稿件提供：曹福永 （原首鋼特殊鋼公司規(guī)劃設(shè)計(jì)院退休技術(shù)資料員）

　　一種用于提高爐渣凈化程序的新發(fā)明在有色金屬工業(yè)顯示出極大的潛力。新開發(fā)的反應(yīng)器適用于回收鐵合金、鋼廠廢料和廢料沉積物。基于銅回收的實(shí)例，本文介紹了這項(xiàng)技術(shù)的基本原理，以及智利一家銅生產(chǎn)商進(jìn)行模擬試驗(yàn)的最新成果。2009年，一個(gè)改進(jìn)、更大規(guī)模、更靈活的試驗(yàn)工廠將在歐洲投入使用。

　　銅渣凈化的冶金原理
　　制銅工業(yè)生產(chǎn)的廢渣中的金屬損失是確定一個(gè)工廠整體回收率的主要因素。損失的金屬以冰銅的溶液形式或金屬夾雜物的形式存在，尺寸在2~1,000微米范圍內(nèi)。
　　傳統(tǒng)的火法冶金渣在潛弧電爐中凈化過(guò)程包括加熱爐渣、氧化物還原、冰銅或金屬液滴的沉積。渣過(guò)熱后會(huì)降低渣的粘度，加速還原反應(yīng)的進(jìn)行。
　　四氧化三鐵的還原會(huì)降低渣的粘度、解離夾雜物。以氧化亞銅形式存在的溶解銅的共還原由四氧化三鐵的還原程度決定。換句話說(shuō)，溶解銅的還原取決于四氧化三鐵的還原程度。
　　根據(jù)金屬相的形核機(jī)理，金屬氧化物的還原會(huì)產(chǎn)生尺寸在3~50微米的金屬夾雜物。金屬顆粒越小越容易在合理的時(shí)間內(nèi)沉淀。冰銅夾雜物沉降時(shí)會(huì)通過(guò)碰撞和聚結(jié)捕獲更小的冰銅和金屬夾雜物。但重力聚結(jié)只能使小的夾雜物部分沉降，對(duì)總體金屬回收通常得不到令人滿意的結(jié)果。

圖1 密集渣凈化反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)

　　新型密集渣攪拌反應(yīng)器
　　SMS Siemag公司和智利圣地亞哥的智利大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了一種新型密集渣攪拌反應(yīng)器，并在最近幾年里，進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算流體力學(xué)模擬和半工業(yè)模擬試驗(yàn)。圖1顯示垂直磁場(chǎng)作用下通道型直流爐內(nèi)連續(xù)的、電動(dòng)力學(xué)的渣凈化原理。需要反聚結(jié)的非常小的冰銅或金屬夾雜物從渣相中分離出來(lái)

圖2 渣凈化反應(yīng)器的工作原理和流動(dòng)方式

　　新開發(fā)的渣凈化流程將一個(gè)長(zhǎng)方形直流反應(yīng)器與電磁體產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)相結(jié)合，從而可以促進(jìn)金屬或冰銅回收（圖2）。
　　渣通過(guò)安裝在較矮側(cè)板上的溜槽連續(xù)加入反應(yīng)器，在別一側(cè)通過(guò)溢流流出。這種溢流方式確保了熔池內(nèi)液面高度恒定，從而不需要使用永久電極控制。冰銅被定期排出。渣表面與石墨電極接觸的浮動(dòng)的焦炭床作為陽(yáng)極，與塊狀石墨接觸的冰銅層作為爐底液態(tài)陰極，這樣就會(huì)在渣和金屬或冰銅層之間產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)。磁極被放在較長(zhǎng)側(cè)板的爐殼外側(cè)，接近電極頭的下端，在這個(gè)區(qū)劃可以提供很強(qiáng)的磁場(chǎng)。最初在電磁頭產(chǎn)生的主洛倫茲力（Lorenzo Force）會(huì)造成渣的劇烈運(yùn)動(dòng)從而在渣層內(nèi)產(chǎn)生攪拌。
　　使用永磁場(chǎng)疊加的直流電弧爐處理渣會(huì)產(chǎn)生一系列并行的復(fù)雜現(xiàn)象。反應(yīng)器的左半部分基本上是反應(yīng)器的攪拌區(qū)域，右半部分是沉淀區(qū)。
　　如果上游的主要熔煉設(shè)備成批出渣，采取下列相應(yīng)的工藝步驟：
　　l裝料期：向爐內(nèi)加入液態(tài)廢渣；
　　l攪拌期：使用反應(yīng)器較長(zhǎng)側(cè)板上的多功能磁系統(tǒng)強(qiáng)烈攪拌；
　　l沉淀期：保持電源輸入的同時(shí)，關(guān)閉磁場(chǎng)，由重力和電毛細(xì)管運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)制沉積；
　　l排出期：將廢棄渣和金屬/冰銅排出。
　　半工業(yè)模擬試驗(yàn)
　　在智利大學(xué)建立了首個(gè)小型半工業(yè)規(guī)模的直流隧道爐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。爐缸長(zhǎng)0.7米、寬0.1米、高0.2米。
　　隧道爐內(nèi)加滿液態(tài)渣。電極電流保持在200~250A，電極間電壓為20~25V。銅含量從4.4%降到了0.8~1.0%，四氧化三鐵含量從8%降到了4~6%。值得說(shuō)明的是在磁場(chǎng)關(guān)閉階段，系統(tǒng)顯示廢渣中的銅和四氣閥經(jīng)三鐵含量迅速回升，這是通用流程原理適用的最直接證明。
　　受這種良好結(jié)果的鼓勵(lì)，SMS Siemag決定于智利大學(xué)、英美智利（Anglo American Chile）公司在智利的英美Chagres廠建造1~2噸/小時(shí)的示范裝置。其布局是基于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模測(cè)試的結(jié)果和計(jì)算流體力學(xué)的模擬結(jié)果。測(cè)試設(shè)備在2006年完成建設(shè)，并在2006~2007年間進(jìn)行了5次測(cè)試。

圖3 智利Chagres試驗(yàn)設(shè)備的加料階段

　　設(shè)備安裝在初步熔煉和轉(zhuǎn)爐區(qū)的鑄造跨間。圖3是運(yùn)行中的設(shè)備圖。1.5噸的渣通過(guò)一手動(dòng)傾斜鋼包加入到測(cè)試設(shè)備。加入渣的流速由測(cè)壓計(jì)測(cè)出。在測(cè)試中，1~2個(gè)鋼包的液渣被加入設(shè)備。在進(jìn)渣口、熔煉設(shè)備內(nèi)（通過(guò)鋼棒）和渣溢出口取樣。對(duì)排出的冰銅也進(jìn)行分析。
　　大約10分鐘后，設(shè)備被裝滿，渣開始溢出。保持一段趕時(shí)間后，向試驗(yàn)設(shè)備中加入下一包渣。探針的快速分析顯示銅含量明顯降低。圖4顯示試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)出口渣的橫截面。
　　化學(xué)分析表明，渣中原始侗含量為1.6%，被降至不到0.7%。此外，四氧化三鐵的含量也從14%降低到8%。
　　盡管設(shè)備的變壓器容量較低而且使用的設(shè)備也沒(méi)太穩(wěn)定，產(chǎn)生了幾種不讓人滿意的狀況，但是測(cè)試結(jié)果超出了SMS Siemag的預(yù)料。所有試驗(yàn)測(cè)試的渣的溫度都很低，所以渣的粘度很高，在反應(yīng)器內(nèi)也在不斷累積。結(jié)果是反應(yīng)體積偏小，停留時(shí)間較短。讓人感到驚奇的是已經(jīng)獲得的“渣的凈化程度”。這也清楚表明這項(xiàng)技術(shù)的潛在優(yōu)勢(shì)是不可預(yù)測(cè)的。
　　從模擬以及智利的測(cè)試獲得的經(jīng)驗(yàn)為歐洲新的半工業(yè)規(guī)模工廠奠定了基礎(chǔ)。測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)產(chǎn)能高達(dá)4噸/小時(shí)，并配有一個(gè)更大的變壓器。此外，設(shè)備還具有其它幾個(gè)特征，即設(shè)備更靈活、磁場(chǎng)更強(qiáng)、配有兩個(gè)電極以及噴吹選項(xiàng)，這使得測(cè)試更加可信，而且可以研究各種參數(shù)的影響，從而評(píng)估這項(xiàng)操作原理的最大潛能。設(shè)備計(jì)劃在2009年第一季度投入使用。

圖4 進(jìn)出口處渣樣的微觀照片

　　工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)廠的建設(shè)
　　SMS Siemag公司也計(jì)劃以工業(yè)規(guī)模實(shí)施這項(xiàng)技術(shù)。產(chǎn)能可以達(dá)到100噸/小時(shí)（圖5）。為確定這樣一套設(shè)備的成本，基本工程設(shè)計(jì)已經(jīng)開始進(jìn)行。對(duì)這樣一項(xiàng)新技術(shù)，行動(dòng)尺度風(fēng)險(xiǎn)也是合理的，主要有以下幾方面原因：大型設(shè)備的能量損失最?。豢梢苑乐乖O(shè)備內(nèi)的累積；加料、排出以及鋼包處理都較為容易；工業(yè)水平的部件易于集成為一個(gè)系統(tǒng)。

圖5 一座工業(yè)規(guī)模密集渣凈化反應(yīng)器的示意圖

　　潛在的關(guān)鍵問(wèn)題是反應(yīng)器攪拌區(qū)耐火材料的磨損不能確定以及對(duì)正確的攪拌模式的確定。
　　這套設(shè)備對(duì)制銅工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。以使用潛弧電爐來(lái)進(jìn)行銅渣凈化的傳統(tǒng)生產(chǎn)廠為實(shí)例，假定銅的價(jià)格大約在3,500美元/噸，年產(chǎn)銅大約20萬(wàn)噸，這樣一套設(shè)備可以減少將近兩年的成本回收期。因?yàn)榇盆F消耗電能很少，并且渣以液態(tài)形式加入到密集渣攪拌反應(yīng)器內(nèi)，所以運(yùn)行成本很低。此外，終渣中的低銅含量使得材料可以直接賣給金屬和建筑行業(yè)。
　　前景與展望
　　除了對(duì)來(lái)自傳統(tǒng)的渣凈化爐的渣進(jìn)行處理外，這樣的流程是否適合處理來(lái)自銅閃速熔煉爐、特尼恩（Teniente）特轉(zhuǎn)爐、艾薩（Isa）熔煉爐或奧斯（Ausmelt）熔煉爐的渣需要進(jìn)一步研究。
　　目前，討論將針對(duì)鉑和鈀制造業(yè)進(jìn)行，主要是在非洲。SMSSiemag公司看到了這種技術(shù)在應(yīng)用方面的潛能。
　　根據(jù)測(cè)試結(jié)果，每噸渣僅消耗50~70的電能就可以回收以上的作為夾雜物存在的含PGM的冰銅。
　　這項(xiàng)新技術(shù)在現(xiàn)有的使用傳統(tǒng)電渣凈化爐和各種主要熔煉設(shè)備（如奧斯熔煉爐）的鉑生產(chǎn)線上也有很大的應(yīng)用潛能。其工藝原理是相同的，預(yù)計(jì)會(huì)有較高的回收率而且，這種設(shè)備也適用于對(duì)鈷和鎳基渣以及鐵合金工業(yè)渣的有效回收。
　　在智利的半工業(yè)性類比實(shí)驗(yàn)中，設(shè)備以電弧模式運(yùn)行，所以可以將固態(tài)料加入到直流攪拌反應(yīng)器內(nèi)，為此，計(jì)劃進(jìn)行固體廢料回收的研究。
　　來(lái)自金屬生產(chǎn)商的大量廢料沉積物，尤其是來(lái)自鋼鐵、鎳、銅、鈷和鉻行業(yè)的廢料，含有貴金屬，可以使用此發(fā)明的技術(shù)進(jìn)行回收。
　　新開發(fā)的密集渣攪拌反應(yīng)器將為很多金屬生產(chǎn)商提供解決方案，尤其是銅和鉑工業(yè)的生產(chǎn)商。由于改裝成本較低，所以成本回收期也會(huì)較短。