奧斯麥特?zé)掋U工藝基本原理研究

馬忠旭， 姜有澤

（1.甘肅有色冶金技術(shù)學(xué)院， 甘肅 金昌 737100；2.蘭州金川新材料科技股份有限公司， 甘肅 金昌737100）

鉛冶煉的工藝大致可以分為火法和濕法兩種，目前，我國鉛冶煉技術(shù)主要為火法工藝[1]。我國鉛冶煉技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了最早的“燒結(jié)機(jī)—鼓風(fēng)爐熔煉”工藝[2]，到后來引進(jìn)國外的奧托昆普法、頂吹浸沒式熔池熔煉（ISA 或Ausmelt）法、氧氣底吹（QSL）法、氧氣頂吹卡爾多爐法等煉鉛工藝[2]，再到近些年國內(nèi)獨(dú)立自主研發(fā)成功的“液態(tài)高鉛渣直接還原一步煉鉛（YGL）法[3]”、“氧氣底吹氧化熔煉—氧氣底吹（側(cè)吹）還原熔煉法[4]”、“氧氣頂吹氧化熔煉—氧氣側(cè)吹還原熔煉法[5]”、“富氧側(cè)吹氧化熔煉—富氧側(cè)吹還原熔煉雙側(cè)吹法”等煉鉛工藝。以上國內(nèi)獨(dú)立自主研發(fā)的直接煉鉛新工藝，充分利用了氧氣強(qiáng)化熔煉技術(shù)[6]，生產(chǎn)效率高、能耗低、自動(dòng)化水平高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、系統(tǒng)配置緊湊、節(jié)約用地、設(shè)備密閉性好、煙氣含硫濃度高，便于制酸，較好地解決了環(huán)境污染等問題。

奧斯麥特法是在熔池內(nèi)的熔體-爐料-氣體之間造成強(qiáng)烈的攬拌與混合[7]，大大強(qiáng)化熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)速率，以便在燃料需求和生產(chǎn)能力方面產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。奧斯麥特法的噴槍豎直浸沒在熔渣層內(nèi)，噴槍結(jié)構(gòu)較為特殊，爐子尺寸比較緊湊，整體設(shè)備簡單[8]。

1 煉鉛原料

奧斯麥特?zé)掋U的兩種必備原料中，熔劑主要用來助熔、造渣，生產(chǎn)中使用的有石灰石和石英石，成分如表1，2；鉛礦是冶煉的對象，生產(chǎn)中使用的有鉛精礦、鉛渣和硫渣，成分如表3。

表1 石灰石化學(xué)成分（干基） %

表2 石英石成分（干基） %

表3 鉛礦主要化學(xué)成分 %

2 渣型控制

鉛渣成分主要有鐵（Fe）、二氧化硅（SiO2）和石灰（CaO）。渣型選擇要確保形成較低的熔點(diǎn)段，從而形成較低的作業(yè)溫度，產(chǎn)生相關(guān)效益。此處的給料是鐵，加入足量的二氧化硅熔劑，以保持預(yù)期的m（Fe）/m（SiO2）比。同樣的，如果給料是二氧化硅，將加入富含鐵的熔劑。石灰通過同樣的方式加入，一般是以石灰石的形式（CaCO3），以提高熔渣流動(dòng)性。熔渣中CaO 含量過多也會(huì)導(dǎo)致熔渣流動(dòng)性上的問題[9]。在其他工藝中的熔渣化學(xué)反應(yīng)，可能受到其他熔渣成分例如氧化鋁（Al2O3）和氧化鎂（MgO）的影響。由于發(fā)熱過程反應(yīng)形成過多熱量，而進(jìn)行的適當(dāng)熔渣化學(xué)反應(yīng)控制，無論什么時(shí)候，都可以用于熔化要求的熔劑物質(zhì)。熔渣中各種混合物的成渣過程會(huì)根據(jù)熔池溫度、熔池氧勢和元素濃度來改變。所形成的復(fù)雜混合物例如尖晶石，會(huì)在液體熔渣中沉淀成固體，對熔渣流動(dòng)性產(chǎn)生不利影響。圖1 是SiO2-FeO-CaO三元渣系狀態(tài)圖，顯示奧斯麥特?zé)掋U工藝的渣型區(qū)[10]。

圖1 SiO2-FeO-CaO 三元渣系狀態(tài)圖

3 原料分解

分解反應(yīng)通常發(fā)生在高溫中，使給料中包含的金屬化合物分解。復(fù)雜化合物的分解需要部分熱量來促進(jìn)。對熔煉過程中物料的分解以及礦物質(zhì)中所含金屬的變化形式進(jìn)行評估，不能簡單的對這些變化形式進(jìn)行區(qū)分。礦石中含鉛主要是以硫化鉛（PbS）的形式直接存在，然而，在一些其他情況中，例如銅/鎳，則會(huì)以更加復(fù)雜的礦物形式存在。因此，以下物料分解反應(yīng)要發(fā)生在高溫熔爐和由銅/鎳系統(tǒng)構(gòu)成的渣池中：

熔劑是由碳酸鈣（CaCO3）和碳酸鎂（MgCO3）組成的混合物。這些分解反應(yīng)也被稱作為解離。

4 氧化熔煉

硫化物熔煉工藝過程包括硫化物的氧化反應(yīng)[11]。通過噴槍將一定的空氣/氧氣送入熔融的渣池內(nèi)，在渣池內(nèi)氧氣會(huì)直接與硫化物物料接觸發(fā)生氧化反應(yīng)。在發(fā)生氧化反應(yīng)的過程中會(huì)釋放二氧化硫氣體，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致脈石（也就是鐵）被氧化，如圖2 所示。

硫化物的氧化會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)。該氧化過程是一個(gè)放熱過程，通過這些化學(xué)反應(yīng)可以釋放出熱量。

圖2 典型的硫化物熔煉反應(yīng)

冶煉所需氧氣量由物料平衡計(jì)算中的空氣系數(shù)來控制[12]。在銅/鎳的氧化過程中，與生成其他金屬相比，主要發(fā)生鐵的氧化反應(yīng)。在此工藝條件下，通過改變空氣系數(shù)來控制最終的產(chǎn)品品味，因此通過硫化物的氧化反應(yīng)（反應(yīng)見4、5）可以使鐵的氧化量（反應(yīng)見6）超過生成的其他金屬。

5 還原

5.1 渣還原

渣還原階段包括添加硫化物精礦來還原渣中的金屬，使其從氧化物形式變?yōu)榻饘傩问?，此階段僅適用于鉛工藝，如圖3 所示。

圖3 硫化鉛還原反應(yīng)

為了確保所添加的硫化物主要用于金屬氧化物的還原，可以通過控制噴槍端口的噴槍燃料化學(xué)計(jì)量來維持還原氣氛。此外，需要提供少量的塊煤來促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)塊煤可以吸附過量的游離氧。添加到熔池中的硫化物會(huì)影響熔池內(nèi)的氧勢。在此階段控制渣的溫度至關(guān)重要，因?yàn)樵薪饘傺趸锼降臏p少會(huì)影響橄欖石渣的增加。通過控制硫化物的加入數(shù)量來控制爐渣的成分和品味。應(yīng)用硫化物實(shí)現(xiàn)還原過程，此舉普遍用于鉛還原的第一階段。其中包含向金屬氧化物渣池中添加硫化鉛精礦[13]。

通過添加少量的煤炭可以幫助實(shí)現(xiàn)熔池中的還原電勢。下頁圖4 顯示了硫化鉛的還原過程，包含可能會(huì)發(fā)生的反應(yīng)和階段。與整個(gè)還原段只有塊煤相比，利用鉛精礦作為還原劑，允許增加鉛精礦的量并產(chǎn)生更多的粗鉛，反應(yīng)化學(xué)方程式為：

5.2 煤還原

渣的還原階段還包括添加塊煤來還原渣池中的金屬，使其從氧化物還原為金屬。為了確保所添加的煤炭主要用于金屬氧化物的還原，可以通過控制噴槍端口的噴槍燃料化學(xué)計(jì)量來維持還原狀態(tài)。添加到熔池中的煤炭會(huì)影響熔池內(nèi)氧勢。在此階段控制渣的溫度至關(guān)重要，因?yàn)樵刂薪饘傺趸锼降臏p少會(huì)使得橄欖石渣的含量增加。圖4 顯示了一個(gè)典型的還原過程，包括可能發(fā)生的反應(yīng)和階段。

圖4 典型還原反應(yīng)

6 結(jié)論

1）奧斯麥特?zé)掋U工藝的合理的渣型要求為：具有較好的流動(dòng)性，m（Fe）/m（SiO2）=1.2。

2）氧化熔煉階段關(guān)鍵在于控制空氣系數(shù)。

3）還原階段關(guān)鍵在于控制噴槍端口的噴槍燃料化學(xué)計(jì)量和熔池溫度。