（冶金工程专业论文）焦洗isf炉结工艺研究与应用.pdf

摘要 密闭鼓风炉熔炼技术是生产铅锌的重要方法。论文结合影响鼓风 炉生产的各个因素，介绍了密闭鼓风炉熔炼技术在节能、回收有价元 素、自动化控制及环保等方面的一些技术进展。并结合韶冶二系统的 设计和生产实践进行了论述。 密闭鼓风炉铅锌冶炼生产过程主要包括两个部分，即烧结与熔炼 过程。论文分析了炉内各带的温度变化，同时初步探讨了各带对炉结 可能造成的影响及炉结的生成的原因。针对炉结对生产造成的影响， 根据焦洗炉结技术必须具备的条件，提出采用焦洗的方法处理炉结。 首先对密闭鼓风炉炉项盖耐火材料及炉顶盖结构进行改进，采用 美国联矿m a t r i c a s t 3 0 0 0 新型浇筑料( 成份：a 1 ：o 。一4 9 8 0 、 s i 0 2 4 6 2 0 、c a 0 1 1 0 、t i 0 1 4 0 、f e o 一1 0 0 、m e o 3 0 ) ，以 满足焦洗带来炉顶温度高的要求。从炉内富焦、炉料下行速度、风量 风压、c o c o ：变化、返渣加入时间、排渣时间及焦洗炉结过程时间进 行研究，在实验研究基础上，确定了焦洗的工艺条件和操作程序。 通过焦洗炉结方案的实施，可以更彻底地清理密闭鼓风炉内炉 结，改善密闭鼓风炉生产的炉况，提高密闭鼓风炉的生产水平。同时 可以减少爆破法对炉窑砌体的损坏，为延长密闭鼓风炉大修周期奠定 了基础，节约了大修维修费用。 关键词：密闭鼓风炉，铅锌冶炼，炉结，焦洗 a bs 1 r a c t i m p e r i a ls m e l t i n gp r o c e s s ( i s p ) i sap r o c e s sa v a i l a b l ef o rp r o d u c t i o n o fz i n ca 1 1 dl e a d c o 瑚b i n i n gw i m 心f a c t o r s h a v i n ge 圩e c t so n t h ei s p ， t 1 1 e d e v e l o p m e n t o fi s p t e c h n i q u ei n c l u d i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o n ， v a l u a b l ee l e m e n tr e c y c l i n g ，d c sc o n t r o la 1 1 de n v i r o 衄e m a lp r o t e c t i o n i si n 仃o d u c e d h e r e n ed e m o n s t r a t i o n i n t e 鲫庀e st h ed e s i g na n dp r a c t i c e i s p m a i n l yc o n s i s t so fs i n t e r i n ga n ds m e l t i n g i nm i sp 印e r ，t 1 1 e e f f e c t so ft e m p e r a t u r e v 甜e 哆 o fz o n e si nm m a c eo na c c r e t i o na r e d i s c u s s e da n df 啪a c ea c c r e t i o ni sm em a i np r o b l 咄l e a d i r 培t oh i 曲 p u r n ps u m pm o s s f o m l a t i o na n dc o n d e n s e ra c c r e t i o n b a s e do nt l l e r e s u l t sa i l d 也ec o n d i t i o n s m e e t i n gc o k ew a s h i n gt e c h n 0 1 0 9 y ，ac o k e w a s h i n gt e c h n o l o g y i su s e dt or e m o v e 也ea c c r e t i o n f i r s t l y t i l er e 矗a c t o r ya 1 1 d s 缸u c t u r eo fi m p e r i a l s m e l t i n gf u m a c e r o o fa r e i m p r o v e d ， a l l dan e w 曲r l l c m r a lm a t e r i a l s p r o d u c e d b y m a t i u c a s t 3 0 0 0i na m e r i c ai su s e d ，w h o s ec o m p o n e n t sa r eg i v e na s f o l l o w ：a 1 2 0 3 4 9 8 0 、s i 0 2 4 6 2 0 、c a o 1 1 0 、t i o 1 4 0 、 f e o - 1 o o 、 m e 一0 _ 3 0 c o n s i d e r i n g c o k ee l l r i c h m e n t i n 如m a c e ， d o w n t i m eo f m a t e r i a l s ，w i n dq u a n t i 够雠dp r e s s u r e ，c h a n g e so fc o c 0 2 ， a d d i n g t i m eo fr e t u m i n g s l a g ， t i m eo fr e m o v i n g s l a g a n dt i m eo f r e m o v i n ga e c r e t i o nb yc o k ew a s k n gm e m o d ，m e r e l a t e d t e c h n o l o g i e sa n d 2 o p e r a t i o na r ea g r e e d o nu n d e r e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s c o k e w a s h i n gi su s e dt oc l e a rm e 向m a c ea c c r e t i o no fn o ia i l di i s y s t e mi ns h a o g u a i ls m e l t e r t h er e s u l t ss h o wt 1 1 a tt 1 1 e t e c h n o l o g yh a s s u c h a d v a n t a g e s a s e 埘r e l yr e m o v i n ga c c r e t i o n ， i m p r o v i n g 如m a c e o p e r a t i o nc o n d i t i o n sa 1 1 dp r o d u c t i o no f i s p ，r e d u c i n gd a m a g e so f 如m a c e b o d y c a u s e d b yd e m o l i s h i n gm e t l l o d ，a n dp r o l o n g i n gt h e c 锄p a i g l l s h u t d o w n d u r a t i o n ，w l l i c hg r e a t l yr e d u c em a i n t a i n i l l gc o s t k e y w o r d s ：i m p e r i a ls m e l t i n gm m a c e ，p b z ns m e l t i n g ，f u m a c e a c c r e t j o n ，c o k ew a s h 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：主坐趟日期：丛坐年上月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：五衄磷导师签名兰盗步日期：盟年月j 二_ 曰 工程硕士学位论文第一章文献评述及本研究设想 第一章文献评述及本研究设想 铅锌密闭鼓风炉熔炼技术( i m p e r i a ls m e l t i n gp r o c e s s ) 简称为i s p 。第一 座i s p 熔炼炉于1 9 4 6 年建在英国的阿旺茅斯厂，1 9 5 0 年开始工业生产，不久 该厂又建成了第2 座炉子。1 9 5 9 年4 月第一座炉子停产拆除，第二座炉子一 直运行至今。与传统的火法、湿法炼锌工艺相比，i s p 法具有物料的适应性强， 能处理低品位复合精矿、难分选的铅锌混合矿、多种铅锌原料与二次物料、能 源消耗小，从而有益于环境等优点1 。i sp 将铅锌两条独立的冶炼工艺流程合 二为一，在一座炉子中产出铅锌两种金属产品，简化了冶炼工艺流程，降低了 生产成本。由于i s p 具有其它工艺无法比拟的优势，自1 9 6 0 年起迅速工业化 推广，并不断改进完善，技术不断进步，产量不断提高。 韶关冶炼厂是中国大型的铅锌生产厂之一，铅锌年生产量达到了2 0 万t ， 多年来，i s p 技术在挖掘工艺技术设备自身潜力、节能降耗、提高炉子产量、 改善环境治理和提高资源综合回收水平等方面取得了可喜的成绩，使i s p 的特 点进一步得到了发挥“”。 1 1影响密闭鼓风炉生产的因素 1 1 1 鼓风制度 鼓风炉粗锌产出量与底部风口鼓风量、炉子利用率( 即送风率) 、风炭比和 炭锌比有关。鼓风炉粗锌产出量与底部风口鼓风量、炉子利用率( 即送风率) 成正比，与风炭比、炭锌比成反比。对于鼓风炉来说，风炭比是一个常数。因 此，要想提高鼓风炉产量必须要提高底部风口鼓风量、炉子利用率( 即送风率) 工程硕士学位论文第一章文献评述及本研究设想 和降低炭锌比。对一定结构的鼓风炉额定风有明确上限，所以，对一定结构的 鼓风炉，提高炉子利用率( 即送风率) 和降低炭锌比是提高其生产水平的重要 因素。 要保持鼓风炉正常作业，对一定结构的鼓风炉和炉料必须选择额定风量。 如果鼓风量控制过小，焦炭的大部分会燃烧成c o ，结果急剧地降低热的收入及 生产率，同时引起炉缸中部形成“龙骨”。反之，鼓风量控制超过额定风量时， 最初虽因燃烧所产生c 砚量增加，而提高生产率并获得温度较高的炉渣，但是 若不及时调整，降低风量，发展下去，就会使焦点区上移而影响炉况。 1 1 2 预热鼓风熔炼 比较反应：2 c + 0 2 = 2 c 0 和反应：c + o ：= c o ：的热效应可以看出，鼓风炉炼锌应 尽可能从反应c c 0 ：获得热量，以降低焦炭的消耗。但是炉渣中的z n o 还原又 需要炉气中有较高的c 0 的浓度，就希望提高炉料的炭锌比。这样不仅消耗更多 的焦炭，也要防止f e 0 还原所不允许的。这一矛盾的解决有赖于生产实践中不 断总结，确定适当的炭锌比与鼓风量。预热鼓风是解决鼓风炉炼锌这矛盾的 重要措施，也是提高鼓风炉产量的手段之一。 随着工厂废热的综合利用、热风炉结构改进和热风炉自动切换装置的实施， 为高预热风温熔炼创造了有利的条件。研究和实践表明，采用高温预热鼓风熔 炼时，由于预热空气带入炉内的物理显热的增加，使反应物质的活性增加，熔 炼过程进一步强化，同时产物的过热程度增大，炭锌比降低，吨熟焦产量得到 提高。 1 1 3 富氧熔炼 富氧熔炼具有下列优点：( 1 ) 富氧鼓风中氧的分压( p o t ) 大，所以燃料燃 烧的反应速度加快，强化了熔炼过程，提高了炉子生产率：( 2 ) 由于风口区焦 炭燃烧速度加快，因而获得高更为集中的焦点区，这样熔体得至q 了充分的过热， ( 3 ) 由于焦点高度集中，料面温度降低，烟尘率也减少。 2 工程硕士学位论文第一章文献评述及本研究设想 但是富氧鼓风熔炼也存在如下缺点：( 1 ) 要采用相对低的预热鼓风温度操 作，避免黄渣的大量产生和风嘴冷却问题；( 2 ) 热风压力上升。 1 1 4 炉料的性质对熔炼过程的影响7 一l 韶冶采用密闭鼓风炉熔炼工艺处理铅锌混合矿。从1 9 7 8 年建成投产以来， 韶冶密闭鼓风炉系统进行了多项技术改造。但是，由于我厂原料焦炭供应出现 了许多新的变化，生产出现波动。国外i s p 厂家就原料、焦炭对密闭鼓风炉生 产的影响做过许多工作，认为入炉物料质量水平是影响密闭鼓风炉良好运转的 关键因素之一。鼓风炉主要的炉料有烧结块、焦炭。另外有兰粉及其它杂料压 制的团块、熔剂浮渣、块状炉结等，它们的质量好坏直接关系到炉子的生产率， 冷凝分离效率和其它技术经济指标。 ( 1 ) 烧结块铅高时，其热强度下降，易引起矿裂并生长炉结，造成热风压力 上升，底部风量减少，燃炭量也相应减少，生产水平随之下降，烧结块s i0 2 偏 高也有类似的影响，据国外有资料表明，当烧结块p b + s i 仉 2 4 对，烧结块质量 将变差。 ( 2 ) 与其它火法炼铅、锌相比，密闭鼓风炉对焦炭质量有更高的要求。焦炭 既是密闭鼓风炉的燃料又是还原剂，在炉内起到骨架作用。焦炭反应性高，将 降低其发热量，增加熔炼的焦炭消耗，同时会造成炉缸缺焦，不利于还原，骨 架作用随之削弱，热风压力上升。反应性低的焦炭对提高鼓风炉生产能力相当 重要。 ( 3 ) 烧结块含砷高低对鼓风炉生产影响也相当明显。烧结块含砷高，一方面 砷在冷疑器分离系统与z n 结合生成高熔点物质，这些高熔点物质在熔剂槽与金 属铅、锌及氧化物形成“牙膏状”的渣，造渣、扒渣困难，材料单耗指标升高。 另一方面，砷在炉缸与炉渣金属f e 结合并形成稳定的砷铁合金，不利于降低炉 渣锌。 鼓风炉入炉物料质量控制应作如下工作。( 1 ) 控制进厂铅、锌混合精矿 s i 0 2 、a s 品位。( 2 ) 解决烧结工艺与烧结块高温强度内在关系。( 3 ) 在原基础上 工程硕士学位论文第一章文献评述及本研究设想 严格考核烧结块p b 、s i o z 、a s 的品位上限。( 4 ) 把好进厂焦炭质量关，凡进厂 新焦种，在进焦前必须先取样测试其反应性。 1 1 5 鼓风炉操作的影响因素 ( 1 ) 加料 在正常的生产过程中，鼓风炉加料操作应与熔炼情况、炉体特点、炉料情 况以及其它连接设备的运行相适应，做至4 准确、及时地向鼓风炉加料，使炉料 在炉内分布均匀合理以满足正常的需要。鼓风炉的加料，要求料量准确、料面 稳定、炉料在炉内分布均匀。 炉内料面稳定在正常的范围内，对熔炼过程有重要意义。料面不稳定，炉 顶温度会出现大幅度波动，从而影响锌的冷凝效率：料面波动大，将使炉子底 部的风压、风量和炉料的透气性发生较大的变化，炉内还原能力不稳定；加料 过多时炉料会堵塞部分炉喉，使炉气温度降低；当料面接近或高于炉顶二次 风口时，还将导致炉料中的焦炭燃烧雨产生局部过热使炉子上部的耐火砖损坏， 风口区缺焦，熔化的炉料在炉墙上形成结瘤。加料过少，料面降低，则料面温 度上升，铅及其化合物的挥发量增大，炉气中二氧化碳增加，带入冷凝器的杂 质增加，浮渣量增大：同时低料面操作，将使炉温降低，炉渣过热不足，且导 致炉料在炉内停留时间短，使渣含铅、锌增高。正常的料面高度应从风口中心 线算起，往上6 2 5 0 咖，允许料面有2 5 0 咖的波动范围。正常料面一侧的偏差 允许1 5 0 咖，若大于此值，则应及时孙加单罐料，使整个料面尽量保持一致。 料面高度是用配有气套筒、用耐高温材料制成的探料杆测量，可自动或手动操 作。 ( 2 ) 鼓风量与风温调节 在生产实践中，鼓风炉熔炼的风量大小主要取决于焦炭燃烧情况、物料质 量、炉内结瘤情况、料面高度及炉体结构等熔炼条件。大风量操作时，焦炭的 燃烧速度侠，熔炼速度大，炉子生产率高。还将使炉子的热量损失按比例相应 减小，焦炭的还区域扩大，并可获得较高的熔炼温度、降低渣含锌。但风量不 宣过大，否魁不仅会增加动力消耗，还使炉内高温区上移、气流速度过大，随 4 工程硕士学位论文第一章文献评述及本研究设想 气流带出的粉料也增多：特别是在半面过低、物料质量差、炉内结瘤严重的情 况下，更使冷凝器内的浮渣大量增加。此外，大风量操作还受到物料质量、炉 内结瘤所引起的高风压所限制。在生产中，鼓风量还应与冷凝分离系统及炉气 洗涤系统的设备生产能力相适应。 热风带入炉内的热量全部被利用。尽量采用高风温，可以降低焦耗，提高 炉子生产率。生产中，风温一般控制在8 0 0 左右。有的工厂风温已达1 0 0 0 以上。 ( 3 ) 补加空气 通过炉身上部风口导入的热空气称为二次风。鼓入二次风的目的在于燃烧 炉气中部分c o 气体，以补偿炉气在炉气上部所散失的热量，保证炉气在进入冷 凝器前的温度在“再氧化温度”以上。 同时，为了密封料钟。防止炉气从料口溢出，而向料钟间鼓入冷空气。料 钟间的空气压力应超过炉顶压力5 0 1 0 0 p a 。从料钟下部漏斗外壁的环形风管鼓 入冷空气形成的一层空气膜，可保护漏斗不生或少生结瘤，保证底钟开启灵活、 动作准确、密封严。每个料钟需周边空气量约为3 5 0 m 3 h 。 ( 4 ) 炉前操作 包括：a ) 风口管理，为使热风顺利从风口送入炉内，一般在每次放渣后， 常用钢钎捅掉积留在风口的结渣。在炉内结瘤严重而引起风口挂渣时，更应及 时清理；休风或减风时，要避免风口灌渣；b ) 供水系统管理，供水系统要保证 喷淋炉壳、炉身托盘、风口、放渣口等处冷却水的供应；c ) 放渣，鼓风炉的炉 渣和粗铅的混合熔体间断地从渣口放出。当熔渣接近风口线时，热风压力明显 升高、风量降低，可以从风口窥视孔看到熔渣跳动，此时应打开渣口放渣。放 渣过程中，要注意观察炉渣温度、流动性及渣型。 1 1 6 冷凝分离系统 ( 1 ) 冷凝器 冷凝器工作不正常、回铅槽返回的铅液温度过高或回铅量不足等因素，是 造成直升烟道温度过高的主要原因。前者由于冷凝器的铅液面过低，转子埋入 工程硕士学位论文第一章文献评述及本研究设想 铅液深度不够、转子速度降低或停转而造成扬铅量不足；冷凝器结瘤使气流分 布不均匀。后者是因铅泵的扬铅量不足或冷却流槽的冷却效率低引起循环铅液 的温度上升。 在冷凝器运行的任何时侯，均要保持正压操作，以防空气进入，造成锌的 氧化或煤气爆炸。冷凝器进口压为1 0 0 0 p a 3 0 0 0 p a ，出口压力为8 0 0 1 2 0 0 p a 。 ( 2 ) 泵池与铅泵 铅液的循环量要使冷凝器温升保持在8 0 1 0 0 的范围( 即从回铅槽返回的 铅液经过冷凝器到达铅泵时，铅液温度由4 3 0 4 5 0 上升到5 1 0 5 3 0 ) 。铅液 的循环是由泵池内铅泵的扬铅能力控制的。 鼓风炉风量发生变化，铅液温度会随之变化，这时铅泵的扬铅量也要做相 应的调节。铅泵在使用期间，效率逐渐降低，扬铅量减少而无法维持泵池的额 定温度时，应更换铕泵。铅泵底流口要保持畅通。泵池液面上的浮渣应有主时 清除，防止堵死铅泵口。铅泵启动时由低档向高档逐渐增加，避免一开泵就使 用高速档。 ( 3 ) 冷却流槽 冷却流槽的作用在于将高温铅液冷却至略高于锌的凝固温度，使铅液中的 锌分离出来。 为使冷却流槽具有良好的冷却效率，应该保证流槽具有良好的热交换能力， 操作中，要及时清理冷却管上的结块。其方法是：关小该冷却管组的进水阀， 提高铅液温度来熔化结块。 若发现冷却管组烧坏漏水，应立即切断该管组的供水，迸行焊补或交换。 ( 4 ) 熔剂槽 熔剂槽的作用在于接受冷却后的舍锌铅液和在槽内造熔剂渣。往槽内加入 氯化铵是为了造熔剂浮渣，以减少锌的氧化和浮渣量。氯化铵的需要量取决于 砷的挥发量、循环铅夹带的浮渣量等。若熔剂加得太少，则生成一种干浮渣， 即不能达到造渣的效果，又不能在熔体表面上形成液态覆盖层；若熔剂太多， 工程硕士学位论文第一章文献评述及本研究设想 则造成浪费，且生成过量的极稀浮渣，给以后的处理带来麻烦。正常情况下 氯化铵的用量为 9 8 ) ，其中包含了金、银等贵金属。粗铅经电解而得到精 铅( p b 9 9 9 9 5 ) ，炉渣送烟化炉处理，回收其中的有价金属。密闭 鼓风炉还原产生的锌蒸气，从炉子的上部进入铅雨冷凝器，经冷撮 后得到粗锌( z n 9 8 ) ，在经蒸馏精炼得到精锌( z n 9 9 9 9 5 ) 。密 闭鼓风炉的废气经冷却、洗涤、升压后送热风炉、电站作燃料使用。 含硫的铅锌精矿在烧结过程中产生的s 0 2 烟气，送入制酸系统生产 硫酸。 2 2密闭鼓风炉炼铅锌的基本原理 鼓风炉炼铅锌是还原过程，它与铅鼓风炉熔炼相似，炉料中各 主要金属氧化物被c o 还原情况从属于氧化物还原的平衡曲线，如图 2 2 所示。当含锌、铅的烧结块还原熔炼时，在鼓风炉不同高度各区 域内的相互反应是在复杂的系统中进行的，这个系统主要是c o 、c o 。、 c 及金属氧化物所组成( 包括造渣部分) 。 图2 2 金属氧牝拍还原的平衡曲战固 工程硕士学位论文 对还原反应而言，各种金属氧化物还原性按平衡比值的比较， 在1 0 0 0 的温度条件下，各种金属氧化物被c o 还原的顺序如下：c u 、 p b 、n i 、c d 、s n 、f e 、z n 、m n ，由此可见，除锰外，最难还原的是 z n 0 最容易还原的是c u 0 和p b o 。 2 2 1 密闭鼓风炉内焦炭的燃烧和还原能力控制 2 2 1 1 密闭鼓风炉内焦炭燃烧过程 焦碳从炉顶加入炉后，直到风口区，一直保持呈固态。在风口 区焦炭与鼓入的热风中的氧作用。进行燃烧反应，产生大量的热和 还原性气体( c o ) ，以供加热、还原和熔化炉料。 焦炭集中在风口区与风口送入的热空气进行燃烧反应，首先生 成二氧化碳： c+02=c 0 2 然后部分c 0 2 与焦炭接触，被还原成一氧化碳： c 如 + c = c o 焦炭燃烧后，生成c 0 的反应为： 2 c +仉=2 c 0 由上述反应可以看出：当焦碳全部燃烧生成二氧化碳时，释放 出的热熏最多，热的利用率高。焦炭的热利用率的高低，取决于燃 烧产物中二氧化碳与一氧化碳的比值：c 0 ：c o 愈大，则热利用率愈 高，但还原能力最弱。c 0 2 c o 与热利用率的关系如图2 3 所示。 工程硕士学位论文 困2 3c 0 2 ，c o 的比值与燕利用率的关系 固2 4沿风口中心线的煤气成分变化 1 8 工程硕士学位论文 密闭鼓风炉中，焦炭的燃烧过程随着从风口股入的风量的大小 而不同。当鼓风量较小时，空气不足以带着焦炭一起运动，此时风 口前的焦炭比较紧密，焦炭是在紧密的焦炭层燃烧。燃烧时，沿风 口中心线的煤气成分变化规律如图2 _ 4 所示。根据煤气成分的变化 情况，燃烧区域分为两个区。从风口前到c 0 2 含量达到最大点叫氧 化区，氧化区的主要燃烧反应是完全燃烧反应，而c 0 几乎不存在； 从c 0 2 最大点到c 0 2 浓度下降至1 2 的地方叫还原区。该区由于缺 乏氧和存在大量温度很高的焦炭，c 0 2 被c 还原成c 0 。因此炉气中 的c 0 2 很快降低，而c o 迅速升高。氧化区的温度比还原区高，其 最高点相应于c 0 2 含量最高的部位通常把温度最高点称之为燃烧焦 点。 当鼓入的风量较大，足以吹动焦炭，并带动焦炭在风口前循环 运动，则焦炭是在“循环运动中”燃烧。其循环运动状态如图2 5 所示。 ii i 图2 5 风口前焦炭循环运动示意图 由图2 5 可见，风口前的焦炭受鼓风的作用，而呈机械循环运 动，形成一个比较疏松的近似球形的区域，沿着这个球形的内部空 间，炉气夹带着焦炭块进行循环运动，并进行燃烧反应：外层焦炭 又不断地向球形空闯移动，最后进入循环燃烧状态。焦炭的循环运 1 9 工程硕士学位论文 动主要发生在风口中心线上，只在风口下部料块不够紧密时，其下 部才有不大的空间进行循环运动，风口区前产生的焦炭和炉气循环 运动的区域，通常称为循环区，其大小取决于气流的速度和鼓风的 动能以及焦炭的性质。从风口进入的空气向前移动时，由于燃烧的 作用而增加了体积和升高了温度，大部分经远端离开循环区，部分 气体夹带着焦炭返回循环区。沿循环区长度的前一半或掣3 的部分是 氧化性的，其余部分是还原性的。 在没有循环区的情况下，焦炭的反应性不同，则其燃烧速度是 会有差别的，反应性低的焦炭燃烧带可能向上延伸要高些，引起高 温区上移。在有循环区的情况下，焦炭反应性的好坏，对燃烧影响 不大，燃烧基本上在循环区完成。 燃烧产物中，除有c o 和c 0 2 外，还含有空气中不参与反应的 n 2 ；另外，空气中的水份在高温状态下，与胶炭起反应： h 2 0 +c = c o+ h 2 2 2 1 2 还原能力及控制 铅锌密闭鼓风炉还原能力比炼铅鼓风炉强得多，但比炼铁高炉 稍弱，在生产过程中，炉内气氛一般不易直接测得，只能根据炉气 经冷凝器眉的气体分析结果来判断，一般认为，炉气成分为 c o = 1 8 2 2 ，c o 扩1 8 2 2 ，c o ，c o = 0 4 一o 7 。其还原能力是适当的。 铅锌密闭鼓风炉的还原能力，主要与下列因素有关： 1 ) 焦炭的消耗 当鼓入炉内风量一定时，台适的焦率是保证其有充分还原能力 的前提，焦率为炉料中得当焦炭与烧结块的重量比。焦率高，风口 区焦炭层增加，e 0 2 还原成c o 的成分多，还原能力强，金属回收率 高。但焦率过高由于还原气氛过强，大量的氧化亚铁也被还原，造 成炉缸积铁。一般焦率控制为3 4 3 9 。总的来说，若炉渣含锌量提 高则提高焦率，反之，炉渣含锌量降到低于指标则降低焦率，要直 接调整还原气氛，调整热风温度效果快。 2 ) 风焦比 合适的风焦比应是入炉空气中的氧同焦炭中的碳在风口区燃烧 工程硕士学位论文 带按7 5 8 0 ，燃烧成c o ，2 0 一2 5 燃烧成c 0 2 ，c o 。c o = o 3 左右。 当焦率不变时，鼓入炉内风量不足，炉内还原气氛加强，但热 利用率低，影响提高炉子的生产能力和降低渣含锌，相反铁被还原。 如果风量过大，燃烧带产生c 0 2 含量大，焦点区温度高，生产能力 虽大，但由于物料熔化速度过快，还原不完全，渣含锌增高。 3 ) 炉内温度 烧结块中锌的还原是强的吸热反应，必须保证有充分的热量来 源和高的反应速度，还原反应才能顺利进行。同样，炉渣的熔化也 需要大量的热，渣的过热和炉渣中锌的还原均要求燃烧带有足够的 高温，炉温越高，还原能力越强，越有利于还原反应的加速和进行 完全。 4 ) 还原时间 氧化锌还原一部分在固体一部分在熔渣体中，在固态下还原 时间较长，液态熔渣流过高温区时间快，还原得不到保证，为了延 长炉料与还原剂接触时间，通常采用熔点高的炉渣和保证料柱高度， 此外，适当采用“压渣”的方法来延长炉渣在炉缸的停留时间，可 使炉渣中的氧化锌尽可能地还原出来。 2 2 2 冷凝分离原理 1 ) 蒸发和冷凝的一般规律 任何物质蒸气和冷凝的过程都是一个组成的两个平衡，依相律 e = k a + 2 式中：e 一自由度，k 一组分数。g 相数。 故：e = 1 2 + 2 = 1 可见，在平衡状态下，该物质的饱和蒸气压为温度的函数： p = e ( t ) 式中：p 一饱和蒸气压，t 一露点温度。 各温度下锌的饱和蒸气压如表2 1 所示。 工程硕士学位论文 锌蒸气冷凝获得液体炉，必将锌气冷凝到相应的露点温度以下。 如果出炉温度越高，则锌蒸气分压越小，因此要降低出炉炉气温度， 或提高炉气含锌量，出炉炉气温度以防止锌再氧化的温度为宣。 2 ) 防止锌的再氧化 密闭鼓风炉炼铅锌的炉气一般为z n 5 7 ，c o ：1 0 1 2 ，c o l 8 2 2 ， 以高c o z 和低锌蒸气的炉气中冷凝锌，必须在技术上采取“骤冷”的 特殊措施，否则锌蒸气就会被c 如所氧化。 田2 6 锌的冷羹效率与妒项沮度的关系 9 7 7 为该炉气中锌蒸气的再氧化开始温度，如果炉气温度低于 工程硕士学位论文 9 7 7 则锌蒸、气将与c 0 。发生反应，生成z n o 和c 0 ，并且随着炉气 温度下降，锌的再氧化速度加快，图2 6 表明了冷凝效率与炉顶温 度的关系。为了保证锌蒸气不重新氧化，要求进入冷凝温度在1 0 0 0 以上，然而，离开料面的炉气温度只有8 0 0 9 0 0 ，因此，在炉顶鼓 入一定量的热风，是炉气中的c o 燃烧，提高炉气温度，同时保持入 炉炉料具有较高的预热温度及均匀加料和稳定料面高度，更重要的 是强化冷凝过程，能够防止和削弱锌在氧化。锌蒸气一旦变成液态 锌，再氧化速度就大大降低，采用铅雨冷凝就解决了这个问题。 2 2 3 铅雨冷凝原理 鼓风炉炼锌蒸气的浓度低，c 0 2 c o 比值高，为了减少冷凝器过 程中锌的氧化，要求锌蒸气冷凝成液体锌所经过的时间越短越好， 而且冷凝后的液体锌最好是与某种金属并存，以便降低锌的活度， 减少液体锌的氧化，铅雨冷凝器则可以满足上述要求。这是因为： 1 ) 在操作温度下( 约5 5 0 ) 铅的蒸气压低，挥发很少。 2 ) 铅的熔点低，且随着温度升高。锌的溶解度急增。铅液在冷 凝器各段都没有被锌所饱和。冷凝器最冷段的温度比饱和温度约高 2 0 一3 0 ，最热段的温度比饱和温度约高1 0 0 。因此，铅雨对锌蒸器 的吸收效果很好。 3 ) 铅的比重大和导热性好，铅雨的表面积大和对炉气的相对速 度高，这些因素使铅雨具有是炉气“骤冷”的能力。 铅雨是由设在冷凝器铅池中的扬铅转子转动造成的。当炉子由 炉顶经炉喉进入冷凝器时，铅雨喷洒的方向与炉气的方向相对。铅 雨与炉气充分接触后，吸收炉气的热量，是炉气从1 0 0 0 骤至6 0 0 以下，炉气在通过冷凝器的过程中不断被冷却，离开冷凝器时其温 度为4 5 0 一4 6 0 ，温度为4 4 0 的铅液从冷凝器炉气出口端连续进入。 在此温度下，铅液中锌的溶解度为2 0 2 ( 饱和) ，经过与炉气进行热 交换和对锌蒸气进行吸收溶解，温度升高至5 2 0 一5 8 0 ，含锌为 2 2 6 ( 不饱和) ，比进冷凝器时铅中的含锌量提高0 2 4 ，高温铅液 工程硕士学位论文 被连续从冷凝内泵出，经冷凝分离系统处理后，回流到冷凝器。 图2 - 7 锌的分压与温度的关系 冷凝过程如图2 7 所示。由图可见，液体中含锌的饱和蒸气压 小，相对应的锌的气相与凝聚相平衡温度低。在曲线i i 的上方，为 锌蒸气的过饱和区，处于高温的未饱和的锌蒸气在此区内被铅雨吸 收，由气态骤冷为液态被溶解在铅雨中。在这个过程中同时进行着 热量和质量的传递过程。当炉气温度降低到与纯锌的饱和蒸气压所 对应的平衡温度以下时，冷凝过程将进入曲线i 的上方，即过程进 入雾形成区，锌蒸气将冷凝成细小的液滴或固体颗粒，形成蓝粉和 工程硕士学位论文 浮渣。曲线i 所围成的区域表明了炉气形成雾的条件界限，铅液能 有效地吸收锌蒸气，但对锌雾的吸收很少，因此锌雾的产生不利铅 液对锌的回收，会降低锌的冷凝效率。 锌蒸气在铅雨冷凝器内的冷凝过程可用图中三段直线l 、2 、3 表示，这也是生产过程作为依据的操作线。要提高锌的冷凝效率， 必须提高锌气中锌的浓度，减少进入炉气中锌气体量，适当控制冷 凝条件。生产实践表明，包括锌冷却分离系统内的冷凝效率在9 0 左右，其余未被冷却的锌进入气体净化系统和浮渣中。 2 3 熔炼过程简介 圉2 8i s f 系统熔炼设备连接框图 i s p 的熔炼过程是采用i s f ( h n p e r i a ls m e l tf 啪a c e ) 作为熔炼 工程硕士学位论文 炉，它与高炉相比有一个显著的特征是，它是在一个密闭的炉子里 完成金属的还原反应，并且可以同时还原两种主要的金属铅和锌。 i s f 系统稚图如陵2 9 所示。直升烟道俗称为方箱，方箱内的压力在 料钟加料时其压力是否回零的这种现象可作为判断炉喉是否结瘤的 一个标志。炉内是否有炉结更多是从生产现象中去分析判断。当炉 内炉结生长到一定程度后，生产会呈现如下征兆：炉料下行受阻， 易出现偏料，炉气分布不均匀，气流速度增大，铅和硫的挥发率增 加，随炉气带出的粉料增加，引起冷凝器浮渣量增多；大块炉结在 炉内产生很大的应力，使炉体受到破坏，如炉壳破裂，炉身上移等 现象。生产过程中出现这种现象时，需休风停炉处理炉结，这是密 闭鼓风炉冶炼铅锌的缺点之一。 i s p 工艺最终的目的是还原出一定质量的铅、锌，而熔炼过程最 终产品是粗铅和粗锌，只有熔炼过程顺利进行，才能保证定产量 的粗铅、粗锌和较高的技术经济指标。因此，熔炼过程是否顺利进 行，是能否提高i s f 生产水平的关键所在。密闭鼓风炉熔炼工艺流 程图如图2 3 所示。 铅锌密闭鼓风炉熔炼是用冶金焦碳作为还原剂的还原过程，它 和铅鼓风炉熔炼相似，又与炼铁高炉相似。为了使炉料中的锌尽量 被还原，又防止炉料中的铁被还原金属铁，造成炉缸积铁和放渣困 难，整个熔炼过程中控制的还原气氛比炼铅鼓风炉强比炼铁高炉 弱，即炉料中的铁最终只能被还原成氧化亚铁，使其进入炉渣。 炉料中的氧化锌有4 0 是在固体中被还原，而6 0 是在液态炉 渣中被还贩。因此，炉料中氧化锌被还原的程度，最终取决于炉渣 中氧化锌被还原的程度。 炉料在密闭鼓风炉内熔炼过程中从上向下移动，产生一系列复 杂的物理化学变化，为了叙述方便，可按炉子高度大致分成四个带， 炉内各带的温度变化如图2 1 0 所示。 工程硕士学位论文 热缝结坻 i 幽晒矿圃捡基送 +i 匿亟豆r 一匝矿一盒壁堤刍 + 匦逝圈 厂1 熊堕盟 + 圜一圃 + 圜 + j 睫 圈2 9 密闭鼓风炉熔炼工艺流程图 1 ) 料预热带 在风口水平面往上5 “米处，是炉料的最上层。温度为4 0 0 左 右的烧结块加入炉内后，在此带大量吸收炉气中的热量，被迅速加 工程硕士学位论文 1 5 01 d 抖 1 2 5 0l m1 7 ”矗度 田2 1 0 炉内备带的江度变化图 热，而从料面逸出的炉气温度为8 0 9 0 0 。炉气中的锌可发生再氧 化反应而放出热量；烧结块中的p b o 开始还原，放出部分热量。所 以，加热炉料所需要的热量主要来自炉气的显热，锌蒸气在氧化和 p b o 还原放出的热。为了保证进入冷凝器的含锌炉气具有高于锌蒸 气再氧化平衡温度2 0 左右的温度，炉顶鼓入二次风，使得炉气中 的c 0 燃烧，放出热量，以补偿加热炉料所消耗的热量。此带温度在 8 0 1 0 0 0 范围，如果烧结块高温软化点t 。低于1 0 0 0 时，此带 将会形成大量的由烧结块包裹焦炭的炉结。 2 ) 再氧化带 在风口水平面上4 5 m 处，炉料与炉气的温度相近。炉料从炉气 中吸收热量后，进行碳的氧化，炉气中的部分蒸气也被氧化而放出 热量，温度几乎不变，在l 0 0 0 左右。 再氧化带。炉料中的氧化铅大量被还原。p b s 0 4 被c o 还原成 p b s 。p b s 与锌蒸气发生硫化反应，生成硫化锌和铅，此硫化锌部分 沉积在炉壁上，助长炉身炉结的形成；一部分随固体物料下至高温 工程硕士学位论文 带。如果烧结块含硫高，此带的炉身炉壁将会形成大量的硫化物炉 结。 3 ) 还原带 在风口区水平面往上1 4 m 处的温度为1 0 0 1 2 5 0 ，是炉料 中的氧化锌与炉气中的c o 和c 0 2 保持平衡的区域。炉料中的z n o 大量被c o 还原，炉气中的锌的含量达到最大值：少量的c 0 2 被固 体碳还原，此两个反应吸热，所需的热量由炉气来提供，炉气通过 此带后，温图降低3 0 0 左右。希望z r l o 在此带以固态还原愈 多愈好，因为通过此带的炉料将熔化造渣，z n o 会熔解于渣中，这 使z n o 的还原变得更加困难，致使渣含锌增加。z n o 能否以固态尽 量被还原，主要取决于炉渣的熔点。部分硫化锌随固体物料下至此 带也会在炉壁上沉积，助长炉身炉结的形成。 4 ) 炉渣熔化带 在风口水平面以上1 m 处的温度为1 2 5 0 。主要进行焦碳的燃 烧，熔于熔渣中的z i l o 的还原和脉石成份的造渣等过程。约有6 0 的z n o 在此带从液态炉渣中被还原。 z n o 的还原和炉渣的熔化需要消耗大量的热量，这些热量主要 依靠焦碳的燃烧和热风供给。在风口区造成1 4 0 0 的高温来保证炉 渣熔化和过热，炉渣中的z n 0 在此带被迅速还原。鼓入热风可以使 过程获得高温和合适的还原气氛。 此带的炉结的多少与物料含硫有关外，还与炉子的结构和风口 的插入深度有关。 2 3 小结 基于密闭鼓风炉铅锌冶炼生产过程特点：物理化学反应十分复 杂，操作条件比较严格，入炉物料的配比要求也非常精确，是典型 上程坝士字位论文 的复杂连续生产过程，分析了炉内各带的温度变化：料预热带、再 氧化带、还原带、炉渣熔化带，同时初步探讨了各带对炉结可能造 成的影响： 1 ) 料预热带：此带温度在8 0 0 1 0 0 0 范围，如果烧结块高温软 化点l 低于1 0 0 0 时，此带将会形成大量的由烧结块包裹焦炭的 炉结。 2 ) 再氧化带：存在p b s 与锌蒸气发生硫化反应，生成硫化锌和 铅，部分硫化锌沉积在炉壁上，助长炉身炉结的形成；如果烧结块 含硫高，此带的炉身炉壁将会形成大量的硫化物炉结。 3 ) 还原带：部分硫化锌随固体物料下至此带也会在炉壁上沉积， 助长炉身炉结的形成。 4 ) 炉渣熔化带：此带的炉结的多少与物料含硫有关外，还与 炉子的结构和风口的插入深度有关。 工程硕士学位论文第三章i s f 炉结的生成及其处理方法 第三章 i s f 炉结的生成及其处理方法 3 。1 i s f 炉结生成原因分析 炉结生成的原因比较复杂，它与炉料质量、工艺操作及炉体结 构等因素有关。 1 ) 炉料的质量 虽然对入炉的各类物料的质量有较高的要求，但由于物料来源 复杂，烧结配料不准，化验不及时和误差等因素影响，会使炉料质 量的波动范囝超过熔炼过程的适应能力，导致炉结形成。 烧结块的软化温度低，就极易在炉体上部软化、粘结，导致炉 身结瘤。烧结块中s i0 2 和铅含量过高会使烧结块的软化点明显下降， 如果烧结块中含硫过高，则风口区1 3 m 处生成硫化物炉结。烧结块 和焦炭的块度小和强度低，会使炉料的透气性变坏或者在炉身上部 燃烧、软化和熔结。 2 ) 操作控制不当 如加料方式不能随着炉料情况及炉况变化而作出相应的调整； 料面波动大，炉气分布不均匀，炉顶温度低导致锌蒸气再氧化，氧 化锌在炉壁冷凝析出，形成氧化锌炉结：料面过高，则炉料在二次 风口处容易发生熔结：炉况不正常或外部因素引起密闭鼓风炉休风 频繁，休风时间长，采取高料面休风操作，都将迅速助长结瘤的形 成。 3 ) 风口水套、渣口水套、空气输送管道上的水冷设备等漏水或、 者炉料及空气中带入过多的水分，也是炉结形成的原因这一。 4 ) 炉型结构的合理程度对炉结的形成部位和形成速度起着极大 的作用。 炉结在炉内的炉身、炉腹、炉顶及炉喉均可形成。各位置上的 工程硕士学位论文第三章i s f 炉结的生成及其处理方法 炉结形成随生成原因不同，其成分是不同的，如表3 1 所示。 表3 1 炉内不同位1 上的炉结成分 一般在炉身上部所形成的炉结较松散，其主要成分是锌、铅金属 氧化物和熔结炉料，这种炉结的形成速度快。在炉身下部及风口上 方所生成的炉结较致密，其主要成分为金属氧化物和硫化物，生成 的速度较缓慢。 3 2 炉结生成的危害 炉结的形成使炉子的有效容积减少，炉况不断恶化，严重影响 正常生产，最终促使炉期中断。当炉结生长到一定程度后，呈现出 如下征兆：炉料下行受阻，易出现偏行和悬料现象；炉气分布不均 匀，气流速度增大，铅和硫的挥发率增加；随气带出的粉料增加， 引起冷凝器浮渣量增多；租锌含银成倍增加；大块炉结在炉内产生 很大的应力，使炉体受到破坏，如炉壳破裂、炉身上移等现象。炉 结若在炉喉处生成，则使炉喉通道变窄。炉顶压力升高和高温炉气 外冒。本次试验跟踪的数据主要是：炉窑、粗锌产出和浮渣产出等变 化。 工程硕士学位论文第三章i s f 炉结的生成及其处理方法 3 3 炉结的处理方法 国内外密闭鼓风炉处理炉结的方法各有不同。处理炉结的常用 方法有炸药爆破、焦洗、返渣洗炉等方法。 1 ) 炸药爆破：这种方法是在炉结上用氧气管烧炮眼后，装上适 量的炸药炸除炉结，再送风将炸落的炉结熔化。通常根据不同位置 上的炉结而采取不同的准各工作：若炉内炉结，则需把料面降到风 口区，并在休风前后加入数批底焦和返渣，以满足清除炉结和复风 的需要；待休风后打开清扫门，由此炸除炉结；若只炸除炉喉及冷 凝器内的炉结，则打开炉喉处和冷凝器的清扫门进行爆破。清扫结 瘤的工作由上至下的进行，过程中要适当的加进一定数量的底焦， 以改善在复风过程中炉料的透气性并满足熔化炉结的热能需要。 这种爆破炉结的方法对清除炉身上部、中部及冷凝器内的炉结 比较有效，但对炉下部的炉结不可能彻底清除。因下部炉结特别坚 硬，且预先加入的底焦及炸落的炉结将下部炉结埋住。如果进行中 修或大修，则可将炸落的炉结全部由炉子下部割开的门孔耙出炉外， 这种的清除方法是我厂一直使用的炉结清除方法。当料线未降 好或炉结较多时，炉子下部的炉结无法彻底清理，复风后密闭鼓风 炉炉况的改善不能达到理想的要求。 2 ) 焦洗：就是通过分阶段向炉子加进适量的焦炭，使炉内暂时 形成富焦的条件，自上而下地把炉结熔化造渣而排出的方法。焦洗 是在不停炉的情况下进行的，降料线过程的开始就是焦洗的开始。 随着料面的下降，间隔地加进小批量的焦炭，通过焦炭的燃烧，将 炉顶温度控制在1 3 5 1 4 0 0 ；同时观察热风压力的变化，在热风压 力显出急剧下降的部位，结瘤一定严重，在此部位应补加净焦燃烧， 使炉结尽量熔化脱除。作为完整的焦洗过