對電爐煉鋅、粗鋅精餾工藝及物料平衡的探討

劉予成

（文山學院 冶金與材料學院，云南 文山 663099）

鋅是一種重要的工業(yè)原材料，廣泛應(yīng)用于電氣、機械、軍事、冶金、化學、醫(yī)藥等眾多領(lǐng)域。我國鉛鋅礦資源儲量豐富、分布廣泛，但是大礦少、小礦多；富礦少、貧礦多；易采易選礦少、難采難選礦多。絕大部分探明礦點已經(jīng)得到開發(fā)利用，未被開發(fā)利用的儲量大多集中在建設(shè)條件和資源條件不好的礦區(qū)，后備資源缺乏[1-2]。盡管我國鋅工業(yè)出現(xiàn)投資熱，但在全球市場競爭中的優(yōu)勢并不明顯，特別是隨著國內(nèi)鋅礦產(chǎn)資源的下降，鋅產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力嚴重削弱[3]?；谫Y源、能源與環(huán)境保護等多方面考慮，推進資源循環(huán)利用，建立高產(chǎn)出、低消耗、重環(huán)保的產(chǎn)業(yè)格局，對促進我國鉛鋅礦業(yè)科學健康發(fā)展具有十分重要的意義。

鋅冶煉工藝分為火法和濕法冶煉兩種，本文采用火法冶煉工藝主要是根據(jù)項目礦石性質(zhì)、鋅銦回收率確定，本文所用原礦為高鐵含鋅銦礦，此種礦石為“難采、難選、難冶”三難多金屬礦[4-5]。濕法冶煉浸出率低、投資大、效果差，銦回收率僅為50%；火法冶煉鋅銦回收率較好，銦回收率可以提高至80%，鋅回收率比濕法冶煉可以提高2%左右[6]，因此根據(jù)礦石自身特點，選用火法冶煉工藝，為下一步從硬鋅渣中提取銦工藝提供理論數(shù)據(jù)。

1 生產(chǎn)原料和輔料

1.1 原料

文章所用原礦為高鐵含鋅銦礦，以高溫氧化沸騰焙燒產(chǎn)出的鋅焙砂作為煉鋅的主要原料。其化學成分為：Pb為0.0649%、As為0.429%、Fe為18.07%、S為0.54%、Cu為0.897%、Sb為0.0075%、Zn為55.58%、Ag為0.0025%、F為0.047%、Cd為0.0875%、Cl為0.318%、SiO2為3.16%、CaO為1.05%、MgO為0.53%、Al2O3為0.78%、In為0.045%。

1.2 輔助材料

電爐煉鋅所需要的還原劑為碎焦，其化學成分含量為：固定炭C為77.73%，灰分為20.63%，揮發(fā)分為1.64%，S為0.5%，P為0.1%，水份小于1.0%；對碎焦灰分分析，其化學成分含量為：SiO2為52.54%，CaO為4.23%，MgO為0.74%，Al2O3為19.76%，F(xiàn)e2O3為5.06%，其他為17.67%。熔劑主要為燒石灰和石英石，其中石灰化學成分含量為：CaO為87%，SiO2為0.487%，F(xiàn)e2O3為0.06%，MgO為0.21%，其他為12.243%；石英石化學成分含量為：SiO2為98.54%，F(xiàn)e為0.42%，MgO為0.34%，CaO為0.46%。

2 生產(chǎn)工藝

文章主要對電爐還原煉鋅、粗鋅精餾精煉的冶煉工藝進行研究。利用電能直接在電爐內(nèi)加熱爐料（鋅焙砂、氧化鋅礦、焦炭和生石灰熔劑等），經(jīng)熔煉連續(xù)蒸發(fā)出鋅蒸氣，然后驟速冷凝得到粗鋅產(chǎn)品，焙砂中的銦在電爐還原熔煉時大量揮發(fā)進入粗鋅，粗鋅再經(jīng)精鎦進一步可制取精鋅。

2.1 電爐熔煉

鋅焙砂、焦炭、生石灰、石英石按一定配備進行配料、混合，工藝流程見圖1。

圖1 電爐煉鋅工藝流程

在電爐還原熔煉中，將配好的原料定量間斷地給入密閉電爐內(nèi)。升溫至熔池溫度達1 250～1 350 ℃，焙砂中的ZnO被還原氣體CO還原成Zn蒸汽，經(jīng)爐氣出口進入飛濺式冷凝器，被石墨轉(zhuǎn)子揚起的“鋅雨”冷凝吸收匯入鋅池，當鋅池中的鋅液面高度超過290 mm后，即可放出液鋅澆鑄成粗鋅錠，電爐冶煉所產(chǎn)粗鋅中Zn含量為98.7%～99.5%。

液鋅因吸收鋅蒸汽熱量而使自身溫度不斷升高，為控制液鋅在450～550 ℃范圍內(nèi)，在飛濺式貯鋅槽中設(shè)置有可移動的U型冷卻水管對液鋅進行間接水冷，從而保證了最佳的冷凝效率，減少鋅灰生成，提高Zn的直接回收率。

2.2 粗鋅精鎦

精餾法的精餾原理是利用粗鋅中的雜質(zhì)各具不同沸點的特性，通過蒸餾、分餾過程，使Zn與其他雜質(zhì)金屬分離從而得到高純度的Zn，并使Pb、In、Cd等金屬分別得到富集。工藝流程見圖2。

圖2 粗鋅精餾工藝流程

在鋅精餾工藝流程中設(shè)置不同功能、不同塔盤的兩種塔即鉛塔和鎘塔，每個塔的溫度控制條件不同，就可以控制塔內(nèi)的蒸餾、冷凝回流、分餾量，使鋅與雜質(zhì)元素分離。將電爐熔煉車間的液體粗鋅（或粗鋅錠）經(jīng)精餾車間將液鋅包中的鋅加入熔化爐，經(jīng)煤氣加熱熔化為粗鋅液，送入鉛塔，鉛塔溫度控制在930 ℃左右，可將高沸點雜質(zhì)Fe、Pb、Cu、Sn、In從粗鋅中分離，其脫除率可達98～99%。鉛塔中部冷凝的脫除高沸點雜質(zhì)的含Cd液鋅流入鎘塔，鎘塔溫度控制在920℃左右脫除鋅液中的Cd等低沸點雜質(zhì)元素，鎘塔上部產(chǎn)出高鎘鋅錠、鎘塔下部的純鋅槽產(chǎn)出精鋅通過鑄錠機鑄成錠。鉛塔下部含高沸點雜質(zhì)的液鋅進入精煉爐，加鋁除鐵后得到硬鋅、B#鋅、粗鉛。鋁鐵鋅渣耙出冷卻、破碎后送電爐配料工段回收鋅。

3 物料平衡及金屬平衡

對電爐熔煉、精鋅精餾工藝流程進行物料平衡衡算，將鋅礦中S、Pb、Zn、Cd、As等金屬進行分析。

對電爐熔煉工藝流程進行物料平衡計算。按配比投入鋅焙砂59 808 t、碎焦炭9 420 t、燒石灰8 670 t、石英石7 057 t、蘭粉1 910 t、鋅灰4 742 t后，經(jīng)過電爐熔煉產(chǎn)出粗鋅32 000 t、鋅灰4 742 t、蘭粉1 910 t、爐渣33 000 t、積鐵放出18 924.5 t，整個電爐熔煉損失為1 030.5 t。

對電爐熔煉得到的粗鋅進行精餾，通過計算物料平衡得到，投入原料電爐產(chǎn)物粗鋅32 000 t，B#鋅13 148.98 t，經(jīng)過鎘塔，使鋅與鎘分離，產(chǎn)出精鋅28 726 t，B#鋅13 148.98 t，硬鋅2 180 t，鋅渣及氧化鋅575 t，高鎘鋅178.19 t，粗鉛24 t，鐵鋁合金116 t，整個精餾流程工藝損失200.81 t。

在電爐熔煉物料中，利用不同金屬沸點不同的特點，最終除去S、Pb、Cd、As等雜質(zhì)。電爐熔煉和粗鋅精餾工藝中金屬元素S、Pb、Zn、Cd、As、In的平衡詳見表4、5。

表4 電爐熔煉金屬平衡表

表5 粗鋅精餾金屬平衡表

電爐熔渣溫度控制在1 300～1 350 ℃之間，以上金屬在物料中主要以氧化態(tài)存在，在爐內(nèi)強還原劑CO的作用下，除部分留在渣中，其他形成金屬單質(zhì)全部揮發(fā)，經(jīng)3次冷卻吸收下來，尾氣中僅含少量的鋅和鎘，不含鉛、砷。物料中S主要是以硫化鋅的形式存在，在強還原條件下，不反應(yīng)，一部分留在渣中，一部分揮發(fā)冷卻后進入粗鋅、鋅灰、蘭粉水中。尾氣不含硫化鋅及SO2。

4 小結(jié)

（1）采用電爐熔煉粗鋅、粗鋅精餾的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)精鋅，工藝流程短、設(shè)備少，原料適應(yīng)性強，投資省。在電爐還原熔煉過程中揮發(fā)富集得到銦為29.854 t/a，銦得到了較好的揮發(fā)富集，銦進入粗鋅和粗鉛，為進一步富集和提煉銦提供了良好的基礎(chǔ)條件。

（2）在電爐還原熔煉工藝流程中，設(shè)置有可移動的U型冷卻水管對液鋅進行間接水冷，從而保證了最佳的冷凝效率，減少鋅灰生成、提高鋅的直接回收率，電爐冶煉所產(chǎn)粗鋅的品位為98.7～99.5%。

（3）在鋅精餾工藝流程中設(shè)置不同功能、不同塔盤的鉛塔和鎘塔。第一階段是在鉛塔中進行，使粗鋅中的鋅、鎘與其他高沸點的雜質(zhì)金屬鉛、鐵等分離，產(chǎn)出餾余鋅與含鎘鋅；第二階段是在鎘塔中進行，使鋅與鎘分離，產(chǎn)出高鎘鋅和高純度的精鋅。