铅精矿与富铅渣交互反应的还原熔炼试验研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 1 3 铅精矿与富铅渣交互反应的还原熔炼试验研究 贺山明1 ，王吉坤2 ，张向阳1 ，李勇1 1 ．昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明6 5 0 0 9 3 ； 2 ．云南冶金集团股份有限公司技术中心，昆明6 5 0 0 3 1 摘要在实验室高温电炉条件下，采用铅精矿和富铅渣之间的交互反应对熔池熔炼还原段进行了研究。 分别考察了反应温度、反应时间、渣型选择、配料比等对炼铅各主要技术经济指标的影响。在最优条件 下终渣含铅2 ．6 1 ％，铅的回收率 以渣计 9 8 ．2 1 ％，脱硫率9 1 ．5 ％，烟气烟尘率3 3 ．6 3 ％，粗铅产率 2 2 ．7 6 ％，渣产率4 3 ．6 1 ％。 关键词交互反应；还原熔炼；富铅渣；渣含铅 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 0 0 3 一O O l 3 一0 4 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nI n t e r a c t i o nb e t w e e nL e a dC o n c e n t r a t e sa n d L e a d _ R i c hS l a gi nR e d u c i n gS m e l t i n g H ES h a n m i n 9 1 ，W A N Gj i k u n 2 ，Z H A N GX i a n g y a n 9 1 ，L IY o n 9 1 1 ．F a c u l t yo fM e t a l l u r g i c a la n dE n e r g yE n g i n e e r i n g 。K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 。C h i n a ； 2 ．T h eT e c h n i q u eC e n t e ro fY u n n a nM e t a l l u r g yC o ．，L t d ，K u n m i n g6 5 0 0 3 1 ，C h i n a A b s t r a c t U n d e rt h ec o n d i t i o n so fl a b o r a t o r y sh i g ht e m p e r a t u r ef u r n a c e ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nl e a dc o n c e n t r a t e sa n dl e a d r i c hs l a gi nr e d u c i n gs m e l t i n gi sr e s e a r c h e d ，T h ee f f e c t so fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e 。r e a c t i o nt i m e ，t h ec o m p o s i t i o no fs l a ga n dt h er a t eo fi n g r e d i e n t so nt h ei m p a c to ft e c h n i c a la n de c o n o m i ci n d i c a t o r si nl e a ds m e l t i n ga r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y ．U n d e rt h eb e s tc o n d i t i o n so ft e c h n o l o g y 。t h el e a dc o n t e n ti n s l a gi s2 ．6 1 ％，u s el e a dc a l c u l a t e dt h er a t eo fr e c y c l yo fl e a di s9 8 ．2 1 ％，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fs u l f u ri s 9 1 ．5 ％，t h eo u t p u tr a t eo ff l u eg a sa n dd u s ti s3 3 ．6 3 ％，t h er e c o v e r yo fc r u d el e a di s2 2 ．7 6 ％，a n dt h ey i e l d r a t eo fs l a gi S4 3 ．6 1 ％． K e y w o r d s I n t e r a c t i o n ；R e d u c i n gs m e l t i n g ；L e a d r i c hs l a g ；T h el e a dc o n t e n ti ns l a g 传统烧结鼓风炉熔炼工艺中，按硫化铅精 矿中硫的质量分数为1 2 ％～2 4 ％计算，每冶炼1t 粗铅有0 ．6 ～1 ．1t 的S 0 排空[ 1 _ 2 ] 。 新的炼铅技术的共同特点是将焙烧与熔炼结合 为一个过程，实现铅精矿直接处理，充分利用硫化铅 氧化放出的大量热将炉料迅速熔化，产出液态铅和 熔渣L 1 ] 。直接炼铅仍需要将冶金过程分为氧化和还 原丽个阶段，在氧化段充分氧化获得低硫铅，在还原 段充分还原产出低铅炉渣【3 ] 。本实验探讨熔池熔炼 还原段，利用铅精矿和富铅渣之间的交互反应，考察 作者简介贺山明 1 9 8 4 - - ，男，江西萍乡人．博士研究生． 还原段的终渣含铅量、铅回收率 按渣计 、烟气烟尘 率、粗铅产率等各工艺指标的影响因素及条件。对 其反应机理进行了初步的探讨。 1 试验理论基础 铅精矿和富铅渣之间的主要交互反应如下 P b S 2 P b O 一3 P b S 0 2 1 P b S P b S 0 4 2 P b 2 S 0 2 2 这两个反应在一般高温10 0 0 * 2 时，△G 已经很 负了。随着温度的升高，△G 越来越负，说明从热力 万方数据 1 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 学角度来说，交互反应很容易发生。渣中铅化合物 的溶化温度低，其熔体的流动性好，而且与S i 0 结 合的P b O 挥发性要比纯P b 0 小。P b S 溶化后流动 性大；P b S O 。在8 0 0 ℃便开始分解，至9 5 0 * 2 以上分 解进行的很快。反应式 1 在8 6 0 ℃时的平衡压力 达1 0 13 2 5P a ；反应式 2 在7 2 3 ℃时的平衡分压为 9 80 0 0P a 。即在较低温度下，两个反应可以剧烈的 向右进行[ 3 ] 。从动力学角度看，熔渣的熔点一般为 12 0 0 ℃左右，试验温度只要能高于渣熔点，则在渣 熔融状态下，各种化合物之间接触良好，反应能很好 的进行。 2 试验原料及方法 2 ．1 试验原料 本试验所用原料为某厂艾萨炉出来的富铅渣和 铅精矿。铅精矿为黑色粉末，粒度小于1m m 。化 学成分 ％ P b4 5 ．4 4 、Z n6 ．4 6 、F e8 ．8 2 、S i 0 2 5 ．3 4 、C a O1 ．5 7 、M g O0 ．4 8 、A 1 2 0 31 ．0 0 、S1 7 ．8 6 、 C u2 ．4 3 、A g0 ．2 6 6 。定性物相分析结果表明铅精 矿主要含P b S 、Z n S 、F e S 、S i 0 2 、F e S 2 、P b S 0 4 。 富铅渣为浅粉色块状，化学成分 ％ P b 5 3 ．9 7 、Z n6 ．4 6 、F e8 ．6 4 、S i 0 28 ．3 1 、C a O3 ．0 7 、 M g O0 ．7 5 、A 1 2 0 31 ．7 8 、S0 ．1 7 、C u0 ．7 3 、A g 0 ．0 1 9 7 ，堆密度3 ．0 5g ／c m 3 。X R D 分析表明铅物 相以P b Z n s i 0 。、P b O 、P b 存在。其中P b Z n S i O 。在 高温下发生如下反应分解成P b O P b Z n S i O ；一P b 0 十Z n O S i 0 2 故本试验可将富铅渣中的P b 看做以P b O 形式 存在，并以此进行配料计算，确定各种料的加入量。 试验所用熔剂为石灰石 C a O5 1 ．2 ％，M g O 3 ．1 7 ％ ；石英砂 S i 0 29 3 ．8 3 ％ 。 2 ．2 试验方法 根据可能发生的交互反应方程式，先计算出富 铅渣和铅精矿所需的理论量，再以富铅渣与铅精矿 中F e O 成分含量的总和为渣型选择的计算基础，然 后根据选定的渣型计算所需各溶剂的质量。将富铅 渣、铅精矿、石灰石、石英砂分别先经破碎，磨细后， 再充分混合均匀，加水湿润后制团，最后烘干1 2h 以上。每次称2k g 左右的混合料加入高1 5e m 、内 径1 4e m 的碳化硅坩埚中，从电炉底部进料。用一 个P t ／P t 一1 3 ％R h 型热电偶检测炉内试验样料的 温度，通人高纯氩气排除炉内空气并起轻微的搅拌 作用；通过调节电炉的程序参数。设定好每次试验反 应温度和时间；反应结束后，观察形成的铅渣表面现 象，判断是否产生了泡沫渣，再称量铅渣和粗铅，并 分析各主要成分含量。由于试验条件有限，未能检 测S O 。浓度和烟尘率，本试验将烟气烟尘率看做一 个技术指标，计算式为 烟气烟尘率 加入坩埚的炉料总量一反应后 粗铅和铅渣的量 加入坩埚的炉料总量 3 试验结果及讨论 3 ．1 渣型对终渣含铅量和烟尘率的影响 炼铅炉渣是个非常复杂的高温熔体体系，它由 S i 0 、F e 0 、C a O 、M g O 、A 1 2 0 。、Z n O 等多种氧化物组 成，并且它们之间可相互结合形成化合物、固熔体、 共晶混合物[ 4 ] 。为了讨论渣型与结晶相的关系，将 多元系简化为三元系F e O - C a O - S i 0 2 。将渣中该三 相的成分换算为1 0 0 ％，再查看F e - C a o S i 0 。三元 系相图，根据图中渣温度11 0 0 ～13 0 0 ℃区域，选择 试验3 个成分含量[ 5 ] 。AP e r i l l o 提供了维斯麦港 基夫赛特法炼铅厂的投产与生产指标，炉渣的化学 成分[ 6 ] F e O3 9 ％，S i 0 23 8 ％，C a O2 3 ％。 试验条件固定温度l2 5 0 ℃，时间5h ，配料比 1 ．0 。试验编号分别为 1 一F e O4 0 ％，S i O 3 5 ％， C a O2 5 ％； 2 一F e O3 7 ．5 ％，S i 0 23 7 ．5 ％，C a O 2 5 ％； 3 一F e 03 5 ％，S i 0 2 4 0 ％，C a 02 5 ％； 4 一 F e O3 5 ％，S i 0 23 7 ．5 ％，C a O2 7 ．5 ％； 5 一F e O 3 5 ％，S i 0 23 5 ％，C a O3 0 ％。 试验结果表明C a 0 含量保持为2 5 ％，相应的 S i 0 2 含量减小时，试验 1 ， 2 ， 3 的渣含铅分别 为3 ．4 8 ％，4 ．7 6 ％，5 ．8 7 ％；烟气烟尘率分别为 3 6 ．9 ％，3 2 ．6 ％，2 8 ．1 ％。F e 0 含量固定为3 5 ％时， 相应的S i 0 含量减小时，试验 3 ， 4 ， 5 的渣含 铅分别为5 ．8 7 ％，1 ．4 1 ％，3 ．8 6 ％；烟气烟尘率分别 为2 8 ．1 ％，4 2 ．2 5 ％，3 5 ．6 ％。 根据熔渣结构的离子理论，适当增加碱性氧化 物有利降低炉渣黏度。但碱性氧化物过高时可能生 成各种高熔点化合物，使炉渣难熔，渣黏度升高。对 于F e O - C a O - S i O 三元系炉渣，但C a 0 含量超过 3 0 ％时，黏度将随C a 0 含量的增加而迅速加大[ 4 ] 。 S i O 。／F e 过大，黏度高，排放困难，提高C a 0 ／S i O ， 可降低渣的黏度[ 7 ] 。从试验结果数据可看出当炉 渣组成为F e O3 5 ％、S i 0 23 7 ．5 ％、C a O2 7 ．5 ％时， 烟气烟尘率为4 2 ．2 5 ％，渣含铅1 ．4 1 ％为最低。 3 ．2 配料比对终渣含铅量和烟尘率的影响 渣型F e O3 5 ％，S i o z3 7 ．5 ％，C a O2 7 ．5 ％，保 温时间定为3h ，温度为12 5 0 ℃的条件下。以1 0 0g 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 1 5 富铅渣为计算基础，理论需要消耗铅精矿7 1 ．2 9 7g ， 试验中铅精矿用量分别为理论量的0 ．9 、0 ．9 5 、1 ．0 、 1 ．0 5 、1 ．1 、1 ．1 5 和1 ．2 倍。 从图1 可看出i 在其他条件不变的情况下，随配 料比增加，渣含铅呈先减小后增大的趋势，在配料比 为1 ．0 有最小值；烟气烟尘率呈先增大后减小的趋 势，与渣含铅趋势相反，即渣含铅低时则烟气烟尘率 高。鉴于两者的矛盾关系，折中取定试验条件，故此 后试验定配料比为1 ．1 ，此条件下渣含铅2 ．6 1 ％，烟 气烟尘率3 3 ．6 3 ％，能基本满足工业上对工艺指标 的要求。 4 6 4 4 4 2 4 0 ．铝 喜3 6 { } 13 4 骚3 2 3 0 2 8 2 6 2 4 图1配料比对终渣含铅和烟尘率的影响 F i g ．1 E f f e c to ft h er a t i oo fi n g r e d i e n t so n l e a dc o n t e n ti ns l a ga n dt h er a t eo fg a sd u s t 3 ．3 反应温度对终渣含铅和烟尘率的影响 为减少烟尘量，必须严格控制炉内温度。如果 能抑制铅及化合物的挥发，烟尘中氧化锌含量就会 提高，就可以进入氧化锌系统进行处理。从沸点和 平衡蒸气压分析，锌的挥发要比铅容易得多。如果 试验中还原温度真正控制在11 5 0 一- ．12 0 0 ℃，P b 和 P b O 的蒸气压都只有1 ．3 “ - - 6 ．7k P a ，铅的挥发率不 会如此高J 。 渣型F e 03 5 ％，s i 0 23 7 ．5 ％，C a 02 7 ．5 ％，保 温时间5h ，配料比1 ．1 。试验结果见图2 。 从图2 可看出，其它试验条件不变时，渣含铅随 温度的升高而降低，在12 5 0 ℃有最小值，13 0 0 ℃时 反而渣含铅比其高。观察13 0 0 ℃的试验现象，渣孔 从粗铅到渣表面 多，推测温度较高于渣熔点时，渣 熔体流动性大，反应产生的气体更容易从渣孔隙跑 出液面，同时使得渣中的铅及其化合物未能很好的 沉降分离，所以渣含铅偏高；烟气烟尘率随温度升高 而逐渐增大，13 0 0 ℃时。烟气烟尘率高达4 8 ．8 2 ％。 烟气烟尘率太高，对后续的收尘系统是个负担，会导 蓬 静 壬I { 孽 l1 4 0l1 6 01 1 8 0 l2 0 01 2 2 0l2 4 0 l2 6 0l2 8 0l3 ‘J 0 反应温度，℃ 图2 反应温度对降低终渣含铅量， 烟气烟尘率的影响 F i g ．2 E f f e c to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo nl e a d c o n t e n ti ns l a ga n dt h er a t eo fg a sd u s t 致生产成本增加，严重时，会造成烟尘积压。综合考 虑后选定温度为12 5 0 ℃。 3 ．4 反应时间对终渣含铅量和烟尘率的影响 渣型F e 03 5 ％，S i 0 3 7 ．5 ％，C a O2 7 ．5 ％，温 度12 5 0 ℃，配料比1 ．1 。试验结果见图3 。 母 、 密 缸 翅 图3反应时间对终渣含铅量和烟尘率的影响 F i g ．3 E f f e c to fr e a c t i o nt i m eo nl e a dc o n t e n ti n s l a ga n dt h er a t eo fg a sd u s t 从图3 可以看出，随着反应时间的延长。交互反 应进行得越彻底，渣、铅分离沉降时间长，分离效果 更好，则渣含铅逐渐减少；而烟气烟尘率逐渐增加。 反应时间短，能缩短排渣周期时间，能提高床能率。 试验时间为3h 条件下，渣含铅2 ．6 1 ％，烟气烟尘率 3 3 ．6 3 ％。 3 ．5反应温度对粗铅产率和渣产率的影响 渣型F e O3 5 ％，S i 0 23 7 ．5 ％，C a 027 ，．5 ％，时 间3h ，配料比1 ．1 。试验结果见图4 。 万方数据 1 6 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 母 、 哥 趔 { L 1 1 4 0I1 6 0l1 8 0l2 0 0I2 2 0l2 4 0l2 6 0I2 8 013 0 0 反应温度／。C 图4 反应温度对粗铅产率和渣产率的影响 F i g4 E f f e c to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo nt h ey i e l d r a t eo fc r u d el e a da n dt h eo u t p u tr a t eo fs l a g 从图4 可看出，随反应温度的升高，各种化合 物和金属的挥发量增多，粗铅产率从2 7 ．2 3 ％降至 1 4 ．6 2 ％，产渣率也逐渐减小。故反应温度不易过 ．高，折中选择12 5 0 * 3 为较好，此条件下，粗铅产率 2 2 ．7 6 ％，产渣率4 3 ．6 1 ％。 3 ．6 反应时间对粗铅产率和渣产率的影响 固定渣型F e 0 3 5 ％，S i O 3 7 ．5 ％，C a 0 2 7 ．5 ％， 温度1 2 5 0 ℃，配料比1 ．1 。反应时间对粗铅产率 占 总炉料 和渣产率的影响结果见图5 。 图5反应时间对粗铅产率和渣产率的影响 F i g ．5 E f f e c to fr e a c t i o nt i m eo nt h ey i e l dr a t e o fc r u d el e a da n dt h eo u t p u tr a t eo fs l a g 从图5 可以看出 1 随着反应时间的增加，粗 铅产率从1 9 ．2 3 ％升至2 5 ．8 3 ％。时间长有利于渣 铅沉降分离，同时能让其它各种金属化合物有足够 时间发生还原反应，再以金属状态进入粗铅； 2 渣 产率逐渐减少。时间长，渣中易挥发的化合物及被 产出的气体气泡带走的物质则更多的进入烟气烟尘 中，增加了收尘负荷。时间为3h 时，粗铅产率 2 2 ．7 6 ％，渣产率4 3 ．6 1 ％。 3 ．7 其它反应效果的比较及分析 不同试验条件下，反应后，其它各成分含量变化 不大。粗铅中的铅含量9 5 ．0 1 ％～9 6 ．1 2 ％；A g 含 量0 ．2 8 ％～0 ．3 6 ％；S 含量0 ．1 1 ％～0 ．1 9 ％；铜含 量0 ．3 1 ％～o ．5 6 ％。铅渣其它成分含量S 含量 1 ．8 9 ％～2 ．3 7 ％；Z n 含量2 ．4 7 ％～6 ．3 3 ％。且呈 现渣含铅低，则含Z n 亦低的试验现象。推测在相 同工艺条件下，原料中铅化合物和锌化合物与其它 物质之间发生的反应机理相似，故两者在铅渣和烟 尘中呈正比例含量关系。随着反应时间的延长和反 应温度的提高，各种化合物逐渐分解，易挥发物更多 的进入烟尘，渣中较难挥发物S i O 。、F e O 、C a O 的含 量都有稍微增加的趋势。在渣含铅 3 ．0 1 ％的较优 反应条件下，铅回收率 以渣计 均大于9 7 ．5 3 ％；脱 硫率大于9 0 ．1 ％。 4结论 在熔池熔炼还原段采用铅精矿和富铅渣的交互 反应可满足工业实践的各项经济技术指标。最优工 艺条件渣型三主要组成含量折算为F e 03 5 ％， S i 0 23 7 ．5 ％，C a O2 7 ．5 ％，温度12 5 0 ℃，时间3h ， 配料比1 ．1 。在此条件下可得到渣含铅2 ．6 1 ％，铅 的回收率 以渣计 9 8 ．2 1 ％，脱硫率9 1 ．5 ％，烟气烟 尘率3 3 ．6 3 ％，粗铅产率2 2 ．7 6 ％，渣产率4 3 ．6 1 ％。 参考文献 [ 1 ] 王吉坤，周廷熙，冯桂林．I s A Y M G 粗铅冶炼新工艺 [ J ] ．中国工程科学，2 0 0 4 ，6 4 6 1 6 6 ． [ 2 ] 李东波，张兆祥．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 2 1 5 ． [ 3 ] 陈国发，王德全．铅冶金学[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 0 0 1 3 2 6 ． [ 4 ] 彭容秋．铅冶金[ M ] ．长沙中南大学出版社，2 0 0 4 4 0 4 11 6 4 8 5 ． [ 5 ] Y a nl i n gZ h a n g ，R u iZ h a n g ，E i k iK a s a i ce ta 1 ．V a p o r i z a t i o nb e h a v i o ro fl e a df r o mt h eF e O - C a O - S i 0 2 一A 1 20 3 s l a gs y s t e m [ J ] ．M i n e r a l ，M e t a l l u r g y ，M a t e r i a l ，2 0 0 8 ， 1 5 6 6 7 1 6 7 7 ． [ 6 ] P e r i l l oA ．维斯麦港基夫赛特法炼铅厂的投产与生产指 标[ J ] ．有色冶炼，1 9 8 9 4 1 7 ． [ 7 ] 杨斌．浅析Q s L 炼铅工艺的渣型选择[ J ] ．中国有色冶 金，2 0 0 4 ，8 4 2 7 2 8 ． [ 8 ] 宋光辉，张乐如．氧气侧吹直接炼铅新工艺的开发与应 用[ J ] ．工程设计与研究，2 0 0 5 1 1 8 1 3 一1 8 ． ％，静傲铡皋 万方数据