江铜贵冶卡尔多炉处理废杂铜冶炼工艺

    卡尔多炉是一个既可以前后转倾又可以绕炉子中心轴线转动的冶炼炉。由于作业时炉体置，所以又称为斜吹氧气回转转炉。由于在作业时炉子还在继续转动，熔体中不存在死角，每一部分都处于充分搅拌之中，因此该炉型冶炼的动力学条件是其他炉型所不能比拟的。

    1957年，由瑞典的BO KALLING教授与该国的DOMNARVER钢厂共同开发出用于处理高磷高硫生铁和废钢的新炉型，取名为卡尔多炉。1976年第一台卡尔多设备在瑞典北部的波立登公司Romm－skar冶炼厂投入使用。最初利用这台设备处理含铅粉尘，现代用它处理铅精矿和废杂铜。波立登公司在应用卡尔多炉处理废杂铜的过程中，发现该设备是处理低品位废铜最有竞争力的，经济效益很好。该技术很快被推广到其它国家的许多具有不同生产能力的冶炼厂，处理各种物料。

    卡尔多炉熔炼过程是间断操作的，具有对原料变化适应快的特点，特别是处理复杂铜精矿、氧化矿、各种品位的二次原料、烟灰、浸出渣、废旧金属等各种原料。低品位废杂铜来源广泛，价格低廉。实践亦证明，冶炼各种低品位废杂铜的利润确实比处理铜精矿和高品位废杂铜都高。同时，在处理废杂铜过程中，还能得到很多贵金属，使得利润率进一步提高。

    再生铜处理工艺流程选择的主要依据是原料品位和产品方案。对火法溶炼生产来说，以废杂铜为原料生产阳极铜依据原料品位的高低可采用一段法、二段法和三段法工艺流程，其次根据生产规模、装备水平、当地建设条件选择合适的炉型及烟气处理的流程。

    一段法工艺流程是将含铜品位均＞98%的紫杂铜、黄杂铜和电解残极等直接加入精炼炉内，经熔化、氧化、还原等火法精炼后浇铸成阳极板，送电解精炼得电铜。

    二段法工艺流程：原料含铜品位80%以上的废杂铜先经过鼓风炉还原熔炼或者转炉吹炼，得到含铜品位93%以上的粗铜，再经精炼炉内产出阳极铜。

    江铜贵冶卡尔多炉处理废杂铜的原料为含铜品位＞70%的废杂铜，其主要工艺过程可分成5个步骤：加料、熔炼、出渣、吹炼、出铜。熔炼、吹炼2个阶段可在1台炉内完成，粗铜品位可达到98%。卡尔多炉处理废杂铜工艺是国外二段法处理废杂铜的一种先进技术。其反应过程通常用废杂铜原料中的铁作为氧化物的还原剂，添加石英石溶剂。

    （一）废料预处理

    卡尔多炉熔炼无需大量废料预处理工作，但要避免直接向炉内加入水和油，可以容纳单块最大的废料尺寸为0.5m，当炉内没有未熔化的原料时也可以使用潮湿的原料。

    （二）熔炼

    通过加料斗，废铜和石英一起直接加入炉中。由于废杂铜的密度低，因此每批次需要加数斗物料，加料结束后，烧嘴枪插入炉内进行熔炼。

    开始熔化时，卡尔多炉先以慢速绕炉子中心轴线转动，转速为1r/min并不断加快，最后达到5r/min左右。烧嘴枪先以中型火焰进行烯烧，如果原料中有塑料等有机物，这时即开始燃烧。随后自动改变喷枪的氧油化，火焰变为高氧化状态，部分有机物挥发并与空气一起燃烧，在挥发燃烧过程中，烟气被吸入直升烟道。由于烟道内吸入了更多的空气，最终所有塑料和有机物在直升烟道内完全燃烧。为了防止有害化合物的形成，直升烟道内的温度维持在800～900℃。炉内的金属随着炉内温度的升高开始熔化。为了降低操作成本，炉内温度保持在1250℃以下。待溶炼阶段（约1.5h）完成后，开始出渣。在溶炼期间，由于较深的还原性气氛，这时惰性渣中含有＜0.5%的铜。

    （三）吹炼

    炉内形成的黑铜进行吹炼，通过吹炼枪向炉内吹入富氧压缩空气，同时炉体以15r/min的速度绕炉子中心直线旋转。在吹炼过程中，Fe和Zn首先被除去，将黑铜转变成铜合金，进一步吹炼除去Pb和Sn，以形成粗铜。

    吹炼阶段得到的富铜渣转入下一批料中循环处理，吹炼的目的是制造粗铜，吹炼时需要大量的冷铜作为冷料。一个炉周期的时间约为4～6h，与原料含铜品位有关，生产规模取决于炉子的容积大小和原料成分，全部操作都在控制室进行。表1是处理废杂铜含铜品位为70%，生产一炉粗铜的一个典型的周期。

表1  卡尔多炉生产粗铜典型周期              min

过 程	时 间
加 料 燃烧、烘干 熔 炼 放 渣 加冷铜 吹 炼 倒出粗铜 预留时间 总 计	30 15 75 15 5 40 30 30 240

    江铜贵冶卡尔多炉处理废杂铜设备主要有加料系统、卡尔多炉、集烟罩和除尘系统、环保烟罩以及其它辅助设备。

    （一）装料系统

    装料提升斗内备有装料混合器，它具有称重元件。

    不同的废料层叠混装在一起，需记录好每一种物料的重量，也可以使用在液压系统装备有电子称重设备的装料车进行装料作业。每一批物料是否充分混合并不是很关键，更重要的是炉料在炉内的均匀分布以及层与层之间的均匀分布，并且含有机物的量均匀。

    （二）卡尔多炉

    卡尔多炉是一个衬有耐火砖的钢制容器。在电机的驱动下，可以＜20r/min的速度绕炉子中心轴线转动。还可以进行360°的倾转，操作者可根据需要选择合适的角度进行装料、熔炼、出铜和出渣。在正常操作条件下，炉子被转动相对于水平位置的28°，在这个角度位置利于操作，使通入的气体介质与溶体充分的搅拌。

    当炉子的耐火材料处于全新状态时，卡尔多炉的容积大约可以容纳13m³的熔融物料。炉子的腔体仅仅只有一个开口，通过这个开口，油枪由此插入，同时工艺烟气从这个开口出来。

    炉用耐火材料主要采用抗渣粘结能力强的铬镁砖，耐炉渣腐蚀。耐火材料设有两层，一层是安全层，该层靠近炉体钢材质，另一层是操作内衬层。安全层的作用是当操作层的内衬发生损坏时，铜熔体不致于穿透钢外壳层，防止铜熔体损坏设备。

    （三）烧嘴枪和吹炼枪

    该炉设有两种枪，一种是熔炼期使用的烧嘴枪，另外一种是吹炼期使用的吹炼枪，通过运动在枪支撑梁上的液压马达，枪本体可以移出和移入。为了防止事故停电，液压系统配有氮气蓄能器，在停电时，可以向液压动力系统提供足够的动力，从而枪体撤出炉腔。枪本体设有冷却水进行冷却，因此可以随受炉内的高温辐射。一旦有冷却水泄漏，配备的安全系统可以将泵停止，防止冷却水系统的进一步泄漏。

    烧嘴油枪装备有高效率的喷嘴，可以使油与氧气在几乎接近理想的状态下燃烧，最大的油流量为30L/min。

    （四）直升水冷烟道

    配备有冷却水系统的直升水冷烟道用于收集工艺烟气，在烟道的顶部，有一个带盖子的事故紧急烟气出口。直升水冷烟道除了有冷却水系统以外，还衬有耐火材料保护层。

    （五）冷却水系统

    冷却水系统由两个系统组成，一个是开路用的（非密闭的）冷却水系统，该系统用于冷却卡尔多炉的直升水冷烟道；另一个系统为密闭系统，用于冷却烧嘴枪和吹炼枪。由直升水冷烟道和油枪等带来的热量通过热交换器与外部循环水系统冷却。

    （六）喷雾冷却器

    直升水冷烟道出口烟气温度大约为500～800℃，温度的高低主要取决于废铜中油和塑料等有机物的含量。烟气在进入布袋收尘器之前先经过喷雾冷却器冷却。冷却的原理是，通过使用压缩空气将水在特殊的喷嘴处进行雾化，从而对烟气进行冷却。不管烟气的流量和温度如何发生变动，计算机系统将对温度实现调节控制，从而保证冷却水塔始终处于干燥状况。喷雾冷却器出口的烟气温度大约为200～250℃，烟尘通过1台刮板运输机或1台螺旋给料机送入烟灰罐中。

    （七）环保烟罩

    整个卡尔多炉都用环保烟罩罩住。冶炼过程产生的粉尘都被风机抽出烟罩送到布袋收尘器除尘净化后排入烟囱。

    （八）烟气收尘

    从炉用环保烟罩来的环集烟气与卡尔多炉出来的工艺烟气混合后，使得烟气的温度会降至150℃进入布袋收尘器，而收集的烟尘可以作为含锌物料销售。

    如果由于某种故障，导致烟气温度高于某一极限值，就可以将空气温度控制缓冲风门打开，允许适量自然空气的吸入，以保证布袋收尘器不被烧坏。

    卡尔多炉既可处理高品位废杂铜，又可处理低品位废杂铜。表2为江铜贵冶卡尔多炉废杂铜冶炼的原料要求。

表2  卡尔多炉原料                 %

项 目	Cu	Fe	Zn	Sn	S	其 它
废杂铜原料 废电机 冷 料	70 20 ＞90	1 80	10	3	0.5	8.5

    （一）江铜贵冶废杂铜冶炼规模：年产5万t粗铜；

    （二）卡尔多炉工作容积：13m³；

    （三）废杂铜冶炼原材料消耗见表3。

表3  废杂铜冶炼原材料消耗

项 目	数 量	单 位	备 注
冷却循环水量 水消耗量 装机总容量 电 耗 O2消耗量 仪表压缩空气量 吹炼压缩空气量 重 油 柴 油 SiO2 石灰石 耐火砖	188 14 1093 5×106 5～7×106 50 12000 2900 20 8000 3000 300	m3/h m3/h kW kWh/a Nm3/a Nm3/a Nm3/a Nm3/a t/a t/a t/a t/a	温差T＜5℃ 平均消耗＜3m3/h

    卡尔多炉冶炼作为一种强化溶炼方法有其独到之处：①由于使用工业纯氧以及运用氧油枪，因而炉内的温度容易调节，而且范围大；②具有良好的传热和传质动力学，有利于加快物料的熔化和气－固－液各相间反应速率；③借助油枪氧枪容易控制熔炼过程中炉气的氧势。根据不同熔炼阶段的需要，可以有不同的氧势或还原势；④由于炉子的烟气量少、炉体容积紧凑，因而散热量少，热效率高，在使用纯氧吹炼的条件下，热效率可达60%或更高。

    卡尔多炉型适宜处理含杂质高的复杂原料，过程简单，对用于处理废杂铜更是有很多优点：①熔炼、还原和吹炼可在同一个溶炼炉内完成，无需外加熔炼炉；②既可处理高品位废杂铜，又可处理低品位废杂铜，而处理低品位废杂铜经济效益更好；③可以一次产出可弃渣，一般渣含铜＜0.5%；④炉子结构紧凑，设备简单，能完全密闭，因而可防止排放物溢散。操作环境良好，对外无污染，可满足比较严格的环境要求；⑤生产灵活，适于处理各种物料，并可在不同金属间转换，不必对设备作任何改造。