硫化铜矿与硫化铅矿闪速熔炼的差异分析

唐　斌，王志刚

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031)

硫化铜矿与硫化铅矿闪速熔炼的差异分析

唐斌，王志刚

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031)

对硫化铜矿与硫化铅矿闪速熔炼过程的差异进行了,包括化合物物理化学性质、原料性质、冶炼原理与工艺、炉体结构方面的差异。研究表明,铜、铅精矿成分的差异决定了“两步炼铜”和“一步炼铅”的工艺差异,炉体结构也有所不同,但是二者采用闪速熔炼工艺均能取得较好的经济效益和环保效益。

硫化铜矿；硫化铅矿；闪速熔炼；原料性质；炉体结构

闪速熔炼是有色重金属火法冶炼中主要的冶炼方法，它的主要优点在于：1)悬浮熔炼的反应模式具有良好的冶金反应动力学条件，能充分利用粉状物料巨大的比表面积，充分利用冶金反应过程热，使反应过程得到极大加速和强化，从而易于实现高效能的大规模生产；2)鼓风压力低，动力消耗少；原料预先深度干燥，烟气量低，烟气带走热量少，节能减排效果好；3)过程全密闭，无有害污染物泄漏，烟气中SO2浓度波动小，易于制酸，硫的控制率可达99%，环保优势明显。

我国开始于20世纪80年代中期开始采用闪速熔炼工艺炼铜，先后经历了引进、消化和创新几个阶段，在国内独立完成设计和建设了100 kt级铜冶炼厂，并成功地将闪速熔炼技术输出到国外。如果将我国近30年闪速炼铜的技术积累合理地运用到闪速炼铅领域，将对我国铅冶金技术带来大幅度提升。本文试图对硫化铜矿和硫化铅矿在应用闪速熔炼技术的差异性上进行综合分析。从铜与铅闪速熔炼的流程来看，其系统构成单元基本上是由：配料—干燥—熔炼—炉渣贫化几个部分构成，总体是相同的，但由于主金属及其化合物的物理化学性质上的差异，在冶炼过程机理以及炉型结构上都存在差别，下面将一一进行阐述。

1　化合物物理化学性质的差异

1.1熔点、沸点、蒸气压

表1为铜和铅及其主要化合物的熔点与沸点[1-2]。

表1　铜与铅及其主要化合物的熔点和沸点　K

表中数据表明,铅及其氧化物的熔点和沸点明显低于铜及其氧化物对应的熔点及沸点,硫化物熔点相当。此外,铅及其化合物均就有较高的挥发性（如图1所示）。

图1　铅及其化合物的蒸气压

1.2氧化物及硫化物的化学稳定性

图2为金属氧化物离解压与温度的关系，图3为金属硫化物离解压与温度的关系[3]。可以看出，在火法冶炼的一般温度下，铜与铅相比较，铅的氧化物更稳定，铜的硫化物更稳定。

图2　金属氧化物离解压与温度的关系

图3　金属硫化物离解压与温度的关系

2　原料性质差异

2.1精矿成分

闪速炼铜的主要矿物是黄铜矿，其主要成分为CuFeS2，闪速炼铅的主要矿物是方铅矿，其主要成分为PbS。国内典型铜精矿与铅精矿的成分如表2所示。

表2　国内典型铜精矿与铅精矿的成分　%

从表2中可以看出，铅精矿的品位明显高于铜精矿，含铁和含硫更低，这是由矿石成分直接决定的。正由于原料成分的这种差异，决定了铅的闪速熔炼可以实现一步直接获得粗铅，而粗铜的获得则需要经过两步，即由闪速熔炼获得冰铜，冰铜再经吹炼后获得粗铜。

2.2着火温度

表3显示了不同粒度下黄铜矿与方铅矿的着火温度。

表3　不同粒度下黄铜矿与方铅矿的着火温度

从表3中可以看出，随着粒度的增大，黄铜矿与方铅矿的着火温度均上升，在同一粒度范围内，方铅矿的着火温度都明显高于黄铜矿。

3　冶炼原理及工艺差异

3.1冶炼原理

铜的闪速熔炼属于造锍熔炼，其原理主要是基于以下反应[1]：1)高价硫化物的分解，即CuFeS2→Cu2S＋FeS+S2,生成的S2继续氧化生成SO2进入烟气。2)硫化物的氧化,即Cu2S+O2→Cu2O+SO2，FeS2+ O2→Fe2O3/Fe3O4+SO2，FeS+O2→FeO+SO2，Fe2O3+ FeS→Fe3O4+SO2，FeS+Fe3O→FeO+SO2，FeO+O2→Fe3O4。3)造锍反应和造渣反应，即FeS+Cu2O→FeO+ Cu2S（造锍反应），Fe3O4+SiO2→Fe3O4SiO2（造渣反应）。

造锍反应的平衡常数很大，说明反应很容易向右进行，即在FeS存在的条件下，Cu2O很难存在，而铜精矿中铁的含量比较大，使得造锍反应容易进行，则铜易于形成Cu2S而进入铜锍。铁对氧的亲和力强于铜，铁易于氧化造渣除去，但闪速熔炼过程中不能使铁彻底除去，因为除铁需要在强氧化条件下，而在强氧化条件下容易生成Fe3O4。Fe3O4在沉淀池中易形成炉结，缩小熔池有效面积，存在于渣中会增加渣的粘度，一方面使渣含铜上升，加剧铜的损失[1]（如图4所示），另一方面容易造成排渣困难。这是铜冶炼过程一般分为造锍熔炼和吹炼两步进行的主要原因。

图4　锍品位与渣含Fe3O4或铜关系

铜的闪速熔炼不同，铅精矿由于含铅品位较高，铁的含量又比较低，因此在闪速炉中可以实现一步获得粗铅，其主要的反应如下：1)硫化物氧化。PbS+ O2→PbO+SO2，FeS+O2→FeO+SO2；2)氧化物还原。PbO+CO→Pb+CO2，PbO+C→Pb+CO2；3)布多尔反应。CO2+C→CO。

但铅的直接熔炼热力学表明，直接熔炼硫化铅矿要么产出高硫铅，要么得到高铅渣。而铅在直接熔炼过程产物粗铅、炉渣和烟尘中的分配率与粗铅中含硫量有关（如图5所示）[2,4]。当粗铅含硫量低于1.0%时，铅进入粗铅的分配率随着粗铅含硫量的增加而增加；当粗铅含硫量高于1.0%之后金属铅进入粗铅的分配率呈逐渐降低的趋势。随着粗铅含硫量的增加，金属铅分配进入初渣的比率降低，而进入烟尘的比率升高。铅在直接熔炼过程中所表现出来的这种分布特征是铅以及其化合物的化学特性所决定的。依据铅直接冶炼的这种特点，综合考虑直收率和初渣处理的便利性等因素，应尽可能地进行低硫粗铅熔炼，最大限度地首先获得粗铅，尽可能少的产出烟尘，并尽量完成脱硫。

图5　铅在直接熔炼产物中的分配

3.2冶炼工艺

铜与铅的闪速熔炼在冶炼工艺上的主要差别如下：1)精矿成分的差异决定了“两步炼铜”和“一步炼铅”，铜精矿经闪速熔炼产出冰铜，再经吹炼得粗铜，铅精矿经闪速熔炼直接得到粗铅；2)铅及其化合物的熔点、沸点更低，蒸气压更大，熔炼过程中挥发更多，烟尘率更高；3)铅精矿品位高，含硫量低，反应过程不能完全自热，需添加更多的燃料；4)铅精矿着火温度更高，分解温度也更高，需要更高的传热强度，以避免反应塔“下生料”。

4　炉体结构差异

铜闪速冶炼过程采用较多的是奥托昆普闪速炉，如图6所示；铅闪速冶炼采用较多的是基夫赛特炉，如图7所示。

图6　奥托昆普闪速炉结构示意

图7　基夫赛特炉结构示意

从图6、图7可以看出，铜闪速炉与铅闪速炉炉体结构有很多相似之处，均包括反应塔、沉淀池和上升烟道，但由于原料及工艺等方面有所不同，仍然存在一些差异，主要体现在：1)铜闪速炉采用一个中央扩散型精矿喷嘴，而铅闪速炉一般不止一个精矿喷嘴，喷嘴结构上也有差别；2)铜闪速炉反应塔为圆形，铅闪速炉反应塔为方型；3)铜闪速炉炉渣选矿技术已很成熟且相对能耗更低，所以一般不接电炉，闪速炉渣直接送渣选矿处理；而基辅赛特炉设有电炉贫化段，用来降低终点炉渣含铅；4)基辅赛特炉由于将氧化和还原过程集中在一个反应器中，所以为避免两种不同化学势下的烟气和熔体的回流混合，设置了水冷隔墙，同时熔池侧壁因直接与熔渣接触，是受熔渣冲刷和侵蚀最严重的部位。因此，其熔池侧壁也采用了铜水套加嵌砖的结构形式，达到节能增效的效果。铜闪速炉中不设置水冷隔墙；5)为减少收尘负荷和烟尘量，铅闪速炉设置了由膜式水冷壁构成的直升烟道和与其连接的竖式辐射部余热锅炉，铜闪速炉由于烟尘率较低，余热锅炉大多为卧式锅炉。

5　结语

闪速熔炼具有其他工艺无法比拟的技术优点，是非常有竞争力的火法冶炼方法。通过上文对铜闪速熔炼和铅闪速熔炼在化合物物理化学性质、原料性质、冶炼原理与工艺、炉体结构等方面的差异分析，可为以后铜和铅生产过程设计提供更直观的借鉴。

[1]朱祖泽，贺家齐.现代铜冶金学[M].北京：科学出版社，2003.

[2]《铅锌冶金学》编委会.铅锌冶金学[M].北京：科学出版社，2003.

[3]傅崇说.有色冶金原理[M].北京：冶金工业出版社，2010.

[4]刘庆华.旋涡柱连续炼铅工艺原理及设计探讨[J].有色冶金设计与研究，2011，32(1):4-8.

Differential Analysis of Flash Smelting of Sulfide Copper Ore and Sulfide Lead Ore

TANG Bin,WANG Zhigang
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

The paper analyzes the difference of sulfide copper ore and sulfide lead ore during the period of flash smelting, including the difference of chemical and physical properties of compounds,raw properties,smelting principle and process and furnace structure.The research shows that component difference of copper concentrate and lead concentrate determines process difference of two-step copper smelting and one-step lead smelting,there has difference in furnace structure,but flash smelting process can be adopted for them to achieve good economic benefit and environmental benefit.

sulfide copper ore;sulfide lead ore;flash smelting;property of raw materials;furnace structure

TF811；TF812

A

1004-4345(2015)02-0020-04

2014-09-01

国家高技术研究发展计划（863计划）课题（编号：2013AA064001）。

唐斌（1983—），男，工程师，主要从事有色冶金的设计和研究工作。