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本文作者：尹飛王成彥王忠郜偉李強作者單位：北京礦冶研究總院

1硫化鉛精礦直接熔煉的基本原理

20世紀50年代以來，人們一直在尋求焙燒與熔煉相結(jié)合、熔煉強度高、過程連續(xù)直接煉鉛方法［1－3］。根據(jù)對pb－S－O系化學(xué)勢圖的研究結(jié)果，可以獲得成分穩(wěn)定的金屬鉛的操作條件，但是，熔池直接煉鉛只能產(chǎn)出高硫鉛或者高鉛渣；要獲得含硫低的粗鉛，就必須對含鉛高的直接熔煉爐渣進行還原處理。

PbS氧化生成金屬鉛有兩種主要途徑：一是PbS直接氧化，二是PbS與PbO發(fā)生交互反應(yīng)。為使氧化熔煉過程盡可能多地脫除硫（包括溶解在金屬鉛中的硫），不可避免地會生成更多的PbO，在操作上合理控制氧料比就成為直接熔煉的關(guān)鍵。理論上，可借助Pb－S－O系硫勢－氧勢圖進行討論。

圖1給出了直接煉鉛在平衡相圖中的位置，如斜陰影線區(qū)所示。熔池熔煉由于采用了工業(yè)純氧或富氧空氣強化冶金過程，煙氣量少，SO2濃度一般在10％以上（相當(dāng)于PSO2≥104Pa）。在“熔池直接煉鉛”區(qū)域，只要控制較低的氧勢（1gPo2＜－1），即使在PSO2＝105～103Pa的條件下，PbS直接氧化仍可產(chǎn)出含硫＜0．3％的粗鉛。

用活度aPbO表示PbO在熔渣中的有效濃度，aPbO＝0．1相當(dāng)于爐渣含7％～8％Pb。aPbO數(shù)值越大，意味著爐渣中PbO濃度越大。在熔煉體系中，PbO不能溶入Pb－PbS相，只能形成PbO－Pb－SiO3爐渣相。隨著氣相－金屬鉛（Pb－PbS）相－爐渣三相體系中氧勢的增大，aPbO值可增至1。

SO2分壓在熔池直接煉鉛中一般為～104Pa，如果將氧分壓控制在10－5～10－4Pa的低氧勢條件下，產(chǎn)出爐渣的aPbO＜0．1，相當(dāng)于渣含鉛～5％，此時粗鉛含硫?qū)⒋笥?％。如果將渣含鉛降到鼓風(fēng)爐還原熔煉的水平（Pb＜3％），則爐渣放出口處的爐內(nèi)氧勢也必須控制到1gPo2＜－5。因此，硫化鉛精礦熔池直接熔煉要同時獲得含硫低的粗鉛和含鉛低的爐渣是有困難的［2－3］。

目前的熔池直接煉鉛都是在高氧勢（lgPo2＝－1～－2）下進行，產(chǎn)出含硫合格的粗鉛和高鉛渣，高鉛渣含PbO達到20％～50％，必須在低氧勢下再進行還原。鉛富氧閃速熔煉則突破了上述限制，將互為矛盾的PbS的氧化和PbO的還原這兩個反應(yīng)分步進行：物料在反應(yīng)塔內(nèi)高氧勢快速強氧化脫硫（反應(yīng)時間3～5s，脫硫率＞98％）使用工業(yè)純氧實現(xiàn)，脫硫熔融物料在熔池內(nèi)的低氧勢快速還原則利用熾熱焦濾層來實現(xiàn)，并產(chǎn)生金屬鉛。從而，在一個爐體內(nèi)實現(xiàn)了脫硫和還原鉛兩個過程。由于鉛的還原方式改變了，因此對物料的適應(yīng)性大大增強，入爐料含鉛可以降至25％或更低，一次渣含鉛最低可降至3％，一次粗鉛產(chǎn)率最高可達92％，煙塵率最低降至6％。一次鉛渣再經(jīng)貧化電爐還原，棄渣含鉛、鋅最低可降至1％以下，直接產(chǎn)出含鋅大于55％的氧化鋅灰，由于取消了煙化爐，顯著降低了粉煤用量和綜合能耗［4］。直接煉鉛法設(shè)備密閉性好，自動化控制程度高，從而使得鉛蒸氣和SO2的泄漏降到最小程度。因此，直接煉鉛既高效、節(jié)能，而且綜合利用也高、對環(huán)境又友好。

2渣型選擇

鉛渣由各種金屬的硅酸鹽、亞鐵酸鹽及鋁酸鹽等組成；此外還含有少量金屬硫化物、金屬及氣體。SiO2、FeO和CaO是鉛爐渣的主要成分，相對其它有色金屬爐渣而言，高CaO、高ZnO含量又是鉛爐渣的特點。

選擇爐渣成分，對于鉛還原熔煉的好壞有決定性的影響。爐渣的熔點、黏度及密度等決定于其化學(xué)成分。通常，對鉛冶煉爐渣的要求主要有：1）爐渣成分必須符合熔煉時熔劑消耗量最少的要求。正確選擇爐渣的硅酸度，使得熔劑消耗少，爐渣產(chǎn)量低，進入爐渣中的有價金屬也將減少，能耗隨之降低。2）爐渣的熔點適當(dāng)。熔點愈低，熔煉所需的燃料越少，爐子生產(chǎn)率越高。如果爐渣熔點過低，在金屬氧化物的還原反應(yīng)發(fā)生之前爐料就開始熔化，就會造成大量的有價金屬隨渣流失。反之，爐渣熔點過高，則需要經(jīng)過充分過熱才能使渣易于流動，勢必要消耗大量的熱能，并使爐料熔化速度減慢，降低爐子的生產(chǎn)率。所以，爐渣的熔點應(yīng)該適合熔煉的要求。3）爐渣的黏度要小而適度。黏度小，則爐渣與金屬或锍的分離比較完全。酸性渣一般比堿性渣的黏度大，需要的過熱程度較高，因此能耗較高。Al2O3、Fe2O3、Fe3O4、ZnO和MgO會使黏度增高，爐渣中含有大量的SiO2以及各種金屬化合物時，黏度增高。而FeO、CaO、MnO和BaO會使黏度降低，但CaO過高則黏度也會增加。4）爐渣密度要小。因為爐渣的密度和黏度小，金屬或锍的微粒半徑和密度大，爐渣與金屬或锍才容易分離。爐渣密度取決于其組分，堿金屬、堿土金屬及輕金屬的氧化物可使密度降小，各種密度大的金屬氧化物能使密度增大。5）爐渣的表面性質(zhì)（表面張力、界面張力和毛細管壓力等）對爐渣與金屬或锍的分離起著重要的作用，此外，爐渣對耐火材料的腐蝕也與爐渣的表面性質(zhì)有較大關(guān)系。減小爐渣表面張力和密度可使金屬或锍的臨界半徑變小，有利于爐渣與金屬或锍的分離，如果兩相間界面張力大，相互潤濕作用小，則可使爐渣與金屬或锍得到較充分的分離。對耐火材料而言，為了防止熔渣的滲透腐蝕，爐渣的界面張力要大，表面張力要低。鉛熔煉爐渣與銅熔煉爐渣不同，銅爐渣一般為高硅低鈣渣，而鉛冶煉廠為了降低渣含鉛，提高原料綜合利用程度和處理高鋅物料，廣泛采用高鋅高鈣型渣。

3爐渣性能研究

3．1試驗設(shè)備和方法

熔煉試驗在12kW高溫硅鉬爐中進行，采用HR－1型熔點測試儀測定熔點，高純氬氣保護。采用內(nèi)圓柱體旋轉(zhuǎn)式快速高溫黏度儀測定爐渣黏度。用電子計量秤稱取所需的物料，混合均勻后裝入剛玉坩堝中，加蓋后置于硅鉬爐內(nèi)，為獲得合乎要求的爐渣和防止亞鐵氧化，在坩堝爐內(nèi)放置少量焦炭，造成一定的還原性氣氛。關(guān)閉爐門后，通電升溫，按要求的條件進行熔煉試驗。熔煉過程結(jié)束后，所得產(chǎn)物冷卻至室溫，稱重計量后分別制取渣樣送化學(xué)分析，并根據(jù)所得分析結(jié)果進行有關(guān)計算，其中一些渣樣進行熔點、黏度和密度等項檢測。

3．2FeO／SiO2的影響

進行了不同F(xiàn)eO／SiO2配比試驗，并檢測了爐渣的熔點、密度等物理和化學(xué)性質(zhì)。當(dāng)FeO／SiO2分別為1．00、1．15、1．32、1．42、1．57時，爐渣的變形溫度分別為（℃）：1126、1114、1106、1064、1055；熔化溫度分別為（℃）：1160、1148、1146、1143、1089；流動溫度分別為（℃）：1166、1169、1151、1168、1144；密度分別為（g／cm3）：3．85、3．87、3．89、4．14、4．19；熔點分別為（℃）：1160、1148、1146、1143、1089。不同F(xiàn)eO／SiO2爐渣的黏度測試結(jié)果見圖1。圖1表明：爐渣的物理化學(xué)性能隨FeO／SiO2的變化很大，適當(dāng)增加FeO配比可降低爐渣的黏度和熔點，適宜的FeO／SiO2為1．15。

3．3CaO／SiO2的影響

進行了不同CaO／SiO2配比研究，并測試了爐渣的熔點、密度等物理和化學(xué)性質(zhì)。當(dāng)CaO／SiO2分別為0．28、0．35、0．48、0．57、0．67時，爐渣的變形溫度分別為（℃）：1083、1105、1114、1126、1160；熔化溫度分別為（℃）：1117、1145、1148、1149、1184；流動溫度分別為（℃）：1131、1156、1169、1170、1190；密度分別為（g／cm3）：3．90、3．89、3．89、3．85、3．84；熔點分別為（℃）：1117、1145、1148、1149、1184。不同CaO／SiO2爐渣的黏度測試結(jié)果見圖2。圖2表明：爐渣熔點隨CaO增加呈上升趨勢，黏度則隨CaO的增加而降低。適宜的CaO／SiO2為0．57。

3．4ZnO的影響

對不同ZnO含量爐渣的熔點、密度等物理和化學(xué)性質(zhì)進行測試。當(dāng)ZnO含量分別為（％）：4、6、8、10、12時，爐渣的變形溫度分別為（℃）：1121、1121、1122、1126、1147；熔化溫度分別為（℃）：1134、1141、1146、1149、1171；流動溫度分別為（℃）：1166、1169、1167、1170、1186；密度分別為（g／cm3）：3．74、3．81、3．84、3．85、4．05；熔點分別為（℃）：1134、1141、1146、1149、1178。不同ZnO含量爐渣的黏度測試結(jié)果見圖3。圖3表明，爐渣ZnO含量在4％～12％時，對爐渣性能的影響不明顯，對鉛的還原熔煉影響不大。

3．5CaO含量對渣含鉛的影響

固定條件：FeO／SiO2＝1．15、ZnO／SiO2＝0．34、7％PbO、11％PbSO4、3％Al2O3、1％MgO、焦炭加入量為理論量的1．5倍。熔煉條件：溫度1250℃、保溫時間1h。當(dāng)CaO配比分別為（％）：0、5、7、10、15、20時，渣含鉛分別為（％）：8．57、4．85、3．85、3．38、2．58、2．81；渣含鋅分別為（％）：8．76、8．52、8．01、8．21、7．34、7．51。可見，適當(dāng)提高爐渣的CaO含量，可有效降低渣含鉛，適宜的CaO含量為10％～15％，此時渣含鉛可以控制在3％以下。

3．6渣中鋅含量（鋅還原度）對鐵還原程度的影響

富氧閃速熔煉時，物料中的鉛80％以上被還原，鋅基本不還原而依舊以ZnO•SiO2、ZnO•Fe2O3等礦物形態(tài)存在于爐渣中，爐渣含鉛10％～15％、含鋅8％～12％。在電爐貧化過程中，隨著爐渣溫度的升高和還原氣氛的增強，爐渣中的鋅大部分被還原為金屬鋅而進入氣相。隨鋅還原程度的提高、渣含鋅的降低，爐渣中的鐵將不可避免地被同時還原。試驗考察了渣含鋅（鋅還原程度）對金屬鐵生成的影響情況。固定條件：FeO／SiO2＝1．15、CaO／SiO2＝0．57、ZnO10％、PbO7％、PbSO411％、Al2O33％、MgO1％。熔煉溫度1250℃，保溫時間1h。試驗結(jié)果見圖4。圖4表明，隨著還原氣氛的增強，渣中鋅含量的逐漸減少，金屬鐵含量逐漸增加?？刂圃\在2％左右，可以很好地控制金屬鐵的生成。

3．7電爐貧化渣（終渣）的性能研究

除渣中鉛、鋅含量有所變化外，電爐貧化渣（終渣）與閃速爐渣的渣型基本相同。電爐渣化學(xué)成分（％）：FeO36．22、SiO231．69、CaO17．81、PbO1．68、ZnO1．98、Al2O33．23、MgO1．13、S1．03。電爐渣熔點檢測結(jié)果（平均值）：變形溫度1132℃、熔化溫度1152℃、流動溫度1173℃。電爐渣溫度—黏度曲線見圖5。圖5表明，要保證爐渣黏度小于1Pa•s，電爐貧化溫度應(yīng)大于1220℃。度低于50℃。7）升溫結(jié)束投料前，各冷卻元件冷卻水量作一次全面調(diào)整，使各點水溫在40～45℃。投料后，閃速爐各燒嘴按照先沉淀池后反應(yīng)塔的順序減油，2h后熄滅。

3結(jié)論

1）爐底烘烤徹底，受熱均勻；干燥和加熱鉛閃速爐的時間可以縮短到15天左右，與鎂鉻耐火磚所能承受的標準熱梯度一致；2）烘爐至1100℃左右恒溫階段，采用和其它火法冶煉爐同樣的加熱方法，盡量使熱量均勻分布到爐的各個部位，并確保工作層耐火材料慢慢加熱；爐底由融化的水淬渣進行灌縫，注入底鉛后，爐底形成掛渣保護，有效防止鉛的滲透；3）烘爐的主供熱源為鉛閃速爐反應(yīng)塔頂氧油槍，輔助供熱源為沉淀池氧油槍，爐內(nèi)的各個部分尤其是爐底的膨脹是均勻的，符合設(shè)計參數(shù)，證明了各個結(jié)構(gòu)改進都是可行的。