三連爐直接煉鉛工藝取消電熱前床合理性分析

陳 霖， 賓萬(wàn)達(dá)， 李小兵， 張 立

(1.中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.濟(jì)源市萬(wàn)洋冶煉集團(tuán)有限公司， 河南 濟(jì)源 454691)

三連爐直接煉鉛工藝取消電熱前床合理性分析

陳 霖1， 賓萬(wàn)達(dá)1， 李小兵2， 張 立2

(1.中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.濟(jì)源市萬(wàn)洋冶煉集團(tuán)有限公司， 河南 濟(jì)源 454691)

對(duì)比了三連爐工藝和氧氣底吹-鼓風(fēng)爐還原煉鉛工藝的鉛、銅、鋅回收率，分析了三連爐工藝取消電熱前床的合理性和可行性，同時(shí)考察了三連爐法CaO/SiO2和Fe/SiO2對(duì)終渣中Cu含量的影響。

三連爐； 高鉛渣還原； 氧氣側(cè)吹爐； 電熱前床

0 前言

目前我國(guó)的鉛精礦進(jìn)口量、金屬鉛生產(chǎn)量和消費(fèi)量均居世界第一位。傳統(tǒng)的燒結(jié)- 鼓風(fēng)爐還原鉛鋅礦冶煉技術(shù)由于存在著燒結(jié)煙氣SO2污染問(wèn)題，近年來(lái)逐漸被各種先進(jìn)的富氧熔煉技術(shù)所取代，例如基夫賽特法、QSL法、瓦紐科夫法法、三菱法等[1-4]。

國(guó)內(nèi)在引進(jìn)消化QSL法的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了符合我國(guó)國(guó)情的氧氣底吹- 鼓風(fēng)爐還原法(水口山法)，目前得到了廣泛的應(yīng)用[5]。但是水口山法鉛精礦富氧熔煉后，高鉛渣需要鑄塊、運(yùn)輸、冷卻才能進(jìn)行鼓風(fēng)爐還原，不僅高鉛渣的顯熱不能有效利用，并且鑄塊、冷卻、輸送過(guò)程中出現(xiàn)的飛沫、揚(yáng)塵造成環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi)。此外，鼓風(fēng)爐熔煉污染大，需消耗大量的優(yōu)質(zhì)冶金焦，特別是鼓風(fēng)爐還原后，為防止金屬隨棄渣的流失，熔渣進(jìn)入煙化爐前還需要通過(guò)電熱前床進(jìn)行渣- 金屬分離，增加了設(shè)備投資和能源消耗，難以滿足鉛清潔生產(chǎn)和節(jié)能減排進(jìn)一步發(fā)展的需要[6]。

三連爐工藝(氧氣底吹氧化-側(cè)吹爐還原- 煙化)，側(cè)吹爐直接還原液態(tài)高鉛渣，充分利用熔渣顯熱，提高了還原效率，消除了傳統(tǒng)鼓風(fēng)爐還原中的煙氣污染問(wèn)題[7]。由于側(cè)吹爐有利于金屬和渣的迅速分離，可同時(shí)滿足還原和金屬- 渣分離的需要，從而避免了鼓風(fēng)爐需要附加電熱前床的問(wèn)題。本文對(duì)三連爐工藝和氧氣底吹氧化- 鼓風(fēng)爐還原- 電熱前床- 煙化工藝高鉛渣還原過(guò)程中鉛、銅、鋅的回收率進(jìn)行比較，分析側(cè)吹爐替代附加電熱前床鼓風(fēng)爐的可行性和合理性。

1 基本概況

1.1 三連爐

河南濟(jì)源市萬(wàn)洋冶煉公司的三連爐，底吹爐φ3.8 m，側(cè)吹爐8.4 m2，煙化爐7 m2。高鉛渣還原用側(cè)吹爐的爐身由三層水套圍成，下部為熔池區(qū)，上部為再燃燒區(qū)。下部?jī)蓚?cè)設(shè)有熔池風(fēng)口，上部有再燃燒風(fēng)口，下風(fēng)口采用水冷保護(hù)。渣和鉛分別從位于端墻上的渣口和虹吸放鉛口放出。爐缸用鎂鉻磚砌于鋼板焊接而成的鋼槽內(nèi)，爐底呈倒拱形，作用是使渣鉛分層。

1.2 原料

試驗(yàn)原料由鉛精礦、熔劑、返塵混合制粒所得(粒料)，其成分如表1所示。

表1 粒料成分 %

1.3 操作

本文截取了2012年中一個(gè)半月新老兩條生產(chǎn)線正常生產(chǎn)的數(shù)據(jù)：包括兩條生產(chǎn)線氧氣底吹爐所產(chǎn)高鉛渣以及煙化爐產(chǎn)出的鋅渣(終渣)，每日分析三次，取其平均值。

三連爐法(新工藝)的操作過(guò)程為：氧氣底吹爐熔煉產(chǎn)出粗鉛和高鉛渣，液態(tài)高鉛渣直接進(jìn)入側(cè)吹還原爐還原，渣與金屬爐內(nèi)分離后，渣進(jìn)入煙化爐煙化產(chǎn)出終渣。

氧氣底吹- 鼓風(fēng)爐還原法(老工藝)的操作過(guò)程為：氧氣底吹爐熔煉產(chǎn)出粗鉛和高鉛渣，液態(tài)高鉛渣鑄塊、冷卻進(jìn)入鼓風(fēng)爐還原，還原后經(jīng)過(guò)電熱前床澄清分離，渣再進(jìn)入煙化爐煙化后產(chǎn)生終渣。

2 結(jié)果與討論

2.1 高鉛渣和終渣成分對(duì)比

2.1.1 高鉛渣成分對(duì)比

表2和表3顯示了兩種工藝中氧氣底吹爐產(chǎn)出的高鉛渣成分。

表2 三連爐法高鉛渣成分 %

表3 氧氣底吹- 鼓風(fēng)爐還原法高鉛渣成分 %

可以看到，經(jīng)過(guò)氧氣底吹爐熔煉，原料中的硫脫除了96%以上，因此高鉛渣中各金屬元素的含量比原料略有升高。三連爐法高鉛渣中的Pb、ZnO、Cu和S含量與氧氣底吹- 鼓風(fēng)爐還原法高鉛渣大致相同或稍高。

2.1.2 終渣成分對(duì)比

表4和表5顯示了兩種流程煙化爐回收氧化鋅后終渣(水淬渣)的成分。

表4 三連爐法終渣成分 %

表5 氧氣底吹- 鼓風(fēng)爐還原法終渣成分 %

可以看到，兩種方法高鉛渣都得到了很好地貧化，有價(jià)金屬含量均大大降低，說(shuō)明兩種流程均適合處理高鉛渣。除ZnO含量較高外，三連爐法終渣Pb、Cu和S含量相對(duì)更低。對(duì)比表1和表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，三連爐法產(chǎn)高鉛渣Pb、Cu、Zn和S含量相對(duì)高。并且該方法中取消了高鉛渣鑄渣冷卻和電熱前床分離渣- 鉛操作，因此對(duì)三連爐法處理效果要求更高。

2.2 爐型對(duì)終渣有價(jià)金屬含量影響分析

2.2.1 爐型對(duì)終渣含鉛的影響

兩種流程所得終渣Pb含量對(duì)比如圖1所示。

圖1 兩種流程終渣鉛含量對(duì)比

可以看到，兩種終渣Pb含量基本在0.3%～0.6%之間波動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)周期內(nèi)兩種終渣Pb含量數(shù)據(jù)的擬合曲線，三連爐終渣Pb含量略低。從表4和表5也可以看出，兩種流程終渣Pb含量平均值相差較小，三連爐比傳統(tǒng)流程終渣含Pb平均值僅低0.01%。按每噸高鉛渣產(chǎn)0.5 t終渣計(jì)，兩個(gè)流程鉛回收率非常接近，分別達(dá)到了99.54%和99.52%。進(jìn)一步分析煙化爐煙塵(氧化鋅粉)中的鉛含量，兩流程基本一致，說(shuō)明三連爐工藝雖然沒(méi)有電熱前床，但經(jīng)過(guò)側(cè)吹爐處理后渣-鉛分離效果很好。

雖然兩種流程均能保證原料中鉛的高效提取，但三連爐法不需要對(duì)高鉛渣鑄塊冷卻，避免了鑄塊過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境污染和熱能浪費(fèi)，并能有效地利用液態(tài)渣的顯熱從而降低能耗；而且其能夠連續(xù)進(jìn)出料，還原速度快，處理量大，高鉛渣還原35～50 min即可將渣含鉛降低至2%以下[7]。此外，取消電熱前床能更進(jìn)一步降低能耗，萬(wàn)洋公司的實(shí)踐表明，采用三連爐工藝，僅取消電熱前床一項(xiàng)每月可節(jié)電420 000 kWh，節(jié)能優(yōu)勢(shì)非常明顯[6]。

2.2.2 爐型對(duì)終渣含銅的影響

通過(guò)以上分析可知，兩種方法鉛的回收率基本相同，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高原料中有價(jià)金屬回收率是企業(yè)效益增長(zhǎng)的關(guān)鍵。對(duì)應(yīng)本試驗(yàn)使用的原料，除去鉛、鋅之外，需要關(guān)注的是銅回收率。圖2顯示了兩流程終渣含銅。

圖2 兩種流程終渣銅含量對(duì)比

兩流程終渣含銅基本穩(wěn)定在0.4%～0.65%之間，其中三連爐法終渣含銅波動(dòng)更大(～0.25%)。就銅的分離效果而言，三連爐法終渣含銅平均值明顯低，并有可能通過(guò)進(jìn)一步穩(wěn)定渣含銅而提高銅回收率。氧氣底吹氧化- 鼓風(fēng)爐還原- 電熱前床- 煙化工藝，由于鼓風(fēng)爐沒(méi)有熔體充分澄清分離的區(qū)域，因此必須通過(guò)附加電熱前床進(jìn)行渣- 金屬的分離。側(cè)吹爐還原中，鼓入的氣體對(duì)熔池劇烈攪拌，金屬液滴迅速聚合長(zhǎng)大并沉入鉛層，加快了渣和金屬的澄清分離速度，可實(shí)現(xiàn)有價(jià)金屬的高效分離[8]。假定1 t高鉛渣產(chǎn)0.5 t終渣，則三連爐法和氧氣底吹- 鼓風(fēng)爐還原法的銅回收率分別為83.47%和80.07%，三連爐法可提高銅回收率3.4%。對(duì)于一個(gè)處理表1原料的產(chǎn)鉛能力為10萬(wàn)t/a的工廠，原料中的銅量為3 353 t，按每噸銅的價(jià)格5.5萬(wàn)元計(jì)，銅回收率提高3.4%將直接增收625萬(wàn)元。

2.2.3 爐型對(duì)終渣含鋅的影響

兩種工藝終渣氧化鋅含量如圖3所示。

圖3 兩種工藝終渣氧化鋅含量對(duì)比

從圖3可見(jiàn)，兩種工藝獲得的終渣氧化鋅的含量均在2.7%以下，在試驗(yàn)周期內(nèi)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，而且三連爐工藝更劇烈。從擬合的曲線可以看出，氧氣底吹氧化- 鼓風(fēng)爐還原- 電熱前床- 煙化工藝終渣中氧化鋅含量更低，對(duì)比表2和表3中高鉛渣成分發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入側(cè)吹還原爐的高鉛渣比進(jìn)入鼓風(fēng)爐的高鉛渣氧化鋅含量高1%，按1 t高鉛渣產(chǎn)0.5 t終渣計(jì)，三連爐法氧化鋅回收率達(dá)到了94%以上，比氧氣底吹氧化- 鼓風(fēng)爐還原- 電熱前床- 煙化低1.4%。氧化鋅的回收主要在煙化爐，兩個(gè)工藝中煙化爐的操作可能存在差別，并且氧氣底吹氧化- 鼓風(fēng)爐還原- 電熱前床- 煙化工藝較三連爐法多出了鑄塊、冷卻、運(yùn)輸和電熱前床分離等過(guò)程，這些過(guò)程中同樣可能產(chǎn)生氧化鋅的損失，所以整體而言，兩工藝鋅回收率差別不會(huì)很大。

2.3三連爐法CaO/SiO2和Fe/SiO2對(duì)終渣含銅的影響

2.3.1 CaO/SiO2對(duì)終渣含銅的影響

對(duì)終渣鉛、銅和氧化鋅含量測(cè)試發(fā)現(xiàn)，側(cè)吹還原爐可以很好地替代附加電熱前床的鼓風(fēng)還原爐完成高鉛渣的還原，并能在保持鉛和氧化鋅回收率接近的條件下，有效地降低終渣銅含量。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析三連爐法終渣的CaO/SiO2與渣含銅的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4 三連爐法CaO/SiO2對(duì)終渣含銅的影響

從圖4可以看到，CaO/SiO2在0.65～1.1范圍內(nèi)，終渣含銅隨CaO/SiO2升高呈下降趨勢(shì),擬合曲線斜率為-0.1。

銅在渣中的損失通常分為化學(xué)損失和物理?yè)p失。前一種主要是銅以Cu2O的形態(tài)造渣，一般爐料含硫量足夠時(shí)不會(huì)有大的損失；后一種與渣的黏度以及爐渣對(duì)銅锍的溶解度有關(guān)。增大CaO含量可提高Cu2S在渣中的活度系數(shù)并降低渣-锍相界面張力，并且CaO的加入能破壞硅氧聚合陰離子的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低熔渣黏度，從而減少銅在渣中的溶解度和機(jī)械夾帶[9]。此外，根據(jù)CaO- SiO2- FeO三元系相圖，在鈣硅比為0.8～1，鐵硅比為1～1.3的范圍，爐渣處于三元共晶點(diǎn)，其熔點(diǎn)較低，有利于與渣與銅的分離[10]。因此數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，渣中Cu含量隨CaO/SiO2的提高而降低。此外，CaO/SiO2的提高，有利于提高PbO的活度而有利于鉛的還原，在其他條件相同的情況下，鉛多則溶解于其中的銅量會(huì)更多。

2.3.2 Fe/SiO2對(duì)終渣含銅的影響

圖5顯示了Fe/SiO2對(duì)渣含銅的影響。

圖5 三連爐法Fe/SiO2對(duì)終渣含銅的影響

由圖5可以看出，F(xiàn)e/SiO2在1～1.75范圍內(nèi)，渣含銅量隨Fe/SiO2增大呈降低的趨勢(shì)。對(duì)于Fe/SiO2對(duì)鐵橄欖石爐渣黏度的影響，在Fe/SiO2從1.0變化到1.9的范圍內(nèi)，爐渣的黏度均隨Fe/SiO2的增加而減小[9]。球型銅锍液滴在熔渣中的沉降速度遵循如下方程：

(1)

式中：g為重力加速度，m2/s；r為锍滴直徑，m；Δρ為銅锍與熔渣的密度差，kg/m3；μ為熔渣黏度，Pa·s。

可見(jiàn)，熔渣黏度越小，锍滴在渣相中的沉降速度越快，锍和渣相的分離越好，其夾帶損失也越少。值得注意的是，F(xiàn)e/SiO2的繼續(xù)增大也可能導(dǎo)致?tīng)t渣黏度的再度增加，并且使得渣和锍的結(jié)構(gòu)接近，微細(xì)锍滴聚合條件惡化；同時(shí)過(guò)量FeO的存在會(huì)導(dǎo)致銅在爐渣中的溶解度上升，使渣含銅隨Fe/SiO2的增大而增多。陳薪光等在對(duì)貧化電爐渣的研究中也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象[11]。但是在本文所研究的范圍內(nèi)(Fe/SiO2=1.0～1.75)，終渣銅含量隨Fe/SiO2的增大而降低。對(duì)于本研究所處理的高鉛渣，在三連爐流程中Fe/SiO2為1.5左右能夠較好地保證銅的高效回收。

3 結(jié)論

(1)側(cè)吹還原爐替代附加電熱前床的鼓風(fēng)爐，高鉛渣還原、煙化過(guò)程中鉛、鋅回收率基本相同，但是終渣含銅明顯降低。相對(duì)于氧氣底吹氧化- 鼓風(fēng)爐還原- 電熱前床- 煙化工藝，三連爐法可以提高銅回收率3.4%，并降低電熱前床所消耗的能量，去掉電熱前床可行、合理。

(2)在三連爐法基礎(chǔ)上，考察了CaO/SiO2和Fe/SiO2對(duì)終渣含Cu的影響，在CaO/SiO2=0.65～1.1、Fe/SiO2=1～1.8范圍內(nèi)，終渣含Cu隨CaO/SiO2和Fe/SiO2的增加呈下降趨勢(shì)。控制爐渣CaO/SiO2=0.85和Fe/SiO2=1.5能夠有效地降低終渣中的銅含量。

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Reasonableanalysisofremovingelectricheatingfore-hearthintri-continuousfurnacedirectleadsmeltingprocess

CHEN Lin, BIN Wan-da, LI Xiao-bing, ZHANG Li

The recovery of lead, copper and zinc in lead smelting reduction process with tri-continuous furnace and oxygen bottom-blown-blast furnace were compared respectively, the reasonable and feasibility of removing the electric heating fore-hearth in tri-continuous furnace process were analyzed, and the effects of CaO/ SiO2and Fe/SiO2produced in tri-continuous furnace process on the Cu contents in final slag were investigated.

tri-continuous furnace; high lead slag reduction; oxygen side-blown furnace; electric heating fore-hearth

陳 霖(1982—)，男，湖南長(zhǎng)沙人，中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院博士，從事熔池熔煉技術(shù)研究。

TF812

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