何志軍

（安陽岷山有色金屬有限責(zé)任公司，河南 安陽 455000）

1 前言

安陽岷山有色金屬有限責(zé)任公司始建于1992年，是一家集有色冶煉、綜合回收、國際貿(mào)易為一體的綜合性企業(yè)。目前，年產(chǎn)15萬噸國標(biāo)1#電解鉛，可綜合回收電解鋅2萬噸、黃金500公斤、銀300噸、銻300噸，碲5噸，鉍200噸，銦5噸、硫酸12萬噸。公司冶煉工藝為富氧底吹熔煉-液態(tài)鉛渣直接還原-煙化提鋅一體化生產(chǎn)工藝。

2 工藝配置

岷山鉛冶煉新工藝由安陽市岷山有色金屬有限責(zé)任公司與中國恩菲工程技術(shù)有限公司聯(lián)合開發(fā)，它由富氧底吹熔煉爐和底吹熔融還原爐組成。項目設(shè)計規(guī)模為10萬噸/年，配套有Φ4.1×14.5米富氧底吹熔煉爐、Φ4.1×17.5米底吹熔融還原爐、10m2煙化爐，階梯設(shè)計、熱渣通過溜槽直接輸送，并于2011年在河南安陽建成投產(chǎn)使用。該工藝一方面無需將熔融的高鉛渣進行鑄塊（燒結(jié)塊）而直接進入還原爐，另一方面在還原爐渣利用位差通過溜槽自流進煙化爐階段，可以省去電熱前床和渣包等工序。因此該工藝具有清潔、低碳、工藝流程短等優(yōu)點。

3 原理

硫化鉛精礦經(jīng)過富氧底吹熔煉爐進行脫硫，產(chǎn)出的高鉛渣和熔融鉛通過溜槽自流進還原爐內(nèi)，煤粉作為燃料和還原劑通過氧槍從爐底噴入，在還原熔煉過程中生成富集金、銀、銅、銻、鉍等貴金屬的二次粗鉛、還原爐渣及高溫?zé)煔?。其中，二次粗鉛送電解車間，還原爐渣則利用位差通過溜槽自流進煙化爐，還原過程發(fā)生的主要反應(yīng)如下：

對于液固反應(yīng)（反應(yīng)4、5、6和7），從熱力學(xué)上分析是可行的。在動力學(xué)上，起初液態(tài)渣中PbO的濃度很高，則煤粉進入渣相后反應(yīng)迅速。但反應(yīng)中有Pb新相生成，由新相成核理論可知，鉛的析出將從煤粉表面開始，并逐漸形成一層鉛膜并覆蓋煤粉，進而使煤粉表面與渣相的接觸面積減小，則反應(yīng)速度迅速降低。

對于氣液反應(yīng)（反應(yīng)3），反應(yīng)在渣相和爐氣之間進行。但由于缺乏動力學(xué)條件而受阻。因為還原反應(yīng)生成的Pb新相具有很大的比表面能，這就要求具有較高的Pb濃度，然而這在渣相中是不可能出現(xiàn)的，只有在接觸面上有異相形核條件時，反應(yīng)才會穩(wěn)定進行，因此，氣液反應(yīng)生成的鉛是有限的。

對于氣固反應(yīng)（反應(yīng)1和2），實際上就是煤粉的燃燒反應(yīng)。但對與岷山集團液態(tài)鉛渣直接還原工藝而言，噴入的煤粉可以分為三部分：一部分被熔體捕獲進入熔渣；第二部分被氣體帶出熔池，帶出的同時進行燃燒反應(yīng)；第三部分在未被帶出的熔池時就已被完全燃燒。由于反應(yīng)中氣體的流速較大，則第三部分可忽略不計。氣體在熔池內(nèi)停留的時間較短，生成的CO量有限，其還原作用無法充分發(fā)揮；此外，反應(yīng)2的反應(yīng)平衡時間遠大于氣體在熔池的停留時間，因此氣固反應(yīng)對還原效果影響不大。

由以上分析可知，液態(tài)渣直接還原工藝的主要反應(yīng)是煤粉與渣相之間的還原。即還原爐還原可分為三個階段，第一段為加熱階段、第二為還原階段、第三為沉淀階段。

4 試生產(chǎn)過程出現(xiàn)的問題

安陽岷山鉛冶煉新工藝設(shè)計規(guī)模為10萬噸/年，投產(chǎn)后隨著設(shè)備的不斷優(yōu)化，操作規(guī)程的不斷完善，實際生產(chǎn)規(guī)模達到了13萬噸/年，取得了良好的經(jīng)濟效益。底吹熔融還原爐是直接煉鉛過程中高鉛渣還原反應(yīng)的主要設(shè)備，由于其可直接利用高鉛渣的熱焓進行還原，故相比于傳統(tǒng)鼓風(fēng)爐具有改善現(xiàn)場操作環(huán)境、降低能耗等優(yōu)點。然而，在還原過程中還存在以下問題：

（1）還原過程中產(chǎn)出泡沫渣，不利于渣的排放。

（2）渣相含鉛高（一般為2.5%～4%左右），降低的鉛的直收率。

（3）作業(yè)率低：噴槍壽命短、溜槽損壞、直升煙道堵塞、鑄錠機故障等。

底吹熔融還原過程是一個涉及冶金傳輸原理和化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜多相流動過程，其爐內(nèi)的高溫熔體、粉煤、氣相以及渣相之間的多相流動行為還原過程具有重要影響。因此為了更好地研究還原爐中各個相之間的流動過程，有必要對其進行數(shù)學(xué)模擬。

5 底吹熔融還原的數(shù)學(xué)模擬

圖1 噴槍截面粉煤分布云圖

圖2 6s時噴槍截面粉煤分布規(guī)律圖

高鉛渣的底吹熔池熔煉還原過程是以煤粉作為還原劑，將高鉛渣中的氧化鉛還原成金屬鉛。因此，為了更直觀的了解煤粉在還原過程中的運動規(guī)律，我們選取了一個噴槍截面為研究對象，經(jīng)過多次迭代求解結(jié)果如圖1和2所示。

圖1和2分別是噴槍截面粉煤分布云圖及其6s時截面粉煤分布規(guī)律圖。從圖中我們認(rèn)為：

（1）煤粉顆粒跟隨載荷氣體一起運動，一部分分布在氣團內(nèi)部，另一部分分布在氣液交界面上；

（2）熔池充分?jǐn)嚢钑r，煤粉顆粒跟隨熔體的攪拌在爐壁處聚集，并伴隨著沉降。

然而在實際的還原過程中，氣體通過爐子底部的噴槍進入熔池，并利用氣體所具有的動能對熔融液態(tài)高鉛渣進行攪拌，使其和煤粉充分接觸，提高還原反應(yīng)速率?？梢姞t內(nèi)氣液固三相的流動過程對提高底吹熔融還原爐運行效率至關(guān)重要。因此，我們按照現(xiàn)場工況1:1建立三維模擬，經(jīng)過多次迭代求解并統(tǒng)計了還原爐中的氣含率、熔體平均流速和熔體平均湍動能隨時間的變化關(guān)系，求得結(jié)果如圖3所示。

通過分析圖3，認(rèn)為計算時間達到以后，還原爐內(nèi)達到動態(tài)平衡狀態(tài)，提取爐內(nèi)煤粉分布，如圖4所示。

圖4 還原爐內(nèi)煤粉分布圖

采用數(shù)值模擬的方法對底吹熔池熔煉爐內(nèi)氣液兩相流進行研究，底吹煉鉛還原爐熔煉過程中，氧槍傾角、氧槍直徑和熔池深度等因素對熔池熔煉過程影響較為明顯。需要具體分析各個因素的影響規(guī)律，采用矩陣分析方法對底吹熔池熔煉爐進行多目標(biāo)優(yōu)化分析，為底吹熔池熔煉爐的實際操作過程提供理論依據(jù)。

6 實驗分析

在現(xiàn)場運行條件下，對還原爐進行數(shù)學(xué)模擬，并選用氣含率、熔體平均流速和熔體平均湍動能作為評價標(biāo)準(zhǔn)，進行氧槍傾角、氧槍直徑和熔池深度等操作參數(shù)對還原過程的影響，找出最優(yōu)區(qū)間。

由圖5、6和7，我們認(rèn)為最佳的氧槍傾角為10°～17°，噴槍直徑為40mm～60mm，熔池深度為800mm～1000mm。

圖5 氣含率、熔體平均流速和熔體平均湍動能隨氧槍傾角的變化圖

圖6 氣含率、熔體平均流速和熔體平均湍動能隨氧槍直徑的變化圖

圖7 氣含率、熔體平均流速和熔體平均湍動能隨熔池深度的變化圖

7 底吹熔融還原工藝的優(yōu)化

7.1 泡沫渣的控制

還原爐在生產(chǎn)過程中產(chǎn)出幾次泡沫渣，存在較大的安全隱患，通過分析，泡沫渣主要發(fā)生在還原進渣時，由于反應(yīng)比較劇烈，造成氣體量大，渣的黏度大。

主要解決辦法：

（1）高鉛渣的成分要控制好：殘硫不能太高，殘硫高會導(dǎo)致渣的黏度生高。

（2）控制渣的流量：渣量一次性過大，反應(yīng)激烈，氣體量大，容易產(chǎn)生泡沫渣。

（3）渣型不合理：渣含鋅高，渣的黏度升高。

（4）控制噴煤量：當(dāng)發(fā)生泡沫渣時，減小噴煤量，因為煤粉細(xì)小的固體顆粒粘在氣泡液膜上，他使液膜的表觀黏度加大，從而阻止液膜上液體的排泄和氣泡的聚合，有利于泡沫的產(chǎn)生。當(dāng)反應(yīng)速度減慢，渣溫得到升高后，也就抑制了泡沫渣的產(chǎn)生。

通過過程的控制，生產(chǎn)上基本不會發(fā)生泡沫渣情況。

7.2 氧槍角度的改變

（1）解決渣含鉛高的問題：在生產(chǎn)實踐過程，還原爐渣含鉛偏高，渣含鉛在2.5%～4%之間，放出的渣中明鉛較多，可眼觀到金屬夾雜。根據(jù)數(shù)學(xué)模擬情況，當(dāng)噴槍角度改變氣相穿過熔池的作用距離變長，增大了在熔池中的停留時間，熔池氣含率、平均流速和湍動能逐漸增大，強化了熔池熔煉過程，提高還原的還原速度，可有效降低渣含鉛。同是明鉛的形成主要由于噴槍在鉛層形成攪拌，在沉淀區(qū)內(nèi)沒有完全沉降下來。如果把噴槍的角度進行改變，不在鉛層攪拌、反應(yīng)，可減少渣中鉛的明鉛的夾雜。

（2）解決氧搶壽命短的問題：氧槍在生產(chǎn)過程中使用壽命在15-20天，當(dāng)圍磚損壞后壽命更短，由于還原槍磚70CM長，更換比較時間長，使生產(chǎn)作業(yè)率低，如果氧槍角度改變，在渣層反應(yīng)，減少氧氣跟鉛金屬氧化放熱作用，從而對噴槍起保護作用，使之蝕損緩慢，延長使用壽命。

（3）實施后效果：基于上述因素，岷山公司進行了氧槍角度的改變，通過改變之后的實際運行數(shù)據(jù)，達到了預(yù)期目的，渣含鉛中觀察不到明鉛的形成，渣含鉛控制在2%左右。氧槍壽命延長到2個月，2015年全年換槍磚12套。

7.3 直升煙道的改造

在還原爐生產(chǎn)過程中，直升煙道下段會發(fā)生結(jié)渣情況，會造成堵塞、還原爐轉(zhuǎn)爐時把煙道下端膜式壁蒸汽管道頂起變形、管道高壓蒸汽泄露等安全問題，經(jīng)過改造，在直升煙道膨脹結(jié)下段約2米的膜式壁更改為水套結(jié)構(gòu)，同時把清渣口加大。更改后的優(yōu)點：

（1）水套強度大，轉(zhuǎn)爐時不會變形，不會發(fā)生高壓蒸汽泄露安全隱患。

（2）循環(huán)水溫度低爐結(jié)生成慢。（3）打渣口加大，方面清渣。

7.4 渣槽的改變

底吹爐放高鉛渣經(jīng)過溜槽進入還原爐，高鉛渣溜槽原設(shè)計鑄鋼，由于渣流量大損壞頻繁，后改為全水套，水套渣槽也存在高鉛渣的沖刷腐蝕，主要表現(xiàn)在渣包處沖刷、轉(zhuǎn)彎沖刷、處入爐口高溫?zé)龘p，經(jīng)常漏水造成停產(chǎn)補焊。最終把接渣包放大，鋼水套結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯耐火磚；渣溜槽部分全部更換為銅水套結(jié)構(gòu)。流入還原爐更換圍銅溜槽，徹底解決了渣槽損壞影響生產(chǎn)的瓶頸。

7.5 鑄錠機的優(yōu)化

還原爐配置鑄錠機直徑7.6米，17塊鉛模，由于還原爐產(chǎn)量比設(shè)計值大，每天粗鉛量在350～450噸之間，造成鉛液冷卻不下來或吊裝不下來，設(shè)備也因負(fù)荷大故障大，導(dǎo)致鑄不了錠而壓縮產(chǎn)量。而后，利用大修時間更換大直徑11米大的鑄錠機，同時增加一套除銅鍋，鉛液直接通過溜槽入鍋，現(xiàn)場直接除銅，把鉛水拉到電解車間直接鑄陽極板。通過改造，產(chǎn)能得到發(fā)揮，現(xiàn)場工人強度得到降低，生產(chǎn)環(huán)境也得到改善。

8 結(jié)論

安陽岷山公司鉛冶煉采用富氧底吹熔煉-底吹熔融還原-煙化提鋅一體化生產(chǎn)工藝實現(xiàn)了短流程冶煉，建立了鉛高效清潔冶煉樣板工程，節(jié)能減排效果明顯，環(huán)境保護效益顯著，生產(chǎn)作業(yè)率得到提升，工藝指標(biāo)得到優(yōu)化，冶煉產(chǎn)能由設(shè)計的10萬噸/年，可達到13～15萬噸每年，渣含鉛可控制在2%以內(nèi)，回收率大于98%。該工藝推動了鉛冶煉行業(yè)的技術(shù)升級，培養(yǎng)了一批工程技術(shù)人員和技術(shù)骨干，促進了行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，為世界有色金屬鉛冶煉行業(yè)的技術(shù)進步作出了突出的貢獻。