奧斯麥特爐渣等離子體貧化試驗研究

關鍵詞：銅渣；等離子體；貧化；正交試驗；主次因素 中圖分類號：TF811 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）05-0012-06 DOI： 10.3969/j.issn.1008-9500.2025.05.003

Abstract： Aiming atthe shortcomings of existingcopper slag depletion technology，plasma copper slagdepletiontechnology is proposed to studythe copper smelting slag of a certain enterprise's Ausmelt furnace，through orthogonal experiments， theinfluenceandsignificanceofdifferentfactorsondepletionefectareinvestigated，andtheeconomic benefitsof plasma depletion technology are verified.The orthogonal experiment of plasma depletion with copper slag and carbon reducing agent shows thatthe primaryand secondary factors afecting the reaction are ranked as follows： carbon reducing agent addition amount gt; gas flow rate gt; reaction time.Adding a small amount of reducing agent，relying on the chemical activity of low-temperature plasma gas，can enhance the reduction processand reduce thecoppercontent in the slag to around 0.30% . The plasma depletion technology has a short reaction time （about 10min ）and has a significant cost advantage after optimizing the electrode treatment.

Keywords： copper slag; plasma; depletion; orthogonal experiment; primary and secondary factors

銅渣是一種二次資源，相較于原礦開發(fā)，對銅渣進行回收利用不僅可以減去采礦費用的投人，還可以緩解高負荷開采對環(huán)境造成的壓力。因此，銅渣綜合利用研究對企業(yè)生產(chǎn)成本控制和環(huán)境保護都具有重大意義。目前，銅渣主要工業(yè)貧化方法有渣緩冷選礦法和電爐貧化法。其中，渣緩冷選礦法在銅渣處理的工業(yè)應用中占主導地位， 95% 以上的銅冶煉企業(yè)采用渣緩冷選礦法處理銅渣[1-3]。通過對緩冷技術的改良和冶煉裝備的升級，渣緩冷選礦法能將渣含銅量降至0.25% 左右。少數(shù)企業(yè)采用電爐貧化法處理銅渣，貧化后的銅渣含銅量降至 0.45% 左右，造成銅金屬的損失，通常無法達到棄渣要求[4-6]

隨著等離子氣體研究的持續(xù)深入，冶金研究人員聚焦于如何利用低溫等離子氣體的化學活性，更有效地強化氧化物的還原[7-8]。早期學者系統(tǒng)地考察放電電壓、電流強度以及輸入功率等關鍵電學參數(shù)對金屬氧化物還原效率的影響[9-10]。然而，這些研究更多地聚焦于外部操作條件的變化，而等離子體本身特性對還原過程的直接影響則探討較少。由于等離子氣體的性質極為復雜，目前研究中無論是從理論層面還是試驗角度，都尚未能就等離子氣體自身特性對金屬氧化物還原過程的確切影響得出明確結論[11-12]。本文考察不同因素對貧化效果的影響及顯著性，并驗證少量還原劑對貧化效果的影響與等離子體貧化技術的經(jīng)濟效益，為等離子體銅渣貧化爐工業(yè)應用提供理論依據(jù)。

1試驗部分

1.1 試驗設備

主要試驗設備為礦冶科技集團有限公司自主研發(fā)的等離子體銅渣貧化爐，如圖1所示[13-14]。整個試驗裝置包括爐體、電源系統(tǒng)、等離子體發(fā)生系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和氣路系統(tǒng)。該爐可處理銅渣 100kg/ 爐，采用可升降石墨電極，電極直徑為 50mm ，電極內側開有小孔，通入產(chǎn)生等離子體的工作氣體。爐頂設計有石墨電極孔2個、進料孔和煙道孔1個、觀察取樣孔1個。爐側底部為排料孔，該排料孔會用耐火泥進行封堵，以確保爐內的密封性和溫度穩(wěn)定。排料時，只需用氧槍燒開排料孔，即可快速完成銅渣的排出。

圖1等離子體銅渣貧化爐

1.爐體；2.取樣孔；3.電極孔；4.電極升降裝置；5.石墨電極；6.進料口／煙道；7.排渣口

1.2 試驗原料

試驗原料為某企業(yè)經(jīng)奧斯麥特爐貧化后從溜槽排出的電爐渣，銅渣經(jīng)破碎、研磨后取樣，進行全元素檢測分析，檢測結果如表1所示。數(shù)據(jù)顯示，銅渣中Cu品位為 0.65% ，高于一些正在開采利用的原生銅礦，且其他有價金屬含量較高，二次回收利用潛力極大。

表1銅渣多元素分析結果

1.3 試驗流程

試驗爐放置于奧斯麥特爐后的貧化電爐銅排渣溜槽下方。試驗爐頂部有金屬煙道引至溜槽處，并設置環(huán)保吸風口，確?，F(xiàn)場工作環(huán)境良好。通過人工將熔融態(tài)的銅渣加入試驗爐；以等離子體放電或者電弧放電形式在爐內加熱保溫銅渣；通入工作氣體，調節(jié)電源電壓，對銅渣進行等離子體貧化試驗；反應結束后，保溫靜置 1～2h ；對上層爐渣進行取樣分析；煙氣送至煙氣處理系統(tǒng)，銅渣在取樣完成后從排渣口排出。

2結果與討論

2.1 正交試驗

正交試驗方法是通過挑選具有代表性的試驗點，以部分試驗的方式高效替代原本龐大且復雜的全面試驗，通過對試驗點的結果分析，能夠全面地掌握原本全面試驗所呈現(xiàn)的各種情況與趨勢，并為工藝的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。經(jīng)過前期試驗探索，等離子體銅渣貧化過程中，最優(yōu)氣體流量為 40～60L/min ，最優(yōu)反應時間為 10～30min ，最優(yōu)碳還原劑添加量為2%～6% 。根據(jù)前期試驗情況，制定3因素3水平正交試驗。試驗采用的氣體種類為 N₂ ，考察試驗過程中等離子體氣體流量、反應時間和碳還原劑添加量對銅渣貧化結果的影響。正交試驗考察的因子水平如表2所示。

表2正交試驗因子水平表

通過3因素、3水平的正交試驗，考察試驗過程中等離子體氣體流量、反應時間和碳還原劑添加量對銅渣貧化的影響。根據(jù)正交試驗方案，得出數(shù)據(jù)計算分析結果，如表3所示，每個因素各個水平下的指標總和與極差如表4所示。

注： K₁ 、 K₂ 銀 K₃ 分別為每個因素各個水平下的指標總和。

2.1.1 極差分析

因子A、因子B、因子C的極差分別為 0.064， 0.030 ，0.167。根據(jù)正交試驗結果，添加碳還原劑，對銅渣進行等離子體貧化。由極差分析可知，影響銅渣等離子體貧化過程的各因子主次順序為 Cgt;Agt;B ，即碳還原劑添加量 gt; 氣體流量 gt; 等離子體反應時間。碳還原劑添加量對銅渣等離子體貧化的影響最大，氣體流量次之，等離子體反應時間對氫氣還原銅渣的影響較小，但都對銅渣等離子體貧化過程有一定影響。

2.1.2 方差分析

首先，計算因子偏差平方和。結果顯示，因子A、因子B、因子C的偏差平方和分別為 0.0061，0.0014 /0.043 5 。然后，計算誤差偏差平方和。經(jīng)計算，誤差偏差平方和為0.0013。經(jīng)顯著性檢驗，因子A、因子B、因子C的 F 檢驗值分別為4.69、1.08、33.46， F 檢驗臨界值均為 9.00 。試驗顯著性方差分析如表5所示。顯著性檢驗結果表明，因子C（碳還原劑添加量）對銅渣等離子體貧化的影響最顯著，因子A（氣體流量）對貧化的影響次之，因子B（等離子體反應時間）對銅渣等離子體貧化的影響較弱。

表5試驗方差分析

首先計算因子A、因子B、因子C在各水平下的綜合值，然后分別計算3個因子的極差。結果顯示，分析得知，原渣中的冰銅粒子顆粒較細，熔渣黏度大，渣中磁性鐵含量高（ 14.43% ），不利于夾雜在渣中銅的沉降。試驗加入碳還原劑，可以降低渣中的磁性鐵含量[15]，從而改變熔渣黏度，加速冰銅液滴沉降，化學反應如式（1）至式（4）所示。還原劑可使渣中的氧化態(tài)銅還原，如式（5）所示，還有利于易揮發(fā)元素的揮發(fā)，如式（6）所示。但還原劑加入量要有限制，過量會使熔渣中的FeO還原，產(chǎn)生的金屬鐵向爐底沉積，使冰銅的熔點增高，從而造成冰銅排放困難。FeO的還原還能改變渣型，當 SiO₂ 過飽和時， SiO₂ 從熔渣中析出，易使熔渣的黏度上升。因此，試驗過程也要控制還原劑的加入量。

C+Fe₃O₄=3FeO+CO

Cu₂O?SiO₂+C=2Cu+SiO₂+CO

等離子氣體流量的增加（ 40～60L/min ）對爐內熔融態(tài)渣有較好的鼓動和攪拌效果，能夠加快反應和冰銅沉降。試驗發(fā)現(xiàn)，氣體流量不宜過大，過大的流量會造成爐內熔渣的四處飛濺，不利于反應的進行和冰銅的沉降。等離子反應時間在 10～30min 都有明顯的作用，隨著反應時間的延長，爐內熔體降溫較快，不利于靜置分離。

2.2碎煤焦炭對比試驗

為降低成本，用便宜的碎煤代替焦炭進行銅渣加碳等離子體貧化試驗。碎煤價格為 200～300 元/t，焦炭價格為2000元/t。由銅渣加碳等離子體貧化正交試驗可知，碳還原劑添加量對銅渣加碳等離子體貧化的影響最顯著，氣體流量對貧化的影響次之，等離子體反應時間對銅渣加碳等離子體貧化的影響最弱。氣體流量和反應時間對試驗結果影響不顯著。對比試驗以 N₂ 為工作氣體，流量為 40L/min ，反應時間為10min 。試驗結果對比如圖2所示。

圖2碎煤與焦炭試驗結果對比

可用碎煤代替焦炭作為還原劑，將其添加于等離子體銅渣貧化反應中。在反應中，碎煤比焦炭消耗速度更快，兩者試驗現(xiàn)象基本一樣。與焦炭相比，由于碎煤粒度小、硬度低、熱穩(wěn)定性差，在加入爐內后，在等離子氣體的充分攪拌和混合下，能夠充分與爐渣混合并進行劇烈的還原反應，對渣中冰銅的沉降能起到促進作用。由于等離子體反應時間較短，反應過程在短暫的幾分鐘內完成，因此加入碎煤和焦炭的試驗結果中，渣含銅量都比較接近。

2.3空白對照試驗

在前期試驗過程中，以 N₂ 為工作氣體，氣體流量為 40L/min ，反應時間為 10min ，加入 6kg 添加劑（碎煤或黃鐵礦）反應后，渣含銅量降至 0.30% 左右。在不產(chǎn)生等離子體的情況下，以相同的試驗操作進行空白對照試驗，考察相同條件下僅有添加劑作用時渣含銅量的變化。試驗結果對比如圖3所示。

圖3加還原劑等離子體反應的空白對照試驗

對于加入添加劑的銅渣等離子體貧化試驗，可以更好地貧化銅渣。添加少量還原劑并憑借低溫等離子氣體的化學活性來強化氧化物的還原過程，可以降低渣含銅量。碎煤試驗采用的是小顆粒裝的碎煤，加入爐內后，在等離子氣體的充分攪拌和混合下，它能夠充分與爐渣混合并進行劇烈的還原反應，對渣中冰銅的沉降能起到促進作用。而加入的黃鐵礦顆粒較細，大多為粉料狀態(tài)，在加入爐內后，部分粉料堆積在一起，與爐渣沒有進行很好的混合，因此反應劇烈程度較碎煤差一些，但也能起到一定的還原作用，達到促使渣中冰銅沉降分離的目的。

2.4平行試驗

進行10組試驗，試驗操作條件完全相同。試驗采用 N₂ 作為工作氣體，流量為 40L/min ，反應時間為 10min ，碎煤添加量為 4～6kg， 。加料前在爐底加入 1.5～2.0kg 碎煤，加入 100kg 熱態(tài)電爐渣，加熱5min ，再加入 2.5～4.0kg 碎煤。加熱 10～20min 后，開始等離子體反應，反應后靜置 60min 取樣；取樣后，開始等離子體反應，反應后靜置 60min 取樣。試驗結果如圖4所示。數(shù)據(jù)顯示，每次取樣時電爐渣含銅量不穩(wěn)定，通過等離子體貧化后，貧化渣的銅含量也不穩(wěn)定，但基本可以穩(wěn)定在 0.3% 左右。加入碎煤的等離子體貧化過程能夠調節(jié)渣中磁性鐵含量，改善冰銅和渣的分離能力，加速冰銅的沉降分離，從而降低貧化渣銅含量。

圖4平行試驗結果對比

2.5 成本分析

對銅熔煉渣等離子體貧化回收銅的處理成本進行簡單估算。等離子體貧化噸渣處理生產(chǎn)成本簡單估算結果如表6所示。一是材料消耗，包括碎煤和電極。加添加劑（渣含銅量降至 0.25% ）時，材料消耗為17.00元t渣，不加添加劑（渣含銅量降至 0.35% ）時，材料消耗為5.00元 Ω/t 渣。其中，碎煤單價為0.30元 /kg ，加添加劑時，單耗為 40kg/t 渣，金額為12.00元/t渣；電極單價為100元 /kg ，無論是否加添加劑，單耗均為 0.05kg/t 渣，金額均為5.00元/t渣。二是燃料及動力成本，包括電、水。無論是否加添加劑，燃料及動力成本均為30.74元/t渣。其中，電單價為0.28元/（ ），無論是否加添加劑，單耗均為100kW?h/t 渣，金額均為28.00元 Ω/t 渣。水單價為2.74元/t，無論是否加添加劑，單耗均為 1kg/t 渣，金額均為2.74元 / 渣。三是化驗及其他成本。無論是否加添加劑，化驗及其他成本均為0.40元/t渣。四是工資及附加。無論是否加添加劑，工資及附加均為0.80元/t渣。五是制造費用，包括折舊費用、修理費和其他。不管是否加添加劑，制造費用均為6.00元/t渣，其中，折舊費用、修理費和其他分別為3.30、1.50、1.20元/t渣。

表6等離子體貧化噸渣處理生產(chǎn)成本估算

單位：元/t渣

以上成本分析中，部分價格由合作方提供，計算過程未考慮銅渣融化、加熱、保溫等過程的電極消耗。由于試驗爐型較小，散熱較快，因此分析的成本略高于實際生產(chǎn)爐型。結合實際生產(chǎn)工況和耗能情況，對電極進行優(yōu)化處理，降低電極消耗，將具有較大的成本優(yōu)勢。

3結論

銅渣加碳還原劑的等離子體貧化正交試驗顯示，影響反應的主次因素排序為碳還原劑添加量 gt; 氣體流量 gt; 反應時間。添加少量還原劑，憑借低溫等離子氣體的化學活性，可以強化還原過程，將渣含銅量降至 0.30% 左右。等離子體貧化技術反應時間短（約 10min ），在對電極優(yōu)化處理后具有較大的成本優(yōu)勢。

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