奥斯麦特炼铅工艺基本原理研究

2020-06-11马忠旭姜有泽

山西冶金 2020年1期

马忠旭，姜有泽

（1.甘肃有色冶金技术学院，甘肃金昌 737100；2.兰州金川新材料科技股份有限公司，甘肃金昌737100）

铅冶炼的工艺大致可以分为火法和湿法两种，目前，我国铅冶炼技术主要为火法工艺[1]。我国铅冶炼技术的发展经历了最早的“烧结机—鼓风炉熔炼”工艺[2]，到后来引进国外的奥托昆普法、顶吹浸没式熔池熔炼（ISA 或Ausmelt）法、氧气底吹（QSL）法、氧气顶吹卡尔多炉法等炼铅工艺[2]，再到近些年国内独立自主研发成功的“液态高铅渣直接还原一步炼铅（YGL）法[3]”、“氧气底吹氧化熔炼—氧气底吹（侧吹）还原熔炼法[4]”、“氧气顶吹氧化熔炼—氧气侧吹还原熔炼法[5]”、“富氧侧吹氧化熔炼—富氧侧吹还原熔炼双侧吹法”等炼铅工艺。以上国内独立自主研发的直接炼铅新工艺，充分利用了氧气强化熔炼技术[6]，生产效率高、能耗低、自动化水平高、劳动强度低、系统配置紧凑、节约用地、设备密闭性好、烟气含硫浓度高，便于制酸，较好地解决了环境污染等问题。

奥斯麦特法是在熔池内的熔体-炉料-气体之间造成强烈的揽拌与混合[7]，大大强化热量传递、质量传递和化学反应速率，以便在燃料需求和生产能力方面产生较高的经济效益。奥斯麦特法的喷枪竖直浸没在熔渣层内，喷枪结构较为特殊，炉子尺寸比较紧凑，整体设备简单[8]。

1 炼铅原料

奥斯麦特炼铅的两种必备原料中，熔剂主要用来助熔、造渣，生产中使用的有石灰石和石英石，成分如表1，2；铅矿是冶炼的对象，生产中使用的有铅精矿、铅渣和硫渣，成分如表3。

表1 石灰石化学成分（干基） %

表2 石英石成分（干基） %

表3 铅矿主要化学成分 %

2 渣型控制

铅渣成分主要有铁（Fe）、二氧化硅（SiO2）和石灰（CaO）。渣型选择要确保形成较低的熔点段，从而形成较低的作业温度，产生相关效益。此处的给料是铁，加入足量的二氧化硅熔剂，以保持预期的m（Fe）/m（SiO2）比。同样的，如果给料是二氧化硅，将加入富含铁的熔剂。石灰通过同样的方式加入，一般是以石灰石的形式（CaCO3），以提高熔渣流动性。熔渣中CaO 含量过多也会导致熔渣流动性上的问题[9]。在其他工艺中的熔渣化学反应，可能受到其他熔渣成分例如氧化铝（Al2O3）和氧化镁（MgO）的影响。由于发热过程反应形成过多热量，而进行的适当熔渣化学反应控制，无论什么时候，都可以用于熔化要求的熔剂物质。熔渣中各种混合物的成渣过程会根据熔池温度、熔池氧势和元素浓度来改变。所形成的复杂混合物例如尖晶石，会在液体熔渣中沉淀成固体，对熔渣流动性产生不利影响。图1 是SiO2-FeO-CaO三元渣系状态图，显示奥斯麦特炼铅工艺的渣型区[10]。

图1 SiO2-FeO-CaO 三元渣系状态图

3 原料分解

分解反应通常发生在高温中，使给料中包含的金属化合物分解。复杂化合物的分解需要部分热量来促进。对熔炼过程中物料的分解以及矿物质中所含金属的变化形式进行评估，不能简单的对这些变化形式进行区分。矿石中含铅主要是以硫化铅（PbS）的形式直接存在，然而，在一些其他情况中，例如铜/镍，则会以更加复杂的矿物形式存在。因此，以下物料分解反应要发生在高温熔炉和由铜/镍系统构成的渣池中：

熔剂是由碳酸钙（CaCO3）和碳酸镁（MgCO3）组成的混合物。这些分解反应也被称作为解离。

4 氧化熔炼

硫化物熔炼工艺过程包括硫化物的氧化反应[11]。通过喷枪将一定的空气/氧气送入熔融的渣池内，在渣池内氧气会直接与硫化物物料接触发生氧化反应。在发生氧化反应的过程中会释放二氧化硫气体，同时会导致脉石（也就是铁）被氧化，如图2 所示。

硫化物的氧化会发生以下反应。该氧化过程是一个放热过程，通过这些化学反应可以释放出热量。

图2 典型的硫化物熔炼反应

冶炼所需氧气量由物料平衡计算中的空气系数来控制[12]。在铜/镍的氧化过程中，与生成其他金属相比，主要发生铁的氧化反应。在此工艺条件下，通过改变空气系数来控制最终的产品品味，因此通过硫化物的氧化反应（反应见4、5）可以使铁的氧化量（反应见6）超过生成的其他金属。

5 还原

5.1 渣还原

渣还原阶段包括添加硫化物精矿来还原渣中的金属，使其从氧化物形式变为金属形式，此阶段仅适用于铅工艺，如图3 所示。

图3 硫化铅还原反应

为了确保所添加的硫化物主要用于金属氧化物的还原，可以通过控制喷枪端口的喷枪燃料化学计量来维持还原气氛。此外，需要提供少量的块煤来促进反应的进行，同时块煤可以吸附过量的游离氧。添加到熔池中的硫化物会影响熔池内的氧势。在此阶段控制渣的温度至关重要，因为渣中金属氧化物水平的减少会影响橄榄石渣的增加。通过控制硫化物的加入数量来控制炉渣的成分和品味。应用硫化物实现还原过程，此举普遍用于铅还原的第一阶段。其中包含向金属氧化物渣池中添加硫化铅精矿[13]。

通过添加少量的煤炭可以帮助实现熔池中的还原电势。下页图4 显示了硫化铅的还原过程，包含可能会发生的反应和阶段。与整个还原段只有块煤相比，利用铅精矿作为还原剂，允许增加铅精矿的量并产生更多的粗铅，反应化学方程式为：

5.2 煤还原

渣的还原阶段还包括添加块煤来还原渣池中的金属，使其从氧化物还原为金属。为了确保所添加的煤炭主要用于金属氧化物的还原，可以通过控制喷枪端口的喷枪燃料化学计量来维持还原状态。添加到熔池中的煤炭会影响熔池内氧势。在此阶段控制渣的温度至关重要，因为渣池中金属氧化物水平的减少会使得橄榄石渣的含量增加。图4 显示了一个典型的还原过程，包括可能发生的反应和阶段。