伍學(xué)敏

（長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410012）

常規(guī)火法煉鉛鋅是將精礦置于熔池熔煉之后再進(jìn)行鉛鋅分離，將位于上層的熔融粗鋅再運(yùn)送至鋅精餾車間，基于鋅與雜質(zhì)元素的沸點(diǎn)不同的特點(diǎn)，采用不同的溫度精餾的原理，在兩種不同塔型中蒸餾，分凝回流，使鋅與其它雜質(zhì)金屬分離，從而得到高純度鋅。

加料操作是精餾爐生產(chǎn)的重要一環(huán)，加料均勻與否，直接影響精鋅產(chǎn)量和質(zhì)量，并影響熱工操作和塔體壽命。加料一般先鉛塔后鎘塔（個(gè)別廠也有先鎘后鉛），精餾用的粗鋅有塊錠和液體，熔化并過熱1 t鋅錠耗煤約100 kg，而用同量液體粗鋅可減少40%～50%的煤耗，因此應(yīng)盡量供給液體粗鋅。

設(shè)計(jì)精煉車間時(shí)，應(yīng)注意工藝操作的高度連續(xù)性、金屬鋅在熱狀態(tài)下的氧化和受冷凝結(jié)等問題。粗鋅主要由本廠供給時(shí)，應(yīng)盡量縮短精餾爐至粗鋅車間的距離，做到液鋅輸送。

由于粗鋅液中所含有雜質(zhì)金屬的種類多，單個(gè)鉛塔處理能力的限制，按操作周期與工作習(xí)慣，液態(tài)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)需要在多個(gè)地點(diǎn)、頻繁的重復(fù)操作，因此人工及惡劣的操作環(huán)境、超大的勞動(dòng)負(fù)荷現(xiàn)狀對實(shí)現(xiàn)工藝流程的機(jī)械化和自動(dòng)化有著迫切的需求。

1 設(shè)計(jì)條件

1.1 鋅熔煉車間

鋅熔煉是將含鋅原料用熔煉爐進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生粗鋅的過程，其主要設(shè)備就是熔煉爐。

鼓風(fēng)爐煉鋅是20世紀(jì)50年代由英國帝國熔煉公司始創(chuàng)，其特點(diǎn)是能同時(shí)煉鋅、鉛，對原料有廣泛的適應(yīng)性，通過配料、燒結(jié)在爐內(nèi)進(jìn)行還原熔煉，氧化鋅被還原，鋅呈蒸汽揮發(fā)，并引入冷凝器冷凝成粗鋅［1］。

電熱法煉鋅是以電能為熱源直接加熱含鋅爐料連續(xù)還原蒸餾出金屬鋅的方法。其直接在爐內(nèi)加熱爐料，不需要燃燒室，所以電熱法所用的爐子占容積小，熱的損失也小，熱利用率高。電熱法的爐料一般為焙燒礦與還原劑（焦炭或煤）混合組成。由于電熱法爐內(nèi)溫度較高，一方面可以進(jìn)行蒸餾還原，使鋅及一些金屬蒸發(fā)，另一方面也可以得到熔體產(chǎn)物—冰銅、鐵、鉛、渣等。因此電熱法就有條件處理多金屬的鋅精礦。當(dāng)處理多金屬鋅精礦得到熔體產(chǎn)物時(shí)，爐料中的碳只供爐料中結(jié)合的氧化合，不需要有大量過剩的焦炭或煤加到爐料中。隨著環(huán)保要求愈發(fā)嚴(yán)格，電爐煉鋅正成為一種趨勢。

1.2 鋅精餾車間

鋅精餾是基于鋅與其余雜質(zhì)元素的沸點(diǎn)不同的特點(diǎn)，采用不同的溫度精餾的原理，在兩種不同塔型中蒸餾，分凝回流，使鋅與其它雜質(zhì)金屬分離，而得到高純度鋅。粗鋅及精鋅中鋅與其它雜質(zhì)元素見表1。

表1 粗鋅及精鋅中鋅與其它元素含量表 %

1.3 設(shè)計(jì)目的

本文旨在實(shí)現(xiàn)液鋅從熔煉車間轉(zhuǎn)運(yùn)至精餾車間并自動(dòng)入爐的功能，研究鋅精餾智能入爐與轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)，極大程度上減少鋅精餾車間惡劣環(huán)境下的人工勞動(dòng)，為優(yōu)化車間工藝布局、提高工廠智能化程度提供強(qiáng)有力的依據(jù)。通過對該技術(shù)的研發(fā)，能有效指導(dǎo)鋅精餾車間的工藝布局和總圖布局，達(dá)到節(jié)能降耗、智能化工廠的目的。

根據(jù)需求，本方案將鋅液轉(zhuǎn)運(yùn)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作要求及路徑進(jìn)行分解規(guī)劃，將鋅液轉(zhuǎn)運(yùn)裝備分為幾大設(shè)備單元：（1）鋅包，其作用是接收來自熔煉爐的粗鋅液；（2）鋅包運(yùn)輸車，其作用是將鋅液包從熔煉車間轉(zhuǎn)運(yùn)至精餾車間；（3）鋅包傾翻入爐裝置，其作用是傾翻鋅液包，將鋅液傾倒至精餾塔中；（4）鋅包提升裝置，考慮到精餾塔入爐標(biāo)高與熔煉爐出粗鋅的標(biāo)高可能存在不一致的問題，其作用是實(shí)現(xiàn)鋅包在兩個(gè)不同標(biāo)高之間的轉(zhuǎn)運(yùn)。

2 關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)探究

2.1 鋅包

鋅包的設(shè)計(jì)主要從鋅包的有效容積及保溫材質(zhì)方面考量。

通過鋅包從熔煉車間轉(zhuǎn)運(yùn)至精餾車間并返回所需的周期t/min，每小時(shí)精餾塔的處理量Q/（t·h-1）以及每次平板車轉(zhuǎn)運(yùn)的鋅包數(shù)量n/個(gè)來計(jì)算，鋅包有效容積V/m3應(yīng)為式（1）：

式中：ρ為鋅液密度，取值為7.14 t/m3。

關(guān)于保溫材質(zhì)，現(xiàn)行主要采用黏土與黏土磚的組合，也有采用耐火水泥的包襯方式。除此之外，也有使用保溫耐火材料制作的預(yù)成型整體包襯。這類整體包襯的保溫性能優(yōu)異，安裝后僅需短暫加熱除潮，日常使用中無需加熱。

對比此類保溫材料在鋁水包的應(yīng)用，其包襯厚度小于普通包襯的情況下，鋁水包的邊界溫度明顯低于普通包襯，見表2。最終耐火水泥的熱損失達(dá)到9 069 W/m2，而該保溫耐火材料的熱損失才2 583 W/m2。

表2 耐火水泥和某保溫耐火材料熱傳遞對比

2.2 鋅包傾翻入爐裝置

傳統(tǒng)的鋅包入爐是采用電動(dòng)葫蘆與人工操作相配合的方式，不僅工作方式落后，還存在一定的安全隱患。為了解決人工操作帶來的各種問題，實(shí)現(xiàn)鋅液自動(dòng)入爐，特設(shè)計(jì)開發(fā)出鋅包自動(dòng)傾翻入爐裝置。

該裝置由機(jī)架、驅(qū)動(dòng)單元和緩沖單元組成，如圖1所示。機(jī)架考慮到鋅包在傾翻時(shí)的固定，特設(shè)計(jì)凸臺(tái)擋邊的型式，使鋅包在向前傾翻時(shí)有支撐。并考慮到重心的位置，讓其在傾翻角度足夠讓鋅液傾倒完的同時(shí)還不會(huì)因過角度而導(dǎo)致鋅包整體傾翻。

圖1 鋅包傾翻入爐裝置

驅(qū)動(dòng)單元采用液壓的方式，是基于更大的動(dòng)力以及液壓工作平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)。通過計(jì)算，選用液壓缸參數(shù)為缸徑/桿徑：φ125/90 mm，行程為800 mm。

2.3 鋅包提升裝置

由于精餾塔的入爐位于塔的上部，其標(biāo)高與熔煉爐出粗鋅的標(biāo)高不一致，一般會(huì)比其高，故在鋅包轉(zhuǎn)運(yùn)過程要考慮到鋅包的提升過程。然而，鋅包在提升過程中，不僅需要考慮到提升的速度不能太慢，同時(shí)還要考慮到平穩(wěn)不漏液，所以提升裝置的穩(wěn)定及安全是需要重點(diǎn)考慮的因素。鋅包提升裝置主要由提升框架、驅(qū)動(dòng)單元和防護(hù)裝置組成。

提升框架由正面框架、側(cè)面框架以及頂部框架組成，通過螺栓連接固定?？蚣苤黧w由矩形鋼管焊接而成，具有足夠高的強(qiáng)度和剛度。框架側(cè)邊四周均由鋼板進(jìn)行密封保護(hù)，以防止鋅包發(fā)生漏液傷人事故。如圖2所示。

圖2 鋅包提升裝置

驅(qū)動(dòng)單元由電動(dòng)葫蘆、專用吊具和行車梁組成。電動(dòng)葫蘆的起吊重量為10 t，提升的重量應(yīng)包含滿載鋅水的鋅包以及專用吊具，其起升速度為7 m/min。專用吊具采用雙吊鉤的結(jié)構(gòu)形式，吊點(diǎn)位于鋅包兩側(cè)，鋅包利用自重能夠穩(wěn)定液面。行車梁由中間主梁和兩側(cè)行走梁組成，讓鋅包能在粗鋅1＃平板車上起吊運(yùn)至位于入爐2＃平板車的入爐傾翻裝置上。

3 自動(dòng)化方案及路徑規(guī)劃

傳統(tǒng)鋅液加料由叉車實(shí)現(xiàn)熔煉車間至精餾車間的轉(zhuǎn)運(yùn)，再由葫蘆吊與人工配合的方式加料，通過上述對加料設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造，能夠?qū)崿F(xiàn)鋅液加料全程無人化操作。

3.1 自動(dòng)化入爐流程

鋅包加料流程圖如圖3所示，正常情況下，熔煉爐將粗鋅液通過溜槽進(jìn)入鋅包，鋅包經(jīng)由1＃平板車運(yùn)送至鋅包提升裝置處，再由提升裝置提升放置于傾翻裝置中，而傾翻裝置是放置在2＃平板運(yùn)輸車上的，再通過2＃平板運(yùn)輸車橫向平移至精餾塔加料口處，啟動(dòng)傾翻裝置使鋅液自動(dòng)入爐。

圖3 鋅包加料流程圖

如若自動(dòng)化加料路徑上的設(shè)備出現(xiàn)故障需要檢修，則熔煉爐將粗鋅液通過溜槽進(jìn)入粗鋅圓盤鑄錠，然后再通過人工投料的方式加入精餾塔中。

3.2 精餾塔及其數(shù)量

精餾塔的個(gè)數(shù)也是影響自動(dòng)化入爐的路徑規(guī)劃的因素之一。在鋅精餾工藝流程中設(shè)置不同功能、不同塔盤的兩種塔即鉛塔和鎘塔。每個(gè)塔的溫度控制條件不同，就可以控制塔內(nèi)的蒸餾、冷凝回流、分餾量，使鋅與雜質(zhì)元素分離。將電爐熔煉車間的液體粗鋅（或粗鋅錠）經(jīng)精餾車間將液鋅包中的鋅加入熔化爐，經(jīng)煤氣加熱熔化為粗鋅液，送入鉛塔，鉛塔溫度控制在930℃左右，可將高沸點(diǎn)雜質(zhì)Fe、Pb、Cu、Sn、In從粗鋅中分離，其脫除率可達(dá)98%～99%。鉛塔中部冷凝的脫除高沸點(diǎn)雜質(zhì)的含Cd液鋅流入鎘塔，鎘塔溫度控制在920℃左右脫除鋅液中的Cd等低沸點(diǎn)雜質(zhì)元素，鎘塔上部產(chǎn)出高鎘鋅錠、鎘塔下部的純鋅槽產(chǎn)出精鋅通過鑄錠機(jī)鑄成錠。鉛塔下部含高沸點(diǎn)雜質(zhì)的液鋅進(jìn)入精煉爐，加鋁除鐵后得到硬鋅、B號鋅、粗鉛。鋁鐵鋅渣耙出冷卻、破碎后送電爐配料工段回收鋅［2］。

鉛塔和鎘塔的座數(shù)，應(yīng)根據(jù)每年需要處理的粗鋅量或需生產(chǎn)的精鋅量確定，按照公式（2）～（4）計(jì)算：

鉛塔座數(shù)：

式中：G為年處理粗鋅總量，t；p為一座鉛塔每天的加料量，t/d；E為B號鋅塔直接產(chǎn)出率，%；m為B號鋅產(chǎn)出率，%；η為塔年運(yùn)轉(zhuǎn)率，一般為88%～91%。

3.3 路徑規(guī)劃

以某鋅廠搬遷設(shè)計(jì)為例，其設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為150 kt/a，配套三臺(tái)電爐煉鋅。設(shè)計(jì)要求的精餾塔是14座鉛塔，8座鎘塔和4座B號鋅塔，加料量：粗鋅20 t/h，B號鋅7 t/h。以車間中軸線為基準(zhǔn)，對應(yīng)兩套鋅包自動(dòng)入爐裝置，如圖4所示。

圖4 某鋅廠鋅包自動(dòng)入爐裝置配置

3.4 設(shè)備功率及造價(jià)

根據(jù)前述的設(shè)計(jì)描述，每一套鋅包自動(dòng)入爐裝置可對應(yīng)年產(chǎn)7萬t精餾鋅產(chǎn)量。依據(jù)設(shè)計(jì)要求，裝置中的各個(gè)模塊單元功率及造價(jià)見表3。一套機(jī)組總功率為63 kW，總造價(jià)約為156萬元。

表3 機(jī)組功率及造價(jià)

4 總結(jié)與展望

鋅冶煉工藝分為火法和濕法冶煉兩種，濕法冶煉與火法相比，普遍存在浸出率低、投資大、效果差等缺點(diǎn)，火法冶煉鋅回收率比濕法冶煉提高2%左右［3］，因此火法煉鋅特別是近年來興起的電爐煉鋅成為主流之一。目前在做的鋅廠高階段設(shè)計(jì)中，火法煉鋅也是業(yè)主主要的考慮工藝。而火法煉鋅中，鋅精餾是重要的車間之一，因此鋅精餾鋅包轉(zhuǎn)運(yùn)入爐機(jī)組是非常有推廣前景的。

本例是基于鋅冶煉的設(shè)計(jì)，實(shí)際中可應(yīng)用到其他類似性質(zhì)的熔融金屬的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。譬如鋁合金鑄造過程中，需要將鋁水包轉(zhuǎn)運(yùn)并傾倒至鋅合金熔煉爐中。

綜上所述，基于鋅精餾車間鋅液轉(zhuǎn)運(yùn)裝備的自動(dòng)化改造具有良好的前景，值得推廣和應(yīng)用。