Производство медной катанки: оборудование и технология

Медная катанка

Медная катанка (далее – катанка) является основным материалом, применяемым для производства кабелей и проводов. Сырьем для производства катанки являются либо медные катоды, либо медный лом (расплав которого, в свою очередь, требует дополнительной обработки – рафинирования).

Мощности по производству медной катанки превышают потребность кабельной промышленности России. Производство катанки рентабельно, когда в пределах доступного логистического плеча (при перевозке автотранспортом) имеются кабельные заводы, которые используют ежегодно не менее 5-10 тыс. т катанки.

Сырье для производства медной катанки и основные особенности технологии непрерывного литья и прокатки

Производство катанки осуществляется, как правило, из катодов по ГОСТ 546–2001 – М0_К и М00_К, а также из меди электротехнического назначения (ГОСТ 859) М0, М00, М0Б и М00Б. На территории Российской Федерации указанное сырье выпускается следующими предприятиями:

• ПАО «Уральская горно-металлургическая компания» (ОАО «УГМК»);
• ПАО «ГМК «Норильский никель»;
• АО «Русская медная компания» (АО «РМК»):
• АО «Кыштымский медеэлектролитный завод» (АО «КМЭЗ»);
• АО «Новгородский металлургический завод» (АО «НМЗ»).

Катанка в России преимущественно выпускается на оборудовании непрерывного литья и прокатки (НЛП), представляющем собой высокопроизводительные многоходовые волочильные машины, совмещенные с крутильным и экструзивным оборудованием.

На некоторых типах линий НЛП применяются специальные газовые печи шахтной конструкции. Их достоинство заключается в том, что при выплавке медного сырья к основным материалам («чистым» катодам) допускается добавлять до трети отходов изделий кабельной промышленности. Подобная возможность снижает (и весьма существенно) себестоимость готовой продукции.

Качество медной катанки, полученной методом НЛП в России, регламентируется техническими условиями ТУ 16-705-491–2001 (основные производители, кроме того, имеют свои ТУ) и новым ГОСТ Р 53803–2010, которые полностью соответствуют аналогичным международным стандартам ASTM, DIN и BS.

Готовая катанка бывает трех марок – КМ_б, КМ, КМ_ор. Каждая из этих марок, кроме того, подразделяется на три класса (А, В и С). Катанка А-класса обычно выпускается из катодов М0К и М00К, что дает возможность производителям изготавливать продукцию (например, катанку 6 и 8 мм) с минимальным содержанием кислорода.

При производстве медной проволоки других классов могут использоваться смеси М0К, М00К с М1К (до 25 %).

Технологии для производства медной катанки

Процесс CCR CONTINUUS PROPERZI

Процесс непрерывного литья-прокатки CCR изначально разрабатывался компанией Continuus-Properzi SpA (Италия) для изготовления катанки из таких легкоплавких металлов как свинец и цинк, и в дальнейшем был адаптирован для производства катанки из алюминия и его сплавов, меди. Всего в эксплуатацию запущены более 30-ти установок производительностью от 40 до 300 тыс. т в год. В настоящее время доля процесса CCR в общем объеме производства медной катанки составляет около 5%.

La Farga Lacambra SAU (Испания) совместно с Continuus-Properzi SpA разработала технологию получения катанки из 100% медных отходов с использованием в линии НЛП вместо шахтной печи отражательной поворотной печи, в которой применяют рафинирование медного расплава свинцовосодержащими флюсами.

В России такая катанка имеет марку КМ_ор и выпускается в незначительном объеме ООО «Налкат» и ООО «Камкат».

Для рафинирования расплава медных отходов в отражательной печи используются свинцовосодержащие флюсы, и в этой связи в медной катанке марки КМ_ор содержание Fe, Ni, Cd, Sb, Sn, Zn, Ag на порядок, а свинца – на два порядка выше, чем в катанке марок КМ и КМб.

Процесс SCR SOUTHWIRE

Процесс SCR был разработан компаниями Southwire Company LLC и Western Electric Co., Inc. (США) на основе установки Continuus-Properzi SpA. В мире функционируют 79 установок SOUTHWIRE производительностью от 37 до 354 тыс. т в год, а количество производимой на них катанки составляет более 50% мирового объема ее изготовления.

В России установки SOUTHWIRE эксплуатируются на предприятиях ООО «ЭЛКАТ» (г. Москва), ООО «Транскат» (г. Санкт-Петербург), АО «НМЗ» (г. Великий Новгород), АО «КМЭЗ» (г. Кыштым).

Процесс SMS-MEER CONTIROD

Процесс CONTIROD, был создан Hazelett Strip-Casting Corporation (США), Mhoolen (Бельгия) и Krupp Industrietechnik GmbH (ФРГ), и впоследствии перешел во владение концерна SMS Meer GmbH (Германия).

Современные установки SMS-MEER обладают производительностью от 30 до 400 тыс. т в год, обеспечивая выпуск 27% мирового объема медной катанки.

В России установка SMS-MEER функционирует на предприятии АО «Уралэлектромедь» (г. Верхняя Пышма).

Процесс UPCAST OUTOKUMPU

Впервые процесс производства катанки с использованием установки восходящего вертикального литья UPCAST был апробирован и внедрен в компании Outokumpu Oyj (Финляндия). В настоящее время до 14% мирового производства медной катанки осуществляется с использованием данного технологического процесса. Производительность установок составляет от 2 до 14 тыс. тонн в год.

Особенностью процесса UPCAST является получение катанки требуемого диаметра исключительно операцией литья и как следствие, появляется возможность производства катанки из бескислородной меди.

Процесс DTW MAERZ

Одним из методов получения катанки из отходов является DTW фирмы ANDRITZ Maerz GmbH – оптимизированное производство меди с высокой электропроводностью, полученной методом огневого рафинирования (FRHC).

В дополнение к таким технологических нововведениям, как система продувки азотом компании METTOP, для достижения оптимальных результатов рафинирования с минимальными производственными затратами также используются системы рафинирования высокого давления и специальные рафинирующие добавки компании ANDRITZ Maerz GmbH.

Метод рафинирования выбирается в зависимости от качества медных отходов. Если отходы хорошего качества могут перерабатываться в процессе одной стадии рафинирования с использованием только кремнезема, известняка или железа для получения правильного шлака, то при применении отходов низкого качества может потребоваться многоступенчатое рафинирование с использованием в дальнейшем специальных добавок, таких как борная кислота и др. для удаления нежелательных примесей.

Целью процесса является использование преимуществ современных печных технологий для достижения оптимальных результатов с помощью обычного окисления и конструкции шлака.

Основными технологическими преимуществами являются хорошая конструкция печи, эффективная система восстановительных фурм и система продувки газом для лучшей гомогенизации, скачивания шлака и улучшения эффективности реакции.

Эти характеристики позволяют снизить содержание примесей в расплаве до низких уровней даже без добавления дорогостоящих специальных флюсов.

Развитие методов производства медной катанки происходит по двум основным направлениям: переход полностью на литейные технологии, не предполагающие применение горячей прокатки, и совмещение процессов разливки с горячей сортовой прокаткой.

На диаграмме ниже представлено распределение мирового производства медной катанки по типам оборудования и процессов.

Особенности производства медной катанки

В процессе производства на оборудовании НЛП от компаний Continuus-Properzi SpA, Southwire Company LLC и SMS Meer GmbH катанка покрывается защитным слоем воска, который позволяет предотвратить окисление поверхности в процессе транспортировки. Однако при транспортировке железнодорожным транспортом возможно разрушение защитного слоя за счет трения между витками. В США наилучшим видом транспорта для перевозки медной катанки считаются автомобильные перевозки, и в этой связи предпочтительно расположение производителей катанки вблизи кабельных заводов или непосредственно на них.

Существенными недостатками технологии плавки в отражательных печах с последующей прокаткой являются следующие.

• Циклическая работа печи: 8 часов – загрузка, 8 часов – окисление, 8 часов – восстановление, рафинирование и разливка жидкой меди, то есть, только ⅓ рабочего времени эффективно используется для подачи жидкой меди в литейную машину и прокатный стан для производства катанки.
• Несравненно выше расход газа на 1 т катанки (более чем в 3 раза); кроме того, необходимо постоянно поддерживать определенный уровень расплава жидкой меди в печи даже при отсутствии выпуска катанки, так как в противном случае возникает «козел» (затвердевшая медь) и требуется замена всей футеровки печи (в шахтных печах возможен любой режим работы от двухдневного до непрерывного с остановкой процесса плавки).
• Значительные затраты для создания системы огнеупорных дымоходов и очистки отходящих газов.
• Отходы катанки КМ_ор не могут использоваться для шихтовки катодов в шахтных печах из-за высокого содержания вредных примесей. В связи с «отравлением» медных отходов (особенно свинцом) все производители катанки вынуждены ввести дорогостоящий 100% входной контроль химического состава всего медного лома.
• Производители медных катодов испытывают острый дефицит в медных отходах при производстве катодов по традиционной схеме «анод-катод».
• Невозможность использования ломов низкого качества (ниже 3 класса)
• Недостаточно в ряде случаев качество катанки марки КМ_ор.

Технологический процесс производства медной катанки

Медная катанка преимущественно выпускается на оборудовании непрерывного литья и прокатки, представляющем собой многоходовые волочильные машины, совмещенные с крутильным и экструзивным оборудованием.

Производители оборудования для производства медной катанки

Основными производителями оборудования непрерывного литья и прокатки меди являются ведущие мировые компании такие как: Southwire Company LLC (США), SMS Meer GmbH (Германия), Continuus-Properzi SpA (Италия). Метод непрерывной вытяжки из расплава используется в оборудовании компаний Outokumpu Oyj (Финляндия), Rautomead Ltd (Англия) и ряда компаний КНР.

Выбор типа оборудования непрерывного литья и прокатки меди зависит от устоявшихся технологических подходов производства медной катанки (в случае модернизируемых предприятий), квалификации основного производственного и инженерно-технического персонала, а также продуктовой линейки (кислородная или бескислородная медь).

Принципиальная схема процесса CCR CONTINUUS PROPERZI

Расплав меди, получаемый в индукционной печи, по огнеупорной трубе подается в разливочный контейнер. Машина непрерывного литья состоит из двух вращающихся колес: литейного и натяжного, охватываемых лентой. По ободу литейного колеса выполнена канавка, стенки которой в совокупности с лентой образуют кристаллизатор. Вращение литейного колеса осуществляется двигателем через систему передаточных механизмов. Подача охлаждающей жидкости, обеспечивающая кристаллизацию расплава и формирование непрерывно-литой заготовки, осуществляется через полости спиц литейного колеса. Полученная заготовка через систему проводок подается в непрерывный прокатный стан, состоящий из трехвалковых клетей. В настоящее время стандартом компании является использование двухвалковых рабочих клетей с диаметром валков 180-400 мм в черновой и трехвалковых с диаметром валков 180-270 мм в чистовой группе. Общее количество клетей варьируется от 8 до 15.

Однако, двухвалковые прокатные станы (процессы SCR SOUTHWIRE, SMS-MEER CONTIROD) проще в управлении и имеют значительно меньшие эксплуатационные расходы по сравнению с трехвалковыми (процесс CCR CONTINUUS PROPERZI).