鉛冰銅一步熔煉新工藝的機(jī)理與應(yīng)用

楊衛(wèi)嚴(yán)，周亮亮

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

鉛冰銅是火法煉鉛過程中產(chǎn)生的一種含鉛銅硫化合物的副產(chǎn)品。 其產(chǎn)出在粗鉛和爐渣之間分層沉淀后，是PbS、Cu2S、FeS 和ZnS 的共熔體，此外還含有一定量的Au、Ag、In 等貴重金屬[1]。 由于鉛礦成分及煉鉛熔煉爐操作制度的不同， 煉鉛所產(chǎn)生的鉛冰銅成分波動(dòng)比較大，銅、鉛含量分別在10%～30%和10%～50%之間波動(dòng)[2]。

目前， 處理鉛冰銅的工藝存在濕法和火法兩個(gè)方向， 其中處理冷態(tài)鉛冰銅的火法工藝有反射爐工藝和轉(zhuǎn)爐工藝兩種。 國內(nèi)工廠采用反射爐工藝的大多采用蘇打—硫精礦熔煉，但熔煉效果并不理想：粗鉛的直收率比較低， 產(chǎn)出的砷冰銅鉛合金含量比較高，且金、銀大部分富集在合金里，熔煉爐渣與合金的分離效果也不好[3]。直接燃煤的反射爐同時(shí)還存在熱效率低、能耗高、操作環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、爐窯壽命短等缺點(diǎn)，已不能滿足當(dāng)前的環(huán)保要求，被國家發(fā)展改革委修訂發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄（2019年版）》列為第三類淘汰類。鑒于此，本文擬介紹一種火法處理鉛廠鉛冰銅的新工藝。

1 處理鉛冰銅的新工藝介紹

1.1 處理鉛冰銅的基本原理

新工藝處理鉛冰銅的過程分為氧化吹煉、 堿性吹煉及還原熔煉。

1）氧化吹煉的基本原理。 銅中存在的大多數(shù)雜質(zhì)對(duì)氧的親和力都大于銅對(duì)氧的親和力， 但因熔體中銅占絕大多數(shù)而雜質(zhì)占極少數(shù)， 故其氧化機(jī)理可認(rèn)為銅首先發(fā)生氧化作用，化學(xué)反應(yīng)見式（1）：

溶解于銅熔體中的Cu2O 與其中的金屬雜質(zhì)接觸時(shí)便被這些金屬雜質(zhì)（Me）將氧奪去，化學(xué)反應(yīng)見式（2）。

生成的雜質(zhì)氧化物一般在銅液中溶解度很小，且比重又較輕，因此借助銅液的翻騰作用，迅速地浮出液面，一部分和加入的熔劑結(jié)合成為爐渣，一部分揮發(fā)除去。

2）堿性吹煉的基本原理。氧化吹煉時(shí)，為進(jìn)一步除去銅液中的砷、銻，可加入堿性熔劑蘇打或石灰[m（CaO）:m（CaF2）=3:1]使之生成不溶于銅液的砷酸鹽和銻酸鹽，上浮到熔體表面而被除去，化學(xué)反應(yīng)見式（3）～式（6）。

3）還原熔煉的基本原理。 還原熔煉過程的主要目的是除氧，以保證銅的品位，化學(xué)反應(yīng)見式（7）和式（8）。

1.2 工藝流程描述

該新工藝的關(guān)鍵冶煉設(shè)備為轉(zhuǎn)爐，產(chǎn)品為粗銅。轉(zhuǎn)爐熔煉鉛冰銅工藝過程主要包括熔化、 吹煉、放渣、放銅等幾個(gè)工序，作業(yè)周期為間斷作業(yè)，每24 h為1 個(gè)作業(yè)周期，分別為熔化期、S1 吹煉期、S2 吹煉期及B 吹煉期。 不同時(shí)期的煙氣量略有波動(dòng)，煙氣為連續(xù)排放，詳細(xì)的作業(yè)制度見表1。

表1 轉(zhuǎn)爐作業(yè)制度 h

熔化期包括加料期和熔化期共6．5 h，期間向轉(zhuǎn)爐內(nèi)投加混合物料，加熱熔化后，熔化過程溫度控制在1 200 ℃左右；加入石英、純堿、石灰等熔劑并插風(fēng)管準(zhǔn)備進(jìn)入S1 吹煉期進(jìn)行造渣，爐溫控制在1 100～1 150℃。 S1 吹煉期包括吹煉期和倒渣期共5．5 h，在S1 吹煉期吹風(fēng)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)渣層情況。 通常情況下在渣層超過3 mm，同時(shí)保證一定的反應(yīng)時(shí)間后即可放渣； 放完渣后根據(jù)爐內(nèi)情況和調(diào)度指令開始加冷料；加完冷料后，重復(fù)進(jìn)行堿性熔煉（加石灰、純堿、插風(fēng)管吹煉）；S1 吹煉期堿性熔煉后，再次放渣，再次加冷料進(jìn)行S2 吹煉期；S1 吹煉期和S2 吹煉期完成后將轉(zhuǎn)入B 吹煉期，即開始除砷、除銻過程。 此過程還需插風(fēng)管吹煉，只是少加石英砂，加大純堿或石灰的用量，控制爐溫1 050～1 100 ℃左右。 除砷、銻約1 h，即可從爐內(nèi)取銅液樣分析含砷情況。 待爐內(nèi)銅含砷＜0．5%時(shí)， 則快速升溫至1 150 ℃左右，準(zhǔn)備出銅；若爐內(nèi)含砷量未達(dá)到要求則繼續(xù)吹煉。出銅時(shí)要停止加熱， 并在爐內(nèi)銅液面上覆蓋一層薄口的石英砂，轉(zhuǎn)爐熔體出口則用石英砂堆砌起一道“壩”。這樣既可順利產(chǎn)出粗銅，又能有效地控制好銅液的流動(dòng)速度，有利于粗銅澆鑄。

轉(zhuǎn)爐煙氣收塵系統(tǒng)工藝流程為：轉(zhuǎn)爐煙罩出口煙氣→噴霧冷卻器→高溫過濾收塵器→排風(fēng)機(jī)→脫硫→尾氣煙囪。從轉(zhuǎn)爐煙罩出口排出的溫度為813 ℃，含塵質(zhì)量濃度為36．75 g/m3的煙氣（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，下同），經(jīng)噴霧冷卻并沉降部分煙塵，使煙氣溫度降至350 ℃，然后進(jìn)入高溫過濾收塵器凈化，使出口含塵質(zhì)量濃度降至30 mg/m3以下并送往脫硫系統(tǒng)處理。

1.3 關(guān)鍵設(shè)備轉(zhuǎn)爐規(guī)格選擇

目前， 中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司正在設(shè)計(jì)的國內(nèi)某鉛冶煉廠10 kt/a 鉛冰銅熔煉項(xiàng)目采用的就是該工藝。以下結(jié)合該項(xiàng)目，對(duì)其關(guān)鍵設(shè)備轉(zhuǎn)爐規(guī)格選擇作簡(jiǎn)要闡述。

根據(jù)冶金計(jì)算，轉(zhuǎn)爐日處理冰銅物料為10 000/330=30．30 t。本設(shè)計(jì)選擇熔煉強(qiáng)度為：1 t/（m3·d）。熔煉爐的計(jì)算容積見式（9）。

根據(jù)爐體結(jié)構(gòu)和工藝需要， 設(shè)計(jì)確定轉(zhuǎn)爐規(guī)格的：Φ2．8 m×6．5 m。該熔煉爐的有效容積為32 m3，可滿足生產(chǎn)需要。

1.4 轉(zhuǎn)爐烘爐操作要點(diǎn)

轉(zhuǎn)爐作為新工藝的關(guān)鍵設(shè)備， 其烘爐對(duì)于整個(gè)工藝的操作過程尤為重要， 現(xiàn)將轉(zhuǎn)爐烘爐的操作要點(diǎn)表述如下：烘爐前，清理爐內(nèi)雜物，準(zhǔn)備好木柴、重柴油等烘爐燃料；檢查爐前低壓風(fēng)機(jī)、油泵能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，輸油管道、煙道是否通暢，轉(zhuǎn)爐的傳動(dòng)裝置及各種設(shè)備是否完好，收塵系統(tǒng)是否處于可開狀態(tài)；確認(rèn)無誤后方可點(diǎn)火烘爐。烘爐時(shí)，在轉(zhuǎn)爐的整個(gè)底部裝入木柴，使轉(zhuǎn)爐特別是爐頂能得到均勻加熱，避免局部過熱現(xiàn)象。 當(dāng)溫度達(dá)到200 ℃時(shí)才能開始燒重柴油。整個(gè)烘爐過程需嚴(yán)格按照烘爐升溫曲線執(zhí)行，嚴(yán)禁急冷急熱，烘爐時(shí)間約240 h。 烘爐升溫曲線如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐烘爐升溫曲線

2 新工藝主要技術(shù)參數(shù)

國內(nèi)某鉛冶煉廠10 kt/a 鉛冰銅熔煉項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中， 使用METSIM 計(jì)算軟件進(jìn)行了鉛冰銅熔煉過程模擬計(jì)算，鉛冰銅熔煉熱平衡詳見表2，本項(xiàng)目鉛冰銅含鉛9%， 作業(yè)過程中其走向分布如下：約60%的鉛進(jìn)入到吹煉渣，約30%的進(jìn)入到煙塵，剩余約10%的鉛進(jìn)入了粗銅。

表2 鉛冰銅熔煉熱平衡

基于10 kt/a 鉛冰銅處理量，新工藝主要技術(shù)參數(shù)詳見表3。

表3 新工藝主要技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)語

轉(zhuǎn)爐富氧熔煉處理鉛冰銅是火法處理鉛冰銅的一次新工藝研發(fā)。 此工藝的創(chuàng)新之處在于通過適當(dāng)提高吹煉風(fēng)含氧濃度來增強(qiáng)熔煉強(qiáng)度。 此工藝在1臺(tái)熔煉爐內(nèi)分別完成熔煉、吹煉階段作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了不同除雜功能。轉(zhuǎn)爐處于一個(gè)完全密封煙罩里，其操作生產(chǎn)清潔與環(huán)保。轉(zhuǎn)爐配套設(shè)計(jì)有燃燒系統(tǒng)、吹煉系統(tǒng)以及儀表控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工藝操作的全自動(dòng)化。綜上所述， 鉛冰銅一步熔煉新工藝具有可行性和潛在市場(chǎng)，且在國內(nèi)已有工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，符合當(dāng)前產(chǎn)業(yè)政策，也順應(yīng)鉛冰銅冶煉方面的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用前景。