銅火法精煉主要熱工設(shè)備及所用耐火材料
銅精煉的必要性及工序
轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)出的粗銅，其含銅量一般為98.5% ~99.5%，其余為雜質(zhì)，如硫、 氧、鐵、砷、鋪、鋅、錫、鉛、鉍、鎳、鈷、硒、碲、銀和金等。這些雜質(zhì)存在 于銅中，對(duì)銅的性質(zhì)產(chǎn)生各種不同的影響，有的會(huì)降低銅的電導(dǎo)率，如砷、銻、 錫;有的會(huì)導(dǎo)致熱加工時(shí)型材內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，如砷、鉍、鉛、硫;有的則使冷加 工性能變壞，如鉛、銻、鉍?？傊?，降低了銅的使用價(jià)值。有些雜質(zhì)如金和銀則 具有較高使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，需要回收和利用。因此，為了滿足銅的各種用途 要求，需要將粗銅提純精煉。
精煉的目的有兩個(gè)，一是除去銅中的雜質(zhì)，提高純度，使銅含量在99.5%以 上;二是從銅中分離回收有價(jià)元素，提高資源綜合利用率。目前使用的精煉方法 有兩類：
(1)粗銅火法精煉，直接生產(chǎn)含銅99. 5%以上的精銅。該法僅適用于金、銀 和雜質(zhì)含量較低的粗銅，所產(chǎn)精銅僅用于對(duì)純度要求不高的場(chǎng)合。
(2)粗銅先經(jīng)過(guò)火法精煉除去部分雜質(zhì)，澆鑄成陽(yáng)極，再進(jìn)行電解精煉，產(chǎn)出含銅99. 95%以上、雜質(zhì)含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的精銅。這是銅生產(chǎn)的主要流程。
粗銅的火法精煉過(guò)程包括氧化、還原和澆鑄三個(gè)工序。在1150 ~1200℃的溫度下，先將空氣壓入熔融銅中，進(jìn)行雜質(zhì)的氧化脫出，而后再用碳?xì)湮镔|(zhì)除去銅 液中的氧，最后進(jìn)行澆鑄。
粗銅火法精煉用設(shè)備
目前，用于銅火法精煉的爐型有反射爐、回轉(zhuǎn)式精煉爐、傾動(dòng)式精煉爐三種。
1 反射爐
反射爐是傳統(tǒng)的火法精煉設(shè)備，是一種表面加熱的膛式爐，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作 容易，既可處理冷料，又可處理熱料。此外，因反射爐容積、爐體尺寸可大、可 小，處理量可以從1t變化到400t，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。處理冷料較多的工廠和 規(guī)模較小的工廠，多采用反射爐生產(chǎn)陽(yáng)極銅。其缺點(diǎn)是操作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度 大，操作環(huán)境差。
國(guó)內(nèi)大多采用固定式反射爐進(jìn)行精煉，爐襯主要采用鎂磚、鎂鋁磚或鎂鉻磚 砌筑。國(guó)外精煉反射爐爐頂用不燒鎂鉻磚、鉻鎂磚或直接結(jié)合鎂鉻磚砌筑，爐墻 上部用鎂鉻磚，下部用直接結(jié)合鎂鉻磚和普通鎂鉻磚，爐底使用硅磚。
2 回轉(zhuǎn)式精煉爐
回轉(zhuǎn)式精煉爐是20世紀(jì)50年代后期開(kāi)發(fā)的火法精煉設(shè)備。它是一個(gè)圓筒形 的爐體，在爐體上配置有2 ~4個(gè)風(fēng)管、1個(gè)爐口和1個(gè)出銅口，可作360°回轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)動(dòng)爐體將口埋入液面下，進(jìn)行氧化、還原作業(yè)，精煉完成后進(jìn)行澆鑄，產(chǎn)品 為陽(yáng)極板，因此回轉(zhuǎn)式精煉爐又稱回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐。與反 射爐相比，回轉(zhuǎn)式精煉爐具有機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，散熱損失小，利于環(huán)保等 優(yōu)點(diǎn)，但由于熔池深，受熱面積小，化料慢，故不適宜處理冷料，主要適合于處 理熱料。
回轉(zhuǎn)式精煉爐爐膛溫度高于1350℃ (澆鑄期)，最高時(shí)可達(dá)1450℃(氧化期)，由于爐體是轉(zhuǎn)動(dòng)的，爐內(nèi)沒(méi)有固定的渣線，爐渣的侵蝕和熔融金屬的沖刷， 幾乎占據(jù)了 2/3以上的爐膛內(nèi)表面。因此，一般要求內(nèi)襯鎂鉻磚Cr2O3的含量較 高，在氧化還原口和出銅口處，要求更高，經(jīng)常采用直接結(jié)合鎂鉻磚或電熔再結(jié) 合鎂鉻磚。
3? 傾動(dòng)式精煉爐
傾動(dòng)式精煉爐是20世紀(jì)60年代中期，由瑞士 Maerz研究發(fā)明的。它在反射 爐和回轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)上，吸取了兩種爐型的長(zhǎng)處而設(shè)計(jì)的。爐膛形狀像反射爐，保持 其較大的熱交換面積，采取了回轉(zhuǎn)爐可轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，增設(shè)了固定風(fēng)口，取消了插風(fēng)管和扒渣作業(yè)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，既能處理熱料，又能處理冷料，是較理想的 爐型。但因爐體形狀特殊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資高等不足，目前的應(yīng)用有限。
陽(yáng)極澆鑄
目前，陽(yáng)極板的生產(chǎn)有兩種工藝：鑄模澆鑄和連鑄。鑄模澆鑄又分為圓盤(pán)型 和直線型兩種。其中圓盤(pán)型澆鑄機(jī)是銅陽(yáng)極生產(chǎn)的主要生產(chǎn)設(shè)備。直線型澆鑄機(jī) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，占地面積小，投資低，但陽(yáng)極質(zhì)量差，僅被小型工廠采用。連 鑄是連續(xù)作業(yè)，連續(xù)澆鑄并軋成板帶，經(jīng)剪切或切割成單塊陽(yáng)極。
1 鑄模澆鑄
目前的陽(yáng)極板多采用自動(dòng)澆鑄工藝生產(chǎn)。主要設(shè)備為圓盤(pán)澆鑄機(jī)，主要由中 間包、澆鑄包、鑄輪(本體)、冷卻系統(tǒng)、廢板取出裝置、頂起裝置、陽(yáng)極取出 系統(tǒng)及冷卻水槽、涂模系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)構(gòu)成。澆鑄過(guò)程的各個(gè)階段均由PLC進(jìn)行 自動(dòng)控制。主要流程為：銅水由精煉爐流出，經(jīng)流槽進(jìn)人中間包，接收澆鑄包指 令后由尾部提升，將銅水注入澆鑄包。當(dāng)電子秤自動(dòng)稱量至給定值時(shí)，發(fā)出信 號(hào)，中間包收包，回到原位。圓盤(pán)模子轉(zhuǎn)到澆鑄工位后，發(fā)出信號(hào)，澆鑄包啟動(dòng)，按預(yù)定程序向銅模注入銅水。至給定值后，電子秤發(fā)出信號(hào)，澆鑄包回到原 位，同時(shí)將信號(hào)發(fā)給中間包，再次注入銅水。信號(hào)同時(shí)發(fā)給圓盤(pán)，轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)工 位，空模再次進(jìn)入澆鑄位置。鑄好陽(yáng)極的銅模，進(jìn)入冷卻室冷卻后轉(zhuǎn)出冷卻室， 停止運(yùn)動(dòng)，頂桿先以較小的力量對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行松動(dòng)預(yù)頂，而后再以大的力量作最終 頂起使模與陽(yáng)極板分離。裝在冷卻室后面的攝像機(jī)，攝制耳部圖像，輸人電腦進(jìn) 行不合格判斷，結(jié)果輸入分揀計(jì)算機(jī)。圓盤(pán)轉(zhuǎn)至取板工位，取板機(jī)自動(dòng)提取陽(yáng)極板，并送到接收機(jī)上。接收機(jī)是一個(gè)滾筒輸送機(jī)，陽(yáng)極放在滾筒上后，自動(dòng)將陽(yáng)極送到電子秤上。電子秤將陽(yáng)極稱出質(zhì)量，并把稱重信號(hào)送到計(jì)算機(jī)處理。根據(jù)質(zhì)量差異，分出合格、異形、不合格三種類型。分類信號(hào)輸入分揀計(jì)算機(jī)。分揀計(jì)算機(jī) 根據(jù)耳部攝像監(jiān)測(cè)的信息和電子秤輸入的信息指令分揀機(jī)，揀出異形陽(yáng)極及不合格 陽(yáng)極。合格陽(yáng)極經(jīng)冷卻后，堆碼、吊出、抬車(chē)送電解整形生產(chǎn)線，修整外形。陽(yáng)極 取走后，圓盤(pán)轉(zhuǎn)至下一工位，經(jīng)攝像機(jī)攝取頂針復(fù)位圖像，并送計(jì)算機(jī)處理，對(duì)未復(fù)位的頂針進(jìn)行錘擊復(fù)位。頂針復(fù)位后，下一工位自動(dòng)噴涂脫模劑。至此，一塊陽(yáng)極澆鑄的作業(yè)程序全部完成。
2 連鑄
為解決陽(yáng)極澆鑄出現(xiàn)的問(wèn)題，20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)了Hazelett連鑄機(jī)，亦稱 雙帶連鑄機(jī)。連鑄機(jī)由上、下兩組環(huán)形鋼 帶組成。每一組環(huán)形鋼帶，由兩個(gè)輥筒繃直，輥筒由驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)，鋼帶可隨輥 筒轉(zhuǎn)動(dòng)。上、下兩組環(huán)形鋼帶完全平行，組成鑄模的頂和底。為保持兩鋼帶的距 離一致，上、下兩鋼帶都有鰭狀輥支承和固定位置。兩帶之間的側(cè)面由兩串邊部 擋板鏈將兩側(cè)封嚴(yán)，形成模框。板坯為鑄模的末端，前端為銅液注人口。兩條鋼 帶，前高后低，有9°傾角。
由精煉爐中流出的銅水經(jīng)流槽注入用重油或天然氣加熱的保溫爐。保溫爐起 緩沖作用，均衡銅水溫度，自動(dòng)控制澆鑄機(jī)的金屬供應(yīng)量。銅水從保溫爐流出后，經(jīng)流槽流入固定式澆鑄包，按給定速度注入澆鑄機(jī)，銅水進(jìn)人鑄機(jī)后，鑄模 的上、下鋼帶和邊部擋流塊連續(xù)運(yùn)動(dòng)，形成連續(xù)鑄坯，同時(shí)噴淋大量的水，冷卻上部和下部鋼帶，間接冷卻鑄坯。鑄坯出鑄機(jī)后由牽引輥碾壓送至切割機(jī)或沖壓 機(jī)，切割成單塊陽(yáng)極。澆鑄速度由牽引輥控制。單塊陽(yáng)極板經(jīng)冷卻室冷卻后，進(jìn) 人堆碼機(jī)，按給定數(shù)量堆碼，再由叉車(chē)運(yùn)送至庫(kù)房或電解車(chē)間。
銅精煉的必要性及工序
轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)出的粗銅，其含銅量一般為98.5% ~99.5%，其余為雜質(zhì)，如硫、 氧、鐵、砷、鋪、鋅、錫、鉛、鉍、鎳、鈷、硒、碲、銀和金等。這些雜質(zhì)存在 于銅中，對(duì)銅的性質(zhì)產(chǎn)生各種不同的影響，有的會(huì)降低銅的電導(dǎo)率，如砷、銻、 錫;有的會(huì)導(dǎo)致熱加工時(shí)型材內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，如砷、鉍、鉛、硫;有的則使冷加 工性能變壞，如鉛、銻、鉍?？傊?，降低了銅的使用價(jià)值。有些雜質(zhì)如金和銀則 具有較高使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益，需要回收和利用。因此，為了滿足銅的各種用途 要求，需要將粗銅提純精煉。
精煉的目的有兩個(gè)，一是除去銅中的雜質(zhì)，提高純度，使銅含量在99.5%以 上;二是從銅中分離回收有價(jià)元素，提高資源綜合利用率。目前使用的精煉方法 有兩類：
(1)粗銅火法精煉，直接生產(chǎn)含銅99. 5%以上的精銅。該法僅適用于金、銀 和雜質(zhì)含量較低的粗銅，所產(chǎn)精銅僅用于對(duì)純度要求不高的場(chǎng)合。
(2)粗銅先經(jīng)過(guò)火法精煉除去部分雜質(zhì)，澆鑄成陽(yáng)極，再進(jìn)行電解精煉，產(chǎn)出含銅99. 95%以上、雜質(zhì)含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的精銅。這是銅生產(chǎn)的主要流程。
粗銅的火法精煉過(guò)程包括氧化、還原和澆鑄三個(gè)工序。在1150 ~1200℃的溫度下，先將空氣壓入熔融銅中，進(jìn)行雜質(zhì)的氧化脫出，而后再用碳?xì)湮镔|(zhì)除去銅 液中的氧，最后進(jìn)行澆鑄。
粗銅火法精煉用設(shè)備
目前，用于銅火法精煉的爐型有反射爐、回轉(zhuǎn)式精煉爐、傾動(dòng)式精煉爐三種。
1 反射爐
反射爐是傳統(tǒng)的火法精煉設(shè)備，是一種表面加熱的膛式爐，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作 容易，既可處理冷料，又可處理熱料。此外，因反射爐容積、爐體尺寸可大、可 小，處理量可以從1t變化到400t，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。處理冷料較多的工廠和 規(guī)模較小的工廠，多采用反射爐生產(chǎn)陽(yáng)極銅。其缺點(diǎn)是操作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度 大，操作環(huán)境差。
國(guó)內(nèi)大多采用固定式反射爐進(jìn)行精煉，爐襯主要采用鎂磚、鎂鋁磚或鎂鉻磚 砌筑。國(guó)外精煉反射爐爐頂用不燒鎂鉻磚、鉻鎂磚或直接結(jié)合鎂鉻磚砌筑，爐墻 上部用鎂鉻磚，下部用直接結(jié)合鎂鉻磚和普通鎂鉻磚，爐底使用硅磚。
2 回轉(zhuǎn)式精煉爐
回轉(zhuǎn)式精煉爐是20世紀(jì)50年代后期開(kāi)發(fā)的火法精煉設(shè)備。它是一個(gè)圓筒形 的爐體，在爐體上配置有2 ~4個(gè)風(fēng)管、1個(gè)爐口和1個(gè)出銅口，可作360°回轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)動(dòng)爐體將口埋入液面下，進(jìn)行氧化、還原作業(yè)，精煉完成后進(jìn)行澆鑄，產(chǎn)品 為陽(yáng)極板，因此回轉(zhuǎn)式精煉爐又稱回轉(zhuǎn)式陽(yáng)極爐。與反 射爐相比，回轉(zhuǎn)式精煉爐具有機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，散熱損失小，利于環(huán)保等 優(yōu)點(diǎn)，但由于熔池深，受熱面積小，化料慢，故不適宜處理冷料，主要適合于處 理熱料。
回轉(zhuǎn)式精煉爐爐膛溫度高于1350℃ (澆鑄期)，最高時(shí)可達(dá)1450℃(氧化期)，由于爐體是轉(zhuǎn)動(dòng)的，爐內(nèi)沒(méi)有固定的渣線，爐渣的侵蝕和熔融金屬的沖刷， 幾乎占據(jù)了 2/3以上的爐膛內(nèi)表面。因此，一般要求內(nèi)襯鎂鉻磚Cr2O3的含量較 高，在氧化還原口和出銅口處，要求更高，經(jīng)常采用直接結(jié)合鎂鉻磚或電熔再結(jié) 合鎂鉻磚。
3? 傾動(dòng)式精煉爐
傾動(dòng)式精煉爐是20世紀(jì)60年代中期，由瑞士 Maerz研究發(fā)明的。它在反射 爐和回轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)上，吸取了兩種爐型的長(zhǎng)處而設(shè)計(jì)的。爐膛形狀像反射爐，保持 其較大的熱交換面積，采取了回轉(zhuǎn)爐可轉(zhuǎn)動(dòng)的方式，增設(shè)了固定風(fēng)口，取消了插風(fēng)管和扒渣作業(yè)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，既能處理熱料，又能處理冷料，是較理想的 爐型。但因爐體形狀特殊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，投資高等不足，目前的應(yīng)用有限。
陽(yáng)極澆鑄
目前，陽(yáng)極板的生產(chǎn)有兩種工藝：鑄模澆鑄和連鑄。鑄模澆鑄又分為圓盤(pán)型 和直線型兩種。其中圓盤(pán)型澆鑄機(jī)是銅陽(yáng)極生產(chǎn)的主要生產(chǎn)設(shè)備。直線型澆鑄機(jī) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，占地面積小，投資低，但陽(yáng)極質(zhì)量差，僅被小型工廠采用。連 鑄是連續(xù)作業(yè)，連續(xù)澆鑄并軋成板帶，經(jīng)剪切或切割成單塊陽(yáng)極。
1 鑄模澆鑄
目前的陽(yáng)極板多采用自動(dòng)澆鑄工藝生產(chǎn)。主要設(shè)備為圓盤(pán)澆鑄機(jī)，主要由中 間包、澆鑄包、鑄輪(本體)、冷卻系統(tǒng)、廢板取出裝置、頂起裝置、陽(yáng)極取出 系統(tǒng)及冷卻水槽、涂模系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)構(gòu)成。澆鑄過(guò)程的各個(gè)階段均由PLC進(jìn)行 自動(dòng)控制。主要流程為：銅水由精煉爐流出，經(jīng)流槽進(jìn)人中間包，接收澆鑄包指 令后由尾部提升，將銅水注入澆鑄包。當(dāng)電子秤自動(dòng)稱量至給定值時(shí)，發(fā)出信 號(hào)，中間包收包，回到原位。圓盤(pán)模子轉(zhuǎn)到澆鑄工位后，發(fā)出信號(hào)，澆鑄包啟動(dòng)，按預(yù)定程序向銅模注入銅水。至給定值后，電子秤發(fā)出信號(hào)，澆鑄包回到原 位，同時(shí)將信號(hào)發(fā)給中間包，再次注入銅水。信號(hào)同時(shí)發(fā)給圓盤(pán)，轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)工 位，空模再次進(jìn)入澆鑄位置。鑄好陽(yáng)極的銅模，進(jìn)入冷卻室冷卻后轉(zhuǎn)出冷卻室， 停止運(yùn)動(dòng)，頂桿先以較小的力量對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行松動(dòng)預(yù)頂，而后再以大的力量作最終 頂起使模與陽(yáng)極板分離。裝在冷卻室后面的攝像機(jī)，攝制耳部圖像，輸人電腦進(jìn) 行不合格判斷，結(jié)果輸入分揀計(jì)算機(jī)。圓盤(pán)轉(zhuǎn)至取板工位，取板機(jī)自動(dòng)提取陽(yáng)極板，并送到接收機(jī)上。接收機(jī)是一個(gè)滾筒輸送機(jī)，陽(yáng)極放在滾筒上后，自動(dòng)將陽(yáng)極送到電子秤上。電子秤將陽(yáng)極稱出質(zhì)量，并把稱重信號(hào)送到計(jì)算機(jī)處理。根據(jù)質(zhì)量差異，分出合格、異形、不合格三種類型。分類信號(hào)輸入分揀計(jì)算機(jī)。分揀計(jì)算機(jī) 根據(jù)耳部攝像監(jiān)測(cè)的信息和電子秤輸入的信息指令分揀機(jī)，揀出異形陽(yáng)極及不合格 陽(yáng)極。合格陽(yáng)極經(jīng)冷卻后，堆碼、吊出、抬車(chē)送電解整形生產(chǎn)線，修整外形。陽(yáng)極 取走后，圓盤(pán)轉(zhuǎn)至下一工位，經(jīng)攝像機(jī)攝取頂針復(fù)位圖像，并送計(jì)算機(jī)處理，對(duì)未復(fù)位的頂針進(jìn)行錘擊復(fù)位。頂針復(fù)位后，下一工位自動(dòng)噴涂脫模劑。至此，一塊陽(yáng)極澆鑄的作業(yè)程序全部完成。
2 連鑄
為解決陽(yáng)極澆鑄出現(xiàn)的問(wèn)題，20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)了Hazelett連鑄機(jī)，亦稱 雙帶連鑄機(jī)。連鑄機(jī)由上、下兩組環(huán)形鋼 帶組成。每一組環(huán)形鋼帶，由兩個(gè)輥筒繃直，輥筒由驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)，鋼帶可隨輥 筒轉(zhuǎn)動(dòng)。上、下兩組環(huán)形鋼帶完全平行，組成鑄模的頂和底。為保持兩鋼帶的距 離一致，上、下兩鋼帶都有鰭狀輥支承和固定位置。兩帶之間的側(cè)面由兩串邊部 擋板鏈將兩側(cè)封嚴(yán)，形成模框。板坯為鑄模的末端，前端為銅液注人口。兩條鋼 帶，前高后低，有9°傾角。
由精煉爐中流出的銅水經(jīng)流槽注入用重油或天然氣加熱的保溫爐。保溫爐起 緩沖作用，均衡銅水溫度，自動(dòng)控制澆鑄機(jī)的金屬供應(yīng)量。銅水從保溫爐流出后，經(jīng)流槽流入固定式澆鑄包，按給定速度注入澆鑄機(jī)，銅水進(jìn)人鑄機(jī)后，鑄模 的上、下鋼帶和邊部擋流塊連續(xù)運(yùn)動(dòng)，形成連續(xù)鑄坯，同時(shí)噴淋大量的水，冷卻上部和下部鋼帶，間接冷卻鑄坯。鑄坯出鑄機(jī)后由牽引輥碾壓送至切割機(jī)或沖壓 機(jī)，切割成單塊陽(yáng)極。澆鑄速度由牽引輥控制。單塊陽(yáng)極板經(jīng)冷卻室冷卻后，進(jìn) 人堆碼機(jī)，按給定數(shù)量堆碼，再由叉車(chē)運(yùn)送至庫(kù)房或電解車(chē)間。
