CN108251654B - 一种用于精炼废金属碎料的电渣重熔装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于精炼废金属碎料的电渣重熔装置及方法，所述装置至少包括水冷结晶器、电极、底水箱、电源控制柜、电缆，水冷结晶器放置于底水箱上，所述水冷结晶器的顶部设置有用于添加废金属碎料的振动加料器，所述电极为水冷电极，水冷电极安装于升降横臂上，所述升降横臂的一端与立柱相连接，并能够沿立柱升降；所述水冷电极对中插入水冷结晶器中；所述升降横臂和底水箱分别通过电缆与电源控制柜连接。该装置结构简单、使用方便，能够有效的针对废金属碎料进行精炼，同时不会带来耐火材料的污染、不会导致含碳量增加。
Description
技术领域
本发明属于金属精炼和电渣重熔技术领域，具体是一种用于精炼废金属碎料的电渣重熔装置及方法。
背景技术
目前，电解法已广泛应用于大规模工业化生产高纯金属，如金属锰、镍、铜等。在生产过程中，金属矿石经过粉碎、浸取、净化之后进行电解，待电解结束，取出附有电沉积金属的阴极板，经钝化、水洗、烘干，将合格的高纯金属剥离后，阴极板上还会残留硫、磷等杂质含量超标的电解金属，称之为电解金属碎料。为了降低电解金属碎料中的杂质含量，现行的做法是采用感应炉对电解金属碎料进行重熔精炼，但是在感应炉中，炉渣温度相比金属液温度要低，导致炉渣流动性和反应能力较差，精炼效果不佳。另外，电解金属碎料中杂质形成的液态渣对感应炉的炉衬有较强的腐蚀作用，不得不经常更换炉衬材料，作业效率低，生产成本也随之上升。除了杂质含量高的不合格的电解金属外，一些高价的回收废金属碎料如钛、稀土合金等的再生，也需要合适的精炼提纯手段。
电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法，在铜制水冷结晶器内盛有熔融的炉渣，自耗电极一端插入熔渣内。自耗电极、渣池、金属熔池、钢锭、底水箱通过短网导线和变压器形成回路。在通电过程中，渣池放出焦耳热，将自耗电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用,迅速凝固形成钢锭。在电极端头液滴形成阶段,以及液滴穿过渣池滴落阶段，钢-渣充分接触，钢中非金属夹杂物为炉渣所吸收。钢中有害元素(硫、铅、锑、铋、锡)通过钢-渣反应和高温气化比较有效地去除。然而，目前本领域中尚无将电渣重熔技术用于电解金属碎料处理中的报道，这是由于对于废金属碎料的电渣重熔，如果把废金属碎料制成自耗电极再重熔精炼，则多耗费一次熔化的能量，而使用石墨电极又会造成精炼金属中碳含量增加，从而降低产品价值。
发明内容
本发明提供了一种用于精炼废金属碎料的电渣重熔装置及方法，解决了现有技术中所存在的问题，该装置结构简单、使用方便，能够有效的针对废金属碎料进行精炼，同时不会带来耐火材料的污染、不会导致含碳量增加。
实现本发明上述目的所采用的技术方案为：
一种用于精炼废金属碎料的电渣重熔装置，至少包括水冷结晶器、电极、底水箱、电源控制柜、电缆，水冷结晶器放置于底水箱上，所述水冷结晶器的顶部设置有用于添加废金属碎料的振动加料器，所述电极为水冷电极，水冷电极安装于升降横臂上，所述升降横臂的一端与立柱相连接，并能够沿立柱升降；所述水冷电极对中插入水冷结晶器中；所述升降横臂和底水箱分别通过电缆与电源控制柜连接。
所述水冷电极为紫铜材质的管中管结构，包括内管和外管，内管和外管的底端相连通，水冷电极顶部设置有与内管连通的冷却水进水管道和与外管连通的冷却水出水管道。
所述水冷电极的外径与结晶器的内径之比为0.5～0.7：1。
所述水冷电极外管的壁厚不小于20mm，水冷电极内管的壁厚不小于3mm。
所述水冷电极中外管水道横截面积与内管水道横截面积相同。
本发明还提供了利用上述电渣重熔装置对废金属碎料进行电渣重熔的方法，包括以下步骤：
(1)根据废金属碎料的种类确定炉渣成分及渣厚，并使用化渣炉熔化炉渣；
(2)将水冷电极与冷却水管连接好，接通冷却水；
(3)待炉渣温度升至1600℃，制得液态预熔渣，将液态预熔渣倒入水冷结晶器内；
(4)用起重机将水冷电极吊起，将水冷电极上端与升降横臂相连，然后对中插入水冷结晶器内的液态预熔渣中；
(5)接通电源，电流通过电缆进入升降横臂，然后经过水冷电极流入液态预熔渣，最后从底水箱流出，经由电缆回到电源控制柜，形成完整的电流回路；
(6)启动振动加料器，将废金属碎料添加至水冷结晶器中，废金属碎料的加料速度控制在70kg/h～110kg/h；
(7)根据废金属碎料种类确定相应的脱氧剂，待振动加料器启动后，每隔30分钟从水冷结晶器顶部开口加入脱氧剂，直到重熔过程结束；
(8)待废金属碎料添加完毕，关闭振动加料机，继续维持电流恒定20分钟～40分钟直至重熔过程结束，然后关闭电源，抬高升降横臂，拔出水冷电极；
(9)待炉渣和重熔金属锭完全冷却，用起重机进行起吊和脱模工作。
所述炉渣主要成分为CaF2、Al2O3、CaO、MgO和SiO2中的三种以上，按重量百分比计，CaF2占40％～58％，Al2O3占30％～45％，CaO占10％～20％，MgO占1％～10％，SiO2占1％～10％。
所述液态预熔渣的渣厚为200mm～400mm。
所述水冷电极在液态预熔渣中的插入深度为10mm～30mm。
所述电渣重熔装置使用单相交流电，电源频率为50Hz，水冷结晶器内径范围为300mm～1000mm，根据水冷结晶器内径决定加热电流大小，当水冷结晶器内径小于400mm时，电流为8000A；当水冷结晶器内径为401mm～600mm时，电流为10000A；当水冷结晶器内径为601mm～800mm时，电流为13000A；当水冷结晶器内径为801mm～1000mm时，电流为15000A。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)精炼效果好。由于电渣重熔过程中熔渣温度高，一般可达1700℃～1800℃，此外，渣金接触面积大，一般可达2600mm2/g～3500mm2/g，因而对废金属碎料的脱硫、脱氧以及去除挥发性杂质等具有良好的精炼效果。
(2)无耐火材料污染。和感应炉相比，电渣炉使用的是水冷铜制结晶器，因此，不存在熔渣和金属液对耐火材料侵蚀的问题，也不会面临因耐火材料剥落而对金属液造成污染的风险。
(3)精炼金属无碳增。在传统电渣重熔过程中，是使用自耗电极或石墨电极进行加热。对于废金属碎料的电渣重熔，如果把废金属碎料制成自耗电极再重熔精炼，则多耗费一次熔化的能量，而使用石墨电极又会造成精炼金属中碳含量增加，从而降低产品价值。本发明采用了水冷铜制非自耗电极，既适用于废金属碎料的重熔过程，又避免了精炼金属中碳含量的增加。
附图说明
图1为本发明提供的用于精炼废金属碎料的电渣重熔装置的结构示意图；
图2为水冷电极的纵向截面图；
图3为水冷电极的横向截面图；
图中：1-水冷电极，2-振动加料机，3-水冷结晶器，4-液态预熔渣，5-冷却水出水管道，6-底水箱，7-电缆，8-电源控制柜，9-冷却水进水管道，10-立柱，11-升降横臂，12-内管，13-外管。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做详细的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
实施例1
本实施例中所提供的一种用于精炼废金属碎料的电渣重熔装置如图1所示，包括水冷结晶器3、电极、底水箱6、电源控制柜8、电缆7、立柱10以及升降横臂11，水冷结晶器3放置于底水箱6上，所述水冷结晶器3的顶部设置有用于添加废金属碎料的振动加料器2，所述电极为水冷电极1，水冷电极1安装于升降横臂11上，所述升降横臂的一端与立柱相连接，并能够沿立柱升降；所述水冷电极对中插入水冷结晶器中；所述升降横臂11和底水箱6分别通过电缆7与电源控制柜8连接。
所述水冷电极1为紫铜材质的管中管结构，其结构如图2和图3所示，包括内管12和外管13，内管12和外管13的底端相连通，水冷电极顶部设置有与内管12连通的冷却水进水管道9和与外管连通的冷却水出水管道5。所述水冷电极中外管水道横截面积与内管水道横截面积相同。
本实施例提供的用于精炼废金属碎料的电渣重熔方法按以下步骤进行：
步骤1：本实施例中，针对电解金属锰碎料进行电渣重熔，采用CaF2-Al2O3-CaO三元渣系，其配比为CaF2占50％、Al2O3占40％、CaO占10％(重量比)，渣厚为300mm，然后使用化渣炉将固态渣料加热熔化；
步骤2：将水冷电极与冷却水管连接好，接通冷却水，本实施例中，水冷电极外径为180mm，水冷电极外管壁厚为20mm，内管壁厚为3mm；
步骤3：待熔渣温度升至1500℃，将液态预熔渣倒入结晶器内，本实施例中，结晶器内径为300mm，水冷电极的外径与结晶器的内径之比为0.6：1
步骤4：用桥式起重机将水冷电极吊起，将水冷电极上端与升降横臂相连，然后对中插入水冷结晶器内的液态预熔渣4中，插入深度为15mm；
步骤5：接通电源，调整电流大小为8000A，电流通过电缆进入升降横臂，然后经过水冷电极流入液态预熔渣，最后从底水箱流出，经由电缆回到变压器，形成完整的电流回路；
步骤6：启动振动加料机，电解金属锰碎料的加料速度控制在85kg/h，总共加入500kg电解金属锰碎料；
步骤7：本实施例中，采用铝粒作为脱氧剂，在振动加料机启动后，每隔30分钟从结晶器上口加入100g铝粒，直到重熔过程结束；
步骤8：待电解金属锰碎料添加完毕，关闭振动加料机，继续维持电流恒定20分钟，之后关闭电源，抬高升降横臂，拔出水冷电极；
步骤9：待渣和重熔金属锰锭完全冷却，用桥式起重机进行起吊和脱模工作。
从重熔金属锰锭上中下三个部位分别取样，然后使用碳硫分析仪测定三组样品以及电解金属锰碎料中的碳含量和硫含量。结果表明，电解金属锰碎料中碳含量为0.0143％，硫含量为0.135％；重熔金属锰锭上中下三个部位的碳含量分别为0.0120％、0.0137％、0.0148％，硫含量分别为0.0461％、0.0474％、0.0484％。金属锰料的脱硫率约为65％，且没有出现增碳现象。为了对比本实施例的一种用于精炼电解金属锰碎料的电渣重熔装置及方法，采用感应炉对电解金属锰碎料进行重熔精炼，其中渣系、渣量、重熔电流、电解金属锰碎料加入速率和总量都与本实施例一样，最后对重熔金属锰锭上中下三个部位分别取样，然后使用碳硫分析仪测定三组样品中的碳含量和硫含量。结果发现重熔金属锰锭上中下三个部位的碳含量分别为0.0201％、0.0210％、0.0203％，硫含量分别为0.0792％、0.0804％、0.0831％。金属锰料的脱硫率约为40％，碳含量升高了约43％。
本实施例所述一种用于精炼电解金属锰碎料的电渣重熔装置结构简单，能够有效地降低金属锰中的硫含量，同时不增加碳含量。
实施例2
本实施例中，针对高价回收的金属镍碎料进行电渣重熔，采用CaF2-Al2O3-CaO-MgO四元渣系，配比为CaF2占55％、Al2O3占30％、CaO占10％、MgO占5％(重量比)，渣厚为350mm。
步骤1：将水冷电极与冷却水管连接好，接通冷却水，本实施例中，水冷电极外径为210mm，水冷电极外管壁厚为25mm，内管壁厚为4mm；
步骤2：待熔渣温度升至1600℃，将液态预熔渣倒入结晶器内，本实施例中，结晶器内径为500mm；
步骤3：用桥式起重机将水冷电极吊起，将水冷电极上端与升降横臂相连，然后对中插入结晶器内的液态预熔渣中，插入深度为20mm；
步骤4：接通电源，调整电流大小为10000A，电流通过电缆进入升降横臂，然后经过水冷电极流入液态预熔渣，最后从底水箱流出，经由电缆回到变压器，形成完整的电流回路；
步骤5：启动振动加料机，金属镍碎料的加料速度控制在100kg/h，总共加入600kg金属镍碎料；
步骤6：本实施例中，采用硅粒作为脱氧剂，振动加料机启动后，每隔30分钟从结晶器上口加入100g硅粒，直到重熔过程结束；
步骤7：待金属镍碎料添加完毕，关闭振动加料机，继续维持电流恒定30分钟，之后关闭电源，抬高升降横臂，拔出水冷电极；
步骤8：待渣和重熔金属镍锭完全冷却，用桥式起重机进行起吊和脱模工作。
从重熔金属镍锭上中下三个部位分别取样，然后使用碳硫分析仪测定三组样品以及回收的金属镍碎料中的碳含量和硫含量。结果表明，回收的金属镍碎料中碳含量为0.0327％，硫含量为0.211％；重熔金属镍锭上中下三个部位的碳含量分别为0.0271％、0.0294％、0.0333％，硫含量分别为0.0392％、0.0416％、0.0433％。金属镍料的脱硫率约为80％，且没有出现增碳现象。为了对比本实施例的一种用于精炼回收金属镍碎料的电渣重熔装置及方法，采用感应炉对回收金属镍碎料进行重熔精炼，其中渣系、渣量、重熔电流、回收金属镍碎料加入速率和总量都与本实施例一样，最后对重熔金属镍锭上中下三个部位分别取样，然后使用碳硫分析仪测定三组样品中的碳含量和硫含量。结果发现重熔金属镍锭上中下三个部位的碳含量分别为0.0411％、0.0426％、0.0433％，硫含量分别为0.1167％、0.1034％、0.1215％。回收金属镍碎料的脱硫率约为46％，碳含量升高了约29％。
本实施例所述一种用于精炼回收金属镍碎料的电渣重熔装置结构简单，能够有效地降低金属镍碎料中的硫含量，同时不增加碳含量。
Claims (8)
1.一种用于精炼废金属碎料的电渣重熔装置，至少包括水冷结晶器、电极、底水箱、电源控制柜、电缆，水冷结晶器放置于底水箱上，其特征在于：所述水冷结晶器的顶部设置有用于添加废金属碎料的振动加料器，所述电极为水冷电极，水冷电极安装于升降横臂上，所述升降横臂的一端与立柱相连接，并能够沿立柱升降；所述水冷电极对中插入水冷结晶器中；所述升降横臂和底水箱分别通过电缆与电源控制柜连接；所述水冷电极为紫铜材质的管中管结构，包括内管和外管，内管和外管的底端相连通，水冷电极顶部设置有与内管连通的冷却水进水管道和与外管连通的冷却水出水管道；所述水冷电极外管的壁厚不小于20mm，水冷电极内管的壁厚不小于3mm。
2.根据权利要求1所述的用于精炼废金属碎料的电渣重熔装置，其特征在于：所述水冷电极的外径与水冷结晶器的内径之比为0.5～0.7：1。
3.根据权利要求1所述的用于精炼废金属碎料的电渣重熔装置，其特征在于：所述水冷电极中外管水道横截面积与内管水道横截面积相同。
4.利用权利要求1所述用于精炼废金属碎料的电渣重熔装置对废金属碎料进行电渣重熔的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据废金属碎料的种类确定炉渣成分及渣厚，并使用化渣炉熔化炉渣；
(2)将水冷电极与冷却水管连接好，接通冷却水；
(3)待炉渣温度升至1600℃，制得液态预熔渣，将液态预熔渣倒入水冷结晶器内；
(4)用起重机将水冷电极吊起，将水冷电极上端与升降横臂相连，然后对中插入水冷结晶器内的液态预熔渣中；
(5)接通电源，电流通过电缆进入升降横臂，然后经过水冷电极流入液态预熔渣，最后从底水箱流出，经由电缆回到电源控制柜，形成完整的电流回路；
(6)启动振动加料器，将废金属碎料添加至水冷结晶器中，废金属碎料的加料速度控制在70kg/h～110kg/h；
(7)根据废金属碎料种类确定相应的脱氧剂，待振动加料器启动后，每隔30分钟从水冷结晶器顶部开口加入脱氧剂，直到重熔过程结束；
(8)待废金属碎料添加完毕，关闭振动加料机，继续维持电流恒定20分钟～40分钟直至重熔过程结束，然后关闭电源，抬高升降横臂，拔出水冷电极；
(9)待炉渣和重熔金属锭完全冷却，用起重机进行起吊和脱模工作。
5.根据权利要求4所述的对废金属碎料进行电渣重熔的方法，其特征在于：所述炉渣主要成分为CaF2、Al2O3、CaO、MgO和SiO2中的三种以上，按重量百分比计，CaF2占40％～58％，Al2O3占30％～45％，CaO占10％～20％，MgO占1％～10％，SiO2占1％～10％。
6.根据权利要求4所述的对废金属碎料进行电渣重熔的方法，其特征在于：所述液态预熔渣的渣厚为200mm～400mm。
7.根据权利要求4所述的对废金属碎料进行电渣重熔的方法，其特征在于：所述水冷电极在液态预熔渣中的插入深度为10mm～30mm。
8.根据权利要求4所述的对废金属碎料进行电渣重熔的方法，其特征在于：所述电渣重熔装置使用单相交流电，电源频率为50Hz，水冷结晶器内径范围为300mm～1000mm，根据水冷结晶器内径决定加热电流大小，当水冷结晶器内径小于400mm时，电流为8000A；当水冷结晶器内径为401mm～600mm时，电流为10000A；当水冷结晶器内径为601mm～800mm时，电流为13000A；当水冷结晶器内径为801mm～1000mm时，电流为15000A。
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