液态高铅渣直接还原工艺的发展前景

贺菊香，王 兴，刘生长，甘红祥

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南长沙 410011）

液态高铅渣直接还原工艺的发展前景

贺菊香，王 兴，刘生长，甘红祥

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南长沙 410011）

分析了高铅渣的特点和液态高铅渣直接还原的反应机理，并对几种液态高铅渣直接还原工艺进行了分析和比较，认为液态高铅渣直接还原工艺能满足日益严格的环保要求，可节能降耗，提高有价金属综合利用率。

液态高铅渣；直接还原；富氧底吹还原工艺；富氧侧吹还原工艺

近十多年来，我国铅冶炼技术发展很快，粗铅熔炼技术升级的步伐越来越快，更新换代的周期大为缩短，产量也快速增长，传统工艺生产的粗铅产量已下降到40%以下。到目前为止，我国已汇集了世界上所有的铅冶炼工艺，各种工艺以其独有的特点，满足了不同用户的需求。已引进了QSL法、浸没式顶吹（ISA或Ausmelt）熔炼－鼓风炉还原法、氧气顶吹卡尔多（Kaldo）转炉法、基夫赛特（KIVCET）法等国外的直接炼铅技术；我国冶金工作者在研发自有炼铅技术上也做了大量的工作，已投入生产的有富氧底吹炼铅工艺、富氧侧吹炼铅工艺。其中富氧底吹炼铅工艺、富氧侧吹炼铅工艺、氧气顶吹炼铅工艺将氧化和还原过程分开，在不同的反应器内完成，在第一台反应器（氧化炉）进行氧化熔炼；过去十年中，第二台反应器（还原炉）往往都是采用传统的鼓风炉。由于鼓风炉需冶炼块料，故需将氧化炉产出的高铅渣铸成渣块，与块状焦炭一起加入鼓风炉进行还原熔炼。最近几年，我国冶金工作者自主研发了液态热渣直接还原技术，用底吹炉或侧吹炉作第二台反应器（还原炉），将第一台反应器（氧化炉）产出的高铅渣直接流入第二台反应器（还原炉），并加入还原剂，将液态高铅渣进行直接还原。目前国内已经有不少铅冶炼厂为了满足国家日趋严格的能源、环保政策和清洁生产的要求，进行节能减排，选择将高铅渣进行直接还原。本文根据笔者参加的几家铅冶炼厂的技术升级改造情况，对液态高铅渣直接还原工艺的反应机理、高铅渣的特点、冶金炉窑的结构特点等进行了分析、比较和总结，供同行技术人员作参考。

1 高铅渣的特点

液态高铅渣的化学成分及物相组成一般与高铅渣块是相同的，根据国内几家铅冶炼厂的生产实践，粗铅氧化熔炼产出的高铅渣化学成分一般为：Pb 42%～50%，ZnO 7%～12%，S 0.1%～0.5%，FeO 10%～15%，SiO210%～12%，CaO 4.5%～5.5%，Cu 0.1%～0.8%。表1是某厂进行节能减排技改时的高铅渣物相组成分析。

表1 高铅渣物相组成 %

硅酸铅（x PbO·y SiO2）是高铅渣中最多的一种结合态氧化铅。硅酸铅的还原如果没有碱性氧化物的参与是很困难的，但高铅渣中CaO的含量较低，需要补充适量的熔剂CaO。实践生产中高铅渣块鼓风炉还原熔炼时一般控制的渣型为FeO／SiO2＝1.2～1.4，CaO／SiO2＝0.5～0.65；液态高铅渣直接还原时，由于采用了富氧，还原温度较高，炉渣成分一般控制在FeO／SiO2＝1.2～2.0，CaO／SiO2＝0.4～0.7，有的铅厂只配入少量的CaO，在高铅渣含锌较高的条件下，还原熔炼甚至可以不配入CaO。

高铅渣熔点一般在900～1 000℃，但高铅渣成分不同会有些差别。

高铅渣粘度一般为0.3～0.5 Pa·s，粘度小有利于炉缸内熔炼产品渣铅的分离。

2 液态高铅渣直接还原的反应机理

高铅渣中CaO的含量一般要低于传统烧结块的，而ZnO含量则高于烧结块中含量。用鼓风炉还原高铅渣块时，由于高铅渣块非常致密，密度为4.5～5 g／cm3，孔隙率低，块度为40～120 mm占70%以上。CO较难渗入渣块内部，发生气－固反应的可能性小。因此，高铅渣鼓风炉还原熔炼化学反应主要发生在熔炼区和炉缸区，熔融的渣块与固体C发生液－固反应。高铅渣还原主要是熔体中硅酸铅被C直接还原。在铅鼓风炉还原熔炼条件下，随着炉料的下降，炉料被炉气加热后，温度逐渐升高至超过硅酸铅的熔点，液态硅酸铅与固体碳发生还原反应。

高铅渣是强氧化熔炼的产物，含硫很低（一般S＜0.5%），铁一般以高价铁的形式存在，大约80%～85%是以Fe3O4的形态存在。目前采用富氧底吹炉或富氧侧吹炉，用煤作还原剂，炉内气流对熔体的搅动可增加PbO与CO之间的液－气反应的机率，硅酸铅还原变得更加容易。其还原反应主要是熔融高铅渣中的PbO与煤中的C之间的液－固反应，以及PbO与CO之间的液－气反应。

液态高铅渣直接还原发生的主要化学反应与鼓风炉还原基本相同，反应的过程可能会有所不同。在液－固反应同时，还会发生气－液反应和液－液反应。因为液态高铅渣直接还原熔炼是熔池中进行的，鼓入富氧空气使熔体产生搅动，熔融高铅渣与还原剂C接触发生反应，然后释放CO气体，CO在气流扩散的过程中不断与熔体接触，也会与熔体中的化合物发生还原反应。熔体的剧烈搅动，还会使熔体中发生液－液反应。主要化学反应如下：

3 液态高铅渣直接还原工艺的比较

针对高铅渣铸块进鼓风炉还原炼铅的缺点，我国冶金工作者先后完成了液态渣高铅渣直接还原炼铅工艺的开发工作，并实现了工业化生产。目前，成功实现工业化和产业化并稳定生产的液态铅渣直接还原炉主要有侧吹和底吹两种形式，侧吹还原炉以河南金利公司和万洋公司为代表，底吹还原炉以河南豫光金铅为代表，最近几年，液态渣高铅渣直接还原新建和技术改造项目已经有多家企业在进行。

采用侧吹还原炉和底吹还原炉两种炉型液态渣高铅渣直接还原炼铅工艺中，氧化炉产出的熔融高铅渣均可通过溜槽自流入还原炉，较好地解决了传统鼓风炉还原技术存在的能耗高、环保差、流程复杂、占地面积大、控制水平低等缺点。

3.1 富氧底吹还原

高铅渣富氧底吹还原工艺的关键设备是底吹还原炉。

底吹还原炉结构类似于水口山炉，为圆形卧式转炉，外壳由厚度30 mm的16MnR耐热钢板焊接而成，滚圈及齿圈处加强至50 mm。内衬一般采用镁铬砖或铝铬砖砌筑，筒体内衬厚度为350～460 mm，底部装有6支氧气喷枪，喷枪结构类似于底吹氧化炉的喷枪，喷枪的套砖厚度为400～650 mm，材质也比其它部位的要求更好。反应器的一端为虹吸放铅口，另一端为放渣口，上部有2个加料口和1个烟气出口。还设置有开炉烧嘴。生产过程中炉体可沿长轴方向转动，停炉和更换喷枪时可转动角度以便防止熔体进入喷枪将其堵死，同时便于操作更换喷枪。底吹还原炉熔池深度一般在1 000～1 100 mm，长度11～14 mm。

2005年～2007年豫光金铅公司进行底吹炉还原液态高铅渣试验，2007年研发出液态高铅渣底吹直接还原炼铅新工艺，进行工业化生产设计，2010年投产。目前还原炉生产正常，操作简单，自动化程度高，环境好，炉寿约一年半。

根据生产实践，将高铅渣采用底吹还原炉处理比鼓风炉要节能约50%。豫光金铅公司已形成了使用底吹熔池熔炼的系列冶金炉，除炼铅外还用于处理其它物料，技术日趋成熟。安阳岷山的还原炉也是卧式炉，增加了电极装置补热。

3.2 富氧侧吹还原

高铅渣富氧侧吹还原的核心装置是侧吹还原炉，类似于瓦纽科夫炼铜炉的炉型和结构，形象的比喻富氧侧吹炉是“带炉缸的烟化炉”。

2000年在河南新乡某公司引进俄罗斯技术建设有1台1.5 m2富氧侧吹炉，氧化和还原分段作业，完成了氧化熔炼和还原熔炼工业试验，试验取得了圆满成功。相关企业借鉴该炉型，建造了1台处理热态高铅渣的工业炉，也取得了圆满成功。自此，一些炼铅企业纷纷效仿，目前已建造富氧侧吹炉约十多座，有新建也有改造。目前，富氧侧吹熔炼技术在我国炼铅和炼铜、炼冰镍、处理渣等杂料方面得到了越来越多的应用。

侧吹炉一般由三层铸铜水冷水套构成的横断面呈矩型的炉子，由炉缸、炉身、炉顶三部分组成。炉身又分为熔池区和再燃烧区，其两侧装有熔池风口和再燃烧风口，炉一端为加料室，另一端为渣虹吸井，有放渣口和虹吸放铅口，整个炉子与鼓风炉很相似，不同之处在于渣虹吸井高度高于风口水平约480 mm，以形成熔池，熔池的深度由放渣口高度决定。炉底有的铅厂采用风管强制通风冷却。铜水套内壁一般都设有挂渣槽，并捣打耐火浇注料或衬耐火砖。

目前国内有几家铅厂采用了富氧侧吹炉直接还原液态高铅渣，在技术上也形成了各自的特点：

1.工艺配置不同。公司1采用氧化熔炼炉－还原熔炼炉－炉渣烟化炉三连炉工艺配置。其操作简单，配置紧凑，自动化程度高，环境好，生产正常。

2.工艺过程有所不同。公司1采用单一的碎煤粒作为燃料和还原剂。而公司2在采用煤作燃料和还原剂的同时，还补充适量的煤气作为燃料。

3.炉子和喷嘴结构有所不同。公司1采用的喷嘴是瓦纽科夫炉的喷嘴结构，氧气和空气按一定比例在炉外预先混合成富氧空气，然后通过喷嘴喷入炉内，气流压力较小，喷嘴管径较大，停风时可以插入钢钎（类似于鼓风炉停风时的操作），防止熔体灌入喷嘴；而公司2采用的喷嘴结构类似底吹氧化炉的喷嘴，氧气和空气通过喷嘴的不同通道喷入炉内，喷嘴的管径较小，气流压力较高。

3.3 两种炉型工艺技术特点比较

目前液态高铅渣直接还原工艺主要有：底吹和侧吹，由于采用的炉型不同，工艺技术上有不同的特点，表2是两种炉型工艺技术特点的比较。

通过上述分析，处理液态高铅渣方面，与底吹还原炉相比，侧吹还原炉有以下优势：

表2 两种直接还原工艺技术特点比较

1.固定炉型。侧吹还原炉无传动部件，熔池区炉体采用铜水套，炉寿长，设备故障率低，维修费用低。

2.喷嘴寿命长。侧吹还原炉的喷嘴不伸入熔体，亦无需氮气保护，无损耗，使用寿命长；而氧气底吹炉的喷枪伸入熔体之中，周边采用氮气保护，易损耗。

3.燃料和还原剂简单易得。侧吹还原炉工艺可以采用单一的煤粒，不必再使用其它燃料；而底吹炉还原工艺需同时吹入天然气作为补充燃料和还原剂。

4.渣含铅低。侧吹还原工艺渣含铅可控制在≤2%，底吹还原工艺的渣含铅稍高，约为3%。

5.维修费用低。侧吹炉本体一次性投资比底吹炉稍高，但残值也高。对100 kt／a产能的粗铅生产而言，底吹还原炉内衬需耐火砖200多t，每1.5～2 a需大修更换，其维修费用要高于侧吹还原炉。

当然液态高铅渣底吹还原工艺技术也还在不断进步，比如渣含铅也可进一步降低等。

4 结 论

液态高铅渣直接还原无论采用底吹还原炉还是侧吹还原炉，与鼓风炉处理高铅渣块比具有非常积极的意义，主要体现在：1.降低能耗。液态高铅渣直接还原减少了高铅渣块二次熔化所消耗的能源，用煤取代焦炭作为燃料和还原剂，降低了企业生产成本。

2.减少环境污染。减少了高铅渣铸块工序，而鼓风炉还原时高铅渣需冷却铸块，粉尘的飞扬和铅挥发对环境造成污染，操作环境差。

3.提高铅熔炼回收率。用底吹炉还原时渣含铅可以降低到3%，采用侧吹炉还原可以控制在2%，因此提高了粗铅熔炼的回收率。

4.提高自动化控制水平。工艺过程可采用PLC控制，实现了过程控制的自动化，从而大大提高了劳动生产率。

根据国家产业和能源、环保政策的要求，随着市场上原、辅材料供应的日趋紧张和价格的不断攀升，人力成本和环保要求的不断提高，铅冶炼业利润空间已所剩无几，进行节能减排技术改造和强化综合回收是维持企业生存，实现可持续发展的必由之路。

液态高铅渣直接还原工艺的成功开发和应用，对实现铅冶炼清洁生产、节能减排、降低企业生产成本等提供了良好的契机，具有很好的发展前景。

［1］ 张乐如.现代铅冶金［M］.长沙：中南大学出版社，2013.

［2］ 蔺公敏，宾万达.硫化铅精矿氧气侧吹炉熔池熔炼直接炼铅新技术［J］.中国有色冶金，2005，（1）：15－17.

［3］ 蔺公敏，宾万达.氧气侧吹直接炼铅炉［J］.中国有色冶金，2005，（6）：48－50.

The App lication and Prospect of Direct Reduction Technology of Lead-rich Slag

HE Ju-xiang，WANG Xing，LIU Sheng-zhang，GAN Hong-xiang

（Changsha Engineering and Research Institute Ltd.Of NonferrousMetallurgy，Changsha 410011，China）

This paper studied the characteristics and the reactionmechanism of lead-rich slag，analyzed and compared with several direct reduction smelting processes.It is conducted that direct reduction smelting processes can fulfill the need of rigid environmental，conservate conservation，depress consume and improve valuablemetal rate of recovery.

lead-rich slag of liquid state；direct reduction；oxygen enrichment bottom-blowing bath smelting；oxygen enrichment side-blowing bath smelting

TF111.13

A

1003－5540（2013）06－0035－03

2013－08－17

贺菊香（1968－），女，高级工程师，主要从事有色金属冶金工程咨询和设计工作。