CN101238343B - 从含有金属的炉渣中提取金属的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及从含有金属的炉渣中提取金属的方法，其中，将熔融的含有金属的炉渣在至少一个电弧炉(1、2)中加热。为了提供一种用于从炉渣中提取尤其是铜的改进方法，本发明建议将含有金属的炉渣在形式为交流电炉或直流电炉的第一炉(1)中加热并且将熔液投入形式为直流电炉的第二炉(2)中。此外，本发明还涉及用于从含有金属的炉渣中提取金属的装置。

Description

从含有金属的炉渣中提取金属的方法和装置

技术领域

本发明涉及从含有金属的炉渣中提取金属的方法，其中，将熔融的含有金属的炉渣在至少一个电弧炉中加热。此外，本发明还涉及用于从含有金属的炉渣中提取金属的装置。

背景技术

在铜精矿的熔炼过程中会产生冰铜和炉渣。炉渣既包含熔融形式的铜也包含机械融合的矿石夹杂物。存在两种用于清渣的主要方法：在骤冷、碾碎和磨粉后的炉渣浮选法以及液态炉渣的火法冶金还原法。

火法冶金清渣法分为至少三种变型方式，即：

1)在交流电弧炉中通过焦炭和电极进行还原、炉渣预热和沉淀，

2)在水平的圆柱形回转炉中喷入还原剂，例如在泰尼尔(teniente)-清渣炉中，

3)在喷入还原剂的竖直转炉中，例如TBRC或等容熔融(Isasmelt)。

清渣要求对磁铁矿进行还原，以释放出悬浮的夹杂物和实现该夹杂物的沉淀以及使铜类氧化物的共同还原。

在交流电弧炉中的最常用的铜渣清理由于所需的还原时间和沉淀时间达到3至8小时而要求相对较大的炉。该方法由于受到热损失的高影响率而导致较高的能量消耗率。所述在电弧炉中的清渣作为分批或半连续的过程实施。电弧炉在温度调节方面的灵活性可以获得适当的炉渣预热。而分散的金属的铜夹杂物作为铜类氧化物的还原产物与一部分小冰铜夹杂物一起限制了相分离和足够的铜提取率。

US 4 110 107公开了一种用于从含金属的炉渣中提取金属的方法，尤其是从熔炼炉中的铁-铜-炉渣中提取金属的方法。将熔融的炉渣投入电弧炉中，在此进行熔融。使用碳-喷射单元将碳投入熔池的底部中。将造渣剂例如氧化钙(CaO)同样投入到池中。在还原后将金属从炉中取出。

US 4 036 636公开了一种用于尤其是从炉渣熔液中提取镍和镍-铜-混合物的方法。在此用含碳材料还原炉渣中的磁铁矿。其中，在还原炉渣时，通过机械式搅拌器混合炉渣。

WO 01/49890A1公开了一种用于直接由硫酸铜-精矿制造粗铜的方法，其中，在受氧合作用的还原容器中从精粉化的且冷却的冰铜中获取粗铜。所述氧合作用在输入富氧空气的条件下发生，其中，氧含量达到至少50％。粗铜也称为“泡铜”，是非精炼的、起泡的铜。铜在熔融状态下含有比固体金属更高的气体溶解能力。在凝固过程中所述气体在铜中分离成小气泡(英语：blister)。

US 4 060 409公开了一种火法冶金***，通过该***能将材料保持在熔融状态。该***具有用于容纳材料的容器，其中，在所述容器内部有多个大小相同的单元格。还有大量机械式搅拌器，以搅动熔融的材料。

US 6 436 169公开了一种操作铜熔炼炉的方法，其中添加铁的质量比超过80％的含铁基质，其密度在3.0到8.0之间；在此，颗粒的直径在0.3至15毫米之间。所述含铁基质被添加到含铁的铜炉渣中。然后将Fe₃O₄还原成FeO。

EP 0 487 032B1公开了一种用于连续的铜精炼的装置。该方法具有用于熔融和氧化铜精矿的熔炼炉，以形成由冰铜和炉渣组成的混合物。还设有用于分离冰铜和炉渣的分离炉。为了产生粗铜而在转炉中将从炉渣中分离的冰铜氧化。熔液放液槽装置将熔炼炉、分离炉和转炉连接。为了精炼在转炉中生成的铜而设有阳极炉。通过粗铜放液槽装置形成转炉和阳极炉之间的连接。

EP 0 487 031B1给出了一种用于连续熔炼铜的方法。在此也设有熔炼炉、分离炉和转炉，其通过传送连接装置相互连接。还设有阳极炉，其与所述转炉构成传送连接。铜精矿馈送入熔炼炉中，在此进行精选矿的熔融和氧化，以制造出由粗冰铜和炉渣构成的混合物。随后将所述由粗冰铜和炉渣构成的混合物导入分离炉，在此将粗冰铜从炉渣分离。然后将从炉渣分离出的粗冰铜投入转炉中，在此为了制造粗铜而将所述粗冰铜氧化。此后所述粗铜流入阳极炉中的一个中，在此制造出铜。

US 5 765 489、DE 27 07 578A1和US 5 479 433公开了部分相似类型的其它解决方案。

发明内容

就效率而言，用于从含金属的炉渣中提取金属的上述方法仍有改进的需要。因而，本发明的目的是提供一种用于从炉渣中提取尤其是铜的方法。

本发明目的的解决方案的特征在于，将含金属的炉渣在交流或直流电炉形式的第一炉中加热并将该第一炉的熔液投入直流电炉形式的第二炉中。

在待提取的金属是处于含铜渣中的铜时具有优点。

与之相应，本发明还涉及优选(如以下所示)借助电磁搅动通过在交流电弧炉和直流还原排渣炉中的两级炉渣还原和沉淀从由熔炼和转化铜渣来提取铜。

上述方法也可以用于将金属例如铅、锌、铂或镍从其各自的炉渣中提取出来。

优选在作为交流电炉的第一炉中进行炉渣的预还原和金属矿的沉淀，尤其是冰铜，而此后在作为直流电炉的第二炉中进行深度的炉渣还原和夹杂物的去除。

有利的是，在作为直流电炉的第二炉中进行待提取金属的电解沉淀。

另外，当在作为直流电炉的第二炉中进行金属提取时对熔液进行电磁搅动，可获得提取工艺的一种重要改进。可以使至少一块电磁铁作用在处于第二炉中的熔液上，以形成电磁搅动。作为替代方案，也可以设置至少一块永磁铁。所述至少一块磁铁应尤其优选产生50至1000高斯的磁场，其中，在第二炉中，所述磁场至少覆盖一部分电极区和熔液的一部分横截面。

在第一炉中，优选在加热的过程中添加还原剂，尤其是焦炭。

可以将含碳材料尤其是焦炭投放到第二炉中的熔液表面上，从而形成厚度基本恒定的含碳材料层，其中，所述层起阳极的作用并且与电连接件接触。

第二炉中在熔液下方的底部中，可以维持由金属矿尤其是由冰铜构成的层的厚度基本恒定，其中，该层起阴极作用并且可与电连接件接触。

本装置、尤其是用于实施本发明方法的装置的特征是交流或直流电炉形式的第一炉和直流电炉形式的第二炉，其中在第一炉和第二炉之间设有用于熔液的连接装置，尤其是传送槽。

所述第一炉可具有两个电极，所述电极浸在第一炉中的熔液中并且连接到交流电源。所述第二炉可以具有两个板式的电极，该电极以水平延伸的方式设置在处于第二炉中的熔液的上方区域和下方区域并且连接到直流电源上。处于上方区域的电极可以是焦炭床层，其以电接触尤其是与石墨电极形成连接。处于下方区域的电极可以是金属矿层尤其是冰铜层，其与电触点尤其是石墨电极形成连接。第二炉优选是排渣炉。最后，所述装置在第二炉的侧部优选具有磁铁尤其是电磁铁，该磁铁的磁力线与在导电元件的至少一些中的电流方向至少部分成直角。因而可以产生能形成电磁搅动效应的洛伦茨力。

本发明也建议在两个电弧炉中进行两级炉渣还原和铜的去除。所述第一炉(三相交流电弧炉)用于炉渣的预还原和冰铜的沉淀，随后在具有电磁搅动效应的直流还原排渣炉中进行深度的炉渣还原和夹杂物的去除。所述电磁搅动效应的使用与炉渣电解和动电学现象一起能够实现有效的清渣和提高铜的提取率。

附图说明

图1是直流电弧炉和下游的直流还原排渣炉的示意性视图；和

图2a和图2b是直流还原排渣炉的侧剖视图和正剖视图，在使用焦炭床层和液态冰铜作为电极的情况下该炉用于深度的炉渣还原和夹杂物的去除。

具体实施方式

图1示出了交流炉形式的第一炉1，该第一炉连接有一个直流炉形式的第二炉2。在炉1中制备的铜渣熔液通过熔液导槽形式的连接装置8导入第二炉2中。

石墨电极形式的两个电极9和10浸入在所述第一炉1以及尤其是处于该第一炉中的炉渣熔液中，所述电极连接在交流电源11上。

第二炉2具有一个用于炉渣15的入渣口16以及出渣口17。在第二炉2中有两个电极4和5，其为平板状。两个电极4、5通过石墨接触电极6或7形式的电连接件连接在直流电源12上。上方水平放置的电极6连接在直流电源12的正端子上并且起阳极作用。相应地，下方同样水平设置的电极5连接在直流电源12的负端子上并且因而起负极的作用。通过电解工艺可获得铜。

从图2可以得知，第二炉2为排渣炉。侧面上设有围绕金属芯的电线圈13和14，因而构成电磁铁3。通过该电磁铁产生电磁搅动效应，从而搅动第二炉2中的熔液，见下文。

根据本发明工艺，液态炉渣主要在交流电弧炉1(交流炉)中加工。炉渣中的磁铁矿和铜类氧化物与石墨电极9、10的碳和所添加的焦炭按照下列化学式反应：

Fe₃O₄+CO＝3FeO+CO₂

Cu₂O+CO＝2Cu+CO₂

CO₂+C＝2CO

铜类氧化物的还原受到磁铁矿共同还原的限制。共同还原的条件通过所述反应的平衡确定。

熔液炉渣中的铜含量在2％到10％之间并且磁铁矿含量在10％到20％之间，视熔炼工艺和所生产的冰铜品质而定。

在交流电弧炉1中的炉渣处理的第一步骤，专注于使磁铁矿的量还原至7％到8％，而使铜含量到达0.8％至1.2％，这需要的单位能量消耗为50至70kWh/t，视初始炉渣组成而定。上述炉渣还原的程度使得还原时间缩短大约50％，这意味着炉的处理能力提高两倍。所述炉渣连续地或以规则的间距流入第二直流还原排渣炉2(直流炉)。

炉渣表面上的焦炭床层4具有阳极功能，石墨电极6通过该焦炭床层连接到直流电源12，而与石墨块7接触的液态冰铜5是直流还原排渣炉2中的阴极。

在所述炉的入口侧，两个永磁铁块设在炉缸的窗口中并且为炉渣层的半高上。非均匀的水平磁场与非均匀的竖直恒定电场相互作用感应出作用在炉渣上的洛伦茨力的梯度。

所述洛伦茨力作用在处于交叉的恒定电场和永久磁场中的导电流体、例如液体炉渣的单位体积中，能明显改变所述流体的相对密度：

γ_A＝γ±j×B

其中：γ_A——表面相对密度，单位Nm^-3，

γ——相对密度，单位Nm^-3，

j——流体中的电流密度，单位Am^-2，

B——磁感，单位T。

在电流密度为200至2000A/m²以及磁场强度为0.005至0.1特斯拉时，借助上述力可使炉渣速度比自然对流速度大1至2个数量级。所述力使得炉渣在磁场区域强烈旋转，从而促进磁铁矿跃迁到焦炭的上表面从而加速还原。当炉渣还原的温度很高(1200至1300℃)时，在磁铁矿的还原以及铜类氧化物的共同还原过程中，反应通过材料的跃迁来控制，搅动炉渣极大提高了还原速度。

此外，炉渣的搅动阻碍了淤塞流体的形成并且使炉渣均匀化。在用于去除夹杂物的本方法的第一阶段中，所述炉渣的搅动很有利，从而提高了炉渣碰撞及其聚合的概率。

所述炉渣运动提高了矿石夹杂物和金属铜碰撞的概率，从而改善了其聚合和沉淀。所述排渣炉2的第二部分不经受强烈炉渣运动从而可使夹杂物平静沉淀。

由于液态炉渣的离子结构，所述直流电激励所述炉渣电解。阴极还原和阳极氧化根据以下反应式在电极上导致磁铁矿的还原、铜的精炼和二氧化碳的形成：

阴极：Fe³⁺+e＝Fe²⁺

Cu⁺+e＝Cu⁰

阳极：

O^2-+C＝[CO]+2e

磁铁矿的阴极分解和铜的沉积增加了磁铁矿还原和去除铜的总速度。CO的沉积作为阳极产物形成磁铁矿还原的其它聚集。

作为炉渣相对密度的明显变化的结果，作用在金属夹杂物上的辅助力等于金属中电流以及磁场的互感作用。

F_EMB＝2πjBr³

其中：F_EBF——浮力，单位N；

j——电流密度，单位A/m²；

B——磁场的磁导率，单位T；

r——夹杂物的半径，单位m。

电场和作用在夹杂物表面上的表面电负荷的交互作用能使金属液滴沿着电场线迁移；作为公知的电毛细管运动现象，迁移速度通过列维奇(Levich)方程式描述：

$v_{\mathrm{EM}}=\frac{\mathrm{\ϵEr}}{2{\mathrm{\η}}_s(1+\frac{r}{2\mathrm{\κw}})}$

其中：v_EM——迁移速度，单位ms^-1；

ε——表面负荷，单位库m^-2；

E——电场强度，单位Vm^-1；

η_s——夹杂物黏度，单位帕秒；

κ——炉渣的导电系数，单位Ω^-1m^-1；

w——金属/炉渣分界面的电阻，单位Ωm²。

基于电荷密度，金属的或炉渣的迁移速度根据上述方程式随着液滴半径减少。在夹杂物较小时，迁移速度明显大于由于重力的沉积。

在交叉的电场和磁场中的炉渣处理利用一系列能强化且有效地清渣的现象。炉渣的电磁搅动提高了材料的跃迁，从而加速了炉渣的还原并且促进了炉渣的聚合。在磁铁矿和铜氧化物的阴极还原和一氧化碳的阳极形成中，同时的炉渣电解起辅助还原剂的作用。夹杂物的电解毛细管迁移有利于夹杂物的聚集并且导致从炉渣中去除夹杂物。

实例：

在快速熔炼设备中由精矿的冶炼得到的炉渣含有4％的Cu和15％的Fe₃O₄。所有炉渣在3小时中排出并且通过排渣槽输出到9.5MVA三相交流电弧炉1中。所述炉渣产量为30t/h，也就是每一周期处理90t。焦炭消耗达到大约8kg/t并且能量消耗达到大约70kWh/t，对应于平均功率消耗为6.3MW。一小时后，开始将炉渣输出到电弧炉中，这一过程持续2小时。铜含量1.1％的和Fe₃O₄含量7％的所述炉渣通过排渣槽8传送到带有电离室的直流电弧炉2中，所述排渣槽8长四米、宽一米。图2中示出了用于半连续地清渣的还原排渣炉。所述炉渣连续两小时流过还原排渣炉2。在炉渣液面为一米时，平均停留时间大约为30分钟。在炉温损失为1GJ/h时，单位电流消耗大约为35kWh/t并且所需的功率消耗为1MW。在电压大约为100V时，电流强度的数量级为10kA。焦炭消耗量大约为2kg/t时，最终炉渣含有0.5％的铜和4％的磁铁矿。总的能量消耗达到105kWh/t并且焦炭消耗为10kg/t。

本发明方法根据该实施例也用于电弧炉中的两级的铜渣清除。

可以在第一电弧炉1中周期地或连续地装料。在第一炉1中，石墨电极或碳电极被***到熔融的炉渣中并且通过该电极实现供电。在炉渣表面上添加焦炭或其它还原剂。清渣炉中的炉渣温度通过功率消耗的调节进行控制。最后以冰铜和金属铜的形式排出金属。

在直流排渣炉2中炉渣也可以周期性地或者连续地出渣。在炉渣表面上的起阳极功能的石墨层和起阴极功能的液体冰铜之间激发出直流电。重叠的限定在局部的磁场用于使炉渣运动，该磁场通过电磁铁或永磁铁产生。在炉渣表面上装填焦炭，以保持焦炭层的层厚并且保持与石墨或碳电极的有利的电接触条件。在此也可以将清洁后的最终炉渣连续地或周期地排出。同样可以周期性地或连续地将冰铜或冰铜与金属铜一起排出。此外，冰铜(铜)层作为液态阴极保持在炉底上，其中阴极与石墨块接触。

铜炉渣可以是通过铜精矿熔融成冰铜或者直接变成粗铜产生的炉渣，以及通过冰铜的转变获得的炉渣。

可以使用传统的交流电弧炉或直流电弧炉作为电弧炉1。

通过永磁铁或电磁铁产生的磁场感应优选在50至1000高斯范围内，其中永磁场覆盖与焦炭层接触的一个或多个电极区域的部分液体炉渣横截面。

优选使用石墨或碳电极作为电极。电极的位置使电场线与磁场线交叉。电极的最佳定位是使电场线垂直于磁场线延伸。

如已阐述过的那样，炉渣下方的液态金属层或者金属矿层与具有阴极作用的石墨电极或其它电极接触；炉渣表面上的碳或焦炭层与具有阳极作用的石墨电极或其它电极接触。

直流电强度优选在500至50000A的范围内，与清渣设备的参数、炉渣量和温度有关。

尽管提出的方法优选用于提取铜，但是也可用于其它金属如铅(Pb)、锌(Zn)、铂(Pt)或镍(Ni)。

通过在两个电弧炉中的两级炉渣还原和铜的分离，可以使用第一三相交流电弧炉来预还原炉渣并且沉淀冰铜，然后在带有电磁搅动的直流还原排渣炉中进行深度还原并且去除夹杂物。利用电磁搅动与炉渣分解和动电现象一起实现有效清渣并且提高铜的提取率。

附图标记清单：

1   第一炉(交流电炉)

2   第二炉(直流电炉)

3   电磁铁

4   电极(阳极)

5   电极(阴极)

6   电连接件(石墨电极)

7   电连接件(石墨电极)

8   连接装置

9   电极

10  电极

11  交流电源

12  直流电源

13  电线圈

14  电线圈

15  炉渣

16  入渣口

17  出渣口

Claims (26)

1.一种用于从含有金属的炉渣中提取金属的方法，其中将液态的含有金属的炉渣在至少一个电弧炉(1、2)中加热，其特征在于：

将含有金属的炉渣在形式为交流电炉的第一炉(1)中加热并且将第一炉(1)的熔液投入形式为直流电炉的第二炉(2)中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

待提取的金属是处于含有铜的炉渣中的铜(Cu)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

待提取的金属是处于炉渣中的铅(Pb)、锌(Zn)、铂(Pt)或镍(Ni)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：

在形式为交流电炉的第一炉(1)中对炉渣进行预还原并且沉淀金属矿，并且在形式为直流电炉的第二炉(2)中将炉渣深度还原并且去除夹杂物。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述金属矿是冰铜。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：

在形式为直流电炉的第二炉(2)中将待提取的金属进行电解沉积。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：

在提取金属的过程中，在形式为直流电炉的第二炉(2)中对熔液进行电磁搅动。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

为了产生电磁搅动，至少一块电磁铁(3)作用在处于第二炉(2)中的熔液上。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

为了产生电磁搅动，至少一块永磁铁作用在处于第二炉(2)中的熔液上。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于：

至少一块磁铁产生范围在50至1000高斯之间的磁场并且所述磁场至少覆盖第二炉(2)中的熔液的部分横截面以及电极(4、5)的部分区域。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：

在加热过程中，在所述第一炉(1)中添加还原剂。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：

将焦炭用作还原剂。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：

在第二炉(2)中的炉渣表面上投入含碳材料，形成厚度基本恒定的含碳材料层，其中所述层起阳极(4)作用并且与电连接件(6)接触。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：

将焦炭用作含碳材料。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于：

在第二炉(2)中的熔液下面的底部保持一层厚度基本恒定的金属矿层，其中，所述层起到阴极(5)的作用并且与电连接件(7)接触。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：

所述金属矿层是冰铜层。

17.用于从含有金属的炉渣中提取该金属、用于实施根据权利要求1至16中任一项所述的方法的装置，其特征在于：

包括形式为交流电炉的第一炉(1)和形式为直流电炉的第二炉(2)，其中在第一炉(1)和第二炉(2)之间设有用于熔液的连接装置(8)。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于：

所述第一炉(1)具有两个电极(9、10)，所述电极(9、10)浸入处于第一炉(1)中的熔液中并且连接在交流电源(11)上。

19.根据权利要求17或18所述的装置，其特征在于：

所述第二炉(2)具有两个板状电极(4、5)，该电极(4、5)水平延伸地设置在处于第二炉(2)中的熔液的上部和下部中并且与直流电源(12)相连。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：

处于上部的电极(4)为焦炭床层，其与电连接件(6)相连。

21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于：所述电连接件(6)是石墨电极。

22.根据权利要求19所述的装置，其特征在于：

处于下部的电极(5)为金属矿层，其与电连接件(7)相连。

23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于：处于下部的电极(5)是冰铜矿层，而所述电连接件(7)是石墨电极。

24.根据权利要求17所述的装置，其特征在于：

所述第二炉(2)为排渣炉。

25.根据权利要求17所述的装置，其特征在于：

在所述第二炉(2)的侧部设置磁铁，该磁铁的磁场线与导电元件(4、5)中的至少几个导电元件的电流方向至少部分成直角。

26.根据权利要求25所述的装置，其特征在于：所述磁铁为电磁铁(3)。

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