何志軍

（安陽岷山有色金屬有限責任公司，河南 安陽 455000）

1 前言

安陽岷山有色金屬有限責任公司始建于1992年，是一家集有色冶煉、綜合回收、國際貿易為一體的綜合性企業(yè)。目前，年產(chǎn)15萬噸國標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任公司與中國恩菲工程技術有限公司聯(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，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、還原爐渣及高溫煙氣。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)生的主要反應如下：

對于液固反應（反應4、5、6和7），從熱力學上分析是可行的。在動力學上，起初液態(tài)渣中PbO的濃度很高，則煤粉進入渣相后反應迅速。但反應中有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，則反應速度迅速降低。

對于氣液反應（反應3），反應在渣相和爐氣之間進行。但由于缺乏動力學條件而受阻。因為還原反應生成的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，反應才會穩(wěn)定進行，因此，氣液反應生成的鉛是有限的。

對于氣固反應（反應1和2），實際上就是煤粉的燃燒反應。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；第三部分在未被帶出的熔池時就已被完全燃燒。由于反應中氣體的流速較大，則第三部分可忽略不計。氣體在熔池內停留的時間較短，生成的CO量有限，其還原作用無法充分發(fā)揮；此外，反應2的反應平衡時間遠大于氣體在熔池的停留時間，因此氣固反應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計規(guī)模為10萬噸/年，投產(chǎn)后隨著設備的不斷優(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的主要設備，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反應的復雜多相流動過程，其爐內的高溫熔體、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)學模擬。

5 底吹熔融還原的數(shù)學模擬

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部，另一部分分布在氣液交界面上；

（2）熔池充分攪拌時，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，提高還原反應速率?？梢姞t內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系，求得結果如圖3所示。

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

圖4 還原爐內煤粉分布圖

采用數(shù)值模擬的方法對底吹熔池熔煉爐內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準，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，殘硫高會導致渣的黏度生高。

（2）控制渣的流量：渣量一次性過大，反應激烈，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：當發(fā)生泡沫渣時，減小噴煤量，因為煤粉細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。當反應速度減慢，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)學模擬情況，當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，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，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)生結渣情況，會造成堵塞、還原爐轉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，在直升煙道膨脹結下段約2米的膜式壁更改為水套結構，同時把清渣口加大。更改后的優(yōu)點：

（1）水套強度大，轉爐時不會變形，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、轉彎沖刷、處入爐口高溫燒損，經(jīng)常漏水造成停產(chǎn)補焊。最終把接渣包放大，鋼水套結構，內襯耐火磚；渣溜槽部分全部更換為銅水套結構。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，設備也因負荷大故障大，導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，工藝指標得到優(yōu)化，冶煉產(chǎn)能由設計的10萬噸/年，可達到13～15萬噸每年，渣含鉛可控制在2%以內，回收率大于98%。該工藝推動了鉛冶煉行業(yè)的技術升級，培養(yǎng)了一批工程技術人員和技術骨干，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)的技術進步作出了突出的貢獻。