铅富氧闪速熔炼技术基础研究.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 ．c n 1 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 ％7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．0 4 ．0 0 3 铅富氧闪速熔炼技术基础研究 尹飞，王成彦，王忠，郜伟，李强 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 7 0 摘要结合铅富氧闪速熔炼的特点，对相关渣型进行了研究。结果表明，适当提高炉渣的C a O 含量，可 有效降低渣含铅。适宜的渣型为F e O ／S i 0 2 1 ．1 5 、C a O ／S i O z O ．6 ，炉渣的熔点和黏度完全可以满足熔 炼要求。 关键词铅；富氧闪速熔炼；锌；渣；熔点；黏度；密度 中围分类号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 1 1 - 0 4 B a s i cR e s e a r c ho nL 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 gT e c h n o l o g y Y I NF e i ，W A N GC h e n g - y a n ，W A N GZ h o n g ，G A OW e i ，L IQ i a n g 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 i n 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 l a gt y p e sw e r es t u d i e db a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl 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 g p r o c e s s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h el e a dc o n t e n ti nt h es l a gd e c r e a s ee f f e c t i v e l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fC a O c o n t e n ti nt h es l a g ．T h eo p t i m u ms l a gi sF e O ／S i 0 2 1 ．15 ，C a O ／S i 0 2 0 ．6 ，o fw h i c ht h em e l t i n gp o i n t a n dv i s c o s i t yc a nm e e tt h es m e l t i n gd e m a n d s ． K e yw o r d s l e a d ；o x y g e n e n r i c h e df l a s hs m e l t i n g ；z i n c ；s l a g ；m e l t i n gp o i n t ；v i s c o s i t y ；d e n s i t y 1 硫化铅精矿直接熔炼的基本原理 2 0 世纪5 0 年代以来，人们一直在寻求焙烧与 熔炼相结合、熔炼强度高、过程连续直接炼铅方 法[ 1 寸] 。根据对P b S 一0 系化学势图的研究结果， 可以获得成分稳定的金属铅的操作条件，但是．熔池 直接炼铅只能产出高硫铅或者高铅渣；要获得含硫 低的粗铅，就必须对含铅高的直接熔炼炉渣进行还 原处理。 P b S 氧化生成金属铅有两种主要途径一是 P b S 直接氧化，二是P b S 与P b 0 发生交互反应。为 使氧化熔炼过程尽可能多地脱除硫 包括溶解在金 属铅中的硫 ，不可避免地会生成更多的P b O ，在操 作上合理控制氧料比就成为直接熔炼的关键。理论 上，可借助P b S o 系硫势一氧势图进行讨论。 图1 给出了直接炼铅在平衡相图中的位置，如 斜阴影线区所示。熔池熔炼由于采用了工业纯氧或 富氧空气强化冶金过程，烟气量少，S O 浓度一般在 1 0 ％以上 相当于P s o ≥4 。在“熔池直接炼, 1 0P a 铅”区域，只要控制较低的氧势 1 9P o 。 一1 ，即使 在P s o 5 ～1 0 3P a 的条件下， 直接氧化仍可, 1 0P b S 产出含硫d 0 ．3 ％的粗铅。 用活度a p h o 表示P b 0 在熔渣中的有效浓度， a p b o 0 ．1 相当于炉渣含7 ％～8 ％P b 。a p b O 数值越 大，意味着炉渣中P b 0 浓度越大。在熔炼体系中， P b 0 不能溶人P b P b S 相，只能形成P b O P b - S i o 。炉渣相。随着气相一金属铅 P b P b S 相一 炉渣三相体系中氧势的增大，a p b o 值可增至1 。 S O 。分压在熔池直接炼铅中一般为～1 0 ‘P a ， 如果将氧分压控制在1 0 。～l O - 4P a 的低氧势条件 下，产出炉渣的a p b o 0 ．1 ，相当于渣含铅～5 ％，此 时粗铅含硫将大于1 ％。如果将渣含铅降到鼓风炉 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i 尹飞 1 9 7 4 一 ，男，硬士。高级工程师． 万方数据 1 2 有色金属 冶炼部分 h t t p [ ／y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 2 年4 期 I g p s 2 ／P a 图lP b S - O 系硫势一氧势图 14 7 3K F i g ．1S u l p h u rp o t e n t i a l 。o x y g e np o t e n t i a l d i a g r a mo fP b ．s os y s t e ma t14 7 3K 还原熔炼的水平 P b 30 A ，则炉渣放出口处的炉 内氧势也必须控制到1 9P o 。 9 8 ％ 使用工业纯氧实现，脱硫 熔融物料在熔池内的低氧势快速还原则利用炽热焦 滤层来实现，并产生金属铅。从而，在一个炉体内实 现了脱硫和还原铅两个过程。由于铅的还原方式改 变了，因此对物料的适应性大大增强，入炉料含铅可 以降至2 5 ％或更低．一次渣含铅最低可降至3 ％，一 次粗铅产率最高可达9 2 ％，烟尘率最低降至6O A 。 一次铅渣再经贫化电炉还原，弃渣含铅、锌最低可降 至1 ％以下，直接产出含锌大于5 5 ％的氧化锌灰，由 于取消了烟化炉，显著降低了粉煤用量和综合能 耗Ⅲ。 直接炼铅法设备密闭性好，自动化控制程度高， 从而使得铅蒸气和S O 。的泄漏降到最小程度。因 此，直接炼铅既高效、节能，而且综合利用也高、对环 境又友好。 2渣型选择 铅渣由各种金属的硅酸盐、亚铁酸盐及铝酸盐 等组成；此外还含有少量金属硫化物、金属及气体。 S i 0 。、F e O 和C a O 是铅炉渣的主要成分，相对其它 有色金属炉渣而言，高C a O 、高Z n 0 含量又是铅炉 渣的特点。 选择炉渣成分，对于铅还原熔炼的好坏有决定 性的影响。炉渣的熔点、黏度及密度等决定于其化 学成分。通常，对铅冶炼炉渣的要求主要有 1 炉渣成分必须符合熔炼时熔剂消耗量最少的 要求。正确选择炉渣的硅酸度，使得熔剂消耗少，炉 渣产量低，进入炉渣中的有价金属也将减少，能耗随 之降低。 2 炉渣的熔点适当。熔点愈低，熔炼所需的燃 料越少，炉子生产率越高。如果炉渣熔点过低，在金 属氧化物的还原反应发生之前炉料就开始熔化，就 会造成大量的有价金属随渣流失。反之，炉渣熔点 过高，则需要经过充分过热才能使渣易于流动，势必 要消耗大量的热能，并使炉料熔化速度减慢，降低炉 子的生产率。所以，炉渣的熔点应该适合熔炼的要 求。 3 炉渣的黏度要小而适度。黏度小，则炉渣与 金属或锍的分离比较完全。酸性渣一般比碱性渣的 黏度大，需要的过热程度较高，因此能耗较高。 A 1 2 0 3 、F e 2 0 3 、F e 3 0 。、Z n O 和M g O 会使黏度增高， 炉渣中含有大量的S i O z 以及各种金属化合物时，黏 度增高。而F e O 、C a O 、M n O 和B a O 会使黏度降 低，但C a O 过高则黏度也会增加。 4 炉渣密度要小。因为炉渣的密度和黏度小， 金属或锍的微粒半径和密度大，炉渣与金属或锍才 容易分离。炉渣密度取决于其组分，碱金属、碱土金 属及轻金属的氧化物可使密度降小，各种密度大的 金属氧化物能使密度增大。 5 炉渣的表面性质 表面张力、界面张力和毛细 管压力等 对炉渣与金属或锍的分离起着重要的作 用，此外，炉渣对耐火材料的腐蚀也与炉渣的表面性 质有较大关系。减小炉渣表面张力和密度可使金属 或锍的临界半径变小，有利于炉渣与金属或锍的分 离，如果两相间界面张力大，相互润湿作用小，则可 使炉渣与金属或锍得到较充分的分离。对耐火材料 而言，为了防止熔渣的渗透腐蚀，炉渣的界面张力要 大，表面张力要低。 铅熔炼炉渣与铜熔炼炉渣不同，铜炉渣一般为 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 m ．c n 1 3 高硅低钙渣，而铅冶炼厂为了降低渣含铅，提高原料 综合利用程度和处理高锌物料，广泛采用高锌高钙 型渣。 3炉渣性能研究 3 ．1 试验设备和方法 熔炼试验在1 2k W 高温硅钼炉中进行，采用 H R - 1 型熔点测试仪测定熔点，高纯氩气保护。采 用内圆柱体旋转式快速高温黏度仪测定炉渣黏度。 用电子计量秤称取所需的物料，混合均匀后装 入刚玉坩埚中，加盖后置于硅钼炉内，为获得合乎要 求的炉渣和防止亚铁氧化，在坩埚炉内放置少量焦 炭，造成一定的还原性气氛。关闭炉门后，通电升 温，按要求的条件进行熔炼试验。熔炼过程结束后， 所得产物冷却至室温，称重计量后分别制取渣样送 化学分析，并根据所得分析结果进行有关计算，其中 一些渣样进行熔点、黏度和密度等项检测。 3 ．2F e O ／S i 0 2 的影响 进行了不同F e O ／S i O 。配比试验，并检测了炉 渣的熔点、密度等物理和化学性质。当F e O ／S i O z 分别为1 ．o o 、1 - 1 5 、1 ．3 2 、1 ．4 2 、1 ．5 7 时，炉渣的变 形温度分别为 ℃ 11 2 6 、1 1 1 4 、11 0 6 、10 6 4 、 10 5 5 ；熔化温度分别为 ℃ 11 6 0 、11 4 8 、11 4 6 、 11 4 3 、10 8 9 ；流动温度分别为 ℃ 11 6 6 、11 6 9 、 l1 5 1 、11 6 8 、11 4 4 ；密度分别为 g ／c m 3 3 ．8 5 、 3 ．8 7 、3 ．8 9 、4 ．1 4 、4 ．1 9 ；熔点分别为 ℃ 11 6 0 、 11 4 8 、1 1 4 6 、11 4 3 、10 8 9 。不同F e O ／S i 0 2 炉渣的 黏度测试结果见图1 。 宙 ● ￡ 毯 撂 i1 5 0l1 9 0l2 3 0l2 7 0l3 1 0 炉渣温度，℃ 图1 不同F e O ／S i 0 2 炉渣的黏度 F i g ．1V i s c o s i t yo fs l a gw i t hd i f f e r e n t F e O ／S i 0 2r a t i o 图1 表明炉渣的物理化学性能随F e O ／S i O 。 的变化很大，适当增加F e O 配比可降低炉渣的黏度 和熔点，适宜的F e O ／S i O 为1 ．1 5 。 3 ．3c a o ／S i 0 2 的影响 进行了不同C a O ／S i O 。配比研究，并测试了炉 渣的熔点、密度等物理和化学性质。当C a 0 ／S i o z 分别为0 ．2 8 、0 ．3 5 、0 ．4 8 、0 ．5 7 、0 ．6 7 时，炉渣的变形 温度分别为 ℃ 10 8 3 、1 1 0 5 、1 1 1 4 、1 1 2 6 、11 6 0 ； 熔化温度分别为 ℃ 11 1 7 、1 1 4 5 、1 1 4 8 、11 4 9 、 11 8 4 ；流动温度分别为 ℃ 11 3 1 、l 1 5 6 、11 6 9 、 11 7 0 、11 9 0 ；密度分别为 g ／c m 3 3 ．9 0 、3 ．8 9 、 3 ．8 9 、3 ．8 5 、3 ．8 4 ；熔点分别为 ℃ 11 1 7 、11 4 5 、 11 4 8 、1 1 4 9 、l1 8 4 。不同C a O ／S i 0 2 炉渣的黏度测 试结果见图2 。 含 ● 邑 、 倒 舔 炉渣温度，℃ 图2 不同C a O ／S i 0 2 炉渣的黏度 F i g ．2V i s c o s i t yo fs l a gw i t hd i f f e r e n t C a O ／S i O , r a t i o 图2 表明炉渣熔点随C a o 增加呈上升趋势， 黏度则随C a O 的增加而降低。适宜的C a O ／S i O 。 为0 ．5 7 。 3 ．4Z n O 的影响 对不同Z n O 含量炉渣的熔点、密度等物理和化 学性质进行测试。当Z n O 含量分别为 0 A 4 、6 、8 、 1 0 、1 2 时，炉渣的变形温度分别为 ℃ 11 2 1 、 11 2 1 、11 2 2 、11 2 6 、11 4 7 ；熔化温度分别为 ℃ 11 3 4 、l1 4 1 、11 4 6 、1 1 4 9 、11 7 1 ；流动温度分别为 ℃ 11 6 6 、11 6 9 、l 1 6 7 、11 7 0 、11 8 6 ；密度分别为 g ／c m 3 3 ．7 4 、3 ．8 1 、3 ．8 4 、3 ．8 5 、4 ．0 5 ；熔点分别为 ℃ 11 3 4 、11 4 1 、11 4 6 、11 4 9 、11 7 8 。不同Z n O 含量炉渣的黏度测试结果见图3 。 图3 表明，炉渣Z n O 含量在4 ％- - - 1 2 ％时，对炉 万方数据 1 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年4 期 图3 不同Z n O 含量炉渣的黏度 F i g ．3V i s c o s i t yo fs l a gw i t h d i f f e r e n tZ n Oc o n t e n t 1 0 渣性能的影响不明显，对铅的还原熔炼影响不大。 3 ．5C a O 含量对渣含铅的影响 固定条件F e O ／S i 0 2 1 ．1 5 、Z n O ／S i 0 2 0 ．3 4 、7 ％P b O 、1 1 ％P b S O 。、3 ％A 1 2 0 3 、1 ％M g O 、 焦炭加入量为理论量的1 ．5 倍。 熔炼条件温度12 5 0 ℃、保温时间1h 。当 C a 0 配比分别为 ％ 0 、5 、7 、1 0 、1 5 、2 0 时，渣含铅 分别为 ％ 8 ．5 7 、4 ．8 5 、3 ．8 5 、3 ．3 8 、2 ．5 8 、2 ．8 1 ；渣 含锌分别为 ％ 8 ．7 6 、8 ．5 2 、8 ．0 1 、8 ．2 1 、7 ．3 4 、 7 ．5 1 。 可见，适当提高炉渣的C a O 含量，可有效降低 渣含铅，适宜的C a O 含量为1 0 ％～1 5 ％，此时渣含 铅可以控制在3 ％以下。 3 ．6 渣中锌含量 锌还原度 对铁还原程度的影响 富氧闪速熔炼时，物料中的铅8 0 ％以上被还 原，锌基本不还原而依旧以Z n O S i 0 2 、Z n O F e 。O 。等矿物形态存在于炉渣中，炉渣含铅1 0 ％～ 1 5 ％、含锌8 ％～1 2 ％。 在电炉贫化过程中，随着炉渣温度的升高和还 原气氛的增强，炉渣中的锌大部分被还原为金属锌 而进入气相。随锌还原程度的提高、渣含锌的降低， 炉渣中的铁将不可避免地被同时还原。 试验考察了渣含锌 锌还原程度 对金属铁生成 的影响情况。 固定条件F e O ／S i 0 2 1 ．1 5 、C a 0 ／S i 0 2 0 ．5 7 、Z n O1 0 ％、P b O7 ％、P b S 0 41 1 ％、A 1 2 0 。3 ％、 M g O1 ％。熔炼温度12 5 0 ℃，保温时间Ih 。 试验结果见图4 。 图4 表明，随着还原气氛的增强，渣中锌含量 焦炭，％ 图4 锌还原度对金属铁生成量的影响 F i g ．4 E f f e c t so fz i n cr e d u c i b i l i t yo n m e t a l l i ci r o nf o r m a t i o na m o u n t 的逐渐减少，金属铁含量逐渐增加。控制渣含锌在 2 ％左右，可以很好地控制金属铁的生成。 3 ．7 电炉贫化渣 终渣 的性能研究 除渣中铅、锌含量有所变化外，电炉贫化渣 终 渣 与闪速炉渣的渣型基本相同。电炉渣化学成分 ％ F e O3 6 ．2 2 、S i 0 23 1 ．6 9 、C a O1 7 ．8 1 、P b O 1 ．6 8 、Z n O1 ．9 8 、A 1 2 0 33 ．2 3 、M g O1 ．1 3 、S1 ．0 3 。 电炉渣熔点检测结果 平均值 变形温度11 3 2 ℃、 熔化温度11 5 2 ℃、流动温度11 7 3 ℃。电炉渣温 度一黏度曲线见图5 。图5 表明，要保证炉渣黏度 小于1P a S ，电炉贫化温度应大于12 2 0 ℃。 口 ● 星 越 赧 炉渣温度，℃ 图5电炉渣温度一黏度曲线 F i g ．5T e m p e r a t u r e - v i s c o s i t yp l o to fe l e c t r o s l a g 下转第2 3 页 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 m ．o n 2 3 度低于5 0 ℃。 7 升温结束投料前，各冷却元件冷却水量作一 次全面调整，使各点水温在4 0 ～4 5o C 。投料后，闪 速炉各烧嘴按照先沉淀池后反应塔的顺序减油，2h 后熄灭。 3结论 1 炉底烘烤彻底，受热均匀；干燥和加热铅闪速 炉的时间可以缩短到1 5 天左右，与镁铬耐火砖所能 承受的标准热梯度一致； 2 烘炉至l1 0 0o C 左右恒温阶段，采用和其它 火法冶炼炉同样的加热方法，尽量使热量均匀分布 到炉的各个部位，并确保工作层耐火材料慢慢加热； 炉底由融化的水淬渣进行灌缝，注入底铅后，炉底形 成挂渣保护，有效防止铅的渗透； 3 烘炉的主供热源为铅闪速炉反应塔顶氧油 枪，辅助供热源为沉淀池氧油枪，炉内的各个部分尤 其是炉底的膨胀是均匀的，符合设计参数，证明了各 个结构改进都是可行的。 参考文献 E 1 3 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E J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 0 1 9 - 1 3 ． E 2 ] 彭文友．贵溪冶炼厂闪速炉烘炉E J ] ．有色金属 冶炼部 分 ，1 9 8 7 5 6 - 9 ． [ 3 1 刘景林．有色冶金炉内衬用耐火材料E J l ．耐火与石灰， 2 0 1 0 ，3 5 1 2 2 - 2 7 ． [ 4 3 彭容秋．铅冶金[ M ] ．长沙中南大学出版社，2 0 0 4 4 8 4 9 ． E 5 ] 葛霖．筑炉手册[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 4 7 ． [ 6 1 有色冶金炉设计手册编委会．有色冶金炉设计手册 [ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 4 ． 上接第1 0 页 参考文献 [ 1 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 1 0 1 9 - 1 3 ． [ 2 3 徐堵伦．西北铅锌冶炼厂Q S L 反应器开炉实践E J J ．有 色冶炼，1 9 9 8 7 1 7 - 1 9 ． [ 3 1 林廷芳．水口山炼铅法 S K S 炼铅法 的新进展[ c 3 ／／全 国重冶新技术新工艺成果交流大会文集．北京，1 9 9 8 1 4 4 1 4 9 ． [ 4 ] 李东波．氧气底吹熔炼一鼓风炉还原炼铅新技术及应 用[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 3 5 1 3 1 4 ，1 7 ． E s J 叶国萍．基夫赛特炼铅法[ J 1 ．有色金属 冶炼部分 ， 2 0 0 0 4 2 0 - 2 4 ． E 6 1P e r U oA 维斯麦港基夫塞特炼铅厂的投产与生产指标 口] ．有色冶炼，1 9 8 9 4 1 7 ，4 8 ． E 7 3 郜伟，王成彦，尹飞，等．铅富氧闪速熔炼炉炉体冷却装 置的设计E J l ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 4 2 7 2 9 ． 上接第1 4 页 4 结论 铅富氧闪速熔炼适宜的渣型为F e O ／S i 0 一 1 ．1 5 、C a O ／S i O - - - - 0 ．6 ，炉渣的熔点和黏度均可满足 熔炼要求。适当提高C a O 含量有利于炉渣与金属 的分离，还可以起到提高炉温、降低炉渣黏度和密度 的作用。 参考文献 E 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 1 0 1 9 - 1 3 ． [ 2 1 彭容秋．铅冶金E M ] ．长沙中南大学出版社，2 0 0 4 ；6 5 - 6 6 ． [ 3 1 包崇军．I S A - C Y M G 炼铅法的工业实践E D ] ．昆明昆 明理工大学，2 0 0 6 ． [ 4 ] 王成彦，郜伟，尹飞，等．铅富氧闪速熔炼新技术[ J ] ．有 色金属 冶炼部分 ，2 0 1 2 4 6 - 1 0 ． 万方数据