廣西南方冶煉廠鋅浸出渣物性研究

黃育飛， 梁清富

(1.河池學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院， 廣西 宜州 546300； 2.深圳市東昂科技有限公司， 廣東 深圳 518131)

廣西南方冶煉廠鋅浸出渣物性研究

黃育飛1， 梁清富2

(1.河池學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院， 廣西 宜州 546300； 2.深圳市東昂科技有限公司， 廣東 深圳 518131)

廣西南方冶煉廠鋅浸出渣揮發(fā)窯長期運(yùn)行不穩(wěn)定，揮發(fā)帶內(nèi)襯掛渣能力差，侵蝕剝落嚴(yán)重，而冷卻帶易結(jié)圈，給生產(chǎn)作業(yè)造成嚴(yán)重干擾。本文通過調(diào)查與試驗(yàn)分析對(duì)南方冶煉廠煉鋅揮發(fā)窯浸出渣物性進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)測得揮發(fā)窯浸出渣物料物性與廠家技術(shù)指標(biāo)較為吻合；入窯料中低熔點(diǎn)物相含量較高，需進(jìn)行成分調(diào)整；而廠家在浸出渣中添加鐵屑的工藝操作不夠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，需進(jìn)行更深入的研究。

鋅浸出渣； 揮發(fā)窯； 物性； 掛渣

揮發(fā)窯常用于濕法煉鋅中浸出渣處理，酸浸后鋅浸出渣與一定量焦炭混合料從回轉(zhuǎn)窯尾部進(jìn)入窯內(nèi)，經(jīng)過干燥、預(yù)熱、進(jìn)入反應(yīng)帶，浸出渣中鋅化合物還原為鋅蒸氣，而后被冷凝、收集。揮發(fā)窯內(nèi)襯材料的運(yùn)行情況，對(duì)煉鋅揮發(fā)窯的生產(chǎn)作業(yè)影響極大，而其主要影響因素為入窯物料的物性及耐火材料的使用性能。廣西南方冶煉廠鋅浸出渣揮發(fā)窯運(yùn)行工況較差，內(nèi)襯耐火材料使用壽命較短，而維修成本高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效益。對(duì)此，本文開展了南方冶煉鋅揮發(fā)窯用浸出渣的物性研究，初步探討了其處理工藝技術(shù)。

1 揮發(fā)窯煉鋅

1.1 工藝現(xiàn)狀

鋅焙燒礦經(jīng)中性浸出和酸性浸出之后，其稀硫酸浸出渣中仍含有不少Zn、Pb、In、Ge等有價(jià)金屬的一些氧化物或硫化物。浸出渣中含鋅15%～20%、鉛0.7%～6.0%。浸出渣中的鋅通常是通過揮發(fā)窯進(jìn)行回收，揮發(fā)窯示意圖見圖1。

圖1 揮發(fā)窯示意圖

浸出渣在進(jìn)入揮發(fā)窯前配入一定量的煤焦粉進(jìn)行混合后投入到揮發(fā)窯中，并在1 100 ℃～1 300 ℃的高溫下，發(fā)生劇烈的反應(yīng)使浸出渣中的金屬氧化物鋅由一氧化碳還原為金屬氣相而揮發(fā)進(jìn)入煙氣，在煙氣中被氧化成氧化鋅并被收集。主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

Me為Zn、In、Pb等有價(jià)金屬。

揮發(fā)窯工藝流程如圖2。

圖2 鋅浸出渣揮發(fā)窯工藝流程

1.2 存在問題

經(jīng)初步調(diào)查分析，南方廠生產(chǎn)用浸出渣除了含鋅及有價(jià)金屬外，還含有大量FeO，CaO，SiO2，PbO等雜質(zhì)，其中FeO含量大于20%。而浸出渣揮發(fā)窯窯體反應(yīng)帶耐火材料在使用中常出現(xiàn)冷卻帶結(jié)圈嚴(yán)重，揮發(fā)帶掛不上渣，掛渣不穩(wěn)，內(nèi)襯侵蝕剝落快，使用壽命短等問題，其破壞方式為浸蝕滲透+高溫高速粉塵沖刷+熱震沖擊龜裂剝落。圖3為廣西南方冶煉廠鋅浸出渣揮發(fā)窯使用后耐火材料的受損情況。揮發(fā)窯結(jié)圈嚴(yán)重，內(nèi)襯用耐火材料的壽命短、掛渣差、損壞快等與入窯料鋅浸出渣有著直接的關(guān)系，揮發(fā)窯轉(zhuǎn)動(dòng)中除了受物料的磨損與熱沖擊，其他最主要的損害就是受到浸出渣劇烈反應(yīng)形成的熔渣、硫化物的滲透與侵蝕。因此厘清浸出渣的物化性能對(duì)改進(jìn)揮發(fā)窯內(nèi)襯的侵蝕破壞有重要意義。

圖3 受損的耐火磚

2 試驗(yàn)

試驗(yàn)選用的材料為南方廠混有粉煤的浸出渣(入窯物料)、窯渣及揮發(fā)窯用耐火材料磚。經(jīng)過篩選，試驗(yàn)用的渣料粒度≤1.25 mm。試驗(yàn)中除了測試研究渣料本身的物化性能外，還進(jìn)行了渣料與揮發(fā)窯內(nèi)襯用耐火材料間的相互作用研究。

3 數(shù)據(jù)處理及試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 浸出渣入窯料與窯渣物性分析

3.1.1 熱重分析

測試了相關(guān)物料從500 ℃到1 200 ℃間的質(zhì)量變化，整理相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)物料的脫水與反應(yīng)失重規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果如圖4所示，1、2、3號(hào)渣料為入窯物料，4、5、6號(hào)渣料為窯渣。

由圖4可知，隨著熱處理溫度的升高，渣料質(zhì)量總體呈減少趨勢。其中窯渣料4、5、6號(hào)曲線較為平緩，渣料質(zhì)量隨溫度的升高減少相對(duì)較小，主要是由于窯渣料已經(jīng)經(jīng)過揮發(fā)窯的高溫?zé)崽幚?，物相基本穩(wěn)定。所出現(xiàn)的質(zhì)量減少可能是由于殘存的鋅有未燒盡的煤炭等。從南方冶煉廠調(diào)查到的資料已知窯渣技術(shù)指標(biāo)為含鋅<3.0%，含炭 <30%，與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。出窯渣在850 ℃后出現(xiàn)質(zhì)量略微增加的現(xiàn)象可能是由于渣中的物料發(fā)生了氧化反應(yīng)所致。1、2、3號(hào)入窯渣料在整個(gè)熱處理過程中質(zhì)量持續(xù)減少，到熱處理終了溫度質(zhì)量減少了約31%，這主要是由于水分的揮發(fā)，煤炭燃料的耗盡，鋅、鉛等沸點(diǎn)較低金屬揮發(fā)及有機(jī)物的揮發(fā)等所引起。其中從25 ℃到500 ℃后質(zhì)量減少明顯，約減少了7%，占總減少量約23%。主要是由于自由水的揮發(fā)及渣料中的粉煤少量燃燒。在500 ℃到800 ℃間，物料質(zhì)量勻速下降，主要是由物料中結(jié)合水的分解與燃料持續(xù)燃燒所致。同時(shí)，在700 ℃左右物料中的鉛等金屬也發(fā)生了揮發(fā)。從800 ℃到1 200 ℃的質(zhì)量減少主要是鉛、鋅的揮發(fā)及燃料燃燒引起，所減少量占總減少量約為30%，與入窯料含鋅指標(biāo)(Zn≤20%)較為吻合。在本試驗(yàn)中，物料的熱處理過程都是在封閉式的環(huán)境中進(jìn)行，主要是為了模擬揮發(fā)窯中揮發(fā)帶至窯尾所處的弱還原氣氛。而這可能也是造成物料在熱處理過程中質(zhì)量持續(xù)勻速減少的原因所在。

圖4 溫度與渣料質(zhì)量變化關(guān)系

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，入窯物料烘燒至800 ℃后，在坩堝壁或物料表面產(chǎn)生了“白須”，如圖5至圖10所示。結(jié)合入窯料的成分與物相，推測以上所形成的“白須”為鋅、鉛等揮發(fā)后在封閉空間中無法排出，經(jīng)冷卻后冷凝結(jié)晶所引起，說明了坩堝封閉空間中可產(chǎn)生內(nèi)部還原性氣氛。經(jīng)1 200 ℃烘燒后的物料，從中可以看出無論是入窯料還是出窯料經(jīng)高溫作用后都發(fā)生了較大的收縮，物料間出現(xiàn)了熔融現(xiàn)象，物料與坩堝間出現(xiàn)了侵蝕現(xiàn)象。說明物料在此溫度下發(fā)生了劇烈的物化反應(yīng)，同時(shí)可知物料的熔點(diǎn)較低，侵蝕能力較強(qiáng)，而從出窯渣的熔融情況可知在1 200 ℃時(shí)物料的粘度相對(duì)較大，在冷卻帶易形成結(jié)圈現(xiàn)象。

圖5 830 ℃后的入窯物料

圖6 860 ℃后的入窯物料

圖7 1 000 ℃后的窯渣

圖8 1 200 ℃后的入窯物料

圖10 1 200 ℃后的窯渣料

3.1.2 鐵價(jià)態(tài)

揮發(fā)窯運(yùn)行中需要進(jìn)行大量的掛渣作業(yè)，不同成分的渣型對(duì)掛渣性能影響較大。在南方廠揮發(fā)窯掛渣作業(yè)時(shí)，通常需要往入窯渣中加入適量鐵粉等，以提高掛渣性能。但根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)揮發(fā)窯壽命仍然不穩(wěn)定，有時(shí)窯壽可達(dá)半年以上，有時(shí)則只運(yùn)行了3個(gè)多月?lián)]發(fā)帶就需要進(jìn)行換磚維修。結(jié)合調(diào)查及相關(guān)文獻(xiàn)資料，推測其中的入窯混合物料高溫反應(yīng)形成的化合物與內(nèi)襯耐火材料間相互作用特性是導(dǎo)致窯壽縮短的原因之一。在揮發(fā)窯入窯物料成分體系中，較易形成低熔點(diǎn)的物相為鐵橄欖石FeO-SiO2體系，熔化溫度只有1 180～1 205 ℃。FeO-SiO2二組分系統(tǒng)的相平衡圖見圖11，在相圖上部給出了在液相線溫度與金屬鐵共存的FeO-SiO2系熔體中，F(xiàn)e2O3含量與SiO2含量的關(guān)系?？芍狥e2O3的加入或形成無助于物料系統(tǒng)形成低熔點(diǎn)窯渣，從而影響窯內(nèi)襯的掛渣作業(yè)。為此檢測了物料中鐵的價(jià)態(tài)。

圖11 FeO—SiO2相圖

將研磨好的物料稱量置于燒杯內(nèi)，加入一定量的稀HCl溶液，均勻攪拌，待反應(yīng)結(jié)束后觀察兩種物料溶解液顏色變化。結(jié)果表明裝入窯物料所含主要為三價(jià)鐵，窯渣所含主要為二價(jià)鐵。入窯物料中的三價(jià)鐵進(jìn)入揮發(fā)窯后，部分被還原為二價(jià)鐵，與物料中的SiO2等低熔點(diǎn)相形成熔融液相參與掛渣作業(yè)，也有部分三價(jià)鐵來不及還原從而未起到預(yù)計(jì)的作用，導(dǎo)致掛渣不穩(wěn)，致使物料運(yùn)行至冷卻帶時(shí)易形成結(jié)圈，從而影響揮發(fā)窯的使用性能。

3.2 浸出渣與耐火材料作用分析

3.2.1 耐火材料體積密度與抗折強(qiáng)度

揮發(fā)窯內(nèi)襯用耐火磚樣的理化性能見表1。

表1 內(nèi)襯耐火磚理化指標(biāo)

揮發(fā)窯揮發(fā)帶所用耐火材料為不燒普通鎂鋁鉻尖晶石磚，其體積密度為2.98 g/cm3，顯氣孔率為15.1%，樣塊較為密實(shí)，有助于提高磚的抗渣侵蝕能力，而一定量的開口氣孔的存在也可以為磚的掛渣性能的提高提供一定的條件，其常溫抗折強(qiáng)度與耐壓強(qiáng)度分別為5.58 MPa和42 MPa，完全滿足揮發(fā)窯維修時(shí)的砌磚要求，同時(shí)可以基本抵抗揮發(fā)窯運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。

3.2.2 試樣磚掛渣性能

模擬南方廠生產(chǎn)實(shí)際，選用兩種含量不同的渣料對(duì)試樣磚進(jìn)行掛渣，在1#試樣料渣中加入了25%出窯渣，即入窯物料75%，出窯物料25%(主要是鐵渣)，2#試樣料渣為100%入窯物料，即無窯渣，無鐵屑。烘燒時(shí)長為36 h，烘燒溫度為1 000 ℃/10 h、1 100 ℃/12 h和1 200 ℃/14 h。試驗(yàn)結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 1#耐火磚試樣掛渣試驗(yàn)結(jié)果

圖13 2#耐火磚試樣掛渣試驗(yàn)結(jié)果

從圖12可知1#粘掛上焦黑色的熔渣，而2#掛渣效果極差，不存在掛渣成型效果?？梢韵胂蠼?jīng)1 200 ℃烘燒后2#試樣料渣基本處于熔融狀，粘度小，因此已基本從磚樣上流淌下來，只有少量侵蝕入磚表面形成附著。而從圖13可看出1#耐火磚樣受到輕微的侵蝕，熔渣與磚樣的接觸面很緊湊，在接觸面及其附近，熔渣內(nèi)部形成較多大小不一的孔洞，而且熔渣有分層現(xiàn)象出現(xiàn)，因此渣料有較強(qiáng)的粘掛渣料能力。主要是因?yàn)樵?#試樣中加入的出窯渣的主要成分為鐵的氧化物，即鐵的加入有助于提高掛渣性能，與廠家的工藝方向一致。但廠家實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)中揮發(fā)窯運(yùn)行并不穩(wěn)定，可能與入窯料中所添加的鐵屑的組成與加入量等技術(shù)指標(biāo)有關(guān)。

4 結(jié)語

煉鋅揮發(fā)窯運(yùn)行時(shí)為堿性高溫氣氛，F(xiàn)eO-SiO2系統(tǒng)極易形成熔點(diǎn)較低的物相，一方面降低了入窯料的熔點(diǎn)，較早形成對(duì)耐火磚的掛渣保護(hù)，利于生產(chǎn)的進(jìn)行，另一方面低熔點(diǎn)物相較多，侵蝕能力增加，窯內(nèi)溫度波動(dòng)時(shí)易引起窯內(nèi)熔融物流淌，引起洗窯，結(jié)圈，高溫物相結(jié)塊等事故。

南方有色冶煉廠鋅浸出渣基本理化指標(biāo)與廠家技術(shù)指標(biāo)較為吻合，然而入窯物料中添加鐵屑的工藝操作不夠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，具體的原因及技術(shù)指標(biāo)還有待更深入的研究。

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Study on the physical property of zinc leaching residue in Guangxi Nanfang smelter

HUANG Yu-fei, LIANG Qing-fu

The long-term instability of zinc leaching residue volatile kiln in Guangxi Nanfang smelter has serious impact on the production, such as poor slag hanging capability, serious erosion of refractory lining in the volatile area, and easy ring forming in cooling zone. The physical properties of zinc leaching residue in Nanfang smelter are further studied by investigation and test analysis in this paper. According to the results, technical indicators of tested leaching residue’s physical property are consistent with the technical indicators in Nanfang smelter. The composition of kiln feed needs to be adjusted as the content of low melting point phases is relatively high. Further studies will be required due to the unscientific and imprecise operations with iron scrap addition in leaching residue in Nanfang smelter.

zinc leaching residue; volatile kiln; physical property; slag hanging

黃育飛(1984—)，男，廣西玉林人，碩士，講師，主要從事耐火材料的基礎(chǔ)應(yīng)用研究。

廣西教育廳科研課題 (YB2014334) 資助項(xiàng)目

2016-- 05-- 04

TF813

B

1672-- 6103(2017)02-- 0033-- 05