礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉實(shí)踐

王文宏，王正民，楊和平

（陜西鋅業(yè)有限公司，陜西 商洛 726007）

礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉實(shí)踐

王文宏，王正民，楊和平

（陜西鋅業(yè)有限公司，陜西 商洛 726007）

介紹了礦熱法生產(chǎn)鋅粉的原理，對電爐的筑爐、烘爐、開爐及生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生的故障及原因進(jìn)行了分析，幫助企業(yè)科學(xué)制定礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉的操作規(guī)程和管理制度，預(yù)防故障和安全事故發(fā)生，達(dá)到延長電爐運(yùn)行壽命、降低生產(chǎn)成本、提高鋅粉質(zhì)量的目的。

礦熱法；電爐；鋅粉

我國用礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉源于二十世紀(jì)70年代，礦熱電爐由600 kVA的矩形電弧爐演變到2000年改成的800 kVA圓形電弧爐，實(shí)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)得到很大進(jìn)步；從2006年建成首臺2 000 kVA圓形電弧爐到2009年建成首臺3 150 kVA圓形電弧爐，實(shí)現(xiàn)礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉生產(chǎn)線的大型化、機(jī)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)能等重大技術(shù)難題。

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，焦炭為還原劑，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機(jī)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內(nèi)熔渣，在渣電阻和微電弧的作用下，將電能轉(zhuǎn)化成熱能加熱熔渣，使ZnO還原成單質(zhì)Zn順利進(jìn)行。爐料從爐頂加料孔加入，它依次經(jīng)過加熱區(qū)、還原區(qū)和熔化區(qū)，分別發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：

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。

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(jìn)行，爐料熔化造渣，ZnO熔于渣中，還原變得越來越難。因此，用礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉希望爐料造出較高熔點(diǎn)的渣，在低溫下爐料中ZnO盡可能多被還原成Zn蒸汽。

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。

熔化區(qū)：即熔池內(nèi)溫度達(dá)到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(shí)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(shí)，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(jìn)行。因此，為了熔池內(nèi)反應(yīng)的順利進(jìn)行，要求熔渣由SiO2－FeOCaO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以蒸氣形式進(jìn)入爐氣，溫度為950～1 050℃的爐氣中Zn蒸汽占40%～45%、CO2不足0.2%，其余為CO，進(jìn)入冷凝器急冷，鋅蒸汽從氣態(tài)變成小液珠，進(jìn)而變成固態(tài)的鋅粉。其它雜質(zhì)元素進(jìn)入爐渣中，定期隨爐渣排出爐外。工藝流程如圖1所示。

圖1 礦熱法生產(chǎn)鋅粉工藝流程圖

2 常出現(xiàn)的故障及處置方法

電爐從筑爐、烤爐、開爐、生產(chǎn)、事故停爐等全過程，都可能出現(xiàn)故障，有些故障直接影響電爐使用壽命，有些可能直接危脅人的生命安全。因此，研究產(chǎn)生故障的原因，有效預(yù)防故障發(fā)生，具有重要意義。

2.1 烘爐過程產(chǎn)生的故障

電爐的爐底是用搗打料、鉻鋁磚或鎂鋁磚、高鋁磚等耐火材料砌筑而成的，渣線以下的爐墻用鉻鋁磚或鎂鋁磚或高鋁磚砌筑，渣線以上的爐墻用高鋁磚或一級粘土磚砌筑，爐頂用高鋁異形耐火磚砌筑或用低水泥耐火澆注料整體澆注。這些耐火材料中都含有游離水、結(jié)晶水、結(jié)合水，若烤爐過快，水分突然大量蒸發(fā)，爐體、爐底、爐頂將會出現(xiàn)大量的裂紋，造成耐火材料松散、倒塌、爆裂等事故。為了將水分在適宜的溫度、速度下烘除，烘爐分為低溫烘爐階段、中溫烘爐階段和高溫烘爐階段。低溫烘爐溫度300℃以下，主要烘干游離水，一般正常烘爐不少于3 d，如自燃干燥時(shí)間短，遇到冬天或陰雨天，烘爐需要4～6 d。要求升溫速度慢、均勻，切忌忽高忽低；中溫烘爐溫度300～600℃，主要是烘干結(jié)晶水，一般烘爐3～5 d；高溫烘爐溫度500～800℃，主要是烘干殘余結(jié)合水、燒結(jié)磚縫的泥料，并將熔化的高熔點(diǎn)熔渣充滿磚縫，保護(hù)磚縫。鋅粉電爐烘爐曲線如圖2所示。

圖2 鋅粉電爐烘爐曲線圖

烘爐方法：筑好的爐子自燃干燥15～30 d，再用電阻爐或木炭烘爐，待溫度升到100～150℃，用木材、柴油或焦炭、煤氣等低溫烘爐，開始烘爐時(shí)打開爐頂各孔口，烘1～2 d后視情況關(guān)閉，爐溫超過150℃時(shí)，電爐復(fù)合爐墻的水冷壁供水正常冷卻；烘爐超過300℃，繼續(xù)用木材、柴油或焦炭、煤氣等中溫烘爐3 ～5 d；保溫2～3 d，繼續(xù)提高到800℃以上后熄火，鏟出爐底灰霄，從爐頂加料孔加入干燥的水淬渣作底渣，底渣加入量滿足其熔化后渣面接近上渣口，在底料上添加碎焦和石墨粉，合高壓閘起弧化渣，控制溫度均勻穩(wěn)定上升，將二次電流逐步增加。2 000 kVA電爐一般升溫時(shí)間控制在2～3 d為宜。

2.2 開爐過程產(chǎn)生的故障

在高溫烘爐階段所鋪的爐底渣的渣面距爐底的高度為1 000～1 200 mm，確保熔化后渣面接近上渣口；在底渣上面中心鋪一層粒度為3～8 mm的焦炭200 kg左右，攤開面積比極心圓稍大，如2 000 kVA電爐極心圓Φ 1 250 mm，焦炭層鋪成Φ 2 000 mm即可；在焦炭層上面再鋪一層石墨粉100 kg左右，石墨粉用廢石墨電極在車床車削即可，以極心圓為界將石墨粉可鋪成圓形或等邊三角形。同時(shí)將夾持器放至上部限定位置，每根電極安裝3根，總長度保持3 m左右，并檢查供電系統(tǒng)完好后，將電極下降至與渣面石墨粉距離10～20 mm后合閘起弧。在起弧過程中，可能因石墨粉品質(zhì)差、導(dǎo)電性能差等因素，長時(shí)間不起??；如更換電極等突然停電，已熔化渣部分冷凍，再次送電，很難起??；當(dāng)電極下端已起弧，周圍底渣不斷受熱發(fā)紅，將電極下降，一次電流維持在5～10 A，待三相電極周圍底渣都由暗紅緩慢變?yōu)樯罴t且發(fā)亮、電流穩(wěn)定時(shí)，底渣上部逐步軟化、熔化、渣面下降，渣面與電極之間距離增大，電流減少，為提高溫度，將電極下放至渣面或渣面以下，電流又逐步增大，達(dá)到15 A時(shí)，爐溫繼續(xù)上升，底渣熔化的程度越來越大，渣面再次下降，電極必須再下放，電流逐步增大，當(dāng)電流到達(dá)15～20 A時(shí)，溫度上升很快，電極下端與爐底渣面火花很大，電極周圍渣面顏色逐步變模糊，從人孔門可以看到底渣與電極之間火花發(fā)白發(fā)亮，這時(shí)砌好人孔門，把電極孔、下料孔、探渣孔、測溫孔等用硅酸鋁纖維氈封好，爐氣經(jīng)爐喉進(jìn)入冷卻收塵系統(tǒng)排空，完成開爐過程。熔渣深度超過40 mm后，方可投料，正常操作時(shí)，電極插入渣層深度為渣層厚度的1／2～2／3，如插入過深，將燒壞爐底磚，導(dǎo)致爐渣事故。2 000 kVA電爐的工作電流一般維持在6 500～7 500 A為正常狀態(tài)。

2.3 生產(chǎn)過程產(chǎn)生的故障

2.3.1 產(chǎn)生泡沫渣

原因：若爐料配料不準(zhǔn)造成渣型偏酸性，渣的粘度過大，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體排不出去，導(dǎo)致爐渣起泡使渣面上漲；由于加料間隔時(shí)間過長，突然給爐子加入大量含水分超過1.0%的冷料，熔渣劇烈翻騰，冷料和熱渣混在一體，反應(yīng)產(chǎn)生氣體不能及時(shí)排出，也產(chǎn)生泡沫渣。

后果：泡沫渣嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致爐渣從爐喉溢出，堵塞爐喉；更為甚者，熔渣大量流入冷凝器，導(dǎo)致冷凝器水套內(nèi)冷卻水迅速汽化引起爆炸事故。

處置辦法：一旦出現(xiàn)泡沫渣應(yīng)立即停高壓電，降低爐溫，使渣中的氣體慢慢排出，再打開放渣口，把上層渣放出。經(jīng)對渣型、爐料水分化驗(yàn)，采用低功率送電，并根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果調(diào)整渣型或加料情況，使其逐步恢復(fù)正常。

2.3.2 渣粘性增大

原因：爐渣中 CaO、SiO2等組分含量與熔煉條件不相適應(yīng)，引起渣粘度增大。若爐溫低、爐渣供熱不足、爐內(nèi)還原氣氛過弱，爐渣含鋅高，爐渣粘性大；若爐溫高、爐內(nèi)還原氣氛過強(qiáng)，爐料中鐵的氧化物還原成金屬鐵，而金屬鐵熔點(diǎn)更高，使渣的流動性變差，粘度增大。

后果：難于正常放渣，生產(chǎn)難正常進(jìn)行。

處置辦法：針對爐渣中CaO、SiO2等組分含量過高或過低，及時(shí)調(diào)整配料比，使?fàn)t渣SiO2含量25% ～30%、FeO含量20% ～28%、CaO含量15% ～22%，控制堿度在0.9～1.0之間；爐料中C含量為還原Zn理論量的1.1～1.5倍，確保爐渣Zn含量保持在3%～5%之間。

2.3.3 爐子渣線磚腐蝕過快

原因：爐渣太偏酸性或所用筑爐磚屬不耐酸、不耐磨、熱振性差的耐火磚。

后果：爐子運(yùn)行壽命短，運(yùn)行成本高。

處置辦法：對爐渣、渣線磚化驗(yàn)，若是渣線磚選擇不合適，應(yīng)選擇高鋁磚或鉻鎂磚或鋁鎂磚；若爐渣太偏酸性，配料時(shí)應(yīng)增加CaO用量。

2.3.4 爐頂壓力增大

原因：一般爐頂壓力保持在100～250 Pa，且與冷凝器進(jìn)口之間壓差小于50 Pa為正常狀態(tài)。若爐頂與冷凝器進(jìn)口壓差大于100 Pa，說明爐喉部位堵塞，應(yīng)及時(shí)清理。

后果：爐頂壓力過大將會導(dǎo)致爐頂沖火、放炮事故；運(yùn)行到后期的電爐，因爐頂變薄、強(qiáng)度差，可能導(dǎo)致爐頂爆裂等惡性安全事故發(fā)生。

處置辦法：及時(shí)清理爐喉，并勤觀察爐頂壓力，若爐頂很薄，應(yīng)停爐重新筑爐。

2.3.5 高壓突然停電

原因：高壓突然停電，爐內(nèi)無功率，造成爐溫下降。

后果：因爐內(nèi)不能加熱，爐溫下降，甚至造成爐渣凝結(jié)。

處置辦法：首先拉開高壓電氣開關(guān)，通知電工查原因搶修；并立即停止加料，將三根電極提離渣面；若停電超過8 h，安排放渣；若停電在8 h以內(nèi)，可用焦炭或木材保溫。

2.3.6 低壓突然停電

原因：低壓突然停電，影響電爐不能上料、加料、出粉、電極不能升降、循環(huán)冷卻水泵不能運(yùn)轉(zhuǎn)等。

后果：電爐不能正常生產(chǎn)，嚴(yán)重者可能造成停爐。

處置辦法：應(yīng)拉開運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備電氣開關(guān)，通知電工立即查找原因搶修；并立即啟用備用冷卻水源正常供水，防止燒壞爐墻水冷壁、冷卻器水冷壁及水冷管等；用卷揚(yáng)機(jī)手動裝置立即將電極提起，降低供電電流，以維持爐渣不被凍結(jié)即可，待搶修好再升電流。

2.3.7 電極斷落

原因：電極內(nèi)在品質(zhì)不好，有裂紋；電極連接不好；電極在高溫狀態(tài)下被氧化，電極孔被冷凝鋅或氧化鋅結(jié)死，升降電極時(shí)將電極拉斷或其它不當(dāng)操作；爐溫過低，電極被凝固在爐渣中，爐渣未完全熔化提起時(shí)將電極拉斷。

后果：由于電極突然斷落熔池中，會造成熔池內(nèi)短路，電流、電壓急劇擺動，無法正常送電，爐內(nèi)壓力突然增大，輕者造成沖開電極孔、加料孔、冷卻器防爆孔；重者可能將爐頂沖垮，熔渣飛濺爐外，燒壞設(shè)備、廠房，甚至再次人員傷亡。

處置辦法：立即停止高壓供電，停止加料，提起其余電極，吊開爐喉，待爐溫稍降低后打開人孔門，撈出斷落的電極，重新?lián)Q好電極后送高壓電，開爐生產(chǎn)。

2.3.8 突然跳閘

原因：首先通知電工檢查高壓電氣系統(tǒng)是否短路或接地；并檢查電極是否插得太深，接觸爐底積鐵，造成電極間短路跳閘；檢查渣面焦炭層是否過厚，造成焦炭層短路，并使?fàn)t頂溫度突然升高。

后果：電爐高壓突然停電。

處置辦法：若是電氣短路或接地，處理后送電；若是電極插得過深，應(yīng)適當(dāng)提起電極；若是渣面焦炭層過厚，應(yīng)打開上渣口放渣，并將焦炭放出。

2.3.9 冷卻收塵系統(tǒng)爆炸

原因：電爐冷卻收塵氣體中主要成分為Zn蒸汽和CO氣體，均屬于易燃易爆氣體，因此，電爐及冷卻收塵系統(tǒng)必須保持微正壓運(yùn)行，既防止微負(fù)壓將空氣吸入系統(tǒng)發(fā)生爆炸，又防止正壓過大，爐氣外泄引起中毒和爆炸。一般要求電爐頂溫度1 050～1 150℃、壓力150～250 Pa；冷凝器前段溫度500～550℃、中段溫度250～300℃、后段溫度100～200℃，壓力100～200 Pa；慣性收塵器溫度100～150℃、壓力50～100 Pa，布袋收塵器溫度60～120℃、壓力30～80 Pa。

后果：若將空氣吸入電爐及冷卻收塵系統(tǒng)，引起系統(tǒng)局部或整體爆炸的惡性安全事故；若爐氣局部外泄，引起沖火爆炸或人員中毒死亡等惡性事故。

處置辦法：對系統(tǒng)檢查清理，減少阻力，特別是爐喉、各收塵器進(jìn)出口處等；對系統(tǒng)密封情況檢查，對漏點(diǎn)堵漏密封，特別是布袋收塵器；檢查尾氣風(fēng)機(jī)，加大尾氣抽力，特別預(yù)防風(fēng)機(jī)長時(shí)間事故停機(jī)。另外，嚴(yán)禁在爐子周圍及冷卻收塵系統(tǒng)附近動電焊、明火或吸煙等。

2.3.10 一氧化碳中毒

原因：爐氣在進(jìn)入冷凝器時(shí)CO含量大于45%，出冷凝器時(shí)CO含量大于90%；在經(jīng)過三級慣性收塵器、布袋收塵器后，尾氣CO含量大于95%，因此，隨著尾氣的冷卻收塵，尾氣中CO含量越來越高，稍有泄漏，若有人員站在順風(fēng)方向，就會引起嚴(yán)重中毒事故發(fā)生。

后果：輕者中毒，重者死亡。

處置辦法：嚴(yán)格保持系統(tǒng)達(dá)到要求標(biāo)準(zhǔn)的正壓運(yùn)行，隨時(shí)檢查系統(tǒng)密封情況；人員要遠(yuǎn)離電爐爐頂各孔及冷卻收塵排氣孔，特別是尾氣煙囪、出粉處等；隨時(shí)檢查電爐加料倉是否存有200～300 kg氣封料、冷卻器、收塵器溢流絞龍的氣封狀態(tài)是否完好，運(yùn)行是否正常等。

2.3.11 篩分系統(tǒng)爆炸

原因：由于鋅粉粒度細(xì)、比表面積大，易與空氣中的氧氣接觸發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱量而引起空氣劇烈膨脹而爆炸。另外篩分系統(tǒng)細(xì)粒粉塵濃度大，聚集到一定程度也爆炸。

后果：引起爆炸，毀壞設(shè)備、廠房，傷及人員。

處置辦法：鋅粉篩分系統(tǒng)必須密閉；收塵系統(tǒng)要暢通，為負(fù)壓狀態(tài)；在未停產(chǎn)或?qū)ο到y(tǒng)鋅粉清理不徹底情況下，不能有明火作業(yè)或火花產(chǎn)生。

2.3.12 爐墻水冷壁或冷凝器水冷管滲漏

原因：由于供水壓力不足或結(jié)垢，供水量不足，導(dǎo)致冷卻水汽化，燒壞爐墻水冷壁、冷卻管爆管等。

后果：停爐檢修。

處置辦法：若爐墻水冷壁燒壞，需停爐檢修；若冷凝器水冷管爆管，需更換。

2.4 停爐過程產(chǎn)生的故障

停爐分為長期停爐和短時(shí)停爐，停爐超過24 h為長期停爐，停爐在8 h以內(nèi)為短時(shí)停爐。不論長期停爐，還是短時(shí)停爐，均應(yīng)關(guān)閉尾氣閥門，減少系統(tǒng)抽力，保持系統(tǒng)處于正壓狀態(tài)，否則將可能引起爆炸事故發(fā)生。不論長期停爐，還是短時(shí)停爐，爐子冷卻水系統(tǒng)都應(yīng)正常供水，若停水過早，將會燒壞爐墻水冷壁，冷卻水管將會爆管；短時(shí)間停爐，如時(shí)間超過1 h，停爐前應(yīng)提高溫度后再斷電，并用木材、柴油等進(jìn)行保溫，若爐底局部凍爐，將導(dǎo)致開爐時(shí)起不了弧，在起弧后應(yīng)提高熔渣溫度，爐渣全部熔化后加料操作；長期停爐時(shí)應(yīng)提前停止加料，提起電極15～30 min后再從上渣口放渣，待無渣放出時(shí)再吊開爐喉，從下渣口放底渣直至放完，待爐子冷后打開人孔門，若底渣未放到位，開爐時(shí)影響電極插入深度，導(dǎo)致開爐難，甚至重新開不起來爐，或爐子產(chǎn)能下降；若停爐降溫過快，導(dǎo)致磚縫開裂，將影響爐子使用壽命。

3 結(jié)束語

礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉雖然成本低，生產(chǎn)的鋅粉活性好，有利于濕法煉鋅凈化除雜，但電爐的安全操作是該生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵，我國科技工作者經(jīng)過近50年的探索，從設(shè)計(jì)、操作及防護(hù)等方面進(jìn)行改進(jìn)，只要認(rèn)真細(xì)致地按設(shè)計(jì)、按規(guī)程操作，電爐安全正常運(yùn)行是可以控制的，電爐運(yùn)行壽命超過28個(gè)月、噸鋅粉電耗3 400 kWh以內(nèi)，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平的。

［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.

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Production Practice of Zinc Powder by Arc Furnace

WANG Wen-hong，WANG Zheng-min，YANG He-ping

（Shanxi Zinc Industry Company，Shangluo 726007，China）

Principle in the production of zinc powder by arc method，and build furnace，oven，electric furnace of the furnace and the production process failure and the reason were analyzed，to help enterprise arc furnace in the production of zinc powder making，operation procedures and management system，fault and safety accident prevention，prolong the operating life of electric furnace，and reduce the production cost，improve the quality of zinc powder.

arc method；electric furnace；zinc powder

TF065

A

1003－5540（2015）05－0046－04

2015－08－09

王文宏（1968－），男，助理工程師，主要從事礦熱電爐的鋅粉生產(chǎn)工作。