国内外铅冶炼技术现状及发展趋势.pdf

2 0 1 2 年4 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 S 4 S ．2 0 1 2 ．0 4 ．0 0 1 国内外铅冶炼技术现状及发展趋势 王成彦，郜伟，尹飞 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 7 0 摘要综述了国内外铅冶炼技术的发展现状及趋势，并从工艺和经济方面对熔池炼铅和闪速炼铅进行了 比对。指出铅冶炼技术的发展必将遵从对环境污染最低、高的金属综合回收利用率、适应于低品位复杂 铅矿资源的处理、能耗低、自动化程度高等原则。具有我国完全自主知识产权、居于世界领先水平的铅 富氧闪速熔炼新技术的成功运行，可以提高我国铅冶炼的整体技术水平和企业竞争力。 关键词铅；冶炼；闪速熔炼；富氧熔炼；趋势 中图分类号T F 8 1 2文献标识码A文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 2 0 1 2 0 4 - 0 0 0 1 - 0 5 L e a dS m e l t i n gT e c h n o l o g yH o m ea n dA b r o a da n dI t sD e v e l o p i n gT r e n d W A N G C h e n g y a n ，G A OW e i ，Y I NF e i B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n m ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h es t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n do fl e a ds m e l t i n gt e c h n o l o g yw e r es u m m a r i z e d ．P r o c e s s e so fb a t h s m e l t i n ga n df l a s hs m e l t i n gw e r ec o m p a r e di nt e r m so ft e c h n o l o g ya n de c o n o m i ce f f e c t s ．I ns u m m a r y ，l e a d s m e l t i n gp r o c e s ss h o u l da i m t oa c h i e v e1 0 w e re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，h i g h e rm e t a lr e c o v e r yr a t e ，m o r ee f f e c t i v e n e s sf o rc o m p l e xl o wg r a d el e a d - b e a r i n go r em a t e r i a l s ，l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o na n dh i g h e ra u t o m a t i o n ．T h es u c c e s s f u lo p e r a t i o no fw o r l da d v a n c e dl e a do x y g e n - e n r i c h e df l a s hs m e l t i n gw i t hi n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi so fs i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gt h el e a ds m e l t i n gt e c h n o l o g ya n de n t e r p r i s e sc o m p e t i t i v e n e s si nC h i n a ． K e yw o r d s l e a d ；s m e l t i n g ；f l a s hs m e l t i n g ；l e a do x y g e n e n r i c h e ds m e l t i n g ；t r e n d e n c y 1 国内外铅冶炼技术状况 铅的冶炼方法可概括为传统法和直接炼铅法二 大类[ 1 - 3 3 。传统的烧结、鼓风炉熔炼法一直是生产铅 的主要方法，其产量目前依旧占世界铅产量的5 0 ％ 以上。随着人们对环保要求的不断提高，新建的铅 冶炼厂大都采用了直接炼铅工艺，即取消硫化铅精 矿烧结、生精矿直接入炉熔炼。 直接炼铅法可以简单分为熔池熔炼和闪速熔炼 二种，典型的熔池熔炼方法包括Q S L 法、卡尔多法、 氧气顶吹浸没熔炼法以及我国的水口山法 S K S 法 ，而基夫赛特法则属于闪速熔炼。直接炼铅的共 同特点是 1 采用强化冶炼的现代冶金设备，提高热能利 用效率； 2 使用氧气和富氧空气，降低熔炼烟气量，提高 烟气S 0 。利用率，减少烟气排放量； 3 充分利用硫化物的燃烧热，降低熔炼过程能 耗； 4 控制有害物质的无组织排放，满足环保要求； 5 实现工艺的高度自动化，降低工人劳动强度。 1 ．1 烧结、鼓风炉熔炼法[ 1 ] 该方法的技术成熟可靠、生产稳定、投资少，鼓 风烧结机和烧结操作制度也在生产过程中进行了许 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 资助项目 2 0 0 9 A A 0 6 4 6 0 2 作者简介王成彦 1 9 6 8 一 ，男，博士。研究员． 万方数据 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／] y s y l ．b g r i m r a ．o n 2 0 1 2 年4 期 多改进，如烧结机采用刚性滑道，以减少漏风；采用 返烟烧结提高S O 浓度等。但仍存在一些难于解 决的问题 1 烧结烟气S O 。浓度依然偏低，只能采用“一 转一吸”工艺制酸，烟气S 0 。转化率只能达到9 0 ％ 左右； 2 烧结块中残硫依然有2 ％～3 ％，高达4g ／m 3 的鼓风炉烟气S O 难以经济回收，严重污染环境； 3 随烟气逸散的铅粉尘量大，烧结返料量约 8 0 ％； 4 烧结过程中的氧化反应热未得到回收利用， 鼓风炉熔炼要消耗大量的冶金焦，能耗高； 5 工作、卫生及操作环境条件差，有害于职工身 体健康。 1 ．2Q S L 法r ．] Q S L 法是德国鲁奇公司在2 0 世纪7 0 年代开 发的直接炼铅工艺。其关键设备Q S L 炉为可9 0 度 转动的卧式长圆筒型炉，并向放铅口方向倾斜 0 ．5o A 。中间设有下部连通的隔墙将炉体分为氧化 区和还原区，分别配有浸没式氧气喷嘴和粉煤喷嘴。 氧气从熔池底部氧枪喷入，制粒后的铅精矿由顶部 加入氧化区并在熔池中反应生成氧化铅和S 0 。，从 而实现自热熔炼。氧化铅与硫化铅在氧化区发生交 互反应生成一次粗铅。炉渣经隔墙由氧化区进入还 原区，由粉煤喷嘴喷入的粉煤将炉渣中的P b O 还 原，产出二次粗铅和含铅锌氧化物的烟尘。粗铅从 氧化区的排铅口虹吸放出，而炉渣则由还原区放出。 为提高氧、粉煤的利用率以及熔体和炉料的混 合效果，需适当加深反应器的熔池深度。为维持熔 池反应体系中的化学势和温度的基本恒定以及降低 熔渣对炉墙的冲刷腐蚀，Q S L 反应器内必须保持有 足够的底铅层。在操作上，为使渣层与虹吸出铅口 隔开，保证铅顺利排出，也必须有足够的底铅层。因 此，Q S L 法不适于处理含铅小于4 7 ％的铅精矿。生 产中，当精矿含铅小于4 2 ％时，将不会有一次粗铅 产出。 由于在一个炉内实现氧化、还原气氛的控制困 难，Q S L 炉的操作难度大。氧枪寿命短、炉衬冲刷 侵蚀快、结渣容易堵塞。特雷尔冶炼厂1 9 8 9 年建成 投产后出现了一系列的工艺和设备问题，喷枪寿命 仅2 ～4 天，内衬腐蚀严重，投产3 个月就被迫停产， 后改造为基夫赛特法。中国西北冶炼厂的Q S L 炉 于1 9 9 2 年建成后，试车3 次合计运行不足1 2 个月 而停产至今。韩国温山经过试车改造，将氧化与还 原分开为双室，德国斯托尔伯格也进行多次改造，均 正常生产至今。它们的生产实践证明，Q S L 仍是一 种成功的直接炼铅方法。其优点有氧化脱硫和还 原在一座炉内连续完成，能耗低，对环境友好；备料 简单；以煤代焦，生产成本低；烟气S O 。浓度高；渣 量少，金属回收率高达9 6 ％。但Q S L 法也有明显 的缺点操作控制要求高；渣含铅高；烟尘率高 氧化 段和还原段合计～3 0 ％ ；粗铅含硫高，精炼的浮渣 量大 ～2 0 ％ 。 Q S L 法最大的不足是不适合处理中低品位的 铅物料，铅精矿伴生的锌也必须通过烟化炉才能得 以回收。 1 ．3 水口山 S K S 法[ 5 1 在借鉴Q S L 法的基础上，我国2 0 世纪8 0 年代 开发出了水口山炼铅法 又称氧气底吹熔炼法 ，反 应器保留了Q S L 法的氧化段，但取消了还原段，所 以炉体结构相对简单。氧气仍从熔池底部吹入，产 物为富铅渣和部分粗铅，富铅渣经铸渣机浇注成块 后送入鼓风炉进行还原熔炼，产出粗铅和炉渣。 与烧结、鼓风炉还原熔炼工艺相比，S K S 较为 彻底地解决了低浓度S O 和烧结粉尘的污染问题， 且自动化程度明显提高，工人劳动强度显著下降。 不足之处是高铅渣的还原仍采用了传统的鼓风炉还 原技术，由此带来如下问题约10 5 0 ℃的液态高铅 渣的潜热没能有效利用；高铅渣铸块在储运过程中 易出现碎沫扬尘，既污染环境又浪费资源；鼓风炉能 耗高，且必须使用冶金焦，余热回收利用也比较困 难。 为解决S K S 法的液态高铅渣潜热问题，国内多 家企业对S K S 法进行了改造，其中豫光金铅采用了 液态渣底吹还原工艺、金利和万洋采用了液态渣侧 吹还原工艺，均获得成功并取得了很好的运行效果， 在提高铅回收率的基础上，能耗及处理成本大幅降 低，环境明显改善，其吨铅能耗 2 3 0k g c e 、铅回收 率 ～9 7 ％ 、硫利用率 9 8 ％ 等主要指标均已达 到了世界领先水平。 但受第一段氧气底吹工艺的限制，上述熔炼方 法也同样不适用于中低品位铅物料的处理，富集在 鼓风炉渣中的锌也必须通过烟化炉回收。此外，氧 气底吹炉烟尘率高 ～2 0 ％ 、烟尘返回料场制粒的 扬尘控制等，也没有很好的解决办法。 1 ．4 氧气顶吹浸没熔炼法 澳斯麦特法、艾萨法 “1 2 0 世纪7 0 年代澳大利亚在铜冶炼上开发成功 氧气顶吹浸没熔炼技术，后被移植到铅冶炼上。通 万方数据 2 0 1 2 年4 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m r mc n 3 过空气冷却的喷枪通过圆桶形炉子顶端斜烟道的开 孔插入，头部埋于熔体中，燃料和空气通过喷枪直接 喷射到高温熔融渣层中，产生的燃烧反应剧烈搅动 熔体，使得物料氧化脱硫。熔体搅拌强度可以通过 调整喷枪的插入深度来调节，因此，炉子能在较长时 间内保持热稳定，并且操作灵活。熔炼产物为粗铅 和富铅渣，富铅渣浇注成块后再送入鼓风炉进行还 原熔炼。 该方法的烟气量小、烟气中的S O z 浓度高，只 有约4 0 ％的铅以粗铅形式产出，大量的富铅渣必须 浇注后才能进鼓风炉还原，其中的显热无法利用，同 时，还原熔炼又需要配人大量的焦炭，因此其能耗较 高。 氧气顶吹浸没熔炼法属于熔池熔炼的范畴，熔 池气、固、液搅动激烈，对炉体冲刷严重，耐火材料损 失大，枪头寿命短，烟尘率高。 1 ．5 卡尔多炉炼铅法[ M ] 1 9 7 9 年，瑞典波利顿公司的卡尔多炉炼铅法首 次用于处理含铅烟尘。1 9 9 2 年，伊朗曾姜铅锌总公 司用卡尔多炉处理氧化铅精矿，年产粗铅4 万t 。我 国西部矿业公司于2 0 0 6 年引进的卡尔多炉设计能 力年产粗铅6 万t ，但由于加工费用高，试生产后一 直没有投入使用。 卡尔多炉的本体由内衬铬镁砖的圆筒形炉缸和 喇叭形炉口两部分组成，与炼钢氧气顶吹转炉的形 状相似，加料、氧化、还原、放渣／放铅4 个步骤均在 一台炉内完成，周期作业。由于还原期烟气几乎不 含S O ，为维持烟气制酸系统的连续正常运行，不得 不把氧化期产生的高浓度S O 烟气抽出一部分进 行压缩、冷凝，转化为液体S O 。，在还原期再重新解 析补充到烟气中以维持烟气的S 0 。含量，操作比较 麻烦，能耗较高。同时，由于熔体搅动剧烈，炉衬耐 火材料寿命很短，伊朗曾姜卡尔多炉的炉衬寿命仅 有l ～2 个月。 此外，由于在一台炉内完成铅精矿的氧化和还 原，炉内气氛和温度频繁地周期变化，卡尔多炉均不 设余热回收利用装置，而采用喷水降温和湿式收尘； 而物料又采用柴油或天然气干燥，能源利用极不合 理。 1 ．6 基夫赛特法【’3 基夫赛特法是一种一步闪速熔炼法。炉体由4 部分组成反应塔 竖炉 、炉缸、电热还原区和包括 余热锅炉在内的由膜式水冷壁构成的直升烟道。炉 子的气相空间分成3 个区域直升烟道区、反应塔区 两区间设有矮隔墙，反应塔烟气可自由进入直升烟 道 、电炉还原区 炉渣贫化用 。一道伸进熔体渣相 内2 0 0m m 的隔墙将电炉还原区与反应塔氧化区隔 开，以维持还原区的还原气氛。隔墙由外嵌耐火砖 的铜水套制成。 粒度 1m m 、含水 1 ％的炉料和粒径5 ～1 5 m m 的细焦粒、工业氧一起喷人反应塔，喷人氧量按 炉料成分和脱硫率确定。在反应塔高温 7 5 0 ～ 14 5 0 ℃ 和高氧位 9 0 ％～9 5 ％ 条件下，金属硫化 物被氧化并放出大量热能，把焦炭也加热到表面着 火温度并和熔融炉料一起落入熔池，在熔池表面形 成一层炽热的焦炭层。当含大量P b O 的高温熔体 通过炽热的焦炭层时，约8 0 ％的P b O 被还原。 熔池中设置焦滤层是基夫赛特炼铅技术的主要 特点之一。实践表明，在反应塔氧化形成的铅氧化 物超过8 0 ％在焦滤层被还原生成一次粗铅。基夫 赛特炉的反应塔从上到下分为氧化脱硫、熔炼造渣 和焦滤层还原三个基本过程。 物料中的锌以氧化态进入渣中并在电热区被还 原挥发，挥发率约6 0 ％，最后通过收尘被回收。锌 挥发率过高会导致电热区工作负荷过大和电耗过 高。生产实践表明，电热还原区渣含锌低于3 ％时， 铁氧化物就开始被还原，并在炉底产生积铁。 物料中8 0 ％的铜进入粗铅。当炉料含铜大于 1 ．5 ％时，容易造成铅虹吸口堵塞，所以必须控制脱 硫率，以便使铜生成铜硫，从而保证粗铅含铜不大于 3 ％。 基夫赛特炼铅法的特点如下【1 ] 1 原料适应性强。含铅2 0 ％“ - - 7 0 ％、硫1 4 ％～ 2 8 ％、银0 ．1 “ - - 8g ／t 的多金属精矿和铅精矿、锌渣、 铅烟尘和二次铅物料等都可用基夫赛特法处理。 2 炉子运行连续、稳定，开工率高，炉寿长，维修 费省。关键装置寿命可与炼铜闪速炉相当。作业率 高达9 5 ％。 3 主要金属回收率高，锌6 0 ％以上，铅9 8 ％，金 银9 9 ％。 4 生产成本大幅度降低。包括使用兰碳 不使 用昂贵的冶金焦 在内的能耗减少，操作人员和设备 维修减少等。 5 环境卫生条件好。烟气排放量大大减少 烟 气S O 浓度高达3 0 ％～4 0 ％ ，且烟尘率低 6 ％～ 1 0 ％ ，收尘效率高。炉体密闭，烟尘烟气逸散少，逸 散的总铅量、工作场地空气中铅含量和s o z 排放量 均大幅降低。 万方数据 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ] [ y s y l ．b g r i m r a ．o n 2 0 1 2 年4 期 6 氧化还原在一台炉中完成，充分利用了反应 热，热损失少，能耗低。 7 可以处理湿法炼锌渣和含铜物料，综合回收 铅、锌、铜、银、铟等。电炉烟气产出的氧化锌中氟、 氯含量甚微，可直接送浸出生产电锌，做到铅、锌互 补，对铅锌联合企业更具优势。 2 现代炼铅技术的工艺和经济比对 2 ．1 工艺分析比对 通过以上现代铅冶炼技术的介绍，可以认为，除 Q S L 和基夫赛特法外，氧气顶吹浸没熔炼法、水口 山法、卡尔多炉炼铅法均不是真正意义上的直接炼 铅工艺。 Q S L 炼铅法较基夫赛特法的优越之处 1 x t 原料含水要求不高，备料简单； 2 熔炼过程硫化铅和氧化铅的交互反应，使得 吨料耗氧量小 1 0 0 , - 一1 3 0r n 3 ； 3 使用粉煤，而不使用焦炭； 4 不使用贫化电炉，电耗低； 5 Q S L 法的粗铅直收率高，基夫赛特法中约有 6 ％的铅进入电炉氧化锌灰中。因此，对独立的铅 厂，在处理相同原料的情况下，Q S L 法更具优势； 6 开停车容易。 Q S L 炼铅法较基夫赛特法的不足之处 1 不能处理含铅小于4 7 ％的物料，对原料适应 性差； 2 烟尘率高，氧化段2 0 ％～2 5 ％，还原段6 ％～ 8 ％； 3 渣含铅高。Q S L 炉的熔池搅动强烈，而基夫 赛特炉的熔池基本呈静态，渣金分离好； 4 粗铅品位低、含硫高、精炼浮渣量大； 5 烟化炉产出的次氧化锌含氟、氯高，需经多膛 炉进一步处理后才能送锌系统使用。 2 ．2 经济分析比对 目前，高品位铅精矿供应紧张．价格昂贵。 进口高品位铅精矿计价方式在精铅售价每吨 1 60 0 0 元的情况下，含P b5 5 ％的铅精矿售价每吨 铅1 52 0 0 元，给9 5 ％回收率优惠；铅精矿中的银按 市场销售价格的8 5 ％计价，无回收率优惠。 国产铅精矿计价方式含P b5 5 ％的铅精矿售 价每吨铅1 34 0 0 元，无回收率优惠；铅精矿中的银 按市场销售价格的8 5 ％计价，无回收率优惠。 粗铅销售价格精铅的市场价减扣8 0 0 元，合 1 52 0 0 元；粗铅中的银按银市场销售价格的9 2 ％计 价。 而国内粗铅冶炼的加工费一般在吨铅12 0 0 元 左右，铅回收率一般在9 5 ％左右，银回收率一般在 9 7 ％左右。 因此，现有的铅冶炼工艺在处理高品位铅精矿 时基本没有利润，只能靠硫酸和伴生锌、铜的回收维 持生产。 低品位铅物料计价方式 国内含铅、锌5 ％～1 0 ％、含银2 0 0 ～3 0 0g ／t 的 锌冶炼渣，铅锌不计价，银计价系数～6 0 ％。 进V I 的含铅～2 0 ％、含银～1k g ／t 低品位铅杂 料，铅、银计价系数～6 0 ％。 因此，高品位铅精矿搭配低品位铅物料，控制入 炉料的铅品位在3 0 ％～4 0 ％是比较适宜的，铅的产 能和项目收益均有较好的保证。 结论基夫赛特法更能适应市场变化，尤其适应 铅锌联合企业。 2 ．3 基夫赛特炼铅法的不足 1 物料氧化和电炉贫化还原在一个炉内，炉体 结构相对复杂，工艺的操控难度增加，而且包括贫化 电炉在内的熔池均需用铜水套保护，投资大。 2 方形反应塔不利于墙体对热胀的调节。 3 多料枪加料使供料系统非常复杂，当某一台 料枪不能正常工作时，会导致塔体受热和熔池焦炭 层分布不均匀。 4 焦粉 兰碳 随炉料一起混合入炉，对焦炭含 水要求严格，否则将导致生料入炉的现象发生。 5 金属铅熔点 3 2 7 ．5 ℃ 和渣熔点 ～10 0 0 ℃ 存在很大差距，在熔池内的铅面和渣面之间极易 形成黏渣层 黄渣 ，尤其是当物料中含有较高的铜、 锑、砷时，不可避免地会形成冰铜和黄渣，黏渣层一 旦形成后，会阻隔渣、铅间的热传导，严重时会使炉 体结瘤，导致炉况恶化。因此，基夫赛特法采用了高 渣温 ～13 0 0 ℃ 和高铅温 ～9 0 0 ℃ 的操作条件， 以避免黏渣层形成和增加铜在铅中的溶解，这不仅增 大了电炉电能的消耗和耐火材料的浸蚀消耗，而且高 的底铅温度使得粗铅排出时产生的铅雾量也很大。 6 电热还原区设置的初衷是为了还原挥发炉渣 中的锌，以达到取消烟化炉的目的。但哈萨克斯坦 U K 铅厂的生产表明，为尽可能降低渣含铅，电热 还原区的熔渣几乎呈静止状态，而加入的焦炭密度 又比渣小，只能漂浮在渣面上，降低了与熔渣的有效 接触面积，从而导致锌的高温还原效果很差。同时， 为确保锌的高效挥发，所消耗的电能也远大于烟化 万方数据 2 0 1 2 年4 期 有色金属 冶炼部分 h t t p g y s y l ．b g f i m m ．c n 5 炉，且炉渣停留时间长，生产效率低，并有可能导致 炉底积铁的产生或在铅层和渣层之间形成冻结层。 因此，特雷尔铅厂又重新设置了锌的烟化炉。 3 铅富氧闪速熔炼法 铅富氧闪速熔炼新技术是北京矿冶研究总院和 灵宝市华宝产业有限责任公司合作开发的具有我国 自主知识产权的铅冶炼新技术。2 0 1 1 年5 月，年产 1 0 万t 粗铅规模的铅富氧闪速熔炼厂建成投产口1 。， 在入炉物料含铅约3 0 ％的情况下，取得了铅总回收 率9 8 ．5 ％、金银总回收率9 9 ．5 ％、铜回收率8 5 ％、 锌回收率大于9 0 ％、硫捕集率大于9 9 ．5 ％的优异指 标，包括还原贫化电炉挥发锌能耗在内吨粗铅综合 能耗2 1 3k g c e 。2 0 1 1 年8 月1 8 日，铅富氧闪速熔 炼新技术及装备研究通过了中国有色金属工业协会 组织的专家鉴定。专家委员会一致认为[ 1 引“该项 目技术先进、投资省、流程短、工艺稳定，铅冶炼系统 综合能耗低，属重大技术创新，整体工艺技术处于世 界领先水平，建议对该工艺进行大力推广应用。” 4结论 1 铅冶炼技术的发展将会遵照如下原则对环 境污染最低、高的金属综合回收利用率、适应于低品 位复杂铅矿资源的处理、消耗少、能耗低的生产工 艺、装备的高度自动化。 2 围绕铅的直接冶炼生产技术，国内外铅冶炼 的发展倾向是一步炼铅，具有我国完全自主知识产 权的铅富氧闪速熔炼新技术及装备的研究可以提高 我国铅冶炼的整体技术水平和企业竞争力。 参考文献 [ 1 ] 王成彦，郜伟，尹飞，等．铅冶炼技术现状及我国第一台 铅闪速熔炼炉试产情况[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 l O 1 9 - 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