本发明涉及一种粗硒渣湿料真空熔炼设备，属冶金技术工程技术领域。
背景技术：
硒是一种重要的半导体材料，熔点为221℃，沸点为685℃。硒在地壳中的丰度仅为0.05～0.09mg/kg，自然界中尚未发现有经济价值的单独硒矿床，硒通常伴生在铜、铅、镍等金属硫化矿中。硒的主要来源是重金属硫化矿冶炼时产生的副产品，而铜电解阳极泥和铜硫化矿的冶炼烟尘产硒量约占硒总产量的90％，其余的来自于铅、钴、镍精炼产出的焙砂以及硫酸生产的酸泥和生产制浆的洗涤泥中回收得到。
铜电解阳极泥中提取硒的方法主要分为火法脱硒工艺及湿法脱硒工艺。常用的火法脱硒工艺有氧化焙烧法、苏打烧结法、硫酸化焙烧法、氯化法等。火法工艺的特点是通过氧化剂将硒元素氧化成易挥发的物质或者易溶于水的物质，然后控制条件使硒从物料中分离出来，其他元素继续留在物料中，达到分离硒的目的。
目前常用的火法提取硒的方法是间断真空蒸馏的方法，所用设备为卧式蒸馏炉，工艺为：粗硒渣湿料—烘干—真空蒸馏—产品。将阳极泥得到的副产品通过挤压的方法获得含水在30％左右的粗硒渣湿料，得到的湿料先经过烘干得到密度为1.2g/cm3左右的干粉料，再用卧式真空炉蒸馏得到含碲的粗硒产品，之后再进一步除碲从而得到精硒，而金、银、铜、铅等富集到残留物中。此方法存在的弊端在于烘干段耗时长、耗能大、作业环境差，干燥后得到的原料密度小且呈粉状。当使用卧式真空炉蒸馏时，粉状原料在抽真空和加热过程中容易产生喷粉现象，喷溅出来的粉状物料会堵塞真空管路、污染冷凝室造成产品质量低，拆炉时造成作业环境差。干燥后的粗硒渣密度只有1.2g/cm3左右，粉状原料的性质决定了单台设备每次的处理量较少，使蒸馏段整体耗能大大增加。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种粗硒渣湿料真空熔炼设备。粗硒渣湿料在本发明设备中真空干燥、熔化、熔炼、真空脱气，以解决现有粗硒渣湿料单台设备产量低，作业环境差等问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明粗硒渣湿料真空熔炼包括加热及温控装置、加料装置、熔炼装置、搅拌装置、出料装置、冷凝装置、真空系统。熔炼装置外部设有加热及温控装置，熔炼装置上端设有加料装置和搅拌装置，熔炼装置下端设有出料装置，熔炼装置和冷凝装置通过导气管连接。各装置间密封连接保证整个设备具有密封承压性。
所述加料装置设于炉盖上，加料装置(4)包括加料斗及内设的加料机构，通过内设加料机构实现在真空环境下定时定量连续加料，在真空熔炼过程可向熔炼坩锅(2)中不断加料；所述加料机构为翻转结构的机构、螺杆结构的机构以及具有定量加料功能结构的机构。
所述熔炼装置包括熔炼坩埚、炉盖，熔炼坩埚和炉盖通过法兰连接。熔炼坩埚外部设一层加热元件，通过加热及温控装置的电器控制系统控制熔炼坩埚内温度。炉盖上设有可定时定量连续加料的加料装置，以及探入熔炼坩埚内部用于搅拌熔体的搅拌装置，熔炼装置通过导气管与冷凝装置连通。
所述搅拌装置包括电机、减速机、连接轴和搅拌桨，所述搅拌桨探入熔炼坩埚内部以搅拌物料。
所述出料装置设于熔炼坩埚的下部外侧，包括出料管和出料阀门。出料管前段有加热装置，接近出料阀门口处设有水套冷却装置。出料阀门利用硒熔体的粘性可与出料管形成密闭连接。
所述冷凝装置包括导气管、挡板、安全阀、放气阀、抽气口、排水阀，安全阀和放气阀设于冷凝装置上部，抽气口设于冷凝装置远离导气管一侧，排水阀位于冷凝装置下部远离导气管一侧，挡板设于冷凝装置内部呈上下交错结构，构成用于改变气体流动方向的弯曲气路，蒸气通道为s型以提供热交换效率。
所述真空系统包括水循环泵和抽气管道，通过抽气口和冷凝装置连接。
本发明冷凝装置内部上下交错的挡板结构，构成用于改变气体流动方向的弯曲气路，保证气体在其内所走的通道为s形，既能保证最大的蒸汽接触面积又能阻断水蒸气中掺杂的硒蒸气随水蒸气向外排出，整个过程都在密闭空间内物料几乎无损失。冷凝装置上设置的安全阀能够保证生产的安全性，避免因水汽量过大而引起炉内过大产生正压。
工作机理：硒能形成无定形和结晶形固体。无定形硒也叫“液态”硒，可分为粉状硒、玻璃体状硒和胶状硒，无固定熔点。无定形硒在40～50℃就开始软化，在100℃可以流动，在220℃变成液态。液态硒熔化后，可长时间保持可塑状态。熔融硒溶液快速冷却可形成无定形玻璃态硒。
本发明针对含水硒渣中水份高、硒导热性差、比热小、易氧化、快速冷却时形成粘度高无定形硒的特性设有搅拌装置、真空系统、加热及温控装置、加料装置及冷凝装置。
由于硒的比热小、导热性差、快速冷却时形成粘度高无定形硒的特性，当含水硒渣加入到硒熔体中时，由于物料温度低，水的热熔及汽化需要吸收大量的热，硒渣周围会形成一层无定形硒的包覆层，当加入的物料体积较大时，则会结成大块，使内部水份难以挥发，热量难以传到内部，会极大的降低生产效率。因此，本设备采用加料装置分段少量给料，同时带有搅拌装置，通过搅拌装置使后续加入的粗硒渣分散于已经熔化的硒熔体，形成大量小的包覆颗粒，增加硒渣与硒熔体的接触面。加料装置控制加料量，有利于防止硒溶液无定形化，从而使设备内部物料粘度急剧增大，从而使搅拌装置损坏。由硒的导热性差在搅拌装置的作用下，可加速加热装置的热量传到硒熔体中，再从硒熔体中传到硒渣原料中，从而提高传热效率。
由于硒易氧化、硒渣中水份高、硒熔体容易包覆水蒸气及熔融硒熔体中盐类分解产生的易挥发性气体的特性。采用在真空系统使物料在真空状态下熔化，可防止硒的氧化，同时可降低水的蒸发温度。硒熔体容易包覆水蒸气及其它气体，在熔料装置中设置搅拌装置加速物料中气体的脱除速率，增加物料中的传质作用。
由于硒渣中含有大量水份及其它气体，设置有真空系统、冷凝装置。通过真空系统和冷凝装置共同作用，有利于加速硒熔体中的水蒸气及其他易挥发性气体挥发，并易于对气体进行定向冷凝收集，有利于水的回收。由于水的存在也可使少量易挥发的氧化硒及其它有害氧化物得以很好的吸收，排出尾气达到环保要求。定期对冷凝水处理可回收溶解于水中的硒，硒基本无损失，硒回收率高。
由于硒渣中含有大量水份及其它气体及熔化后硒的粘度高、比重轻、流动性小，硒渣中在熔炼过程产生的气体会分散在硒熔体中形成面包状，熔炼得到的硒熔体再通过真空蒸馏提纯。在真空蒸馏时由于硒熔体中存在大量气体，会减少物料装入量，同时会影响蒸馏效果，因此设置搅拌装置、真空系统、加热装置。通过加热装置使物料达到一定温度从而降低物料的粘度，使硒熔体内部气体易于扩散，同时在搅拌装置及真空系统的作用下加速气体脱除速率，最终达到脱除物料中气体的目的，使物料密度增加到4g/cm3以上，有利于物料后续提纯。
由于本发明所述设备是在有压条件下操作，因此设备的密封性很好，设备集成的功能较多。因此，如果本设备采取从熔料装置上方出料，高温下硒易氧化，出料时会产生大量的硒蒸气，作业环境差，出料劳动强度大。本发明利用硒熔体导热性差、快速冷却可形成无定形玻璃态硒等性质，以及设备既要能真空密封又要易于放料的特点设计了出料装置。在接近出料阀门口处设有冷却装置，当熔融的硒溶液流动到出料阀门处时被冷却装置快速冷却形成无定形玻璃态硒，出料阀门和出料管间隙处充满无定形玻璃态硒形成密闭连接。出料管内的硒溶液与出料阀门处冷却的硒进行热交换，形成一定厚度的无定形硒，由于无定形硒在40～50℃就开始软化，利用此温度下硒自身的可塑性进行“自密封”。需要出料时，关闭冷凝装置，打开出料管前段设置的加热装置进行加热，通过物料间的热量传递将出料管及出料阀门处的玻璃态硒液逐渐熔化，打开出料阀门可将设备中的硒熔液直接放出。出料装置设定解决了目前硒熔体因粘度大、易挥发、难导热而引起的放料难问题。
含水粗硒渣采用现有方法干燥后的密度约为1.2g/cm3，而采用本发明设备熔化后得到的粗硒熔体密度在4g/cm3以上，因此本发明相同容积蒸馏设备的处理量约为原来的4倍。单台设备处理量增加降低了开炉、停炉、拆炉频率，同时，熔化脱气后硒物料为致密的熔体，增加了物料间的传热效率，减少了真空蒸馏过程的能耗，而且为之后蒸馏的环保问题提供保证。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)产量大：粗硒渣湿料采用本发明设备熔化速度快，熔化产出的硒熔体密度大于粉状干料密度，相同容积蒸馏设备的处理量为原来的4倍，因此产能有大幅度提升。
(2)能耗小：粗硒渣湿料采用本发明设备熔化、脱气后物料密度增加，相同容积蒸馏设备的装料量也增加，在蒸馏阶段因为装料量的增加使整个生产过程的吨料能耗降低很多。经统计真空蒸馏处理一吨粗硒渣的能耗从1000kw·h/t降低为500kw·h/t。
(3)回收率高：所有的生产过程都在密闭环境下作业，硒几乎没有损失，硒回收率高。
(4)产品品位高：解决粉状料蒸馏的问题，粗硒渣湿料经本发明设备熔化、脱气后得到粗硒熔体，熔体蒸馏过程中不存在喷粉问题，蒸馏产出的产品品位明显提升。
(5)设备简单容易维护：相比传统工艺的热风干燥炉或微波干燥炉或真空干燥炉加卧式蒸馏炉，本发明设备在结构和操作方面都更加简单灵巧，设备不易损坏，操作环境干净，维修费用低。
(6)无污染：整个生产过程很少有硒蒸气或其他有害气体进入大气，不存在传统工艺上的粉尘污染，环境友好。
附图说明
图1为本发明一种粗硒渣湿料真空熔炼设备的结构示意图。
附图标记为：1—加热及温控装置；2—熔炼坩锅；3—炉盖；4—加料装置；5—搅拌装置；6—法兰；7—导气管；8—冷凝装置；9—挡板；10—安全阀；11—放气阀；12—抽气口；13—排水阀；14—出料阀门；15—出料管。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的粗硒渣湿料真空熔炼设备作进一步说明。
如图1所示，本发明的粗硒渣湿料真空熔炼设备由加热及温控装置(1)、熔炼装置、加料装置(4)、搅拌装置(5)、出料装置、冷凝装置(8)、真空系统组成，包括加热及温控装置(1)、熔炼坩锅(2)、炉盖(3)、加料装置(4)、搅拌装置(5)、法兰(6)、导气管(7)、冷凝装置(8)、挡板(9)、安全阀(10)、放气阀(11)、抽气口(12)、排水阀(13)、出料阀门(14)、出料管(15)。熔炼装置外部设有加热及温控装置(1)，熔炼装置上端设有加料装置(4)和搅拌装置(5)，熔炼装置下端设有出料装置，熔炼装置通过导气管和冷凝装置连接(8)。
加料装置(4)设于炉盖(3)上，包括加料斗及内设的加料机构，通过内设加料机构实现在真空环境下定时定量连续加料，在真空熔炼过程可向熔炼坩锅(2)中不断加料；所述加料机构为翻转结构的机构、螺杆结构的机构以及具有定量加料功能结构的机构。
熔炼装置包括熔炼坩埚(2)、炉盖(3)，熔炼坩埚(2)和炉盖(3)通过法兰(6)连接。熔炼坩埚(2)外部设一层加热元件，通过加热及温控装置的电器控制系统控制熔炼坩埚内温度。炉盖上设有可定时定量连续加料的加料装置(4)，以及探入熔炼坩埚(2)内部的用于搅拌熔体的搅拌装置(5)，熔炼装置通过导气管与冷凝装置连通。
搅拌装置(5)设于炉盖(3)上，搅拌装置包括电机、减速机、连接轴和搅拌桨，在熔炼过程中搅拌桨探入熔炼坩埚(2)以搅拌物料，用于增加速熔化速率和脱气速率。
出料装置设于熔炼坩埚(2)的下部外侧，包括出料阀门(14)和出料管(15)。出料管(15)前段有加热装置，接近阀门口处设有水套以通水冷却。出料阀门(14)利用硒熔体的粘性可与出料管形成密闭连接，出料阀门(14)有连通且通入冷却剂的管道，阀门优先采用铜金属材料制成，用于冷却硒熔体，达到密封真空的效果。
冷凝装置(8)设有导气管(7)、挡板(9)、安全阀(10)、放气阀(11)、抽气口(12)、排水阀(13)。冷凝装置(8)的内壁上设有上下交错的挡板(9)，构成用于改变气体流动方向的s形弯曲气路，以过滤蒸汽。安全阀(10)位于冷凝装置(8)上部，当其内部压强过大时起保护作用。放气阀(11)位于冷凝装置(8)上部，用于放气。抽气口(12)设于冷凝装置远离导气管(7)一侧，用于连接真空系统进行抽气。排水阀(13)位于冷凝装置下部远离导气管(7)一侧，用于排放冷凝装置内的冷凝水。设备运行过程中熔炼装置(3)内产生的蒸汽通过导气管(7)导入冷凝装置(8)中。
本发明在传统工艺的基础上将湿料干燥改为湿料在真空环境下直接熔化脱气，再用真空炉蒸馏熔化的原料，其工艺为：含水原料—真空密闭熔炼—真空蒸馏—产品。在真空环境下的密闭容器中对原料粗硒渣(含水30％以下)进行熔化、脱气、熔炼，得到少/无气泡的熔融液体，密度大于4g/cm3，然后用真空炉进行真空蒸馏，产出成分在99.9％以上的硒碲合金。以解决用现有粗硒渣真空蒸馏工艺或设备引起的硒产品品位不高，处理量小，能耗大，干燥时间长，作业环境差等问题。
实施例1
本发明粗硒渣湿料真空熔炼设备使用时的主要操作步骤有：
步骤一：向熔炼坩锅加入一定量粗硒渣湿料后密封熔炼装置，开启真空系统及加热及温控装置(1)，同时启动搅拌装置(5)不断进行搅拌；
步骤二：待熔炼锅内原料全部熔化，通过加热及温控装置(1)达到预定温度后，停止抽真空并打开放气阀(11)，打开加料装置(4)加料，完成后密封熔炼装置，启动真空系统，10～20min重复一次排气、加料过程，每隔2～3h排放一次冷凝装置内的冷凝水；
步骤三：当加料总量达到一定程度后停止加料，通过真空系统再保持真空一段时间；
步骤四：最后得到少/无气泡，密度大于4.0g/cm3的粗硒熔体，通过出料管(15)排出。
本发明集真空干燥、熔化、熔炼、真空脱气为一炉，得到的合金态粗硒密度大于4.0g/cm3，使得相同容积蒸馏设备的处理量至少可增加4倍，设备处理量的增加降低了开炉、停炉、拆炉频率，进而降低了能耗，使得后段真空蒸馏设备的结构大大简化且为清洁生产的环保问题提供了保证。
实施例2
本发明粗硒渣湿料真空熔炼设备使用时的主要操作步骤有：
步骤一：将500kg粗硒渣湿料加入到加料斗中，通过加料装置(4)控制以每分钟1.5kg的速度稳定的将粗硒渣加入到熔炼坩锅(2)内，开启真空系统及加热及温控装置(1)，同时启动搅拌装置(5)不断进行搅拌；
步骤二：待熔炼锅内500kg原料全部加入完毕，通过加热及温控装置(1)达到预定温度后，保持抽真空0.5～2h直至硒熔体密度大于4.0g/cm3，停止抽真空并打开放气阀(11)，通过出料管(15)将硒熔体排出。