降低礦熱電爐水淬渣含鋅的原理分析及措施

魯吉祥

摘要：介紹了礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉的基本原理，對熔渣氧化鋅活度的影響因素進(jìn)行了分析，堿性渣有利于氧化鋅的還原。對影響水淬渣含鋅的操作條件控制因素：熔渣酸堿度、加料量、爐溫、焦炭配比等進(jìn)行了分析，提出了優(yōu)化方向和措施。并進(jìn)一步降低水淬含鋅至設(shè)計(jì)指標(biāo)，取得良好經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：礦熱電爐;水淬渣含鋅;渣型

一、前言

礦熱電爐煉鋅具有體積小、占地面積小、熱效高等特點(diǎn)，由于采用鋅焙砂或其他含鋅物料作為原料，成本低且來源廣泛，同時(shí)礦熱電爐工藝設(shè)備簡單易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化，加之電爐鋅粉活性強(qiáng)、凈化效果好，有其獨(dú)特的優(yōu)勢。

某廠礦熱電爐生產(chǎn)渣含鋅普遍在13%以上，造成很大經(jīng)濟(jì)損失。降低水淬渣含鋅是提高鋅直收率的關(guān)鍵措施。本文主要從礦熱電爐主要的工藝原理出發(fā)，通過分析熔池氧化鋅的碳還原條件，尋找工藝控制的薄弱環(huán)節(jié)，提出對應(yīng)措施，以期減低水淬渣含鋅，提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

二、礦熱電爐煉鋅的基本原理

礦熱電爐煉鋅是將鋅焙砂用碳還原出金屬鋅的過程，鋅焙砂被碳還原，實(shí)際是由CO還原，主化學(xué)反應(yīng)是：

該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，需要溫度在1000℃以上。鋅焙砂和焦炭及熔劑的混合物料加入爐內(nèi)后，焦炭在高溫下迅速氣化：C+CO2=CO，鋅焙砂中的氧化鋅部分直接與一氧化碳發(fā)生氣固反應(yīng)直接還原，大部分（約60%）鋅焙砂中的的氧化鋅進(jìn)入熔池，熔融后主要以熔池形式和一氧化碳?xì)怏w發(fā)生氣液反應(yīng)被還原。

三、鋅金屬損失的原因分析

由于該廠電爐鋅粉工藝沒有制粒工序，直接采用焙砂或氧化鋅粉（80-200目）為電爐鋅粉原料。根據(jù)鋅金屬損失的物料形態(tài)，由兩部分構(gòu)成，一是未反應(yīng)的物料直接被爐氣帶走：根據(jù)氣固反應(yīng)的收縮核動力模型，受制于物相擴(kuò)散速率和多元反應(yīng)速率，入爐焙砂來不及反應(yīng)，直接隨爐氣飄入爐體后冷凝系統(tǒng)，以焙砂的形式混入鋅粉，鋅粉有效鋅指標(biāo)下降。

另外一部分是，熔池中未會發(fā)還原完全、留在熔渣中的鋅金屬損失。礦熱電爐熔池鋅的損失主要有兩個(gè)方面：一是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)，熔池中氧化鋅受制于反應(yīng)限度和反應(yīng)條件，未能全部還原，渣含鋅高于指標(biāo)以放渣形式排出，造成鋅的損失;二是由于該廠所用鋅焙砂不是全熟料，焙砂含殘硫約0.6%，主要以硫化鋅和硅鐵硫酸鹽鋅的化合物形式存在，鋅的硫化物還原比較氧化鋅還原更為困難，大部分不能還原，造成損失。

就實(shí)際情況來說，熔渣中氧化鋅含量偏高，是鋅損失的主要原因，也是導(dǎo)致電爐鋅粉成本較高的主要原因，降低水淬渣含鋅是減少鋅損失、降低鋅粉生產(chǎn)成本的當(dāng)務(wù)之急。

四、控制渣含鋅的工藝條件影響分析

渣含鋅是反應(yīng)爐況的重要指標(biāo)之一，根據(jù)氧化鋅碳還原平衡圖（見右圖），反應(yīng)的控制條件不同，氧化鋅的活度不同，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別代表了氧化鋅在活度為a（ZnO）=1.0? 1.0? 0.1? 0.05? 0.01下的五種不同條件下的反應(yīng)平衡曲線。

可見：在一定溫度和還原氣氛P（CO2）/P（CO）下，活度不同，反應(yīng)限度不同，選擇合適的爐渣成分是降低渣含鋅的主要方法。渣型的控制尤為重要;活度一定，溫度一定，還原反應(yīng)則對還原氣氛提出要求;還原氣氛和氧化鋅活度一定，則需要調(diào)整溫度達(dá)到控制條件。

（一）爐渣是金屬還原提煉過程中的產(chǎn)物，礦熱電爐還原煉鋅爐渣的主要作用是發(fā)熱傳導(dǎo)熱量使含鋅物料受熱變?yōu)橐合?，氧化鋅在熔池得以還原揮發(fā)。該作用通過控制爐渣的化學(xué)組成、溫度及其所具有的物理化學(xué)性質(zhì)（酸堿度、黏度等）來實(shí)現(xiàn)的。要合理地選擇爐渣成分，使之具有優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)，如適當(dāng)?shù)娜刍瘻囟群退釅A度，較低的粘度和密度等，以利于鋅的碳還原反應(yīng)發(fā)生。

在實(shí)際生產(chǎn)中，則根據(jù)進(jìn)廠原料性質(zhì)和成分的特點(diǎn)，結(jié)合礦熱電爐的操作要求，選擇較合理的渣成分。氧化鈣含量高能使渣含鋅大幅度地降低，因通常采用高鈣渣型。這樣做主要有以下兩個(gè)原因：一是由于氧化鈣是三元爐渣（SiO2-FeO-CaO）中較強(qiáng)堿性的氧化物，能將渣中溶解的鋅（ZnO·SiO2） 置換出來，利于氧化鋅被一氧化碳和固體碳還原。適當(dāng)提高氧化鈣可提高渣中氧化鋅活度，有利于爐渣中的鋅更好地還原揮發(fā)。二是在一氧化碳還原氣氛下，氧化鈣能部分地分解硫化鋅為金屬鋅，其反應(yīng)式如下：ZnS+CaO+CO——CaSO4 +Zn+CO2。提高氧化鈣組分，有利于降低以硫化鋅和及硫酸鹽化合物形態(tài)的鋅損失。

（二）控制爐內(nèi)還原氣氛

氧化鋅的碳還原比較困難，需要較強(qiáng)的還原氣氛。由鋅碳還原圖可知，提高爐內(nèi)還原氣氛，維持較低的P（CO2）/P（CO），在平衡常數(shù)一定的情況下，有利于氧化鋅最大限度的還原，降低還原后熔池內(nèi)氧化鋅的成分。同時(shí)，由于還原后的鋅蒸汽易被二氧化碳氧化，適當(dāng)提高碳鋅比，配料時(shí)提高碳過剩系數(shù)，維持較低的P（CO2）/P（CO），能有效防止鋅的再氧化，提高鋅粉有效鋅指標(biāo)。

（三）溫度控制

爐內(nèi)還原氣氛和爐渣流動性和酸堿性（氧化鋅活度）較好時(shí)，則需要控制溫度，使還原反應(yīng)進(jìn)行。

五、工藝控制措施

降低水淬渣含鋅，主要有以下幾個(gè)方面采取措施：

（一）適宜渣酸堿度和較低的黏度

氧化鋅在爐渣中的活度，取決于爐渣的相應(yīng)組成并在很大程度上依賴于其中的氧化鈣和二氧化硅的含量。渣型控制不良，酸堿性和渣粘度控制沒有達(dá)到還原反應(yīng)需要的較好條件，造成渣中氧化鋅的活度很低，渣含鋅未能充分還原。煉鋅就是煉渣，渣型控制十分重要。

礦熱電爐還原生產(chǎn)鋅粉采用SiO2-FeO-CaO三元熔渣，三種氧化物占爐渣總量的80-85%，熔點(diǎn)在約1100-1300之間，導(dǎo)電率及密度均適中，黏度可小于0.5Pa·s，達(dá)到合理的條件。

在合適爐溫下，控制熔池CaO/SiO2在1.0-1.2，氧化鈣14-25%，二氧化硅26-32%，氧化亞鐵20-28%，具有較好的流動性，氧化鋅活度較高，有利于氧化鋅的渣還原。

同時(shí)中性偏堿渣對鎂鉻渣線爐磚的化學(xué)腐蝕較小，利于延長爐磚爐襯使用時(shí)間，提高爐壽。

（二）穩(wěn)定加料量

在配料比一定的情況下，熔池反應(yīng)有一定的速度，當(dāng)加料速度過大時(shí)，物料直接慢慢富集于熔池，熔渣變稠粘度增大，流動性下降，造成還原反應(yīng)程度降低，部分氧化鋅沉積，加劇了反應(yīng)困難，最后隨熔渣放出，造成水淬渣含鋅偏高。所以穩(wěn)定加料量十分重要，杜絕大料量和料量投入變化過大過猛的操作。應(yīng)按照固定料量長周期均勻投料，如需調(diào)整投料量時(shí)，應(yīng)按照逐漸微調(diào)的方式進(jìn)行調(diào)整，盡量做到“均勻連續(xù)”。同時(shí)及時(shí)探渣，注意爐況和熔池下部的流動性，根據(jù)爐況及時(shí)做出相應(yīng)調(diào)整。在放渣前，適當(dāng)減少或者停止加料，以增加爐渣反應(yīng)時(shí)間和充分程度、減少鋅的渣損失。

（三）爐溫控制

氧化鋅的碳還原，按照反應(yīng)機(jī)理是發(fā)生三個(gè)過程：a.吸附在氧化鋅的一氧化碳還原氧化鋅;b.碳表面產(chǎn)生的二氧化碳被碳還原;c.氧化鋅和固體碳之間氣體擴(kuò)散。這三個(gè)過程幾乎同時(shí)發(fā)生并互相聯(lián)系，其最慢的過程控制了這個(gè)反應(yīng)的速度。相關(guān)研究表明，氧化鋅的一氧化碳還原的快慢是決定整個(gè)反應(yīng)速度大小的主要環(huán)節(jié)。

氧化鋅的碳還原，是一個(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)，爐料保持必要的顯熱，過熱到1000或1100℃，一方面提供反應(yīng)所需的大量熱焓，一方面提高反應(yīng)過程所有基元反應(yīng)的速度，使氧化鋅迅速還原，同時(shí)高溫利于提高渣的流動性。從現(xiàn)有控制溫度1040-1070，適當(dāng)提高爐頂溫度至1100-1140℃，以提高整個(gè)爐內(nèi)反應(yīng)速率，十分必要。

（四）焦炭比例

焦炭配比取決于入爐物料中主要金屬氧化物還原的理論碳量，在實(shí)際生產(chǎn)中，焦炭過剩系數(shù)為1.1-1.2，維持良好的還原氣氛，保證氧化鋅還原所必需用量。

電爐還原時(shí)，還原氣氛過高，則會造成鐵的還原。上圖所示：曲線d所示為氧化亞鐵還原為金屬鐵曲線，只有控制條件在曲線d下方，氧化亞鐵才不被還原。在實(shí)際生產(chǎn)中，三相電極中心圈溫度在1300至1450℃左右，這就要求焦炭過剩系數(shù)不能太高，否則造成鐵的還原，生鐵不易放出，惡化爐況。在實(shí)操作過程中，三相電流若都存在持續(xù)頻繁性跳動，大小不易控制，則標(biāo)志著熔渣鐵還原已經(jīng)部分地發(fā)生、爐底部分積鐵，為避免可能的爐況繼續(xù)惡化，需要及時(shí)采取下調(diào)焦炭配料比例或其他等相關(guān)操作。

六、具體效果

根據(jù)有關(guān)研究，鋅的火法碳還原反應(yīng)，要使熔渣中氧化鋅完全還原，氧化亞鐵勢必還原為金屬鐵，將造成生產(chǎn)操作困難，渣含鋅在3%時(shí)，在礦熱電爐氧化鋅還原將基本不再進(jìn)行。

通過生產(chǎn)實(shí)踐，控制良好的爐況操作條件，該廠電爐鋅粉生產(chǎn)已達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，渣含鋅已降至8%以下。

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