦的銅線）.

3#廢雜銅：除含有上述1#、2#廢雜銅的成分外，還含有大量的含銅鑄件，廢軸承、廢舊馬達、各種電器設備、廢舊變壓器等.3#廢雜銅含銅量變化范圍很大，最低含銅量達20%，最高達到70%-80%.

為了保證熔煉廢銅液的質量，對所有的廢雜銅進行了選擇，并按照來源特征進行預處理.例如對光亮廢電線電纜、銅米的技術要求：

（1）必須光亮，不能有氧化物、塑膠、鐵、錫、鋁等其它雜質.

（2）光亮廢電線電纜必須打包壓成塊.

本試驗材料等級采用的廢銅品位是在92%左右.在此基礎上后面試驗的方向將利用品位更低的廢雜銅原料直接制桿來逐步探索更佳的工藝條件.

1.2 實驗條件

銅桿組織的好壞直接影響成品性能[5]，為研究成桿工藝對銅桿結晶組織的影響，試驗時，采用了兩組不同的成桿工藝參數(shù)，將得到的試驗結果進行對比，探索出合適的成桿工藝參數(shù)和最優(yōu)操作流程.具體參數(shù)見表1.

表1 工業(yè)試驗的工藝參數(shù)

2 試驗結果

2.1 成桿工藝結果

不同成桿工藝下的銅桿組織，見圖1.

從圖1可以看出，在成桿過程采用紫銅內套結晶器，于 0.22～0.25 MPa水壓、110～140 mm/min 鑄造速度條件下得到的第1爐銅桿，其結晶組織更細小致密，顯著改善了鑄錠的質量，而采用紫銅加石墨內套結晶器，較低水壓，鑄造速度較慢的第2爐銅桿，相比之下其晶粒組織明顯粗大.

2.2 加工工藝結果

不同成桿工藝條件下銅桿的性能檢測結果見表2所示.

從表2可以發(fā)現(xiàn)，隨著加工率的增大，銅桿的抗拉強度逐步提高，延伸率則有一定程度的下降，其成品見圖2.

3 試驗結果分析

圖1 工業(yè)試驗銅桿的宏觀組織

表2 工業(yè)試驗中銅桿的部分性能測試表

圖2 工業(yè)試驗下Ф8 mm成品銅桿

本試驗生產的Φ 8mm低氧光亮銅桿銅含量≥99.95%，氧含量≤200×10-6，電阻率≤0.017241Ω·mm2/m，導電率≥100%IACS，抗拉強度＞345 N/mm2，延伸率＞35%，并通過了具有國際信用等級的SGS檢測.檢測報告指出：江鎢新型合金材料公司采用廢紫雜銅直接制桿生產的Φ 8 mm低氧光亮銅桿中未檢測出鎘、鉛、汞、六價鉻等有害元素，達到了國際環(huán)保標準.銅桿中有害物質鎘、鉛、汞和六價鉻的含量小于歐盟ROHS指令限量值2×10-6，各項質量指標均超過國家T2標準水平，并達到國際先進水平.

金屬在結晶過程中，其組織晶粒的大小和表面質量與結晶器的選擇、水壓大小和澆注速度的大小均有一定的關系[6].由于紫銅的導熱系數(shù)大于石墨的，在鑄造過程中，相同冷卻水壓的條件下，采用紫銅內套結晶器，金屬的結晶潛熱大，單位時間形核率高，有利于金屬的凝固成型及晶粒細化；循環(huán)水的二次冷卻作用是為保證熱量主要沿軸向導出，促進軸向凝固，使液穴淺平，故當其他條件一樣，水壓高，二次冷卻強度越大，液穴越淺平，鑄錠組織越致密.

晶粒大小除了受結晶器、水壓影響之外，還要與鑄造速度有關.當澆鑄速度慢時，熔體在結晶器內凝固成型及停留的時間較長，在凝固殼下降的過程中，彎液面熔體的表面張力阻礙了液體向結晶器的繼續(xù)填充，使液體有一定的被冷凝時間，熔體和結晶器間就會形成一定的空隙并逐漸增大，同時銅液對彎液面產生的靜壓力也在逐漸增大，一旦表面張力被克服，熔體就會再次填充到結晶器，受激冷易形成冷隔缺陷.提高鑄造速度，可縮短熔體在結晶器內的停留時間，相對降低了彎液面熔體的表面張力，可有效地降低甚至消除冷隔的形成，從而有效地改善鑄錠的表面質量.

4 結 論

（1）廢雜銅生產銅桿的方式采用熔煉→連鑄→連軋→銅線桿一體化連續(xù)生產工藝.試驗表明較傳統(tǒng)工藝節(jié)能.與國內目前銅冶煉工藝相比，該生產工藝具有資源利用率高、產品生產流程短、成本低、熱效率高、能耗低、環(huán)境污染少的特點.

（2）在半連續(xù)鑄造過程中，采用紫銅內套結晶器，冷卻水壓為0.22～0.25 MPa，鑄造速度為110～140 mm/min的條件下，可以成功拉鑄出表面質量、化學成分都達到國家標準要求的銅桿.

（3）試樣經內部和外部嚴格檢驗結果表明，銅桿的電阻率、含氧量、尺寸公差、表面質量、機械性能等各項性能指標均達到了國家標準的技術要求，且其生產成本較低，工作效率高，為工業(yè)化批量生產奠定了條件.

下一步研究方向重點是如何利用品位更低的廢雜銅原料直接制桿[7]，從而最大限度的利用再生資源，嘗試在其中加入新的成分[8]，使產品性能更好，生產成本更低，使資源利用更加平衡.

[1]Sung K,Kang S.Purushothaman Development of Conducting Adhesive Materials for Microelectronic Applications[J].Electronic Materials,1999,28(11):1314-1316.

[2]F M Coughlan,H J Lewis.A Study of Electrically Conductive Adhesives as a Manufacturing Solder Alternative[J].Journal of Electronic Materials,2006,35(5):912-913.

[3]王 沖,朱學云,熊振坤.我國廢雜銅的再生利用現(xiàn)狀及展望[J].中國資源綜合利用,2009,(7):16-20.

[4]張?zhí)戽?陳曉東,唐維學,等.廢雜銅的回收與利用[J].廣東化工,2009,(6):7-11.

[5]陳存中.有色金屬熔煉與鑄錠[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006:102-119.

[6]余永寧.金屬學原理[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2005:250-270.

[7]趙新生,盧 宏.廢雜銅火法精煉直接生產光亮銅桿的工藝和設備(續(xù))[J].資源再生,2008,(11):17-22.

[8]瑞 林.FRHC廢雜銅精煉工藝技術的發(fā)展[J].資源再生,2009,(9):21-25.

Research on Production Technology of Scrap Copper Producing Copper Rod

ZHANG Bing-yan

（Jiangxi Rare Earth and Rare Metal Tungsten Group New Alloy Materials Co.，Ltd,Ganzhou 341000，China）

Scrap copper rod (Φ8 mm)was taken as the research object in this topic,through the research on its production process,seeking an effective technique,which can make the product quality meet the requirements of the standards.Scrap copper rod for the traditional production process with draw backings as resource utilization low,high costs,low thermal efficiency,high energy consumption,serious pollution of the status quo.This paper study results show that:the new program to determine the process parameters to achieve elongation of not less than 41%,tensile strength greater than 170 N/mm2,the resistivity is not more than 0.01724 Ω·mm2/m,industrial mass production for the quality of scrap copper rod and stable foundation.

Scrap copper;the direct use process;Φ8 mm copper rod;Tensile strength

TG146.1

A

1674-9669（2011）04-0012-04

2011-07-12

張秉檐（1955- ），男，高級工程師,主要研究領域為有色冶金工藝與設備，E-mail：wumao-5@163.com.