2.1.2 鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐熔煉法

2.1.2.1 鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐熔煉法概述

鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐熔煉法是火法煉鉛鋅的一項(xiàng)重大技術(shù)成就。最初, 人們認(rèn)為從含鋅十分低的爐氣中冷凝鋅是不可能的, 因而曾試圖從爐底產(chǎn)出液體鋅。在大的壓力下使氧化鋅直接還原成液體鋅在熱力學(xué)理論上是可行的, 但同時(shí)精礦中所有的鐵也會(huì)被還原, 得到的是一種鋅鐵合金而不是單純的金屬鋅, 實(shí)際的結(jié)果是爐子會(huì)在短時(shí)間內(nèi)因爐缸積鐵而導(dǎo)致停爐。煉鋅鼓風(fēng)爐在大的壓力下進(jìn)行操作以防止鋅揮發(fā)的各種努力都沒有成功。直到1939年, 在英國阿旺茅斯建立了一座0.72 m2的試驗(yàn)爐, 用鉛雨冷凝器從低鋅蒸氣濃度和高CO2含量的爐氣中獲得液體金屬鋅, 從而為密閉鼓風(fēng)爐煉鉛鋅奠定了生產(chǎn)基礎(chǔ)。密閉鼓風(fēng)爐煉鉛鋅有許多優(yōu)點(diǎn): 一是對原料的適應(yīng)性強(qiáng), 適合處理難選的鉛鋅混合礦, 簡化了選冶工藝流程, 從而得到較高的金屬回收率; 二是該法以一個(gè)系統(tǒng)代替了一般煉鉛、 鋅的兩種獨(dú)立系統(tǒng), 簡化了冶金工藝流程, 建廠占地面積小, 設(shè)備臺(tái)數(shù)減少, 投資相對較小; 三是鉛在并不額外消耗焦炭的條件下得到, 因此生產(chǎn)每一噸金屬消耗的燃料和生產(chǎn)成本比其他的冶煉方法相對要低; 四是密閉鼓風(fēng)爐煉鉛鋅為直接加熱, 因此冶煉設(shè)備能力不受限制, 可在生產(chǎn)能力較大的設(shè)備內(nèi)進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn), 有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化, 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率; 五是廢熱利用好, 鼓風(fēng)爐煤氣經(jīng)洗滌升壓后, 熱風(fēng)爐預(yù)熱空氣、 用于焦炭預(yù)熱器預(yù)熱冶金焦, 還可用于發(fā)電。

密閉鼓風(fēng)爐煉鉛鋅也有不足之處: 一是需要消耗數(shù)量多、 質(zhì)量好的冶金焦; 二是該法對技術(shù)條件的要求比較高, 需要熱焦、 熱風(fēng), 對燒結(jié)塊物理、 化學(xué)規(guī)格要求很嚴(yán)格, 尤其是對燒結(jié)塊的殘硫要求低于1%, 致使燒結(jié)過程控制復(fù)雜。

目前, 世界上有10多個(gè)國家采用密閉鼓風(fēng)爐煉鉛鋅技術(shù)。我國從20世紀(jì)70年代中期第一座鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐投產(chǎn)以來, 至今投產(chǎn)的鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐已有5座, 鼓風(fēng)爐爐身面積也由17.2 m2(年產(chǎn)5萬t粗鉛鋅)發(fā)展到約20 m2(年產(chǎn)10萬t粗鉛鋅)。密閉鼓風(fēng)爐煉鉛鋅技術(shù)在我國得到長足發(fā)展, 尤其是作為密閉鼓風(fēng)爐煉鉛鋅技術(shù)的核心——鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐, 在結(jié)構(gòu)合理性、 技術(shù)參數(shù)優(yōu)化等方面都有不斷地改進(jìn)和完善。

2.1.2.2 密閉鼓風(fēng)爐的熔煉原理

燒結(jié)塊中的鋅, 絕大部分以是氧化鋅ZnO、 硅酸鋅(ZnO·SiO2)、 鐵酸鋅(ZnO·Fe2O3)的形態(tài)存在。燒結(jié)塊中的鉛, 絕大部分成氧化鉛(PbO)、 硅酸鉛(PbO·SiO2)、 鐵酸鉛(PbO·Fe2O3), 還有少量金屬鉛、 硫酸鉛。根據(jù)燒結(jié)塊在爐內(nèi)的反應(yīng), 可以將爐子大致分為下面幾個(gè)區(qū)域。

(1)預(yù)熱帶

燒結(jié)塊從爐頂加入密閉鼓風(fēng)爐內(nèi), 燒結(jié)塊的溫度約400℃, 首先進(jìn)入爐料預(yù)熱帶, 在此區(qū)域燒結(jié)塊從爐氣中吸收熱量而被迅速加熱到1000℃, 從料面逸出的爐氣溫度被降低到800~900℃。在這種溫度變化范圍內(nèi), 爐氣中的鋅部分被再氧化放出熱量, 燒結(jié)塊中的PbO開始被還原。預(yù)熱爐料的熱主要來自爐子的顯熱和鋅蒸氣再氧化時(shí)放出的熱及PbO還原放出的熱。

(2)再氧化帶

燒結(jié)塊繼續(xù)往下進(jìn)入再氧化帶, 在此帶爐氣與爐料的溫度處于相等的狀態(tài)。這一區(qū)域發(fā)生的反應(yīng)有: 一是碳的氣化反應(yīng)即C+CO22CO, 反應(yīng)時(shí)從爐氣中吸收熱量; 二是爐氣中鋅蒸氣的逆向進(jìn)行而被氧化放出熱量, 生成的氧化鋅隨固體爐料下降至高溫區(qū)時(shí), 需要消耗焦炭的燃燒熱來還原揮發(fā)(ZnO+COZn+CO2), 所以這部分鋅的氧化與還原只起著熱量的傳遞作用。因此這一帶的爐氣與爐料的溫度幾乎保持不變, 維持在1000℃左右。在此帶PbO大量被還原, PbS與鋅蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成ZnS(PbS+ZnPb+ZnS), ZnS在這段溫度下是最穩(wěn)定的。產(chǎn)生的ZnS固體, 部分沉積在爐壁上助長爐身爐結(jié)的形成, 部分隨固體爐料下降至高溫帶。