液態(tài)高鉛渣直接還原工藝的發(fā)展前景

賀菊香，王 興，劉生長(zhǎng)，甘紅祥

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410011）

液態(tài)高鉛渣直接還原工藝的發(fā)展前景

賀菊香，王 興，劉生長(zhǎng)，甘紅祥

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410011）

分析了高鉛渣的特點(diǎn)和液態(tài)高鉛渣直接還原的反應(yīng)機(jī)理，并對(duì)幾種液態(tài)高鉛渣直接還原工藝進(jìn)行了分析和比較，認(rèn)為液態(tài)高鉛渣直接還原工藝能滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，可節(jié)能降耗，提高有價(jià)金屬綜合利用率。

液態(tài)高鉛渣；直接還原；富氧底吹還原工藝；富氧側(cè)吹還原工藝

近十多年來(lái)，我國(guó)鉛冶煉技術(shù)發(fā)展很快，粗鉛熔煉技術(shù)升級(jí)的步伐越來(lái)越快，更新?lián)Q代的周期大為縮短，產(chǎn)量也快速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的粗鉛產(chǎn)量已下降到40%以下。到目前為止，我國(guó)已匯集了世界上所有的鉛冶煉工藝，各種工藝以其獨(dú)有的特點(diǎn)，滿(mǎn)足了不同用戶(hù)的需求。已引進(jìn)了QSL法、浸沒(méi)式頂吹（ISA或Ausmelt）熔煉－鼓風(fēng)爐還原法、氧氣頂吹卡爾多（Kaldo）轉(zhuǎn)爐法、基夫賽特（KIVCET）法等國(guó)外的直接煉鉛技術(shù)；我國(guó)冶金工作者在研發(fā)自有煉鉛技術(shù)上也做了大量的工作，已投入生產(chǎn)的有富氧底吹煉鉛工藝、富氧側(cè)吹煉鉛工藝。其中富氧底吹煉鉛工藝、富氧側(cè)吹煉鉛工藝、氧氣頂吹煉鉛工藝將氧化和還原過(guò)程分開(kāi)，在不同的反應(yīng)器內(nèi)完成，在第一臺(tái)反應(yīng)器（氧化爐）進(jìn)行氧化熔煉；過(guò)去十年中，第二臺(tái)反應(yīng)器（還原爐）往往都是采用傳統(tǒng)的鼓風(fēng)爐。由于鼓風(fēng)爐需冶煉塊料，故需將氧化爐產(chǎn)出的高鉛渣鑄成渣塊，與塊狀焦炭一起加入鼓風(fēng)爐進(jìn)行還原熔煉。最近幾年，我國(guó)冶金工作者自主研發(fā)了液態(tài)熱渣直接還原技術(shù)，用底吹爐或側(cè)吹爐作第二臺(tái)反應(yīng)器（還原爐），將第一臺(tái)反應(yīng)器（氧化爐）產(chǎn)出的高鉛渣直接流入第二臺(tái)反應(yīng)器（還原爐），并加入還原劑，將液態(tài)高鉛渣進(jìn)行直接還原。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有不少鉛冶煉廠為了滿(mǎn)足國(guó)家日趨嚴(yán)格的能源、環(huán)保政策和清潔生產(chǎn)的要求，進(jìn)行節(jié)能減排，選擇將高鉛渣進(jìn)行直接還原。本文根據(jù)筆者參加的幾家鉛冶煉廠的技術(shù)升級(jí)改造情況，對(duì)液態(tài)高鉛渣直接還原工藝的反應(yīng)機(jī)理、高鉛渣的特點(diǎn)、冶金爐窯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等進(jìn)行了分析、比較和總結(jié)，供同行技術(shù)人員作參考。

1 高鉛渣的特點(diǎn)

液態(tài)高鉛渣的化學(xué)成分及物相組成一般與高鉛渣塊是相同的，根據(jù)國(guó)內(nèi)幾家鉛冶煉廠的生產(chǎn)實(shí)踐，粗鉛氧化熔煉產(chǎn)出的高鉛渣化學(xué)成分一般為：Pb 42%～50%，ZnO 7%～12%，S 0.1%～0.5%，F(xiàn)eO 10%～15%，SiO210%～12%，CaO 4.5%～5.5%，Cu 0.1%～0.8%。表1是某廠進(jìn)行節(jié)能減排技改時(shí)的高鉛渣物相組成分析。

表1 高鉛渣物相組成 %

硅酸鉛（x PbO·y SiO2）是高鉛渣中最多的一種結(jié)合態(tài)氧化鉛。硅酸鉛的還原如果沒(méi)有堿性氧化物的參與是很困難的，但高鉛渣中CaO的含量較低，需要補(bǔ)充適量的熔劑CaO。實(shí)踐生產(chǎn)中高鉛渣塊鼓風(fēng)爐還原熔煉時(shí)一般控制的渣型為FeO／SiO2＝1.2～1.4，CaO／SiO2＝0.5～0.65；液態(tài)高鉛渣直接還原時(shí)，由于采用了富氧，還原溫度較高，爐渣成分一般控制在FeO／SiO2＝1.2～2.0，CaO／SiO2＝0.4～0.7，有的鉛廠只配入少量的CaO，在高鉛渣含鋅較高的條件下，還原熔煉甚至可以不配入CaO。

高鉛渣熔點(diǎn)一般在900～1 000℃，但高鉛渣成分不同會(huì)有些差別。

高鉛渣粘度一般為0.3～0.5 Pa·s，粘度小有利于爐缸內(nèi)熔煉產(chǎn)品渣鉛的分離。

2 液態(tài)高鉛渣直接還原的反應(yīng)機(jī)理

高鉛渣中CaO的含量一般要低于傳統(tǒng)燒結(jié)塊的，而ZnO含量則高于燒結(jié)塊中含量。用鼓風(fēng)爐還原高鉛渣塊時(shí)，由于高鉛渣塊非常致密，密度為4.5～5 g／cm3，孔隙率低，塊度為40～120 mm占70%以上。CO較難滲入渣塊內(nèi)部，發(fā)生氣－固反應(yīng)的可能性小。因此，高鉛渣鼓風(fēng)爐還原熔煉化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在熔煉區(qū)和爐缸區(qū)，熔融的渣塊與固體C發(fā)生液－固反應(yīng)。高鉛渣還原主要是熔體中硅酸鉛被C直接還原。在鉛鼓風(fēng)爐還原熔煉條件下，隨著爐料的下降，爐料被爐氣加熱后，溫度逐漸升高至超過(guò)硅酸鉛的熔點(diǎn)，液態(tài)硅酸鉛與固體碳發(fā)生還原反應(yīng)。

高鉛渣是強(qiáng)氧化熔煉的產(chǎn)物，含硫很低（一般S＜0.5%），鐵一般以高價(jià)鐵的形式存在，大約80%～85%是以Fe3O4的形態(tài)存在。目前采用富氧底吹爐或富氧側(cè)吹爐，用煤作還原劑，爐內(nèi)氣流對(duì)熔體的攪動(dòng)可增加PbO與CO之間的液－氣反應(yīng)的機(jī)率，硅酸鉛還原變得更加容易。其還原反應(yīng)主要是熔融高鉛渣中的PbO與煤中的C之間的液－固反應(yīng)，以及PbO與CO之間的液－氣反應(yīng)。

液態(tài)高鉛渣直接還原發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)與鼓風(fēng)爐還原基本相同，反應(yīng)的過(guò)程可能會(huì)有所不同。在液－固反應(yīng)同時(shí)，還會(huì)發(fā)生氣－液反應(yīng)和液－液反應(yīng)。因?yàn)橐簯B(tài)高鉛渣直接還原熔煉是熔池中進(jìn)行的，鼓入富氧空氣使熔體產(chǎn)生攪動(dòng)，熔融高鉛渣與還原劑C接觸發(fā)生反應(yīng)，然后釋放CO氣體，CO在氣流擴(kuò)散的過(guò)程中不斷與熔體接觸，也會(huì)與熔體中的化合物發(fā)生還原反應(yīng)。熔體的劇烈攪動(dòng)，還會(huì)使熔體中發(fā)生液－液反應(yīng)。主要化學(xué)反應(yīng)如下：

3 液態(tài)高鉛渣直接還原工藝的比較

針對(duì)高鉛渣鑄塊進(jìn)鼓風(fēng)爐還原煉鉛的缺點(diǎn)，我國(guó)冶金工作者先后完成了液態(tài)渣高鉛渣直接還原煉鉛工藝的開(kāi)發(fā)工作，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。目前，成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化并穩(wěn)定生產(chǎn)的液態(tài)鉛渣直接還原爐主要有側(cè)吹和底吹兩種形式，側(cè)吹還原爐以河南金利公司和萬(wàn)洋公司為代表，底吹還原爐以河南豫光金鉛為代表，最近幾年，液態(tài)渣高鉛渣直接還原新建和技術(shù)改造項(xiàng)目已經(jīng)有多家企業(yè)在進(jìn)行。

采用側(cè)吹還原爐和底吹還原爐兩種爐型液態(tài)渣高鉛渣直接還原煉鉛工藝中，氧化爐產(chǎn)出的熔融高鉛渣均可通過(guò)溜槽自流入還原爐，較好地解決了傳統(tǒng)鼓風(fēng)爐還原技術(shù)存在的能耗高、環(huán)保差、流程復(fù)雜、占地面積大、控制水平低等缺點(diǎn)。

3.1 富氧底吹還原

高鉛渣富氧底吹還原工藝的關(guān)鍵設(shè)備是底吹還原爐。

底吹還原爐結(jié)構(gòu)類(lèi)似于水口山爐，為圓形臥式轉(zhuǎn)爐，外殼由厚度30 mm的16MnR耐熱鋼板焊接而成，滾圈及齒圈處加強(qiáng)至50 mm。內(nèi)襯一般采用鎂鉻磚或鋁鉻磚砌筑，筒體內(nèi)襯厚度為350～460 mm，底部裝有6支氧氣噴槍?zhuān)瑖姌尳Y(jié)構(gòu)類(lèi)似于底吹氧化爐的噴槍?zhuān)瑖姌尩奶状u厚度為400～650 mm，材質(zhì)也比其它部位的要求更好。反應(yīng)器的一端為虹吸放鉛口，另一端為放渣口，上部有2個(gè)加料口和1個(gè)煙氣出口。還設(shè)置有開(kāi)爐燒嘴。生產(chǎn)過(guò)程中爐體可沿長(zhǎng)軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)，停爐和更換噴槍時(shí)可轉(zhuǎn)動(dòng)角度以便防止熔體進(jìn)入噴槍將其堵死，同時(shí)便于操作更換噴槍。底吹還原爐熔池深度一般在1 000～1 100 mm，長(zhǎng)度11～14 mm。

2005年～2007年豫光金鉛公司進(jìn)行底吹爐還原液態(tài)高鉛渣試驗(yàn)，2007年研發(fā)出液態(tài)高鉛渣底吹直接還原煉鉛新工藝，進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)，2010年投產(chǎn)。目前還原爐生產(chǎn)正常，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，環(huán)境好，爐壽約一年半。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，將高鉛渣采用底吹還原爐處理比鼓風(fēng)爐要節(jié)能約50%。豫光金鉛公司已形成了使用底吹熔池熔煉的系列冶金爐，除煉鉛外還用于處理其它物料，技術(shù)日趨成熟。安陽(yáng)岷山的還原爐也是臥式爐，增加了電極裝置補(bǔ)熱。

3.2 富氧側(cè)吹還原

高鉛渣富氧側(cè)吹還原的核心裝置是側(cè)吹還原爐，類(lèi)似于瓦紐科夫煉銅爐的爐型和結(jié)構(gòu)，形象的比喻富氧側(cè)吹爐是“帶爐缸的煙化爐”。

2000年在河南新鄉(xiāng)某公司引進(jìn)俄羅斯技術(shù)建設(shè)有1臺(tái)1.5 m2富氧側(cè)吹爐，氧化和還原分段作業(yè)，完成了氧化熔煉和還原熔煉工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)取得了圓滿(mǎn)成功。相關(guān)企業(yè)借鑒該爐型，建造了1臺(tái)處理熱態(tài)高鉛渣的工業(yè)爐，也取得了圓滿(mǎn)成功。自此，一些煉鉛企業(yè)紛紛效仿，目前已建造富氧側(cè)吹爐約十多座，有新建也有改造。目前，富氧側(cè)吹熔煉技術(shù)在我國(guó)煉鉛和煉銅、煉冰鎳、處理渣等雜料方面得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

側(cè)吹爐一般由三層鑄銅水冷水套構(gòu)成的橫斷面呈矩型的爐子，由爐缸、爐身、爐頂三部分組成。爐身又分為熔池區(qū)和再燃燒區(qū)，其兩側(cè)裝有熔池風(fēng)口和再燃燒風(fēng)口，爐一端為加料室，另一端為渣虹吸井，有放渣口和虹吸放鉛口，整個(gè)爐子與鼓風(fēng)爐很相似，不同之處在于渣虹吸井高度高于風(fēng)口水平約480 mm，以形成熔池，熔池的深度由放渣口高度決定。爐底有的鉛廠采用風(fēng)管強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。銅水套內(nèi)壁一般都設(shè)有掛渣槽，并搗打耐火澆注料或襯耐火磚。

目前國(guó)內(nèi)有幾家鉛廠采用了富氧側(cè)吹爐直接還原液態(tài)高鉛渣，在技術(shù)上也形成了各自的特點(diǎn)：

1.工藝配置不同。公司1采用氧化熔煉爐－還原熔煉爐－爐渣煙化爐三連爐工藝配置。其操作簡(jiǎn)單，配置緊湊，自動(dòng)化程度高，環(huán)境好，生產(chǎn)正常。

2.工藝過(guò)程有所不同。公司1采用單一的碎煤粒作為燃料和還原劑。而公司2在采用煤作燃料和還原劑的同時(shí)，還補(bǔ)充適量的煤氣作為燃料。

3.爐子和噴嘴結(jié)構(gòu)有所不同。公司1采用的噴嘴是瓦紐科夫爐的噴嘴結(jié)構(gòu)，氧氣和空氣按一定比例在爐外預(yù)先混合成富氧空氣，然后通過(guò)噴嘴噴入爐內(nèi)，氣流壓力較小，噴嘴管徑較大，停風(fēng)時(shí)可以插入鋼釬（類(lèi)似于鼓風(fēng)爐停風(fēng)時(shí)的操作），防止熔體灌入噴嘴；而公司2采用的噴嘴結(jié)構(gòu)類(lèi)似底吹氧化爐的噴嘴，氧氣和空氣通過(guò)噴嘴的不同通道噴入爐內(nèi)，噴嘴的管徑較小，氣流壓力較高。

3.3 兩種爐型工藝技術(shù)特點(diǎn)比較

目前液態(tài)高鉛渣直接還原工藝主要有：底吹和側(cè)吹，由于采用的爐型不同，工藝技術(shù)上有不同的特點(diǎn)，表2是兩種爐型工藝技術(shù)特點(diǎn)的比較。

通過(guò)上述分析，處理液態(tài)高鉛渣方面，與底吹還原爐相比，側(cè)吹還原爐有以下優(yōu)勢(shì)：

表2 兩種直接還原工藝技術(shù)特點(diǎn)比較

1.固定爐型。側(cè)吹還原爐無(wú)傳動(dòng)部件，熔池區(qū)爐體采用銅水套，爐壽長(zhǎng)，設(shè)備故障率低，維修費(fèi)用低。

2.噴嘴壽命長(zhǎng)。側(cè)吹還原爐的噴嘴不伸入熔體，亦無(wú)需氮?dú)獗Ｗo(hù)，無(wú)損耗，使用壽命長(zhǎng)；而氧氣底吹爐的噴槍伸入熔體之中，周邊采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，易損耗。

3.燃料和還原劑簡(jiǎn)單易得。側(cè)吹還原爐工藝可以采用單一的煤粒，不必再使用其它燃料；而底吹爐還原工藝需同時(shí)吹入天然氣作為補(bǔ)充燃料和還原劑。

4.渣含鉛低。側(cè)吹還原工藝渣含鉛可控制在≤2%，底吹還原工藝的渣含鉛稍高，約為3%。

5.維修費(fèi)用低。側(cè)吹爐本體一次性投資比底吹爐稍高，但殘值也高。對(duì)100 kt／a產(chǎn)能的粗鉛生產(chǎn)而言，底吹還原爐內(nèi)襯需耐火磚200多t，每1.5～2 a需大修更換，其維修費(fèi)用要高于側(cè)吹還原爐。

當(dāng)然液態(tài)高鉛渣底吹還原工藝技術(shù)也還在不斷進(jìn)步，比如渣含鉛也可進(jìn)一步降低等。

4 結(jié) 論

液態(tài)高鉛渣直接還原無(wú)論采用底吹還原爐還是側(cè)吹還原爐，與鼓風(fēng)爐處理高鉛渣塊比具有非常積極的意義，主要體現(xiàn)在：1.降低能耗。液態(tài)高鉛渣直接還原減少了高鉛渣塊二次熔化所消耗的能源，用煤取代焦炭作為燃料和還原劑，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本。

2.減少環(huán)境污染。減少了高鉛渣鑄塊工序，而鼓風(fēng)爐還原時(shí)高鉛渣需冷卻鑄塊，粉塵的飛揚(yáng)和鉛揮發(fā)對(duì)環(huán)境造成污染，操作環(huán)境差。

3.提高鉛熔煉回收率。用底吹爐還原時(shí)渣含鉛可以降低到3%，采用側(cè)吹爐還原可以控制在2%，因此提高了粗鉛熔煉的回收率。

4.提高自動(dòng)化控制水平。工藝過(guò)程可采用PLC控制，實(shí)現(xiàn)了過(guò)程控制的自動(dòng)化，從而大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

根據(jù)國(guó)家產(chǎn)業(yè)和能源、環(huán)保政策的要求，隨著市場(chǎng)上原、輔材料供應(yīng)的日趨緊張和價(jià)格的不斷攀升，人力成本和環(huán)保要求的不斷提高，鉛冶煉業(yè)利潤(rùn)空間已所剩無(wú)幾，進(jìn)行節(jié)能減排技術(shù)改造和強(qiáng)化綜合回收是維持企業(yè)生存，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

液態(tài)高鉛渣直接還原工藝的成功開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)鉛冶煉清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排、降低企業(yè)生產(chǎn)成本等提供了良好的契機(jī)，具有很好的發(fā)展前景。

［1］ 張樂(lè)如.現(xiàn)代鉛冶金［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2013.

［2］ 藺公敏，賓萬(wàn)達(dá).硫化鉛精礦氧氣側(cè)吹爐熔池熔煉直接煉鉛新技術(shù)［J］.中國(guó)有色冶金，2005，（1）：15－17.

［3］ 藺公敏，賓萬(wàn)達(dá).氧氣側(cè)吹直接煉鉛爐［J］.中國(guó)有色冶金，2005，（6）：48－50.

The App lication and Prospect of Direct Reduction Technology of Lead-rich Slag

HE Ju-xiang，WANG Xing，LIU Sheng-zhang，GAN Hong-xiang

（Changsha Engineering and Research Institute Ltd.Of NonferrousMetallurgy，Changsha 410011，China）

This paper studied the characteristics and the reactionmechanism of lead-rich slag，analyzed and compared with several direct reduction smelting processes.It is conducted that direct reduction smelting processes can fulfill the need of rigid environmental，conservate conservation，depress consume and improve valuablemetal rate of recovery.

lead-rich slag of liquid state；direct reduction；oxygen enrichment bottom-blowing bath smelting；oxygen enrichment side-blowing bath smelting

TF111.13

A

1003－5540（2013）06－0035－03

2013－08－17

賀菊香（1968－），女，高級(jí)工程師，主要從事有色金屬冶金工程咨詢(xún)和設(shè)計(jì)工作。