我國礦熱法生產(chǎn)鋅粉電爐技術(shù)進展

劉學(xué)武，王正民，王文宏

(1.陜西有色控股集團有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

(2.陜西鋅業(yè)公司，陜西 商洛 726007)

0 前言

我國用礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉源于20 世紀(jì)70 年代，廣西柳州有色冶煉股份有限公司建設(shè)的2 臺600 kVA 的矩形電弧爐，直到2000 年該公司將矩形爐改成2 臺800 kVA 圓形電弧爐，實現(xiàn)了爐形從矩形向圓形的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)能、電耗、回收率等指標(biāo)得到很大提升;2006 年由株洲火炬公司與中南大學(xué)聯(lián)合開發(fā)，在內(nèi)蒙巴彥淖爾紫金有色金屬公司建成了首臺2 000 kVA 圓形電弧爐，2008 年在云南蒙自礦業(yè)公司建成了2 500 kVA 圓形電弧爐;由西安同欣公司與商洛煉鋅廠聯(lián)合開發(fā)的2 000 kVA 圓形電弧爐，首臺在商洛煉鋅廠2009 年建成投運，開發(fā)的3150 kVA 圓形電弧爐，首臺在內(nèi)蒙古興安銅鋅冶煉公司2012 年建成投運，第二臺于2013 年在廣西南方有色公司建成投運。至此，實現(xiàn)了用礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉的大型化、機械化、自動化，徹底解決了礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉的安全、環(huán)保和節(jié)能問題。

1 礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉的原理

以鋅焙砂(ZnO)為原料，石灰、石英為熔劑，焦碳為還原劑，按照一定比例配料、烘料后，將烘好的爐料放入料鐘，吊到高位料倉，由料倉下的螺旋給料器將爐料加入電爐內(nèi)，通過電爐變壓器、短網(wǎng)系統(tǒng)、三相石墨電極把電輸入爐熔渣，在渣電阻和微電弧的作用下，將電能轉(zhuǎn)化成熱能給熔渣加熱，使ZnO還原成單質(zhì)Zn 反應(yīng)的順利進行。爐料從爐頂加料孔加入，依次經(jīng)過爐料加熱區(qū)、爐料還原區(qū)和爐渣熔化區(qū)，分別發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng):

爐料加熱區(qū):爐料從100 ℃逐漸加熱到1 000℃，爐料中的PbO 首先被還原，隨著爐料溫度的升高，經(jīng)歷固態(tài)PbO 與CO 反應(yīng)生成固態(tài)Pb、液態(tài)Pb，液態(tài)PbO 與CO、C 反應(yīng)生成液態(tài)Pb 的過程。

爐料還原區(qū):爐料加熱到1 000～1 300 ℃，爐料中40%的ZnO 被還原成Zn，隨著反應(yīng)的進行，爐料熔化造渣，ZnO 會熔于渣中，還原變得越來越難。因此，礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉希望爐料造出較高熔點的渣，在低溫下爐料中ZnO 盡可能多被還原成Zn。

還原的液態(tài)Pb 在此處溶解爐料中被還原揮發(fā)的Cu、As、Sb、Bi，并捕集Au、Ag，而留在爐渣中。

爐渣熔化區(qū):又稱為熔池區(qū)，溫度為1 300～1 350 ℃，爐渣完全熔化，熔于渣中的ZnO 要從液態(tài)渣中還原成Zn，需要消耗更多的熱量，由石墨電極產(chǎn)生的電弧熱和能導(dǎo)電的熔渣電阻所產(chǎn)生的焦耳熱共同給熔池加熱，維持還原反應(yīng)所需要的熱量，同時在電場產(chǎn)生的電磁力攪拌下，熔渣中的ZnO 與高濃度的CO 充分接觸還原，當(dāng)爐渣含Zn 低于2%時，爐渣中的FeO 也被還原成Fe，沉積于熔池底，久而久之熔池積滿鐵，電極無法插下，生產(chǎn)不能正常進行。因此，為了熔池內(nèi)反應(yīng)的順利進行，要求熔渣由SiO2-FeO-CaO 組成，其中SiO2含量25%～30%、FeO 含量20%～28%、CaO 含量15%～22%、Zn 含量3%～5%，堿度控制在0.9～1.0 之間，一般爐料中C 含量為還原Zn 理論量的1.1～1.5 倍。

另外，硅酸鋅、鐵酸鋅也發(fā)生反應(yīng)。

還原出來的Zn 以蒸汽形式進入爐氣，溫度為950～1 050 ℃的爐氣Zn 蒸汽40%～45%、CO2不足0.2%，其余為CO，進入冷凝器急冷，鋅蒸汽從氣態(tài)變成小液珠，進而變成固態(tài)的鋅粉。其他雜質(zhì)元素進入爐渣中，定期隨爐渣排出爐外。工藝流程見圖1。

2 電爐及主要設(shè)備技術(shù)進步

2.1 電爐本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電爐本體包括爐殼結(jié)構(gòu)、爐頂結(jié)構(gòu)、爐底結(jié)構(gòu)、爐墻結(jié)構(gòu)、爐體配磚等。

2.1.1 爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

我國最早的鋅粉電爐為矩形，長2.4 m、寬1.6 m，爐床有效面積3.84 m2，3 根φ200 mm 石墨電極“一”字形排列，由于石墨電極產(chǎn)生的電場不均勻，熔池內(nèi)電熱功率密度差異大，電極附近溫度高達1 500 ℃，離電極越遠，溫度越低，熔池溫度1 300～1 350 ℃，而熔池底部和爐墻附近溫度1 200～1 250℃，矩形電爐4 個角為死區(qū)，溫度更低，爐床面積沒有得到有效利用，鋅粉產(chǎn)能低、電單耗高。2000 年廣西有色金屬公司將原矩形電弧爐改成圓形電弧爐，爐床有效面積為5 m2，3 根φ200 mm 石墨電極在極心圓上“品”字形排列，改造后鋅粉電單耗由5 290 kWh 降低到4 022 kWh、鋅回收率由94.1%提高到94.8%，實現(xiàn)了爐形從矩形向圓形的轉(zhuǎn)變。

圖1 礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉工藝流程圖

2.1.2 爐底、爐墻結(jié)構(gòu)及耐火材料優(yōu)化

爐底結(jié)構(gòu):原平底形由5 層組成，最下面緊貼鋼板一層為石棉板或硅酸鋁纖維氈，往上依次為粘土磚、搗打料、高鋁磚、鋁鉻磚，雖然平底施工簡單，但在高溫熔渣的作用下，搗打料與爐底磚膨脹系數(shù)不同，易產(chǎn)生裂隙使?fàn)t底拱起，導(dǎo)致爐底漏渣、損壞。目前大型爐爐底均改為反拱形結(jié)構(gòu)，也是5 層結(jié)構(gòu)，但最上面兩層是用異形高鋁磚或鋁鉻磚砌筑而成的反拱形，這種結(jié)構(gòu)受力合理，未出現(xiàn)爐底拱起而滲漏現(xiàn)象。

爐墻結(jié)構(gòu):爐墻由渣線以下的爐墻即渣線墻和渣線以上的爐墻即上爐墻組成，渣線墻所用的磚叫渣線磚，渣線以下的爐膛稱為熔池。在電弧爐內(nèi)，由于熔池溫度高達1 300～1 350 ℃，加上強烈的電磁攪動，導(dǎo)致熔渣對爐墻的侵蝕和沖刷嚴重，渣線磚一般選用能耐高溫、偏酸性、耐磨、熱震性穩(wěn)定的石墨化碳磚、鎂質(zhì)耐火磚(如鎂鋁磚、鎂鉻磚)、鋁鉻質(zhì)耐火磚等。800 kVA 的爐子渣線墻厚度由460 mm 增加到760 mm，2 000 kVA 的爐子將爐墻厚度增加到900～1 200 mm，但使用不到300 天，渣線墻被侵蝕和沖刷變薄或滲漏，逼迫停爐重新筑爐。冶金工作者經(jīng)過不斷的研究，開發(fā)出復(fù)合渣線墻結(jié)構(gòu)，即渣線墻靠熔池側(cè)墻用400～600 mm 高鋁耐火磚砌筑，緊貼耐火磚外側(cè)用8～10 mm 厚的鋼板焊成夾層水冷壁爐殼，在水冷壁內(nèi)用鋼板套組成蛇形水路，20～25℃冷卻水從水冷壁下部進水管壓入，溫度達40～45℃從上部出水管排出，經(jīng)涼水塔冷卻后再加壓進入冷卻水冷壁，進而冷卻渣線墻，使熔融的爐渣急冷在渣線墻內(nèi)壁掛渣，保護渣線墻不被爐渣繼續(xù)侵蝕、沖刷，使渣線墻運行壽命突破800 天。在渣線墻熔池底部設(shè)置65 ×65 mm 的底渣口，用于及時放出爐底積鐵或事故停爐時快速放出爐渣;在距離熔池底高度600～650 mm 的渣線墻上設(shè)置φ80 mm 放渣口，用于生產(chǎn)時正常放渣。上爐墻沒有侵蝕、沖刷，溫度1 050～1 150 ℃，一般用高鋁磚或一級粘土磚，厚度460 mm。

拱腳結(jié)構(gòu):在上爐墻與爐頂之間傳統(tǒng)的設(shè)置一個鋼圈梁，用于托起爐頂，但由于在高溫下鋼構(gòu)架與耐火材料膨脹系數(shù)不同，鋼圈梁與爐墻之間產(chǎn)生縫隙，含鋅煙氣會從縫隙中竄出，冷卻積累，逐漸將圈梁不均勻抬高，導(dǎo)致將鋼圈梁局部燒壞。目前國內(nèi)圓形爐設(shè)置爐頂拱腳，采用耐火料燒制的異形拱腳磚砌筑，外部用鋼爐殼，再用拱腳梁箍緊。

爐頂結(jié)構(gòu):矩形爐子爐頂設(shè)計采用弧形拱，圓形爐子爐頂設(shè)計采用球形拱，拱頂中心角一般為60°。上部爐氣溫度1 050～1 150 ℃，因此，爐頂磚用高鋁異形磚耐火磚，厚度300～350 mm。由于在砌筑爐頂時要預(yù)留3 個電極孔、3 個加料孔、測溫孔和探渣孔，施工難度大，使用后電極孔易損壞，導(dǎo)致爐頂一般使用300 天左右就被損壞停爐檢修，目前已開發(fā)出采用低水泥耐火澆注料整體澆注爐頂，施工簡單，使用壽命可達到800 天以上。為防止?fàn)t氣從電極孔、加料孔、測溫孔、探渣孔縫隙中漏出，對電極孔、加料孔用石棉繩封堵，并對電極孔上部增加冷卻水套。

2.1.3 配料烘料及加料方式優(yōu)化

配料烘料:800 kVA 鋅粉電爐采用人工配料，反射爐烘料，間斷加料。隨著2 000 kVA 到3 150 kVA鋅粉電爐的開發(fā)使用，單個工廠鋅粉產(chǎn)能達到2 萬t及以上，配料、烘料、加料都會影響生產(chǎn)效率和成本，目前研發(fā)的連續(xù)生產(chǎn)線:采用電子皮帶秤計量，圓盤給料機配料，蒸汽干燥器或回轉(zhuǎn)窯或多膛爐烘干，烘好的熱料裝入料鐘，用行車吊到電爐高位料倉，由高位料倉底部的螺旋給料機從加料孔連續(xù)或間斷加入爐膛內(nèi)。

2.2 爐喉、冷凝器、收塵及出粉系統(tǒng)優(yōu)化

2.2.1 爐喉、冷凝器改進

爐喉:電爐本體與鋅粉冷凝器連接部分，由于1 050～1 150 ℃的鋅蒸汽通過爐喉進入冷凝器急冷降溫形成鋅粉，在此過程中爐氣夾帶有部分爐料的粉塵及被氧化的少量鋅粉粘結(jié)在爐喉處，逐漸將爐喉堵塞，需要停車清理。因此，爐喉應(yīng)盡量短，且便于清理。有人將爐喉設(shè)計成“L”形，長度超過1 000 mm，不便清理，且不安全;目前最佳的設(shè)計是將電爐煙氣出口與冷凝器進口直接用法蘭“一”字形連接，爐喉長度不超過200 mm，在煙氣進口對面冷凝器壁上設(shè)人孔門，穿過人孔門板設(shè)置一根清理桿，采用機械周期性自動清理。

冷凝器及收塵系統(tǒng):冷凝器下部為夾層式水冷壁組成的鋅粉收集斗;中部由前后左右4 塊可拆式夾層式水冷壁組成，在前后2 塊上分別設(shè)有爐氣進口和人孔門;上部由夾層式水冷壁組成，在其頂部設(shè)有氣體出口，經(jīng)管道與一慣收塵器進口相連，一慣氣體出口再與二慣收塵器進口相連，二慣排出氣體再三慣進口相連，三慣出口與布袋收塵器進口相連，煙氣經(jīng)布袋收塵器、高溫風(fēng)機、尾氣煙囪排出。該尾氣含有濃度90%以上CO 氣體，應(yīng)回收利用，并防止CO 中毒或爆炸等安全事故發(fā)生。并在冷凝器內(nèi)腔裝有數(shù)組蛇形冷凝水管，與夾層式水冷壁共同給鋅蒸汽降溫，使其由氣態(tài)鋅變成小液滴，進而變成固態(tài)鋅粉。未冷凝沉降的鋅蒸汽隨氣體經(jīng)過一、二、三慣及布袋收塵繼續(xù)冷卻、沉降。蛇形冷凝水管壁上易粘結(jié)鋅粉，設(shè)有自動振打清灰裝置定時清灰。

2.2.2 出粉系統(tǒng)改進

由于電爐及冷凝器、一慣、二慣、三慣均為微正壓運行，吸入空氣立即爆炸，但煙氣逸出，就會引起CO 中毒。因此，出粉系統(tǒng)必須是密閉進行。小爐子一般用一臺溢流式絞龍與冷凝器、一慣、二慣、三慣收塵斗通過星形排灰閥連接，溢流絞龍出口用短管直接接入密閉的鐵制鋅粉罐內(nèi)，再篩分、密封保存。目前大爐子采取將冷凝器與一慣、二慣、三慣分開收粉，即在冷凝器收塵內(nèi)腔底部設(shè)一出粉螺旋，通過溢流絞龍將粉送到冷凝器外部出粉溢流螺旋，再由該螺旋將混合粉密閉的鐵制鋅粉罐內(nèi)，再與一、二、三慣收集粉一體送篩分、密封保存，一、二、三慣收粉與小爐子相同。布袋收塵器必須在密閉條件下操作，因尾氣含有高濃度CO 氣體，易發(fā)生自燃、爆炸。

2.3 供電系統(tǒng)改進

電弧爐短網(wǎng)系統(tǒng)包括電爐變壓器、進出線箱、銅母排、饒性電纜、導(dǎo)電銅管、端接頭及夾持器、石墨電極等。

2.3.1 電爐變壓器

600 kVA 電爐變壓器輸出電壓只有120 V、110 V、100 V 3 檔，使用輸出電壓為120 V、110 V 2 檔，電爐的電流不好調(diào)整，后對800 kVA 電爐變壓器設(shè)置成120 V、110 V、100 V、90 V、80 V 5 檔。在2 000 kVA 到3 150 kVA 電爐變壓器設(shè)計中均采用5 檔或6 檔設(shè)置，使用靈活，效果好。

2.3.2 短網(wǎng)系統(tǒng)

短網(wǎng)系統(tǒng)有封閉式和祼露式。封閉式短網(wǎng)包括進線箱、出線箱、軟絞線、封閉式母排組成，一般用于小爐子供電系統(tǒng);2 000 kVA 及以上爐子用祼露式短網(wǎng)，該短網(wǎng)包括銅母排、饒性電纜、導(dǎo)電銅管、端接頭及夾持器組成。

2 000 kVA 電爐每相配12 根軟絞線，即一根銅母排與導(dǎo)電銅管之間用6 根銅軟絞線相連，每相構(gòu)成雙回路，由12 根組成銅軟母導(dǎo)線;端接頭是銅軟絞線與硬銅母排或?qū)щ娿~管末端連接的接頭，端頭為直角形，一端開有4 個錐形孔(φ46mm/φ40mm)，另一端開有4 個φ22 mm 鉆孔，有4 個φ22 mm 鉆孔端用M22 mm 不銹鋼雙頭螺栓緊固，緊緊夾住硬銅母排的兩邊或?qū)щ娿~管的導(dǎo)電銅板兩邊，而銅軟絞線從錐形孔的小頭孔插入，用楔子從錐形孔的大頭孔將銅軟絞線楔緊，每個孔安裝一根軟絞線，一個接頭安裝3 根或4 根。2 000 kVA 硬銅排采用180 mm×16 mm 銅排;導(dǎo)電銅管連接著軟絞線和夾持器，將電流由導(dǎo)電銅管輸送到夾持器的銅頭，再傳送至電極。導(dǎo)電銅管一般采用擠制紫銅圓管，與夾持器連接的一端采用異徑管連接，將銅管與埋入銅頭的冷卻水管連接起來，用壓蓋把銅管固定，另一端固定在滑車架上的左右支架上，用管夾加緊固定，管夾設(shè)有絕緣材料，防止銅管漏電至滑車上而短路，端頭制成彎頭，與冷卻水源用橡膠管相連接，以便導(dǎo)電銅管隨電極臂升降。2 000 kVA 電爐導(dǎo)電銅管選用φ60 mm×10 mm～φ70 mm×10 mm，每項電機設(shè)有兩根導(dǎo)電銅管，做成冷卻管，冷卻夾持器中的銅頭;夾持器包括拉桿、氣缸和氣動控制機構(gòu)，正常工作時不需要壓縮空氣，氣缸中的彈簧彈力將活塞桿推出，活塞桿帶動拉桿向左運動拉動拉桿，裝在杠桿另一端的顎板向右運動，將電極夾緊，換電極時，給氣缸通壓縮空氣，將電極松開。氣缸要求壓縮空氣壓力為0.4～0.6 MPa;電極升降機構(gòu)包括立柱及平臺、滑輪托架、電極升降臂等組成，小爐子一般卷揚傳動升降機構(gòu)，大爐子一般采用液壓傳動為電極升降臂沿立柱軌道上下運動提供動力，調(diào)節(jié)電極插入熔池深度，調(diào)節(jié)輸入功率大小，實現(xiàn)熔池溫度的控制;石墨電極，600 kVA、800 kVA 電爐采用φ200 mm 石墨電極，2000 kVA 電爐采用φ300 mm 石墨電極，3150 kVA 電爐采用φ350 mm 石墨電極，質(zhì)量符合GB3073-82 標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 生產(chǎn)實踐

我們對廣西、云南、陜西、甘肅、內(nèi)蒙古、河南、四川等地30 余臺鋅粉電爐進行了實際考察，經(jīng)過分析比較，我們與西安同欣公司聯(lián)合設(shè)計開發(fā)的2 000 kVA、3 150 kVA 電爐在商洛煉鋅廠和南方冶煉廠得以應(yīng)用，效果良好，電爐運行壽命達到26 個月，電單耗小于3 400 度、電極單耗小于9 kg，均處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。各種規(guī)格鋅粉爐運行情況見表1。

表1 各種規(guī)格鋅粉電爐運行情況一覽表

4 結(jié)束語

經(jīng)過冶金科技工作者近50 年的不懈努力，我國鋅粉電爐由600 kVA 矩形發(fā)展到800 kVA 圓形、進而發(fā)展到3 150 kVA 圓形電爐，實現(xiàn)了設(shè)備的大型化，自動化程度大大提高，投資減少，效率提高;開發(fā)了反拱形爐底、復(fù)合型爐墻和澆筑預(yù)制復(fù)合爐頂?shù)燃夹g(shù)，渣線墻厚度用900～1 200 mm 變?yōu)?00～600 mm，渣線磚由石墨化碳磚、鎂鋁磚、鎂鉻磚、鋁鉻質(zhì)磚變?yōu)楦咪X耐火磚，爐子運行壽命由10 個月延長到26 個月，筑爐及維修費用節(jié)省50%左右;開發(fā)的煙氣出口與冷凝器進口“一”字形直接連接，爐喉長度由1 000 mm 縮短到200 mm，采用機械自動清灰，爐喉清理周期由7 天延長到60 天，開工率提高，工人勞動強度降低;冷凝器及慣性收塵器均采取電控閥溢流絞龍密封出粉，實現(xiàn)了電爐安全運行;電爐變壓器設(shè)計由3 檔改為5 檔或6 檔，操作靈活，效果更好;配料、烘料、上料、加料系統(tǒng)，短網(wǎng)供電系統(tǒng)，電極升降系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)等的優(yōu)化設(shè)計，為電爐大型化、連續(xù)化生產(chǎn)提供了保障。

［1］郭天立.鋅粉及合金鋅粉生產(chǎn)［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2010.

［2］王振嶺.電爐煉鋅［M］.北京:冶金出版社，2001.

［3］劉青松.鋅粉生產(chǎn)工藝的技術(shù)改造［C］.第8 屆全國鉛鋅冶金生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品應(yīng)用學(xué)術(shù)年會論文集.2001.

［4］初 陽，柳興龍，王正民，等.商洛煉新廠2 000 kVA 鋅粉電爐設(shè)計，2008.

［5］王文宏.商洛煉鋅廠2 000 kVA 鋅粉電爐操作規(guī)程［R］.商洛:商洛煉鋅廠，2008.