氧气斜吹旋转转炉处理铜阳极泥的工艺设计

梁帅表

（中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038）

1 铜阳极泥的处理工艺

1.1 铜阳极泥处理的主要工艺

目前国内外阳极泥处理工艺主要有三大类：

（1）全湿法工艺流程。以美国OUTFORT公司为代表，流程为：铜阳极泥加压浸出铜、碲－氯化浸出硒、金－碱浸分铅－氨浸分银－金银电解；

（2）湿法为主，火法、湿法相结合的半湿法工艺流程。国内目前大多数厂家采用，主干流程为：铜阳极泥硫酸化焙烧蒸硒－稀酸分铜－氯化分金－亚钠分银－金银电解；

（3）火法为主，湿法、火法相结合的火法流程。以波立登公司为代表，主干流程为：铜阳极泥加压浸出铜、碲－火法熔炼、吹炼－银电解－银阳极泥处理金。在设备方面，波立登公司仅用1台卡尔多炉来完成熔炼、吹炼[1～4]。

阳极泥处理工艺选择的主要依据是阳极泥的化学成分和生产规模的大小。目前，我国冶炼厂主要采用以湿法为主的半湿法工艺，该工艺流程较长，环保效果不好。

1.2 半湿法工艺和卡尔多炉工艺比较

国内传统的半湿法工艺主要通过焙烧蒸硒、分金和分银三个工序才能完成，卡尔多炉工艺用1台卡尔多炉就可完成，半湿法工艺流程较长，设备多。在厂房配置上，由于卡尔多炉工艺设备较为紧凑，占地面积大为减少。在生产周期方面，卡尔多炉工艺金的生产周期为13 d，银为11 d；半湿法工艺金的生产周期为15 d，银为13 d[1]。

两种工艺的金银回收率基本相同，卡尔多炉工艺数据由波立登公司提供。卡尔多炉工艺Se的回收率为95.5%,明显高于半湿法工艺流程的90%；Cu的回收率也高出3个百分点。卡尔多炉工艺金银收率从阳极泥算至多尔合金；半湿法工艺金银收率从阳极泥算至粗金、银粉，铜、硒、碲收率分别算至分铜液、粗硒、碲渣。

两种工艺的运行成本比较见表1。

半湿法工艺吨阳极泥材料消耗约为6 000元，卡尔多炉工艺约为4 800元。可见卡尔多炉工艺在运行成本上有明显的优势。但是固定投资方面，卡尔多炉工艺要高于半湿法工艺的一次性投资[1]。

两种工艺的环保效果有很大差别，半湿法工艺的主要污染源有酸性废水和二氧化硫、氯气等废气。废水经过处理回收其中的铜后，用石灰中和达标排放；废气用碱液吸收后达标排放；废渣销售给铅冶炼厂，此流程中不存在固体污染。卡尔多炉工艺的主要污染源有含铅、砷等有害元素的烟气和少量酸性废水。卡尔多炉烟气处理考虑周全，烟气采用湿法收尘先进技术，通过文丘里管、湿式静电除尘后达标排放，少量酸性废水处理方法和湿法工艺相同。而且卡尔多炉外罩环保烟罩，整个厂房环境很好。吨干阳极泥综合能耗半湿法工艺约为2.9 t标准煤，而卡尔多炉工艺约为1.8 t标准煤。

表1 两种工艺的辅助材料消耗[1～4]

综合以上指标，卡尔多炉火法工艺的优点是主干流程短、工艺设备少、占地面积小、生产周期短、能耗低、劳动定员少、生产成本低、对原料适应性好，且卡尔多炉生产潜力大、环境条件好、废水处理量小。但入炉料需干燥，厂房较高，投资相对较多。总体来说，在高环保、低能耗，以及阳极泥处理规模大型化的趋势下，卡尔多炉工艺是阳极泥处理工艺的一个改进方向[5～6]。目前我国已经引进卡尔多炉处理铅精矿工艺[7]，也有公司引进了波利登公司的卡尔多炉处理阳极泥工艺，但是引进费用太高。在这种情况下，恩菲公司和某冶炼厂合作对该工艺进行了自主研发设计。

2 氧气斜吹旋转转炉处理阳极泥的理论研究和工艺设计

2.1 氧气斜吹旋转转炉处理阳极泥的理论研究

本设计处理的阳极泥的主要成分见表2。

表2 阳极泥的成分（质量分数） %

阳极泥经湿法高压浸出得到的浸出渣的主要成分见表3。

表3 阳极泥浸出渣的成分（质量分数） %

经过试验得出，在合适的工艺条件下，通过加压浸出铜能够成功地从阳极泥里分离出来进入浸出液，渣率67%。除去阳极泥中的铜对后面的火法冶炼非常重要，因此一定要控制好浸出的工艺指标，保证后续熔炼的顺利进行。

浸出渣干燥后进入氧气斜吹旋转转炉进行熔炼，配好的物料首先在炉中完成还原熔炼过程，熔炼过程中配入焦粉、碎铅、铁屑和二氧化硅，铅将金银捕集到一起。PbO和SiO2形成硅酸铅进入炉渣中，在加入焦粉的情况下，局部发生下列反应：

如果没有其他能与SiO2结合的氧化物存在，炉内会形成铅珠饱和着的海绵状二氧化硅，不利于铅捕集金银。为了使铅完全分离出来去捕集金银，加入铁屑和SiO2进行反应：

由此可见，在还原熔炼过程中,配入合适的焦粉量十分重要，首先要还原出足够量的Pb捕集金银，但焦粉不能过量，太多造成过强的还原气氛，使其他金属氧化物还原，提高了游离的SiO2含量，增加了渣的粘度。在熔炼过程中，其他次要元素，如砷主要挥发到烟气中，少部分以PbO·As2O3的形式进入渣中；Sb2O3挥发较缓慢，同时能与熔剂作用，大部分进入渣和贵铅中[2]。有研究表明，在合理的配料条件下，可以控制渣中含Ag 0.5%、Au 0.005%以下。

将熔炼过程产出的渣排出，剩余的贵铅在炉内进行氧化精炼，保持炉温1 000～1 100℃，将熔炼枪换为吹炼枪。贵铅中的绝大多数杂质氧化成不溶于银的氧化物，浮于熔体表面形成炉渣。吹炼时，杂质的氧化顺序取决于氧化物的生成热。杂质氧化的顺序为：锑＞砷＞铅＞铋＞铜＞硒＞碲。另外氧化的难易和含量有关，含量最多的铅首先氧化为PbO，然后由于PbO对氧的传递作用，使砷、锑氧化[8]。铜在贵铅合金中起着不良的影响，它提高了贵铅的熔点和氧化作业温度，同时能和金银形成固溶体，氧化次序也靠后，故较难从合金中除去。也有工厂在氧化末期加入硝石等提高氧化强度。对于硒和碲的氧化，有研究表明，由于硒氧化挥发，因此在精炼开始阶段就开始氧化，但是碲的氧化是在熔体中的Se/Te比例小于0.55时才开始[9]。氧化精炼过程在以前传统的金银精炼炉中需要20多小时方能达到较好的效果，但是在氧气斜吹旋转转炉中，由于转动的炉体和强氧化喷枪的作用，使得反应时间大大缩短。在氧化过程中加入碳酸钠，可以生成碲渣，有利于反应进行：

硒在氧化过程中，氧化成很容易挥发的SeO2进入烟气中，在文丘里收尘器中捕集回收。

2.2 氧气斜吹旋转转炉处理阳极泥的工艺设计

2.2.1 工艺流程

本设计采用的工艺流程见图1。

图1 氧气斜吹旋转转炉处理阳极泥工艺流程图

阳极泥浸出渣浆化后用泵打入压滤机中，压滤出的浸出渣含水30%左右，直接进入干燥机干燥至含水3%以内，配料后分批加入氧气斜吹旋转转炉，经过熔炼和吹炼，得到的金银合金送至合金保温炉进行定量浇铸；熔炼渣运走，前段吹炼渣返回炉子，末端吹炼渣送原有碲回收系统；烟气采用文丘里收尘，文丘里泥返回炉子，从烟气洗涤溶液中回收硒。

2.2.2 主要设备选择

含水30%的浸出渣，水分高且粘性很大，试验表明使用闪蒸干燥效果不理想。本设计最终选用带式干燥机并改进了加料设备，使得阳极泥浸出渣能够顺利地加入到干燥机中。干燥工序基本实现自动化，取代了原烘箱式干燥中繁重的人工劳动。设计预期干燥后的阳极泥浸出渣水分含量低于3%且为块状，降低粉尘飞扬损失。干燥渣经定量给料机并和其他熔剂混合配料，通过密封胶带机送往氧气斜吹旋转转炉。

氧气斜吹旋转转炉为本工艺的核心设备，设计规格为ϕ内1 350 mm，炉膛高度3 000 mm，有效容积0.8～1.0 m3。其首次采用液压传动和倾动，转动和旋转更加平稳，吹炼角度28°。氧气斜吹旋转转炉系统包括喷枪（熔炼枪和吹炼枪）、水冷烟罩、炉体、旋转装置、倾翻装置、止推托辊和倾转编码器。

氧气斜吹旋转转炉设有两个喷枪，一根熔炼枪，一根吹炼枪。熔炼喷枪以柴油为燃料，吹炼枪吹压缩空气。两只喷枪装在一个枪架上，喷枪设编码器，可自动控制喷枪位置。驱动系统中的液压蓄能器可保证在停电或失去动力时，喷枪能从炉子的喷枪口移出。喷枪采用密闭循环水冷系统，并有渗漏检测。

氧气斜吹旋转转炉的烟罩为固定水冷烟罩，罩住炉子出口。烟罩上留有两个喷枪插入口。顶部设一个正常排烟口和事故排烟口。

氧气斜吹旋转转炉烟气量约为3500～4000m3/h，烟气成分在各个阶段发生变化。烟气的冷却设计中采用膜式壁冷却烟道，冷却效果好。烟气经过直升烟道后再经文丘里收尘器收尘，排出的气体再经湿式电收尘器和洗涤塔洗涤后排空。文丘里粉尘进入沉淀池，进行压滤，滤渣干燥后返回转炉，滤液通入二氧化硫还原沉淀回收硒。

金银合金采用直线浇铸机浇铸银阳极板，浇铸完后卸出银锭，将银锭吊开排架，取代原银锭浇铸中频炉熔化、手工操作浇铸，改善了劳动条件和环境状况。

3 结论

氧气斜吹旋转转炉有其独到的优点：温度和熔炼条件易于变动和控制，它具有熔化、还原、氧化吹炼、精炼等功能。特点是气、液、固三相传质和传热效果好，生产能够适应多种矿物物料，如处理铅精矿、铜精矿、杂铜和阳极泥等，在波兰、墨西哥、美国等已经采用。氧气斜吹旋转转炉处理阳极泥工艺在国内尚属新型工艺，铜陵有色刚从国外引进了该工艺。恩菲公司是在自主开发的基础上进行试验和设计的，设备选型和参数选择都留有余地，在工艺控制上自动化程度较高，环保措施较好，工艺流程打通后，冶炼厂处理阳极泥浸出渣规模可达到2000t/a以上。

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[8] 北京有色冶金设计研究总院等.重有色金属冶炼设计手册——锡锑汞贵金属卷[M].北京：冶金工业出版社，1995.

[9] Manuel Perez-Tello.A Kinetic Model for the Oxidation of Selenium and Tellurium in an Industrial Kaldo Furnace[J].Pyrometallurgy Fundamentals,2004,12:52.