2.1.2 铅锌密闭鼓风炉熔炼法
2.1.2.1 铅锌密闭鼓风炉熔炼法概述
铅锌密闭鼓风炉熔炼法是火法炼铅锌的一项重大技术成就。最初, 人们认为从含锌十分低的炉气中冷凝锌是不可能的, 因而曾试图从炉底产出液体锌。在大的压力下使氧化锌直接还原成液体锌在热力学理论上是可行的, 但同时精矿中所有的铁也会被还原, 得到的是一种锌铁合金而不是单纯的金属锌, 实际的结果是炉子会在短时间内因炉缸积铁而导致停炉。炼锌鼓风炉在大的压力下进行操作以防止锌挥发的各种努力都没有成功。直到1939年, 在英国阿旺茅斯建立了一座0.72 m2的试验炉, 用铅雨冷凝器从低锌蒸气浓度和高CO2含量的炉气中获得液体金属锌, 从而为密闭鼓风炉炼铅锌奠定了生产基础。密闭鼓风炉炼铅锌有许多优点: 一是对原料的适应性强, 适合处理难选的铅锌混合矿, 简化了选冶工艺流程, 从而得到较高的金属回收率; 二是该法以一个系统代替了一般炼铅、 锌的两种独立系统, 简化了冶金工艺流程, 建厂占地面积小, 设备台数减少, 投资相对较小; 三是铅在并不额外消耗焦炭的条件下得到, 因此生产每一吨金属消耗的燃料和生产成本比其他的冶炼方法相对要低; 四是密闭鼓风炉炼铅锌为直接加热, 因此冶炼设备能力不受限制, 可在生产能力较大的设备内进行规模生产, 有利于实现机械化和自动化, 提高劳动生产率; 五是废热利用好, 鼓风炉煤气经洗涤升压后, 热风炉预热空气、 用于焦炭预热器预热冶金焦, 还可用于发电。
密闭鼓风炉炼铅锌也有不足之处: 一是需要消耗数量多、 质量好的冶金焦; 二是该法对技术条件的要求比较高, 需要热焦、 热风, 对烧结块物理、 化学规格要求很严格, 尤其是对烧结块的残硫要求低于1%, 致使烧结过程控制复杂。
目前, 世界上有10多个国家采用密闭鼓风炉炼铅锌技术。我国从20世纪70年代中期第一座铅锌密闭鼓风炉投产以来, 至今投产的铅锌密闭鼓风炉已有5座, 鼓风炉炉身面积也由17.2 m2(年产5万t粗铅锌)发展到约20 m2(年产10万t粗铅锌)。密闭鼓风炉炼铅锌技术在我国得到长足发展, 尤其是作为密闭鼓风炉炼铅锌技术的核心——铅锌密闭鼓风炉, 在结构合理性、 技术参数优化等方面都有不断地改进和完善。
2.1.2.2 密闭鼓风炉的熔炼原理
烧结块中的锌, 绝大部分以是氧化锌ZnO、 硅酸锌(ZnO·SiO2)、 铁酸锌(ZnO·Fe2O3)的形态存在。烧结块中的铅, 绝大部分成氧化铅(PbO)、 硅酸铅(PbO·SiO2)、 铁酸铅(PbO·Fe2O3), 还有少量金属铅、 硫酸铅。根据烧结块在炉内的反应, 可以将炉子大致分为下面几个区域。
(1)预热带
烧结块从炉顶加入密闭鼓风炉内, 烧结块的温度约400℃, 首先进入炉料预热带, 在此区域烧结块从炉气中吸收热量而被迅速加热到1000℃, 从料面逸出的炉气温度被降低到800~900℃。在这种温度变化范围内, 炉气中的锌部分被再氧化放出热量, 烧结块中的PbO开始被还原。预热炉料的热主要来自炉子的显热和锌蒸气再氧化时放出的热及PbO还原放出的热。
(2)再氧化带
烧结块继续往下进入再氧化带, 在此带炉气与炉料的温度处于相等的状态。这一区域发生的反应有: 一是碳的气化反应即C+CO22CO, 反应时从炉气中吸收热量; 二是炉气中锌蒸气的逆向进行而被氧化放出热量, 生成的氧化锌随固体炉料下降至高温区时, 需要消耗焦炭的燃烧热来还原挥发(ZnO+COZn+CO2), 所以这部分锌的氧化与还原只起着热量的传递作用。因此这一带的炉气与炉料的温度几乎保持不变, 维持在1000℃左右。在此带PbO大量被还原, PbS与锌蒸气发生反应生成ZnS(PbS+ZnPb+ZnS), ZnS在这段温度下是最稳定的。产生的ZnS固体, 部分沉积在炉壁上助长炉身炉结的形成, 部分随固体炉料下降至高温带。
