安陽(yáng)岷山鉛冶煉新工藝生產(chǎn)實(shí)踐

何志軍

（安陽(yáng)岷山有色金屬有限責(zé)任公司，河南 安陽(yáng) 455000）

1 前言

安陽(yáng)岷山有色金屬有限責(zé)任公司始建于1992年，是一家集有色冶煉、綜合回收、國(guó)際貿(mào)易為一體的綜合性企業(yè)。目前，年產(chǎn)15萬(wàn)噸國(guó)標(biāo)1#電解鉛，可綜合回收電解鋅2萬(wàn)噸、黃金500公斤、銀300噸、銻300噸，碲5噸，鉍200噸，銦5噸、硫酸12萬(wàn)噸。公司冶煉工藝為富氧底吹熔煉-液態(tài)鉛渣直接還原-煙化提鋅一體化生產(chǎn)工藝。

2 工藝配置

岷山鉛冶煉新工藝由安陽(yáng)市岷山有色金屬有限責(zé)任公司與中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，它由富氧底吹熔煉爐和底吹熔融還原爐組成。項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)噸/年，配套有Φ4.1×14.5米富氧底吹熔煉爐、Φ4.1×17.5米底吹熔融還原爐、10m2煙化爐，階梯設(shè)計(jì)、熱渣通過(guò)溜槽直接輸送，并于2011年在河南安陽(yáng)建成投產(chǎn)使用。該工藝一方面無(wú)需將熔融的高鉛渣進(jìn)行鑄塊（燒結(jié)塊）而直接進(jìn)入還原爐，另一方面在還原爐渣利用位差通過(guò)溜槽自流進(jìn)煙化爐階段，可以省去電熱前床和渣包等工序。因此該工藝具有清潔、低碳、工藝流程短等優(yōu)點(diǎn)。

3 原理

硫化鉛精礦經(jīng)過(guò)富氧底吹熔煉爐進(jìn)行脫硫，產(chǎn)出的高鉛渣和熔融鉛通過(guò)溜槽自流進(jìn)還原爐內(nèi)，煤粉作為燃料和還原劑通過(guò)氧槍從爐底噴入，在還原熔煉過(guò)程中生成富集金、銀、銅、銻、鉍等貴金屬的二次粗鉛、還原爐渣及高溫?zé)煔?。其中，二次粗鉛送電解車間，還原爐渣則利用位差通過(guò)溜槽自流進(jìn)煙化爐，還原過(guò)程發(fā)生的主要反應(yīng)如下：

對(duì)于液固反應(yīng)（反應(yīng)4、5、6和7），從熱力學(xué)上分析是可行的。在動(dòng)力學(xué)上，起初液態(tài)渣中PbO的濃度很高，則煤粉進(jìn)入渣相后反應(yīng)迅速。但反應(yīng)中有Pb新相生成，由新相成核理論可知，鉛的析出將從煤粉表面開(kāi)始，并逐漸形成一層鉛膜并覆蓋煤粉，進(jìn)而使煤粉表面與渣相的接觸面積減小，則反應(yīng)速度迅速降低。

對(duì)于氣液反應(yīng)（反應(yīng)3），反應(yīng)在渣相和爐氣之間進(jìn)行。但由于缺乏動(dòng)力學(xué)條件而受阻。因?yàn)檫€原反應(yīng)生成的Pb新相具有很大的比表面能，這就要求具有較高的Pb濃度，然而這在渣相中是不可能出現(xiàn)的，只有在接觸面上有異相形核條件時(shí)，反應(yīng)才會(huì)穩(wěn)定進(jìn)行，因此，氣液反應(yīng)生成的鉛是有限的。

對(duì)于氣固反應(yīng)（反應(yīng)1和2），實(shí)際上就是煤粉的燃燒反應(yīng)。但對(duì)與岷山集團(tuán)液態(tài)鉛渣直接還原工藝而言，噴入的煤粉可以分為三部分：一部分被熔體捕獲進(jìn)入熔渣；第二部分被氣體帶出熔池，帶出的同時(shí)進(jìn)行燃燒反應(yīng)；第三部分在未被帶出的熔池時(shí)就已被完全燃燒。由于反應(yīng)中氣體的流速較大，則第三部分可忽略不計(jì)。氣體在熔池內(nèi)停留的時(shí)間較短，生成的CO量有限，其還原作用無(wú)法充分發(fā)揮；此外，反應(yīng)2的反應(yīng)平衡時(shí)間遠(yuǎn)大于氣體在熔池的停留時(shí)間，因此氣固反應(yīng)對(duì)還原效果影響不大。

由以上分析可知，液態(tài)渣直接還原工藝的主要反應(yīng)是煤粉與渣相之間的還原。即還原爐還原可分為三個(gè)階段，第一段為加熱階段、第二為還原階段、第三為沉淀階段。

4 試生產(chǎn)過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題

安陽(yáng)岷山鉛冶煉新工藝設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)噸/年，投產(chǎn)后隨著設(shè)備的不斷優(yōu)化，操作規(guī)程的不斷完善，實(shí)際生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到了13萬(wàn)噸/年，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。底吹熔融還原爐是直接煉鉛過(guò)程中高鉛渣還原反應(yīng)的主要設(shè)備，由于其可直接利用高鉛渣的熱焓進(jìn)行還原，故相比于傳統(tǒng)鼓風(fēng)爐具有改善現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境、降低能耗等優(yōu)點(diǎn)。然而，在還原過(guò)程中還存在以下問(wèn)題：

（1）還原過(guò)程中產(chǎn)出泡沫渣，不利于渣的排放。

（2）渣相含鉛高（一般為2.5%～4%左右），降低的鉛的直收率。

（3）作業(yè)率低：噴槍壽命短、溜槽損壞、直升煙道堵塞、鑄錠機(jī)故障等。

底吹熔融還原過(guò)程是一個(gè)涉及冶金傳輸原理和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜多相流動(dòng)過(guò)程，其爐內(nèi)的高溫熔體、粉煤、氣相以及渣相之間的多相流動(dòng)行為還原過(guò)程具有重要影響。因此為了更好地研究還原爐中各個(gè)相之間的流動(dòng)過(guò)程，有必要對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬。

5 底吹熔融還原的數(shù)學(xué)模擬

圖1 噴槍截面粉煤分布云圖

圖2 6s時(shí)噴槍截面粉煤分布規(guī)律圖

高鉛渣的底吹熔池熔煉還原過(guò)程是以煤粉作為還原劑，將高鉛渣中的氧化鉛還原成金屬鉛。因此，為了更直觀的了解煤粉在還原過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，我們選取了一個(gè)噴槍截面為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)多次迭代求解結(jié)果如圖1和2所示。

圖1和2分別是噴槍截面粉煤分布云圖及其6s時(shí)截面粉煤分布規(guī)律圖。從圖中我們認(rèn)為：

（1）煤粉顆粒跟隨載荷氣體一起運(yùn)動(dòng)，一部分分布在氣團(tuán)內(nèi)部，另一部分分布在氣液交界面上；

（2）熔池充分?jǐn)嚢钑r(shí)，煤粉顆粒跟隨熔體的攪拌在爐壁處聚集，并伴隨著沉降。

然而在實(shí)際的還原過(guò)程中，氣體通過(guò)爐子底部的噴槍進(jìn)入熔池，并利用氣體所具有的動(dòng)能對(duì)熔融液態(tài)高鉛渣進(jìn)行攪拌，使其和煤粉充分接觸，提高還原反應(yīng)速率?？梢?jiàn)爐內(nèi)氣液固三相的流動(dòng)過(guò)程對(duì)提高底吹熔融還原爐運(yùn)行效率至關(guān)重要。因此，我們按照現(xiàn)場(chǎng)工況1:1建立三維模擬，經(jīng)過(guò)多次迭代求解并統(tǒng)計(jì)了還原爐中的氣含率、熔體平均流速和熔體平均湍動(dòng)能隨時(shí)間的變化關(guān)系，求得結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)分析圖3，認(rèn)為計(jì)算時(shí)間達(dá)到以后，還原爐內(nèi)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，提取爐內(nèi)煤粉分布，如圖4所示。

圖4 還原爐內(nèi)煤粉分布圖

采用數(shù)值模擬的方法對(duì)底吹熔池熔煉爐內(nèi)氣液兩相流進(jìn)行研究，底吹煉鉛還原爐熔煉過(guò)程中，氧槍傾角、氧槍直徑和熔池深度等因素對(duì)熔池熔煉過(guò)程影響較為明顯。需要具體分析各個(gè)因素的影響規(guī)律，采用矩陣分析方法對(duì)底吹熔池熔煉爐進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析，為底吹熔池熔煉爐的實(shí)際操作過(guò)程提供理論依據(jù)。

6 實(shí)驗(yàn)分析

在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件下，對(duì)還原爐進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，并選用氣含率、熔體平均流速和熔體平均湍動(dòng)能作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行氧槍傾角、氧槍直徑和熔池深度等操作參數(shù)對(duì)還原過(guò)程的影響，找出最優(yōu)區(qū)間。

由圖5、6和7，我們認(rèn)為最佳的氧槍傾角為10°～17°，噴槍直徑為40mm～60mm，熔池深度為800mm～1000mm。

圖5 氣含率、熔體平均流速和熔體平均湍動(dòng)能隨氧槍傾角的變化圖

圖6 氣含率、熔體平均流速和熔體平均湍動(dòng)能隨氧槍直徑的變化圖

圖7 氣含率、熔體平均流速和熔體平均湍動(dòng)能隨熔池深度的變化圖

7 底吹熔融還原工藝的優(yōu)化

7.1 泡沫渣的控制

還原爐在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)出幾次泡沫渣，存在較大的安全隱患，通過(guò)分析，泡沫渣主要發(fā)生在還原進(jìn)渣時(shí)，由于反應(yīng)比較劇烈，造成氣體量大，渣的黏度大。

主要解決辦法：

（1）高鉛渣的成分要控制好：殘硫不能太高，殘硫高會(huì)導(dǎo)致渣的黏度生高。

（2）控制渣的流量：渣量一次性過(guò)大，反應(yīng)激烈，氣體量大，容易產(chǎn)生泡沫渣。

（3）渣型不合理：渣含鋅高，渣的黏度升高。

（4）控制噴煤量：當(dāng)發(fā)生泡沫渣時(shí)，減小噴煤量，因?yàn)槊悍奂?xì)小的固體顆粒粘在氣泡液膜上，他使液膜的表觀黏度加大，從而阻止液膜上液體的排泄和氣泡的聚合，有利于泡沫的產(chǎn)生。當(dāng)反應(yīng)速度減慢，渣溫得到升高后，也就抑制了泡沫渣的產(chǎn)生。

通過(guò)過(guò)程的控制，生產(chǎn)上基本不會(huì)發(fā)生泡沫渣情況。

7.2 氧槍角度的改變

（1）解決渣含鉛高的問(wèn)題：在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程，還原爐渣含鉛偏高，渣含鉛在2.5%～4%之間，放出的渣中明鉛較多，可眼觀到金屬夾雜。根據(jù)數(shù)學(xué)模擬情況，當(dāng)噴槍角度改變氣相穿過(guò)熔池的作用距離變長(zhǎng)，增大了在熔池中的停留時(shí)間，熔池氣含率、平均流速和湍動(dòng)能逐漸增大，強(qiáng)化了熔池熔煉過(guò)程，提高還原的還原速度，可有效降低渣含鉛。同是明鉛的形成主要由于噴槍在鉛層形成攪拌，在沉淀區(qū)內(nèi)沒(méi)有完全沉降下來(lái)。如果把噴槍的角度進(jìn)行改變，不在鉛層攪拌、反應(yīng)，可減少渣中鉛的明鉛的夾雜。

（2）解決氧搶壽命短的問(wèn)題：氧槍在生產(chǎn)過(guò)程中使用壽命在15-20天，當(dāng)圍磚損壞后壽命更短，由于還原槍磚70CM長(zhǎng)，更換比較時(shí)間長(zhǎng)，使生產(chǎn)作業(yè)率低，如果氧槍角度改變，在渣層反應(yīng)，減少氧氣跟鉛金屬氧化放熱作用，從而對(duì)噴槍起保護(hù)作用，使之蝕損緩慢，延長(zhǎng)使用壽命。

（3）實(shí)施后效果：基于上述因素，岷山公司進(jìn)行了氧槍角度的改變，通過(guò)改變之后的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，達(dá)到了預(yù)期目的，渣含鉛中觀察不到明鉛的形成，渣含鉛控制在2%左右。氧槍壽命延長(zhǎng)到2個(gè)月，2015年全年換槍磚12套。

7.3 直升煙道的改造

在還原爐生產(chǎn)過(guò)程中，直升煙道下段會(huì)發(fā)生結(jié)渣情況，會(huì)造成堵塞、還原爐轉(zhuǎn)爐時(shí)把煙道下端膜式壁蒸汽管道頂起變形、管道高壓蒸汽泄露等安全問(wèn)題，經(jīng)過(guò)改造，在直升煙道膨脹結(jié)下段約2米的膜式壁更改為水套結(jié)構(gòu)，同時(shí)把清渣口加大。更改后的優(yōu)點(diǎn)：

（1）水套強(qiáng)度大，轉(zhuǎn)爐時(shí)不會(huì)變形，不會(huì)發(fā)生高壓蒸汽泄露安全隱患。

（2）循環(huán)水溫度低爐結(jié)生成慢。（3）打渣口加大，方面清渣。

7.4 渣槽的改變

底吹爐放高鉛渣經(jīng)過(guò)溜槽進(jìn)入還原爐，高鉛渣溜槽原設(shè)計(jì)鑄鋼，由于渣流量大損壞頻繁，后改為全水套，水套渣槽也存在高鉛渣的沖刷腐蝕，主要表現(xiàn)在渣包處沖刷、轉(zhuǎn)彎沖刷、處入爐口高溫?zé)龘p，經(jīng)常漏水造成停產(chǎn)補(bǔ)焊。最終把接渣包放大，鋼水套結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯耐火磚；渣溜槽部分全部更換為銅水套結(jié)構(gòu)。流入還原爐更換圍銅溜槽，徹底解決了渣槽損壞影響生產(chǎn)的瓶頸。

7.5 鑄錠機(jī)的優(yōu)化

還原爐配置鑄錠機(jī)直徑7.6米，17塊鉛模，由于還原爐產(chǎn)量比設(shè)計(jì)值大，每天粗鉛量在350～450噸之間，造成鉛液冷卻不下來(lái)或吊裝不下來(lái)，設(shè)備也因負(fù)荷大故障大，導(dǎo)致鑄不了錠而壓縮產(chǎn)量。而后，利用大修時(shí)間更換大直徑11米大的鑄錠機(jī)，同時(shí)增加一套除銅鍋，鉛液直接通過(guò)溜槽入鍋，現(xiàn)場(chǎng)直接除銅，把鉛水拉到電解車間直接鑄陽(yáng)極板。通過(guò)改造，產(chǎn)能得到發(fā)揮，現(xiàn)場(chǎng)工人強(qiáng)度得到降低，生產(chǎn)環(huán)境也得到改善。

8 結(jié)論

安陽(yáng)岷山公司鉛冶煉采用富氧底吹熔煉-底吹熔融還原-煙化提鋅一體化生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)了短流程冶煉，建立了鉛高效清潔冶煉樣板工程，節(jié)能減排效果明顯，環(huán)境保護(hù)效益顯著，生產(chǎn)作業(yè)率得到提升，工藝指標(biāo)得到優(yōu)化，冶煉產(chǎn)能由設(shè)計(jì)的10萬(wàn)噸/年，可達(dá)到13～15萬(wàn)噸每年，渣含鉛可控制在2%以內(nèi)，回收率大于98%。該工藝推動(dòng)了鉛冶煉行業(yè)的技術(shù)升級(jí)，培養(yǎng)了一批工程技術(shù)人員和技術(shù)骨干，促進(jìn)了行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，為世界有色金屬鉛冶煉行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步作出了突出的貢獻(xiàn)。