(3)還原帶

還原帶的溫度在1000~1250℃, ZnO大量在這一區(qū)域與CO反應(yīng)被還原, 與爐氣中的CO、 CO2保持平衡, 爐氣中的鋅濃度達(dá)到最大值; 另外隨爐氣上升的CO2少部分被固體碳還原。這兩個(gè)反應(yīng)均為吸熱反應(yīng), 主要靠爐氣的顯熱來供給。ZnO在這一區(qū)域以固體狀態(tài)還原的越多越好, 因?yàn)橥ㄟ^此區(qū)域的爐料將熔化造渣, ZnO會(huì)溶于渣中, 而渣中的ZnO活度數(shù)值小, 還原變得更加困難, 致使渣含鋅增加。為了使ZnO在這一區(qū)域盡量以固體狀態(tài)被還原, 要求渣的熔點(diǎn)高, 易熔爐渣會(huì)很快地熔化通過高溫帶, 致使ZnO不能完全從渣中還原出來。這就是密閉鼓風(fēng)爐造高熔點(diǎn)渣的原因。

(4)爐渣熔化帶

這一區(qū)域溫度在1250℃以上, 進(jìn)行著溶于渣中的ZnO的還原、 爐渣的熔化和焦炭的燃燒。約60%的ZnO在這一區(qū)域還原蒸發(fā)。ZnO的還原和爐渣的熔化均需消耗大量的熱量, 這些熱量靠焦炭燃燒和熱空氣來供給。焦炭在風(fēng)口區(qū)的大量燃燒可在此熔化帶造成1400℃以上的溫度來保證爐渣的熔化與過熱。

密閉鼓風(fēng)爐煉鋅理論上來說應(yīng)盡可能使焦炭完全燃燒, 這樣可以降低焦炭的消耗, 但從爐渣中還原ZnO又需要爐子中有很高的CO濃度。這就需要一方面在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn), 確定適當(dāng)?shù)奶间\比和風(fēng)焦比, 另一方面可以采用熱風(fēng)熔煉來解決這一問題。

2.2 直接煉鉛技術(shù)

硫化鉛精礦不經(jīng)焙燒或燒結(jié)焙燒直接生產(chǎn)出金屬鉛的熔煉方法稱為直接熔煉煉鉛法。

對(duì)硫化鉛精礦來說, 這種粒度僅為幾十微米的浮選精礦因其比表面積大, 化學(xué)反應(yīng)和熔化過程都有可能很快進(jìn)行, 充分利用硫化鉛精礦粒子的化學(xué)活性和氧化熱, 采用高效、 節(jié)能、 少污染的直接熔煉流程處理是最合理的。傳統(tǒng)的燒結(jié)-鼓風(fēng)爐流程將氧化-還原兩過程分別在兩臺(tái)設(shè)備中進(jìn)行, 各自反應(yīng)體系中的化學(xué)勢隨料層移動(dòng)的距離發(fā)生很大的改變, 且均系遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)的非均質(zhì)多相體系。從冶金動(dòng)力學(xué)得知, 要使冶金過程實(shí)現(xiàn)快速高效, 在接近平衡狀態(tài)下的均質(zhì)反應(yīng)體系中連續(xù)操作是最理想的, 因此傳統(tǒng)煉鉛流程存在許多難以克服的弊端, 隨著能源、 環(huán)境污染控制以及生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本對(duì)冶金過程的要求越來越高, 傳統(tǒng)煉鉛法受到多方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。具體來說, 傳統(tǒng)的硫化鉛精礦熔煉法有如下主要缺點(diǎn): 

(1)隨著選礦技術(shù)的進(jìn)步, 鉛精礦品位一般可達(dá)到60%以上, 但是這種高品位精礦給正常燒結(jié)帶來許多困難, 導(dǎo)致大量的溶劑、 返粉或爐渣的加入, 將燒結(jié)爐料的含鉛量降至40%~50%。送往熔煉的是低品位的燒結(jié)塊, 致使每生產(chǎn)1 t金屬就要產(chǎn)生1 t多爐渣, 設(shè)備生產(chǎn)能力大大降低。

(2)1 t硫化鉛精礦氧化并造渣可放出2×106 kJ以上的熱量, 這種能量在燒結(jié)作業(yè)中幾乎完全損失掉, 而在鼓風(fēng)爐熔煉過程中又要另外消耗大量的焦炭。

(3)鉛精礦一般含硫15%~20%, 處理1 t精礦可生產(chǎn)0.5 t硫酸, 但燒結(jié)焙燒脫硫率只有70%左右, 故硫的回收率較低, 還有約30%左右的硫進(jìn)入鼓風(fēng)爐煙氣, 回收困難, 容易給環(huán)境造成污染。

(4) 傳統(tǒng)的燒結(jié)-鼓風(fēng)爐流程長, 含鉛物料運(yùn)轉(zhuǎn)量大, 粉塵多, 大量散發(fā)的鉛蒸氣、 鉛粉塵嚴(yán)重惡化車間環(huán)境, 容易造成作業(yè)人員鉛中毒。

近30年來, 冶金工作者力圖通過硫化鉛受控氧化, 即PbS+O2Pb+SO2途徑來實(shí)現(xiàn)硫化鉛精礦的直接熔煉, 以簡化生產(chǎn)流程, 降低生產(chǎn)成本, 利用氧化反應(yīng)放出的熱能降低能耗, 產(chǎn)出高濃度的SO2煙氣用于制酸, 減少對(duì)環(huán)境的污染。但由于直接熔煉產(chǎn)生大量鉛蒸氣、 鉛粉塵, 且熔煉產(chǎn)物不是粗鉛含硫高就是爐渣含鉛高, 致使許多直接熔煉方法都不成功。冶煉工作者通過Pb-S-O系化學(xué)位圖的研究, 找到了獲得成分穩(wěn)定的金屬鉛的操作條件, 但也明確指出, 直接熔煉要么產(chǎn)出高硫鉛, 要么形成高鉛渣, 從熱力學(xué)上分析這是必然的。根據(jù)金屬硫化物直接熔煉的熱力學(xué)原理, 運(yùn)用現(xiàn)代冶金強(qiáng)化熔煉的新技術(shù), 探索結(jié)構(gòu)合理的冶金反應(yīng)器, 對(duì)直接煉鉛進(jìn)行了多種方法的研究, 其中有些已經(jīng)成功應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn), 有的結(jié)合原有的傳統(tǒng)工藝, 研發(fā)出新的冶煉工藝, 顯示了直接熔煉的強(qiáng)大生命力。從目前鉛冶煉企業(yè)的發(fā)展形勢看, 直接煉鉛將逐漸取代傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝。

下面就目前國內(nèi)外采用較多的硫化鉛精礦直接熔煉工藝進(jìn)行介紹。