銅陽極泥氧氣斜吹旋轉轉爐工藝分析與優(yōu)化

賈宏杰　姜辛　林泉　邵德剛　王奎

〔摘 要〕詳細分析了某廠銅陽極泥氧氣斜吹旋轉轉爐工藝過程及存在的問題。針對氧氣斜吹旋轉轉爐工藝過程中硒回收率偏低、環(huán)保布袋糊袋嚴重及兩級動力波除塵差的問題，結合爐窯在實際生產過程中的工藝情況，優(yōu)化設計了一種新型旋轉式加料裝置，并將除塵、吸收為一體的兩級動力波工藝改為“高溫濾袋柔性膜收塵+高效吸收裝置吸收工藝”。通過對加料裝置和兩級動力波工藝的優(yōu)化，解決了非加料階段的高溫腐蝕料管的問題，使得原系統(tǒng)的液固分離同時取消，系統(tǒng)阻力、生產過程動力消耗大幅度降低。

〔關鍵詞〕氧氣斜吹旋轉轉爐；加料裝置；兩級動力波；糊袋

中圖分類號：TF811 ? 文獻標志碼：Ｂ文章編號：1004-4345（2023）05-0023-04

Process Analysis and Optimization Design of Copper Anode Slime Oxygen Inclined-blown

Rotary Converter

JIA Hongjie， JIANG Xin， LIN Quan， SHAO Degang， WANG Kui

（Jinchuan Group Copper Industry Co.， Ltd.， Jinchang， Gansu 737100， China）

Abstract? The paper made a detailed analysis on the process and existing problems of a copper anode slime oxygen inclined-blown rotary converter in a certain smelter. In response to the problems of low selenium recovery rate， serious environment-friendly bag pasting， and undesirable dust handling of two-stage dynamic wave in the oxygen inclined-blown rotary converter process， a new type of rotary feeding device was optimized and designed based on the actual production process of the furnace. The two-stage dynamic wave process that integrates dust handling and absorption was changed to the "high-temperature filter bag flexible membrane dust collection and high-efficiency absorption process of absorption device". By optimizing the feeding device and two-stage dynamic wave process， the problem of high-temperature corrosion of the feed pipe during the non-feeding stage was solved， resulting in the cancellation of liquid-solid separation in the original system and a significant reduction in system resistance and production power consumption.

Keywords? oxygen inclined-blown rotary converter; feeding device; two-stage dynamic wave; bag pasting

0? ?前言

陽極泥是有色金屬冶金過程中的一種重要的“二次資源”，因其含有大量的稀貴金屬而成為提取金、銀、硒、碲等稀貴金屬的重要原料。目前，國內外銅陽極泥處理工藝主要有3種：１）全濕法工藝，流程為銅陽極泥→加壓浸出銅、銻→氯化浸出硒、金→堿浸分鉛→氯浸分銀→金銀電解；2）以濕法為主，火法、濕法相結合的半濕法工藝，主干流程為硫酸化焙燒蒸硒→稀酸分銅→氯化分金→亞鈉分銀→金銀電解；3）以火法為主，濕法、火法相結合的火法工藝，主干流程為銅陽極泥→火法熔煉、吹煉→銀電解→銀陽極泥處理。目前，某廠在處理電解銅陽極泥的生產過程中，采用以氧氣斜吹旋轉轉爐作為熔煉、吹煉的火法工藝。

氧氣斜吹旋轉轉爐，又稱“卡爾多爐”，是一臺既能前后傾動，又能繞爐子中心軸線旋轉的冶煉爐。該爐型因吹煉時爐子置于傾斜位置，同時繼續(xù)轉動，冶煉時熔體中不存在死角，每一部分都處于充分攪拌之中。氧氣斜吹旋轉轉爐及其附屬設備設施主要結構包括爐體、旋轉機構、傾動機構、配有氧槍吹煉槍裝置、活動煙罩、水冷系統(tǒng)及排煙設施等。其結構見圖1所示。

然而，在該廠的實際生產過程中，氧氣斜吹旋轉轉爐處理銅陽極泥存在硒回收率偏低、環(huán)保布袋糊袋嚴重及兩級動力波除塵效果差等問題，本文擬以該廠爐窯的實際生產情況，對其生產工藝進行分析，以期優(yōu)化其工藝及相關裝置，解決上述問題。

1? ?氧氣斜吹旋轉轉爐工藝分析

1.1? 工藝流程分析

該廠氧氣斜吹旋轉轉爐銅陽極泥處理工藝流程為“銅陽極泥→加壓浸出→合金吹煉→銀電解→金精煉→硒精煉→碲精煉”，即陽極泥首先進行加壓浸出脫除銅、鎳等雜質，浸出渣經壓濾、干燥后送氧氣斜吹旋轉轉爐還原熔煉和氧化精煉，將產出金銀合金送電解精煉，從煙氣中回收硒。

1）氧氣斜吹旋轉轉爐生產工藝。氧氣斜吹旋轉轉爐生產流程為“銅陽極泥浸出渣干燥→配料及上料→還原熔煉→氧化精煉→電爐保溫及澆鑄金銀合金板→送銀精煉”，具體生產過程為：將干燥后浸出渣、焦炭、碳酸鈉、石英砂配比后，送入爐內進行還原熔煉操作。使用熔煉槍送天然氣和氧氣進行升溫，隨著溫度的升高，部分砷、鉍氧化揮發(fā)而脫除；隨著溫度的繼續(xù)升高，其他氧化物進行造渣脫除，鉛被還原成單質鉛后與金銀形成貴鉛合金留存在爐內進行下一步的精煉。

2）氧氣斜吹旋轉轉爐收塵工藝。氧氣斜吹旋轉轉爐收塵工藝分為主排煙收塵系統(tǒng)和環(huán)保排煙收塵系統(tǒng)。主排煙收塵流程為“氧氣斜吹旋轉轉爐→水冷煙道→一級動力波洗滌器→二級動力波洗滌器→旋流脫水器→電除霧器→風機→脫硫塔→排氣筒”。爐子產生的煙氣經水冷煙道冷卻至約350 ℃進入一級洗滌器，在一級洗滌器的逆噴管內與向上噴射的循環(huán)稀酸逆流接觸并激烈碰撞，形成液膜泡沫區(qū)。煙氣被冷卻至絕熱飽和狀態(tài)，煙塵隨循環(huán)稀酸進入一級洗滌器酸槽內被除去，而后煙氣進入二級洗滌器，使得煙氣進一步降溫，煙塵絕大部分被洗滌除去。從二級洗滌器中排出的煙氣，經旋流脫水器脫去煙氣夾帶的液滴后，再經電除霧器脫出大量水霧，最后經風機脫硫塔放散。環(huán)保排煙收塵流程為“氧氣斜吹旋轉轉爐→爐體整體煙罩→保溫煙道→布袋收塵器→風機→排氣筒”。

1.2? 硒的產出、吸收機理

氧氣斜吹旋轉轉爐冶煉的基本原理是在1個爐內連續(xù)完成貴鉛熔煉和氧化精煉，直接產出金、銀合金。爐料中的硒在此過程中揮發(fā)氧化成二氧化硒進入煙氣處理系統(tǒng)，經煙氣除塵及硒回收系統(tǒng)所得到的粗硒。硒在熔煉初期產出，其主要反應方程式見式（1）、式（2）：

式（1）的反應溫度＜500 ℃，式（２）的反應溫度＞500 ℃。而爐內溫度高于800 ℃，因此浸出渣中的Se將全部揮發(fā)進入煙氣。

煙氣經絕熱蒸發(fā)冷卻、動力波洗滌器，大部分煙塵被洗滌，其中的SeO2氣體溶于水，生成亞硒酸。亞硒酸具有強氧化性，與SO2反應生成硒。其主要反應方程式如下：

硒的回收效果主要取決于熔煉初期煙氣的去向和吸收系統(tǒng)pH值的控制。其中，主排煙系統(tǒng)正常與否直接關系到硒的回收效果。氧氣斜吹旋轉轉爐為間斷操作，每個生產周期約為16 h，包括加料期、還原期、氧化造渣期、灰吹期等。銅陽極泥回收硒工藝流程如圖2所示。

2? ?生產實踐存在問題

生產發(fā)現，在主排煙收塵系統(tǒng)運行的過程中，硒回收存在如下問題：1）出現重復回收現象；2）環(huán)保布袋糊袋嚴重，運行成本高；3）主排煙風機負荷難以提高，系統(tǒng)負壓不足；4）兩級動力波塔、旋流脫水器上部脫水填料堵塞；5）旋流脫水器效率低；6）電除霧陰陽極黏結嚴重，造成二次大電流低電壓運行。主要表現為硒回收率偏低，環(huán)保布袋糊袋嚴重，兩級動力波難以保證除塵效果。

2.1? 硒回收率偏低及環(huán)保布袋糊袋嚴重

浸出渣干燥后為粒狀，再配入一定比例的碳酸鈉、碎焦以及石英石等，按比例給入加料輸送機，再通過加料管加入爐內（爐子此時在加料位）。原設計中加料與吹煉時爐體角度同為28 °。理論上，在爐體角度為28 °時加料，由于水冷料管插入爐內，距熔體面距離較近，能有效控制粉塵量的產生，但在實際生產過程中料管堵塞嚴重導致無法加料，于是改為采用42 °的備用加料位。

通過現場觀察分析，認為料管堵塞原因是設計時是按干燥后粒裝浸出渣、碎焦的滑動角考慮的，而細石英粉和粉狀浸出渣的滑動角都較大，當混合物料同時進入加料管后細石英粉和碳酸鈉由于粒度小而沉于料管壁，這樣就抑制了混合物料的下滑，最終導致料管堵塞。目前，氧氣斜吹旋轉轉爐正常生產時主要采用加料位42 °、吹煉位28 °的角度設置，如圖3、圖4所示。

當爐子處于加料位置時（42 °），爐口是脫離主排煙煙道的，且為了保證爐子的正常旋轉至42 °，加料管距爐口高度約為1.5 m，因此加料時落差較大，容易產生揚塵。加料時，爐子繼續(xù)沿爐體中心線旋轉，加料時間約30 min。此時，爐內留有部分熔體，爐內溫度遠遠超過800 ℃。從硒的產出、吸收機理中可知，溫度超過500 ℃時，硒就升華與氧結合以SeO2的形式溢出。因此加料時正是SeO2大量溢出階段，這些溢出的煙氣并未直接進入主排煙系統(tǒng)，而是進入了環(huán)保系統(tǒng)。而環(huán)保系統(tǒng)則在加料期擔負了主排煙的任務，進而造成含水、SO2等介質進入環(huán)保布袋結露出現糊袋現象（冬季更為嚴重），如圖5所示。

2.2? 兩級動力波除塵效果差

理論上，兩級動力波的除塵效率可達99%。然而在實際運行中，由于風機需要根據爐口負壓進行調節(jié)風量、風速，從而使動力波所形成的泡沫層不太穩(wěn)定，煙氣穿透泡沫層的可能性增加。煙氣穿透泡沫層會導致濕潤后的粉塵后移，造成兩級動力波塔、旋流脫水器上部脫水填料堵塞、電除霧器陰極黏結嚴重，無法穩(wěn)定運行，同時增加風機運行振動的風險。

氧氣斜吹旋轉轉爐煙氣設計含塵量為26.8 g/m3，動力波理論處理含塵煙氣的最大量一般＜10 g/m3，然而現工藝中實際進入的塵量遠遠超出理論值，這使得吸收系統(tǒng)循環(huán)液含固量增大，液固分離系統(tǒng)壓力增大。

3? ?氧氣斜吹旋轉轉爐工藝優(yōu)化設計

3.1? 加料裝置優(yōu)化設計

針對以上氧氣斜吹旋轉轉爐工藝問題，本文設計了1種旋轉加料裝置。該加料裝置可以轉動解決了加料管道堵塞的問題，并使得物料在加入過程中混合均勻。裝置設置于氧槍吊架上，可以使加料階段的含硒煙氣進入主排煙吸收系統(tǒng)，減少硒損失。通過控制旋轉加料裝置的移動，還可解決非加料階段的高溫腐蝕料管的問題。加料裝置結構，如圖6所示。

新型旋轉加料裝置的工作機制：加料時，通過電動推桿控制行走托板在氧槍吊架上移動到加料合適位置，將物料通過固定加料口加入，同時啟動驅動電機。驅動電機通過減速機帶動旋轉齒輪轉動，旋轉齒輪通過旋轉齒圈帶動旋轉管在向心推力球軸承內轉動。向心推力球軸承用于防止旋轉加料裝置在移動和轉動過程中下滑，上支撐托輥和下支撐托輥則能保證旋轉加料裝置在移動和轉動過程中保持良好的穩(wěn)定性。

使用新型旋轉加料裝置對加料方式的優(yōu)化體現在：1）將伸縮水冷加料管改為伸縮變頻旋轉加料裝置，使得任何粒度物料都能在最小落差位置順利加至熔池表面。通過旋轉加料裝置的轉動解決了加入物料種類多、粒度范圍大、滑動角范圍廣、流動性差，從而導致加料管道堵塞的問題，并使得物料在加入過程中更均勻混合，提高利用率，并可使主排煙與環(huán)保排煙徹底分離，各司其職，解決環(huán)保布袋的糊袋問題。2）加料完成后，通過電動推桿可以控制行走托板上移。這是由于加料時間較短，加料后大部分時間為反應時間，如果讓加料裝置長時間處于高溫煙氣中腐蝕速度很快；而通過電動推桿控制行走托板移動，進而控制旋轉加料裝置移動，可解決非加料階段的高溫腐蝕料管的問題。3）加料裝置設置于氧槍吊架上，使得加料階段含硒煙氣仍可進入主排煙吸收系統(tǒng)，減少硒損失，提高硒回收率，并防止環(huán)保系統(tǒng)的煙氣條件惡化。采用該裝置后，該廠原先采用的42 °備用加料位可以回歸28 °加料位。

3.2? 兩級動力波優(yōu)化設計

針對兩級動力波運行出現的問題，將目前采用除塵、吸收為一體的兩級動力波工藝改為：高溫濾袋柔性膜收塵+高效吸收裝置吸收工藝。濾袋的結構效果如圖7所示。

高溫濾袋柔性膜具有過濾精度高、通量大、阻力小、耐腐蝕的特點，使用溫度能夠達到450 ℃。目前已應用于鋼鐵、水泥玻璃、有色冶煉及新能源等行業(yè)。

由于SeO2氣體極易溶于水生成亞硒酸，經高溫濾袋柔性膜除塵后的無塵含SeO2氣體進入高效吸收裝置進行吸收。這樣系統(tǒng)負壓的波動對除塵效果將無任何影響。原系統(tǒng)的液固分離可同時取消，系統(tǒng)阻力將大大降低，生產過程動力消耗也會隨之降低。

4? ?結論

綜上所述，針對氧氣斜吹旋轉轉爐工藝硒回收率偏低及環(huán)保布袋糊袋嚴重、兩級動力波難除塵差的問題，設計了一種新型旋轉式加料管。通過旋轉加料裝置的轉動解決加料管道堵塞的問題，并使得物料在加入過程中混合均勻。加料裝置設置于氧槍吊架上，使得加料階段含硒煙氣進入主排煙吸收系統(tǒng)，減少硒損失。通過控制旋轉加料裝置移動，解決了非加料階段的高溫腐蝕料管的問題。將兩級動力波工藝改為“高溫濾袋柔性膜收塵+高效吸收裝置”吸收工藝，使得原系統(tǒng)的液固分離可同時取消，系統(tǒng)阻力、生產過程動力消耗大幅度的降低。

參考文獻

[1] 王宇寧，邱建森，葛素志，等.銅陽極泥氧氣斜吹旋轉轉爐前端處理工藝優(yōu)化研究[J].有色冶金設計與研究，2022，43（5）：5-8.

[2] 陳占飛.銅陽極泥氧氣斜吹旋轉轉爐處理工藝淺析[J].中國金屬通報，2020（5）：7-8.

[3] 花少杰，胡鵬舉，布金峰.氧氣斜吹旋轉轉爐處理高雜銅陽極泥的工藝改進[J].有色金屬（冶煉部分），2020（2）：45-48.

[4] 吳波，彭俊軍，徐國華.貴冶氧氣斜吹旋轉轉爐渣選礦技術研究與生產實踐[J].世界有色金屬，2020（21）：44-46.

[5] 張煥然，王俊娥，陳杭，等.銅陽極泥預處理工藝改進生產實踐[J].中國有色冶金，2018，47（5）：20-23.

[6] 孔祥峰，伊家飛.含砷銻復雜銅合金處理研究進展[J].科學技術創(chuàng)新，2020（2）：37-38.

收稿日期：2022-11-22

作者簡介：賈宏杰（1974—），男，工程師，主要從事冶煉生產技術工作。