废黄杂铜循环利用技术及产业化实践

郭淑梅 宋卡迪

摘 要：介绍了直接利用废黄杂铜，生产易切削黄铜合金材料的工艺流程、关键技术以及形成的成套装备技术。分析了废黄杂铜循环再利用的相关问题。废黄杂铜直接做原料应用，可以实现绿色制造，生产出符合国内外标准的优质产品。

关键词：废黄杂铜；循环利用；熔铸；棒材；线材

中图分类号：TF811 文献标识码：A 文章编号：2095-7394（2017）06-0008-08

由于铜及铜合金的耐蚀特性，一直以来废旧铜就是一种资源，这种资源的再利用一直是人们关心的问题，[1-4]在环境保护的迫切性、重要性被人们充分重视的情况下，如何利用绿色环保再生资源，显得尤为重要。本文在总结宁波长振铜业有限公司多年来对废黄杂铜再生利用的实践基础上，探讨了废黄杂铜循环再利用的相关问题。

现有技术对废杂铜分为三类：一类废铜是指铜含量≥99.9%，可直接用于生产使用；二类含铜92% ～96%，直接利用的技术已经工业化；三类含铜小于92% ，需要再次精炼。

废杂铜通过精炼的办法再生原金属的工艺技术，优点是回收得到高纯度的铜，但其他合金元素或被浪费变渣或成为二次回收的原料。生产电解铜的投资、生产成本以及二次回收的成本，都使废杂铜再利用的成本大幅上升。同时，会在生产地造成一定程度的污染。特别是废黄杂铜的铜含量在50% ～70%，冶炼回收利用率低，所以直接利用是最经济的方向。

1 废杂铜直接应用工艺流程

用废黄杂铜作为主要原料，直接生产黄铜合金产品的工艺流程，如图1所示。

2 工艺实践与讨论

2.1 废黄杂铜的预处理

废黄杂铜，是指表观基本呈黄色，或虽有镀面或涂面，断口为黄色的铜合金。黄杂铜会混有的卫浴件锌合金、不可避免的铁基合金及铝基合金等。但更多更复杂的是铜合金的部件、元件和其它材料结合或粘合在一起，不能通过拆分分离，而须经过预处理。

黄杂铜原料的预处理，首先通过目视分类，把大块的纯一的块物选出，不再进行其余工序，并在该工序分辨合金类别。

合金类别的分辨方法，是在铜合金四大类别的基础上，通过色谱、样品标准及废件类型的方法初分。初分后的原料，可以进一步经过光谱进行定量分析，确定合金成分，然后备用。表1列出了废黄杂铜来料分类后的种类和比例。

从表1可以看出，经过分类后，混杂的废黄杂铜已经归类，利于后续物尽其用。

黄杂铜需要继续经过破碎分离。废杂铜原料经过履带输送进入破碎机破碎，破碎物通过二次磁选除铁，继续进行风选，然而除去塑料、胶木等轻质杂物。粗破碎料虽然经过磁选、风选，但仍有部分非铜物夹带，需进一步挑拣收集非铜杂物以及非铜金属。经过上述处理后，最终达到块状均匀、组分均匀的目的。

2.2 废黄杂铜的利用

黄杂铜无论如何细分，都无法改变“杂” 的特点。合金中的复杂元素是没有方法进行预处理分离的，只有科学地利用这些原料，直接合金化生产出合格的铸锭，才是关键技术。

2.2.1 元素对合金的影响

探讨元素对合金性能的影响和对制造工艺的影响是合理利用废杂铜的基础。

Fe是废杂铜中最常见的元素，尽管在预处理过程进行了磁选，仍然是主要的杂质元素。铁的熔点高于铜合金，在黄铜熔体中溶解慢，特别是在磁选过程不易分选的钢，要进行挑选。另外，在熔化过程中进行捞取，可以有效降低含量。铁有细化晶粒的作用，也可以和其他元素生成金属化合物，起到细化晶粒的作用，但含量在不同用途或不同合金牌号中要合理控制范围，这会对合金生产应用产生有利的效果。

Sn 的过剩处理。Sn增加黄铜的耐蚀性，抗脱锌性和弹性，增加强度但对塑性有影响。不超过0.5%的Sn几乎不影响黄铜合金的加工性，并且对需要锡焊的工艺有益，但如果合金中的Mn含量较高，合金的塑性变差，所以要严格控制锰的含量。

Al 的过剩处理。少量的铝增加合金熔体的流动性，增加强度，降低塑性，控制合适的含量有细化晶粒的作用。但也会增加退火氧化表面的酸洗难度，废料中的铝青铜需进行挑拣，避免铝含量过高无法去除。铝在高锌黄铜中易氧化，通过高温熔炼的过程能除去0.1% ～0.2%左右的铝，但氧化铝易分散残留在熔体中，对后续的加工产生不利影响，所以，需要用精炼剂对熔体进行精炼 。

Si 的过剩处理。一般的黄杂铜含硅的合金较少，但是近年来，由于无铅易切削硅黄铜的应用，使该元素的风险增加。Si显著降低黄铜的α相，使冷压力加工性能变坏，然而，适量的Fe能部分消除其不利影响。

Ni 的过剩处理。少量镍在铜合金中是一种稳定的元素，能增加合金的强度，同时，不会产生明显的加工性能影响，进行合理的配比，从而使镍元素作为有益元素利用。镍的含量不超过0.5%。

S 的处理。废料中的硫，主要来源于润滑油，特别是部分车屑料，含有车削冷却润滑剂，所以对含有油水的屑料在熔化前要进行脱油水处理。S 和O的作用相似，可生成硫化物，但硫化物渣不易上浮聚集，有残留在熔体中的风险。铜水需要通过精炼进行净化。

Cr 的影响。Cr 在黄杂铜中是不容忽视的杂质元素。因为部分废黄铜是失效的卫浴件，多是经过电镀Cr的表面。Cr 容易氧化，绝大部分会通过造渣除去。

Te 、Bi、Sb，这3个元素在无铅易切削黄铜中，作为合金的添加元素，废料需单独回收隔离。黄杂铜中混入这3个元素后对合金的压力加工性能有不利影响。目前的废黄杂铜中，这几种元素的含量不高，主要来源是切削加工屑混料。含量控制在0.1%以下，对工艺性能影响较小。未来随着无铅易切削黄铜用量的增加，合金进入失效期后，废黄杂铜的回收利用不可避免会面临这个问题。

2.2.2原料的配伍与配比

废黄杂铜直接生产标准牌号的产品，关键是控制合金成分和除杂、除渣。废杂铜原料的利用，和用新金属配比不同，纯粹的计算配比不一定是合理的。把不同分类原料如何使用在不同的牌号、不同的用途以及不同机械加工方法中的产品配比称之为配方，体现了一种合理的配伍原理，从而达到优质综合利用。在熔炼过程中通过交互作用，对易切削相和金属间化合物强化相的分布进行控制，使其达到符合产品标准的力学性能及客户应用性能的要求。微量元素的合理应用可以起到精炼和变质剂的效果。如：残留油水的沫料使熔體的含气量增加，适当配置有除气效果的废料，由熔体的自反应除气；为了避免铸锭组织粗大，利用原料中的杂质元素，作为变质剂，从而起到晶粒细化的结果。

2.3 熔铸技术与设备

2.3.1熔炼炉的研究与改进

直接利用废杂铜生产合格的铸锭。若熔炼速度慢，熔炼温度低，原料熔化不彻底，合金化效果差，就容易产生夹杂、夹渣，炉灰多，熔炼渣夹裹铜水，从而降低原料收率；若熔炼速度过快、熔炼温度过高，则金属挥发增加，特别是锌的挥发氧化更快，熔体含气量增加，熔体损耗增加，成分波动大。这就需要相匹配的装备保证合理的工艺制度。

根据废杂铜熔炼的特点，自主设计开发双体并联有芯工频熔炼炉+保温炉的炉组生产铸锭。一台熔炼炉化料熔炼时，另一台进行精炼，两台设备交替进行。电气控制程序化，熔炼过程通过无极功率调节，进而控制熔炼、精炼温度。投料方式、投料顺序对废杂铜的应用都会产生直接的影响，工作条件比用原生金属要差的多，细碎原料的熔化若控制不好，则会大量变成氧化渣。针对这些问题，开发成功的自动化压料、自动搅拌机械装置，对炉内熔炼过程进行强制干扰，从而促使原料充分合金化。

2.3.2精练技术

废铜生产低氧光亮铜杆的除杂，可以通过火法氧化造渣去除，而废黄杂铜却不适合这种方法。根据元素的氧化热力学，锌容易被氧化，黄杂铜含锌量超过30%，并且锌是主要的合金元素，所以该方法不适用，只能选用精炼剂、除渣剂的方法。

添加精炼剂的目的是为了清除金属熔体中的外来有害元素、氧化物、溶解的气体和机械夹杂物等。熔剂的精炼机理是使夹杂造渣去除，主要去除或降低有害元素含量，从而提高再生黄铜制品的综合性能。

根据精炼工艺合理使用覆盖剂，能起到如下作用：（1）有效覆盖，降低Pb、Zn等元素的氧化，减少炉渣量。（2）炉膛、炉头结垢少，炉渣疏松易清理。（3）有效降低渣内铜含量，降低金属损耗。（4）对吸附、去除上浮至熔体表面的氧化物夹渣，具有较好的造渣作用。

2.3.3熔炼效果的评价

上述精炼工艺是否达到预期效果，可采用对熔炼炉灰量、炉灰淘洗后收集的合金砂头量和收尘量进行测量比较。炉灰少、烟道灰少，说明烧损少，砂头少，以及铜水和渣分离好。图2至图4，是对改造后的爐子（2#、4#、8#）熔炼效果的对比。

从图2可看出，改造后的炉子炉灰减少，经测试，炉灰比没有改造的少5～10kg/炉。

从图3可看出，炉子改进以后，收尘中锌没有增加，而有所减少。

从图4可以看出，炉子改进以后，砂头占比和当月整体比较，明显降低。说明炉灰与铜水分离效果好，从而减少了炉渣中的铜含量。

2.3.4 铸锭生产技术

用水平连铸的方法生产铸锭，成材率高，生产效率高。一个炉体可以同时牵引2～8根铸锭，也可以同时牵引不同规格的铸锭，规格变化灵活方便。铸锭在线锯切自动堆垛，从而实现了自动化。

2.3.5压力加工技术

以上述方法生产的铸锭，可通过压力加工的方法生产棒线材，加工方式和通用的加工方式没有区别。由于和新金属相比，废杂铜生产的合金是一种含有多种微量元素的合金，其热冷加工有其特性，这就要求对工艺参数根据产品性能进行调整。控制力学性能，根据热处理和合金的硬化特性控制加工率。图5是不同热处理炉退火后的硬化曲线。退火设备对性能的一致性有影响。

热处理效果和退火炉的热循环相关，为了提高退火均匀性， 需要对退火炉进行优化设计，从而使退火过程料温更加均匀。图6是普通炉子退火料温曲线，图7是优化设计炉子的退火料温曲线。设计制造的新型退火炉，使温度均匀性有所提高。

3 产品与性能

根据废杂铜合金主要合金元素的特点，适合于生产易切削黄铜合金材料。原料中的铜、锌、铅作为合金元素得到利用，从而使原料利用达到最大化。

经过上述工艺过程生产的材料，根据客户订单要求，可以满足GB、ASTM、EN、JIS标准的合金，包括了常用的易切削黄铜合金系列，以及C47900～C48600 易切削锡黄铜合金。主要应用于制冷、阀门、汽车配件、连接器、接插件、五金配件和水暖卫浴等领域。所生产的棒材品种包括：挤压加工的圆棒、六角棒、方棒、矩形棒、异性棒以及连续铸造的圆棒、异性棒等。适合的机加工方法分别有：车削、攻丝、钻孔、冷镦、滚花和热模锻等。所生产的高精度铜棒，可用于高速自动车床。

所生产的线材品种包括：圆线、六角线、异型线和来丝线等。适合的机加工方法有车削、攻丝、钻孔、拔丝、冷弯和冷镦等。代表产品及质量水平如下：（1）热模锻黄铜棒。合金棒材成分控制精细，金属充模盈满，合金的热锻性能优良，适用于汽车配件、各种阀门及制冷配件的热变形生产。阀门、制冷配件有耐压不泄漏的强制性标准，汽车有安全指标的要求，所以是高要求产品。（2）复杂异型端面型材。开发成功百余种近终形复杂异型端面棒材。减少下游客户制作元件过程中的工序，从而大大提高加工效率和材料利用率。异型材的制造难度大，对原料、工艺、装备和技术要求较高。（3）空调四通阀用D型棒。多种规格的D型棒，硬钎焊性好，切削性能优，拉削面光洁平整、耐磨，气密效果好，该产品在行业领先。四通阀是空调制热、制冷的切换阀，用D型棒做滑座，要求滑面平整光洁，使冷媒不泄漏。（4）自动车床用高精密棒，精度和直度高于国内外现有标准。制造业在转型升级过程中，对材料提出了更高的要求，材料制造也必须转型。（5）接插件用铜合金线材。开关插头用异矩形线材，能满足国内外插座订单生产。插座有插入配合标准，所以对材料的精度和扭拧度都有严格要求。

以上主导产品的产品质量和使用性能优良，说明再生黄杂铜可直接用于生产黄铜合金。废料经过合理配比和科学的加工工艺，所生产的产品品质不降低。其中有些产品，由于微量元素的合金化作用，使合金的某一性能更优，如：更易切削、耐磨强度提高等。

4 成套设备与技术

通历多年实践积累，不断对装备改良和研发，目前已形成了系统的、适合于再生铜合金压力加工生产的装备技术。（1）黄杂铜精细化预处理的系统设备集成及技术，自动化率70%。（2）铸锭生产用工频有芯熔炼、精炼、铸造炉组和高效收尘系统。（3）水平连铸铸锭牵引、锯切和堆垛自动化生产线，自动化率90%。（4）铸锭热挤压用燃气加热炉、自动收线系统、缩尾检查等配套装备。（5）棒材冷加工自动化生产线、联合拉拔机、精整设备。（6）线材拉伸倒拉机、热处理退火炉等。该成套技术成熟、适用且性价比高，是废杂铜再生生产黄铜合金的实用设备，可以进行技术输出。

5 循环利用绿色制造

废杂铜不可避免的含有某些有害物质，如何对有害物质排放进行控制，做到环保绿色制造，是废杂铜利用企业的生存线。对进入公司原料中的铅和制造环节所有可测物质中的铅进行平衡测算，Pb含量控制平衡收率达到99.65%。表2、表3列出了能耗指标、环境指标的比较，如表所示，已达到了先进水平。

6 结论

用废黄杂铜直接生产易切削黄铜合金，是最经济的循环再生方法，能使資源利用达到最大化。用废杂铜作原料直接利用，可以生产成分符合国内外标准、质量优异的黄铜合金加工材。废黄杂铜经过分类、破碎除杂预处理，熔炼、精炼，从而铸造出成分合格、质量优良的铸锭。然后再经热、冷压力加工。生产铜合金加工材等一系列程序，工艺技术成熟，并形成了系统的、适合于再生铜合金压力加工的装备技术。

参考文献：

[1] 邱定蕃，王成彦，王春.中国废杂铜回收与利用[J].有色金属，2003（11）：94-97.

[2] 王冲，杨坤彬，华宏全.废杂铜回收利用工艺技术现状及展望[J].再生资源与循环经济，2011（08）：28-32.

[3] 张雅蕊，彭频.我国废杂铜回收利用工艺技术现状及展望[J].铜业工程，2011（04）：86-89.

[4] 胡青.我国废杂铜市场现状与对策[J].价值工程，2014（16）：3-5.

Recycling Utilization and Industrialized Practice of Brass and Honey

GUO Shu-mei， SONG Ka-di

（Ningbo Changzhen Copper co.， Ltd ， Ningbo 315473， China）

Abstract： This paper is introducing production process， key technology and production equipment about using brass and honey to produce free-cutting brass bar and coil. We can achieve the purpose of environmental production and manufacture good quality product in accordance with the standard by directly using brass and honey as raw material.

Key words： brass and honey； recycle utilization； smelting and casting； free-cutting brass

责任编辑 蒋云柯