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稿件提供：曹福永 （原首鋼特殊鋼公司規(guī)劃設計院退休技術資料員）

　　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)的反應器適用于回收鐵合金、鋼廠廢料和廢料沉積物?；阢~回收的實例，本文介紹了這項技術的基本原理，以及智利一家銅生產商進行模擬試驗的最新成果。2009年，一個改進、更大規(guī)模、更靈活的試驗工廠將在歐洲投入使用。

　　銅渣凈化的冶金原理
　　制銅工業(yè)生產的廢渣中的金屬損失是確定一個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。
　　傳統(tǒng)的火法冶金渣在潛弧電爐中凈化過程包括加熱爐渣、氧化物還原、冰銅或金屬液滴的沉積。渣過熱后會降低渣的粘度，加速還原反應的進行。
　　四氧化三鐵的還原會降低渣的粘度、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，溶解銅的還原取決于四氧化三鐵的還原程度。
　　根據(jù)金屬相的形核機理，金屬氧化物的還原會產生尺寸在3~50微米的金屬夾雜物。金屬顆粒越小越容易在合理的時間內沉淀。冰銅夾雜物沉降時會通過碰撞和聚結捕獲更小的冰銅和金屬夾雜物。但重力聚結只能使小的夾雜物部分沉降，對總體金屬回收通常得不到令人滿意的結果。

圖1 密集渣凈化反應器的基本結構

　　新型密集渣攪拌反應器
　　SMS Siemag公司和智利圣地亞哥的智利大學聯(lián)合開發(fā)了一種新型密集渣攪拌反應器，并在最近幾年里，進行了大量的基礎實驗、計算流體力學模擬和半工業(yè)模擬試驗。圖1顯示垂直磁場作用下通道型直流爐內連續(xù)的、電動力學的渣凈化原理。需要反聚結的非常小的冰銅或金屬夾雜物從渣相中分離出來

圖2 渣凈化反應器的工作原理和流動方式

　　新開發(fā)的渣凈化流程將一個長方形直流反應器與電磁體產生的附加磁場相結合，從而可以促進金屬或冰銅回收（圖2）。
　　渣通過安裝在較矮側板上的溜槽連續(xù)加入反應器，在別一側通過溢流流出。這種溢流方式確保了熔池內液面高度恒定，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的焦炭床作為陽極，與塊狀石墨接觸的冰銅層作為爐底液態(tài)陰極，這樣就會在渣和金屬或冰銅層之間產生一個電場。磁極被放在較長側板的爐殼外側，接近電極頭的下端，在這個區(qū)劃可以提供很強的磁場。最初在電磁頭產生的主洛倫茲力（Lorenzo Force）會造成渣的劇烈運動從而在渣層內產生攪拌。
　　使用永磁場疊加的直流電弧爐處理渣會產生一系列并行的復雜現(xiàn)象。反應器的左半部分基本上是反應器的攪拌區(qū)域，右半部分是沉淀區(qū)。
　　如果上游的主要熔煉設備成批出渣，采取下列相應的工藝步驟：
　　l裝料期：向爐內加入液態(tài)廢渣；
　　l攪拌期：使用反應器較長側板上的多功能磁系統(tǒng)強烈攪拌；
　　l沉淀期：保持電源輸入的同時，關閉磁場，由重力和電毛細管運動產生強制沉積；
　　l排出期：將廢棄渣和金屬/冰銅排出。
　　半工業(yè)模擬試驗
　　在智利大學建立了首個小型半工業(yè)規(guī)模的直流隧道爐進行實驗室測試。爐缸長0.7米、寬0.1米、高0.2米。
　　隧道爐內加滿液態(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%。值得說明的是在磁場關閉階段，系統(tǒng)顯示廢渣中的銅和四氣閥經三鐵含量迅速回升，這是通用流程原理適用的最直接證明。
　　受這種良好結果的鼓勵，SMS Siemag決定于智利大學、英美智利（Anglo American Chile）公司在智利的英美Chagres廠建造1~2噸/小時的示范裝置。其布局是基于實驗室規(guī)模測試的結果和計算流體力學的模擬結果。測試設備在2006年完成建設，并在2006~2007年間進行了5次測試。

圖3 智利Chagres試驗設備的加料階段

　　設備安裝在初步熔煉和轉爐區(qū)的鑄造跨間。圖3是運行中的設備圖。1.5噸的渣通過一手動傾斜鋼包加入到測試設備。加入渣的流速由測壓計測出。在測試中，1~2個鋼包的液渣被加入設備。在進渣口、熔煉設備內（通過鋼棒）和渣溢出口取樣。對排出的冰銅也進行分析。
　　大約10分鐘后，設備被裝滿，渣開始溢出。保持一段趕時間后，向試驗設備中加入下一包渣。探針的快速分析顯示銅含量明顯降低。圖4顯示試驗設備進出口渣的橫截面。
　　化學分析表明，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%。
　　盡管設備的變壓器容量較低而且使用的設備也沒太穩(wěn)定，產生了幾種不讓人滿意的狀況，但是測試結果超出了SMS Siemag的預料。所有試驗測試的渣的溫度都很低，所以渣的粘度很高，在反應器內也在不斷累積。結果是反應體積偏小，停留時間較短。讓人感到驚奇的是已經獲得的“渣的凈化程度”。這也清楚表明這項技術的潛在優(yōu)勢是不可預測的。
　　從模擬以及智利的測試獲得的經驗為歐洲新的半工業(yè)規(guī)模工廠奠定了基礎。測試設備設計產能高達4噸/小時，并配有一個更大的變壓器。此外，設備還具有其它幾個特征，即設備更靈活、磁場更強、配有兩個電極以及噴吹選項，這使得測試更加可信，而且可以研究各種參數(shù)的影響，從而評估這項操作原理的最大潛能。設備計劃在2009年第一季度投入使用。

圖4 進出口處渣樣的微觀照片

　　工業(yè)規(guī)模生產廠的建設
　　SMS Siemag公司也計劃以工業(yè)規(guī)模實施這項技術。產能可以達到100噸/小時（圖5）。為確定這樣一套設備的成本，基本工程設計已經開始進行。對這樣一項新技術，行動尺度風險也是合理的，主要有以下幾方面原因：大型設備的能量損失最?。豢梢苑乐乖O備內的累積；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系統(tǒng)。

圖5 一座工業(yè)規(guī)模密集渣凈化反應器的示意圖

　　潛在的關鍵問題是反應器攪拌區(qū)耐火材料的磨損不能確定以及對正確的攪拌模式的確定。
　　這套設備對制銅工業(yè)的經濟效益是非常明顯的。以使用潛弧電爐來進行銅渣凈化的傳統(tǒng)生產廠為實例，假定銅的價格大約在3,500美元/噸，年產銅大約20萬噸，這樣一套設備可以減少將近兩年的成本回收期。因為磁鐵消耗電能很少，并且渣以液態(tài)形式加入到密集渣攪拌反應器內，所以運行成本很低。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
　　除了對來自傳統(tǒng)的渣凈化爐的渣進行處理外，這樣的流程是否適合處理來自銅閃速熔煉爐、特尼恩（Teniente）特轉爐、艾薩（Isa）熔煉爐或奧斯（Ausmelt）熔煉爐的渣需要進一步研究。
　　目前，討論將針對鉑和鈀制造業(yè)進行，主要是在非洲。SMSSiemag公司看到了這種技術在應用方面的潛能。
　　根據(jù)測試結果，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。
　　這項新技術在現(xiàn)有的使用傳統(tǒng)電渣凈化爐和各種主要熔煉設備（如奧斯熔煉爐）的鉑生產線上也有很大的應用潛能。其工藝原理是相同的，預計會有較高的回收率而且，這種設備也適用于對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)性類比實驗中，設備以電弧模式運行，所以可以將固態(tài)料加入到直流攪拌反應器內，為此，計劃進行固體廢料回收的研究。
　　來自金屬生產商的大量廢料沉積物，尤其是來自鋼鐵、鎳、銅、鈷和鉻行業(yè)的廢料，含有貴金屬，可以使用此發(fā)明的技術進行回收。
　　新開發(fā)的密集渣攪拌反應器將為很多金屬生產商提供解決方案，尤其是銅和鉑工業(yè)的生產商。由于改裝成本較低，所以成本回收期也會較短。