劉學(xué)武，王正民，王文宏

(1.陜西有色控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

(2.陜西鋅業(yè)公司，陜西 商洛 726007)

0 前言

我國(guó)用礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉源于20 世紀(jì)70 年代，廣西柳州有色冶煉股份有限公司建設(shè)的2 臺(tái)600 kVA 的矩形電弧爐，直到2000 年該公司將矩形爐改成2 臺(tái)800 kVA 圓形電弧爐，實(shí)現(xiàn)了爐形從矩形向圓形的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)能、電耗、回收率等指標(biāo)得到很大提升;2006 年由株洲火炬公司與中南大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，在內(nèi)蒙巴彥淖爾紫金有色金屬公司建成了首臺(tái)2 000 kVA 圓形電弧爐，2008 年在云南蒙自礦業(yè)公司建成了2 500 kVA 圓形電弧爐;由西安同欣公司與商洛煉鋅廠聯(lián)合開(kāi)發(fā)的2 000 kVA 圓形電弧爐，首臺(tái)在商洛煉鋅廠2009 年建成投運(yùn)，開(kāi)發(fā)的3150 kVA 圓形電弧爐，首臺(tái)在內(nèi)蒙古興安銅鋅冶煉公司2012 年建成投運(yùn)，第二臺(tái)于2013 年在廣西南方有色公司建成投運(yùn)。至此，實(shí)現(xiàn)了用礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉的大型化、機(jī)械化、自動(dòng)化，徹底解決了礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉的安全、環(huán)保和節(jié)能問(wèn)題。

1 礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉的原理

以鋅焙砂(ZnO)為原料，石灰、石英為熔劑，焦碳為還原劑，按照一定比例配料、烘料后，將烘好的爐料放入料鐘，吊到高位料倉(cāng)，由料倉(cāng)下的螺旋給料器將爐料加入電爐內(nèi)，通過(guò)電爐變壓器、短網(wǎng)系統(tǒng)、三相石墨電極把電輸入爐熔渣，在渣電阻和微電弧的作用下，將電能轉(zhuǎn)化成熱能給熔渣加熱，使ZnO還原成單質(zhì)Zn 反應(yīng)的順利進(jìn)行。爐料從爐頂加料孔加入，依次經(jīng)過(guò)爐料加熱區(qū)、爐料還原區(qū)和爐渣熔化區(qū)，分別發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng):

爐料加熱區(qū):爐料從100 ℃逐漸加熱到1 000℃，爐料中的PbO 首先被還原，隨著爐料溫度的升高，經(jīng)歷固態(tài)PbO 與CO 反應(yīng)生成固態(tài)Pb、液態(tài)Pb，液態(tài)PbO 與CO、C 反應(yīng)生成液態(tài)Pb 的過(guò)程。

爐料還原區(qū):爐料加熱到1 000～1 300 ℃，爐料中40%的ZnO 被還原成Zn，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，爐料熔化造渣，ZnO 會(huì)熔于渣中，還原變得越來(lái)越難。因此，礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉希望爐料造出較高熔點(diǎn)的渣，在低溫下?tīng)t料中ZnO 盡可能多被還原成Zn。

還原的液態(tài)Pb 在此處溶解爐料中被還原揮發(fā)的Cu、As、Sb、Bi，并捕集Au、Ag，而留在爐渣中。

爐渣熔化區(qū):又稱為熔池區(qū)，溫度為1 300～1 350 ℃，爐渣完全熔化，熔于渣中的ZnO 要從液態(tài)渣中還原成Zn，需要消耗更多的熱量，由石墨電極產(chǎn)生的電弧熱和能導(dǎo)電的熔渣電阻所產(chǎn)生的焦耳熱共同給熔池加熱，維持還原反應(yīng)所需要的熱量，同時(shí)在電場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力攪拌下，熔渣中的ZnO 與高濃度的CO 充分接觸還原，當(dāng)爐渣含Zn 低于2%時(shí)，爐渣中的FeO 也被還原成Fe，沉積于熔池底，久而久之熔池積滿鐵，電極無(wú)法插下，生產(chǎn)不能正常進(jìn)行。因此，為了熔池內(nèi)反應(yīng)的順利進(jìn)行，要求熔渣由SiO2-FeO-CaO 組成，其中SiO2含量25%～30%、FeO 含量20%～28%、CaO 含量15%～22%、Zn 含量3%～5%，堿度控制在0.9～1.0 之間，一般爐料中C 含量為還原Zn 理論量的1.1～1.5 倍。

另外，硅酸鋅、鐵酸鋅也發(fā)生反應(yīng)。

還原出來(lái)的Zn 以蒸汽形式進(jìn)入爐氣，溫度為950～1 050 ℃的爐氣Zn 蒸汽40%～45%、CO2不足0.2%，其余為CO，進(jìn)入冷凝器急冷，鋅蒸汽從氣態(tài)變成小液珠，進(jìn)而變成固態(tài)的鋅粉。其他雜質(zhì)元素進(jìn)入爐渣中，定期隨爐渣排出爐外。工藝流程見(jiàn)圖1。

2 電爐及主要設(shè)備技術(shù)進(jìn)步

2.1 電爐本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電爐本體包括爐殼結(jié)構(gòu)、爐頂結(jié)構(gòu)、爐底結(jié)構(gòu)、爐墻結(jié)構(gòu)、爐體配磚等。

2.1.1 爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

我國(guó)最早的鋅粉電爐為矩形，長(zhǎng)2.4 m、寬1.6 m，爐床有效面積3.84 m2，3 根φ200 mm 石墨電極“一”字形排列，由于石墨電極產(chǎn)生的電場(chǎng)不均勻，熔池內(nèi)電熱功率密度差異大，電極附近溫度高達(dá)1 500 ℃，離電極越遠(yuǎn)，溫度越低，熔池溫度1 300～1 350 ℃，而熔池底部和爐墻附近溫度1 200～1 250℃，矩形電爐4 個(gè)角為死區(qū)，溫度更低，爐床面積沒(méi)有得到有效利用，鋅粉產(chǎn)能低、電單耗高。2000 年廣西有色金屬公司將原矩形電弧爐改成圓形電弧爐，爐床有效面積為5 m2，3 根φ200 mm 石墨電極在極心圓上“品”字形排列，改造后鋅粉電單耗由5 290 kWh 降低到4 022 kWh、鋅回收率由94.1%提高到94.8%，實(shí)現(xiàn)了爐形從矩形向圓形的轉(zhuǎn)變。

圖1 礦熱電爐生產(chǎn)鋅粉工藝流程圖

2.1.2 爐底、爐墻結(jié)構(gòu)及耐火材料優(yōu)化

爐底結(jié)構(gòu):原平底形由5 層組成，最下面緊貼鋼板一層為石棉板或硅酸鋁纖維氈，往上依次為粘土磚、搗打料、高鋁磚、鋁鉻磚，雖然平底施工簡(jiǎn)單，但在高溫熔渣的作用下，搗打料與爐底磚膨脹系數(shù)不同，易產(chǎn)生裂隙使?fàn)t底拱起，導(dǎo)致?tīng)t底漏渣、損壞。目前大型爐爐底均改為反拱形結(jié)構(gòu)，也是5 層結(jié)構(gòu)，但最上面兩層是用異形高鋁磚或鋁鉻磚砌筑而成的反拱形，這種結(jié)構(gòu)受力合理，未出現(xiàn)爐底拱起而滲漏現(xiàn)象。

爐墻結(jié)構(gòu):爐墻由渣線以下的爐墻即渣線墻和渣線以上的爐墻即上爐墻組成，渣線墻所用的磚叫渣線磚，渣線以下的爐膛稱為熔池。在電弧爐內(nèi)，由于熔池溫度高達(dá)1 300～1 350 ℃，加上強(qiáng)烈的電磁攪動(dòng)，導(dǎo)致熔渣對(duì)爐墻的侵蝕和沖刷嚴(yán)重，渣線磚一般選用能耐高溫、偏酸性、耐磨、熱震性穩(wěn)定的石墨化碳磚、鎂質(zhì)耐火磚(如鎂鋁磚、鎂鉻磚)、鋁鉻質(zhì)耐火磚等。800 kVA 的爐子渣線墻厚度由460 mm 增加到760 mm，2 000 kVA 的爐子將爐墻厚度增加到900～1 200 mm，但使用不到300 天，渣線墻被侵蝕和沖刷變薄或滲漏，逼迫停爐重新筑爐。冶金工作者經(jīng)過(guò)不斷的研究，開(kāi)發(fā)出復(fù)合渣線墻結(jié)構(gòu)，即渣線墻靠熔池側(cè)墻用400～600 mm 高鋁耐火磚砌筑，緊貼耐火磚外側(cè)用8～10 mm 厚的鋼板焊成夾層水冷壁爐殼，在水冷壁內(nèi)用鋼板套組成蛇形水路，20～25℃冷卻水從水冷壁下部進(jìn)水管壓入，溫度達(dá)40～45℃從上部出水管排出，經(jīng)涼水塔冷卻后再加壓進(jìn)入冷卻水冷壁，進(jìn)而冷卻渣線墻，使熔融的爐渣急冷在渣線墻內(nèi)壁掛渣，保護(hù)渣線墻不被爐渣繼續(xù)侵蝕、沖刷，使渣線墻運(yùn)行壽命突破800 天。在渣線墻熔池底部設(shè)置65 ×65 mm 的底渣口，用于及時(shí)放出爐底積鐵或事故停爐時(shí)快速放出爐渣;在距離熔池底高度600～650 mm 的渣線墻上設(shè)置φ80 mm 放渣口，用于生產(chǎn)時(shí)正常放渣。上爐墻沒(méi)有侵蝕、沖刷，溫度1 050～1 150 ℃，一般用高鋁磚或一級(jí)粘土磚，厚度460 mm。

拱腳結(jié)構(gòu):在上爐墻與爐頂之間傳統(tǒng)的設(shè)置一個(gè)鋼圈梁，用于托起爐頂，但由于在高溫下鋼構(gòu)架與耐火材料膨脹系數(shù)不同，鋼圈梁與爐墻之間產(chǎn)生縫隙，含鋅煙氣會(huì)從縫隙中竄出，冷卻積累，逐漸將圈梁不均勻抬高，導(dǎo)致將鋼圈梁局部燒壞。目前國(guó)內(nèi)圓形爐設(shè)置爐頂拱腳，采用耐火料燒制的異形拱腳磚砌筑，外部用鋼爐殼，再用拱腳梁箍緊。

爐頂結(jié)構(gòu):矩形爐子爐頂設(shè)計(jì)采用弧形拱，圓形爐子爐頂設(shè)計(jì)采用球形拱，拱頂中心角一般為60°。上部爐氣溫度1 050～1 150 ℃，因此，爐頂磚用高鋁異形磚耐火磚，厚度300～350 mm。由于在砌筑爐頂時(shí)要預(yù)留3 個(gè)電極孔、3 個(gè)加料孔、測(cè)溫孔和探渣孔，施工難度大，使用后電極孔易損壞，導(dǎo)致?tīng)t頂一般使用300 天左右就被損壞停爐檢修，目前已開(kāi)發(fā)出采用低水泥耐火澆注料整體澆注爐頂，施工簡(jiǎn)單，使用壽命可達(dá)到800 天以上。為防止?fàn)t氣從電極孔、加料孔、測(cè)溫孔、探渣孔縫隙中漏出，對(duì)電極孔、加料孔用石棉繩封堵，并對(duì)電極孔上部增加冷卻水套。

2.1.3 配料烘料及加料方式優(yōu)化

配料烘料:800 kVA 鋅粉電爐采用人工配料，反射爐烘料，間斷加料。隨著2 000 kVA 到3 150 kVA鋅粉電爐的開(kāi)發(fā)使用，單個(gè)工廠鋅粉產(chǎn)能達(dá)到2 萬(wàn)t及以上，配料、烘料、加料都會(huì)影響生產(chǎn)效率和成本，目前研發(fā)的連續(xù)生產(chǎn)線:采用電子皮帶秤計(jì)量，圓盤(pán)給料機(jī)配料，蒸汽干燥器或回轉(zhuǎn)窯或多膛爐烘干，烘好的熱料裝入料鐘，用行車吊到電爐高位料倉(cāng)，由高位料倉(cāng)底部的螺旋給料機(jī)從加料孔連續(xù)或間斷加入爐膛內(nèi)。

2.2 爐喉、冷凝器、收塵及出粉系統(tǒng)優(yōu)化

2.2.1 爐喉、冷凝器改進(jìn)

爐喉:電爐本體與鋅粉冷凝器連接部分，由于1 050～1 150 ℃的鋅蒸汽通過(guò)爐喉進(jìn)入冷凝器急冷降溫形成鋅粉，在此過(guò)程中爐氣夾帶有部分爐料的粉塵及被氧化的少量鋅粉粘結(jié)在爐喉處，逐漸將爐喉堵塞，需要停車清理。因此，爐喉應(yīng)盡量短，且便于清理。有人將爐喉設(shè)計(jì)成“L”形，長(zhǎng)度超過(guò)1 000 mm，不便清理，且不安全;目前最佳的設(shè)計(jì)是將電爐煙氣出口與冷凝器進(jìn)口直接用法蘭“一”字形連接，爐喉長(zhǎng)度不超過(guò)200 mm，在煙氣進(jìn)口對(duì)面冷凝器壁上設(shè)人孔門(mén)，穿過(guò)人孔門(mén)板設(shè)置一根清理?xiàng)U，采用機(jī)械周期性自動(dòng)清理。

冷凝器及收塵系統(tǒng):冷凝器下部為夾層式水冷壁組成的鋅粉收集斗;中部由前后左右4 塊可拆式夾層式水冷壁組成，在前后2 塊上分別設(shè)有爐氣進(jìn)口和人孔門(mén);上部由夾層式水冷壁組成，在其頂部設(shè)有氣體出口，經(jīng)管道與一慣收塵器進(jìn)口相連，一慣氣體出口再與二慣收塵器進(jìn)口相連，二慣排出氣體再三慣進(jìn)口相連，三慣出口與布袋收塵器進(jìn)口相連，煙氣經(jīng)布袋收塵器、高溫風(fēng)機(jī)、尾氣煙囪排出。該尾氣含有濃度90%以上CO 氣體，應(yīng)回收利用，并防止CO 中毒或爆炸等安全事故發(fā)生。并在冷凝器內(nèi)腔裝有數(shù)組蛇形冷凝水管，與夾層式水冷壁共同給鋅蒸汽降溫，使其由氣態(tài)鋅變成小液滴，進(jìn)而變成固態(tài)鋅粉。未冷凝沉降的鋅蒸汽隨氣體經(jīng)過(guò)一、二、三慣及布袋收塵繼續(xù)冷卻、沉降。蛇形冷凝水管壁上易粘結(jié)鋅粉，設(shè)有自動(dòng)振打清灰裝置定時(shí)清灰。

2.2.2 出粉系統(tǒng)改進(jìn)

由于電爐及冷凝器、一慣、二慣、三慣均為微正壓運(yùn)行，吸入空氣立即爆炸，但煙氣逸出，就會(huì)引起CO 中毒。因此，出粉系統(tǒng)必須是密閉進(jìn)行。小爐子一般用一臺(tái)溢流式絞龍與冷凝器、一慣、二慣、三慣收塵斗通過(guò)星形排灰閥連接，溢流絞龍出口用短管直接接入密閉的鐵制鋅粉罐內(nèi)，再篩分、密封保存。目前大爐子采取將冷凝器與一慣、二慣、三慣分開(kāi)收粉，即在冷凝器收塵內(nèi)腔底部設(shè)一出粉螺旋，通過(guò)溢流絞龍將粉送到冷凝器外部出粉溢流螺旋，再由該螺旋將混合粉密閉的鐵制鋅粉罐內(nèi)，再與一、二、三慣收集粉一體送篩分、密封保存，一、二、三慣收粉與小爐子相同。布袋收塵器必須在密閉條件下操作，因尾氣含有高濃度CO 氣體，易發(fā)生自燃、爆炸。

2.3 供電系統(tǒng)改進(jìn)

電弧爐短網(wǎng)系統(tǒng)包括電爐變壓器、進(jìn)出線箱、銅母排、饒性電纜、導(dǎo)電銅管、端接頭及夾持器、石墨電極等。

2.3.1 電爐變壓器

600 kVA 電爐變壓器輸出電壓只有120 V、110 V、100 V 3 檔，使用輸出電壓為120 V、110 V 2 檔，電爐的電流不好調(diào)整，后對(duì)800 kVA 電爐變壓器設(shè)置成120 V、110 V、100 V、90 V、80 V 5 檔。在2 000 kVA 到3 150 kVA 電爐變壓器設(shè)計(jì)中均采用5 檔或6 檔設(shè)置，使用靈活，效果好。

2.3.2 短網(wǎng)系統(tǒng)

短網(wǎng)系統(tǒng)有封閉式和祼露式。封閉式短網(wǎng)包括進(jìn)線箱、出線箱、軟絞線、封閉式母排組成，一般用于小爐子供電系統(tǒng);2 000 kVA 及以上爐子用祼露式短網(wǎng)，該短網(wǎng)包括銅母排、饒性電纜、導(dǎo)電銅管、端接頭及夾持器組成。

2 000 kVA 電爐每相配12 根軟絞線，即一根銅母排與導(dǎo)電銅管之間用6 根銅軟絞線相連，每相構(gòu)成雙回路，由12 根組成銅軟母導(dǎo)線;端接頭是銅軟絞線與硬銅母排或?qū)щ娿~管末端連接的接頭，端頭為直角形，一端開(kāi)有4 個(gè)錐形孔(φ46mm/φ40mm)，另一端開(kāi)有4 個(gè)φ22 mm 鉆孔，有4 個(gè)φ22 mm 鉆孔端用M22 mm 不銹鋼雙頭螺栓緊固，緊緊夾住硬銅母排的兩邊或?qū)щ娿~管的導(dǎo)電銅板兩邊，而銅軟絞線從錐形孔的小頭孔插入，用楔子從錐形孔的大頭孔將銅軟絞線楔緊，每個(gè)孔安裝一根軟絞線，一個(gè)接頭安裝3 根或4 根。2 000 kVA 硬銅排采用180 mm×16 mm 銅排;導(dǎo)電銅管連接著軟絞線和夾持器，將電流由導(dǎo)電銅管輸送到夾持器的銅頭，再傳送至電極。導(dǎo)電銅管一般采用擠制紫銅圓管，與夾持器連接的一端采用異徑管連接，將銅管與埋入銅頭的冷卻水管連接起來(lái)，用壓蓋把銅管固定，另一端固定在滑車架上的左右支架上，用管夾加緊固定，管夾設(shè)有絕緣材料，防止銅管漏電至滑車上而短路，端頭制成彎頭，與冷卻水源用橡膠管相連接，以便導(dǎo)電銅管隨電極臂升降。2 000 kVA 電爐導(dǎo)電銅管選用φ60 mm×10 mm～φ70 mm×10 mm，每項(xiàng)電機(jī)設(shè)有兩根導(dǎo)電銅管，做成冷卻管，冷卻夾持器中的銅頭;夾持器包括拉桿、氣缸和氣動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，正常工作時(shí)不需要壓縮空氣，氣缸中的彈簧彈力將活塞桿推出，活塞桿帶動(dòng)拉桿向左運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)拉桿，裝在杠桿另一端的顎板向右運(yùn)動(dòng)，將電極夾緊，換電極時(shí)，給氣缸通壓縮空氣，將電極松開(kāi)。氣缸要求壓縮空氣壓力為0.4～0.6 MPa;電極升降機(jī)構(gòu)包括立柱及平臺(tái)、滑輪托架、電極升降臂等組成，小爐子一般卷?yè)P(yáng)傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，大爐子一般采用液壓傳動(dòng)為電極升降臂沿立柱軌道上下運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，調(diào)節(jié)電極插入熔池深度，調(diào)節(jié)輸入功率大小，實(shí)現(xiàn)熔池溫度的控制;石墨電極，600 kVA、800 kVA 電爐采用φ200 mm 石墨電極，2000 kVA 電爐采用φ300 mm 石墨電極，3150 kVA 電爐采用φ350 mm 石墨電極，質(zhì)量符合GB3073-82 標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 生產(chǎn)實(shí)踐

我們對(duì)廣西、云南、陜西、甘肅、內(nèi)蒙古、河南、四川等地30 余臺(tái)鋅粉電爐進(jìn)行了實(shí)際考察，經(jīng)過(guò)分析比較，我們與西安同欣公司聯(lián)合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的2 000 kVA、3 150 kVA 電爐在商洛煉鋅廠和南方冶煉廠得以應(yīng)用，效果良好，電爐運(yùn)行壽命達(dá)到26 個(gè)月，電單耗小于3 400 度、電極單耗小于9 kg，均處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。各種規(guī)格鋅粉爐運(yùn)行情況見(jiàn)表1。

表1 各種規(guī)格鋅粉電爐運(yùn)行情況一覽表

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)冶金科技工作者近50 年的不懈努力，我國(guó)鋅粉電爐由600 kVA 矩形發(fā)展到800 kVA 圓形、進(jìn)而發(fā)展到3 150 kVA 圓形電爐，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的大型化，自動(dòng)化程度大大提高，投資減少，效率提高;開(kāi)發(fā)了反拱形爐底、復(fù)合型爐墻和澆筑預(yù)制復(fù)合爐頂?shù)燃夹g(shù)，渣線墻厚度用900～1 200 mm 變?yōu)?00～600 mm，渣線磚由石墨化碳磚、鎂鋁磚、鎂鉻磚、鋁鉻質(zhì)磚變?yōu)楦咪X耐火磚，爐子運(yùn)行壽命由10 個(gè)月延長(zhǎng)到26 個(gè)月，筑爐及維修費(fèi)用節(jié)省50%左右;開(kāi)發(fā)的煙氣出口與冷凝器進(jìn)口“一”字形直接連接，爐喉長(zhǎng)度由1 000 mm 縮短到200 mm，采用機(jī)械自動(dòng)清灰，爐喉清理周期由7 天延長(zhǎng)到60 天，開(kāi)工率提高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低;冷凝器及慣性收塵器均采取電控閥溢流絞龍密封出粉，實(shí)現(xiàn)了電爐安全運(yùn)行;電爐變壓器設(shè)計(jì)由3 檔改為5 檔或6 檔，操作靈活，效果更好;配料、烘料、上料、加料系統(tǒng)，短網(wǎng)供電系統(tǒng)，電極升降系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)等的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為電爐大型化、連續(xù)化生產(chǎn)提供了保障。

［1］郭天立.鋅粉及合金鋅粉生產(chǎn)［M］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2010.

［2］王振嶺.電爐煉鋅［M］.北京:冶金出版社，2001.

［3］劉青松.鋅粉生產(chǎn)工藝的技術(shù)改造［C］.第8 屆全國(guó)鉛鋅冶金生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品應(yīng)用學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2001.

［4］初 陽(yáng)，柳興龍，王正民，等.商洛煉新廠2 000 kVA 鋅粉電爐設(shè)計(jì)，2008.

［5］王文宏.商洛煉鋅廠2 000 kVA 鋅粉電爐操作規(guī)程［R］.商洛:商洛煉鋅廠，2008.