艾萨炉炼铅法的生产实践与总结.doc

.ISAYMG炼铅法的生产实践与总结ISAYMG炼铅法是我公司引进国外顶吹沉没熔炼技术来改造传统烧结鼓风炉还原熔炼技术而开发出的一种粗铅冶炼新工艺，该工艺引进ISA炼铅法中的氧化熔炼部分并结合我公司比较成熟的鼓风炉还原熔炼技术，在此基础上进行组合开发而形成的一种节能、环保、高效的绿色炼铅新工艺。该项目于2005年3月在我公司曲靖基地建设完工，6月艾萨炉点火投产一次成功。它是目前为止世界上首家用铅精矿直接熔炼生产粗铅的第一座艾萨炉，它的成功标志着国际炼铅技术的发展又取得了新的突破。一、ISAYMG炼铅工艺由两个部分组成：艾萨炉的氧化熔炼部分和我公司的鼓风炉还原熔炼部分。在氧化熔炼阶段：铅精矿、熔剂和烟尘经混合制粒由后皮带运送至艾萨炉顶。然后从加料口进入艾萨炉并在炉中发生剧烈的氧化脱硫反应，反应所需的空气和燃油经艾萨炉喷枪进入熔池中，反应所生成的产物有粗铅、富铅渣和烟尘，所产生的SO2气体经收尘处理后送酸厂制酸，烟尘返回备料系统配料；在鼓风炉还原熔炼阶段：艾萨炉所产出的富铅渣经铸渣机铸块后运送到鼓风炉，在炉中与焦碳、熔剂一起发生还原反应，生成粗铅、熔渣和烟气。熔渣进入电热前床经沉清处理后送烟化炉回收Zn和Ge，烟气经冷却降温和收尘后排空。工艺流程图如下：一） 艾萨炉氧化熔炼氧化熔炼作业在艾萨炉中进行，整个熔炼系统包括艾萨炉主体、余热锅炉、电收尘、引风机、工艺鼓风机、燃油供给系统、喷枪、保温烧嘴等（如下图所示）：概述 艾萨炉是一个高11.2米，约2.9米内壁直径，内衬耐火材料的圆柱形容器，炉子上端设有加料口，喷枪口和烟道口，底部设有两个排铅口，一个放渣口，一个放铅口。铅精矿、熔剂、烟尘等按配料比例充分混合并经制粒后皮带运输机从炉顶加料口送入炉子，PbS氧化所需的氧气和空气及燃油通过喷枪直接以旋涡状喷射到熔池渣层中，并使熔池剧烈搅动，加速冶炼过程的传热和传质速度，大大强化了炉内熔炼的氧化过程。整个反应释放出大量的热，加入的炉料被迅速加热熔化并完成冶金过程的反应，反应所生成粗铅从排铅口排出，采用圆盘铸锭机浇铸后，送电解精练。富铅渣由铸渣机铸成渣块，送鼓风炉还原处理。 原料 艾萨炉对原料适应性强，不仅可以处理铅精矿，而且还可以处理各种二次含铅物料、铅渣等。对物料的粒度，无论是块状还是粉沫状都无特殊要求，备料过程简单，混合的铅精矿、熔剂经过制粒机制粒后，即可入炉，为防止精矿过早从进料口下方进入烟气，入炉物料水分一般控制到812%之间，对入炉物料成分也无特殊要求，一般情况下，Pb%控制在5060%之间。当然Pb%越高，越有利于整个熔炼过程，以下是入炉物料的平均成分表： 表一 入炉物料化学成分表PbZnCuSFeSiO2CaOAl2O3MgOAsSbGe63.893.630.03917.376.300.700.950.460.000.080.003512g/t入炉物料进入炉子后在1050 温度下进行氧化熔炼，整个反应过程基本上属于恒温操作，熔炼温度下降可使炉寿增长并降低烟尘率，但会使炉渣变稠，给操作带来困难。整个过程采用富氧熔炼，富氧浓度为30%，氧气由制氧站提供。产出的富铅渣化学成分如表二所示，原料中大约有45%的铅进入富铅渣，40%的铅变成粗铅，15%的铅进入烟尘。表二 富铅渣化学成分表富铅渣PbFeSiO2ZnCaOAl2O3MgO成分%49.8511.549.260.004.611.790.00喷枪 萨炼铅法的关键技术之一，它由钢管制成，喷枪口的直径为250mm，采用空气冷却，喷枪从里到外分三个部分，最里面的部分是输油管道，约 mm，油管外面是用于控制在13.5Kpa左右，此时喷枪在熔池中的深度为300500mm，如果端压增大则喷枪插入熔池的深度增加，反之亦然。喷枪内设有旋流哭，喷枪内的气体通过旋流哭后可加速气体流速，并呈旋涡状从中流过。燃烧气体以极高的流速呈旋涡状从中流过，大大加快了把热量从枪体传递给气体的速度，从而能在喷枪外表面形成一层冷却凝固的渣壳，形成柱渣，这层渣壳保护了喷枪，使其能长时间在高温炉渣中工作而不发生烧损，从而处长了喷枪寿命。在正常熔炼条件下，喷枪的使用寿命约为712天。在喷枪出问题或需暂时停炉时，通常用保温烧嘴代替喷枪，并对炉子时行保温。保温烧嘴结构比喷枪较为简单，由两部分组成，油管在最里面，外面是空气管道，约 mm。炉衬保护 艾萨炉采用镁砖或铬镁砖砌筑成圆筒形，外层是厚度为100mm的钢筒，炉子内经约2.9米，反应区离炉壁有一段距离，在反应过程中，会生成一种熔点较高的炉渣铁酸锌（ZnO+Fe2O3ZnF2O4），它会附着在炉壁上，从而保护了耐火砖，使耐火砖不易烧损，艾萨炉耐火砖寿命一般为2年。在炉子最初升温时，为了保护耐火砖，升温速度一定要按照升温曲线的规律进行，升温曲线的规律如图所示：在熔炼过程中要避免耐火砖受到热冲击。操作 艾萨炼铅法机械自动化程度高，操作控制简单，能通过DCS很方便地调整燃煤、空气、富氧浓度、燃油的比例来及时控制炉子内的反应，使冶炼过程在恒温状态下产出我们所需要的产品来，熔炼呈连续的过程，在炉内进行氧化反应，直接生产出一部份粗铅，其余产出富铅渣，熔炼制酸。这样可以避免SO2对大气造成的污染，同时，也可降低产品的能耗和成本，可见艾萨炼铅法是世界上先进的炼铅之法之一。表三、处理含Pb64%时艾萨熔炼烟气成分组成SO2SO3CO2N2O2H2O合计%9.10.276.664.34.215.8100.0熔炼工艺艾萨熔炼工艺的特点是采用了一根“末端浸没式”喷枪将空气和燃料喷入熔池熔体层内。该工艺之所以能成功，是基于在喷枪外壁能保留一层冷凝渣层以保护喷枪。喷枪是夹层的，分内管和外管，富氧空气通过外管喷入炉内（富氧浓度含28%O2），内管是喷油管，喷枪末端有一个旋流哭将二者混合，由于空气流速高，足以使喷枪外部冷却（1），喷枪外壁的冷却效应导致外壁被粘附上以层保护性凝渣，防止外壁被炉渣腐蚀。当喷入炉内富氧空气中的氧与加进炉内的物料在熔渣层内反应时，熔炼过程开始进行（2）。柴油和煤被用作艾萨熔炼炉的补充热源。空气由KKK鼓风机供应，氧气由一个生产能力为560吨/天的氧气站供应。该氧气站足以满足艾萨熔炼需要。在艾萨熔炼炉内，熔池内液面距炉底1到2.5m，分铅和渣两层，每2到3小时放渣一次，每3到4小时放铅一次，每次排放时间约60分钟。喷枪从炉顶开口处插入炉内，喷枪的末端中插到熔渣层内为止。熔池温度保持在1050之间。熔体温度是通过安置在炉体位于熔池区的4支热电偶进行监测，通过调节给煤率、给油率、富氧浓度来控制温度的波动。烟气处理从艾萨熔炼炉上部出口出来的烟气从炉顶进入余热锅炉上升烟道，烟气通过辐射降温，进入余热锅炉的辐射段和对流段，最后烟气进入静电除尘器排除细尘。从余热锅炉中收集的粗尘经刮板运输机运送到烟尘储仓，最后人工返回备料系统。电收尘收集的细尘也如此处理。按设计要求本来从余热锅炉和电收尘收集到的烟尘要用汽化喷射泵送回备料系统，但该设备从投产至今一直无法投入使用。余热锅炉的各个部分都安装了自动振打装置，以减少烟尘粒粘附在余热锅炉的炉壁上。从艾萨炉进料口、渣排放口及铅排放口所产生的烟气均装有排气烟罩用单独的环保风机抽走，以进化员工的操作环境。除尘后的艾萨熔炼炉烟气的混合气体的SO2的水平为7至10%。冶金控制通常，留在艾萨炉熔炼炉熔池内的熔体（铅加炉渣）总量为10吨，平均停留时间为100分钟。因此冶金过程的控制和实际监测十分必要。艾萨熔炼炉工作时，主要冶金过程参数有： 1. 富铅渣铅品位2. SiO2/Fe比3. 温度冶金过程控制从配料车间开始，将精矿、石英砂和煤按比例混合，以期得到理想的渣型和铅品位。每一批混料约60008000吨，每次成分报告都要向控制室报告。如有必要应对该批混料予以校正，以确保艾萨熔炼炉的一致性。混料校正的主要参数为：铅品位50%60%；炉渣SiO2；Fe的比率为0.80。配料成分分析被输入DCS控制系统后，于是系统即可根据设定值参数自动计算出氧气的需要量。每放一次铅和炉渣就作一次分析。使用X射线荧光分析仪做铅和炉渣的成分分析，分析结果送控制室操作人员。艾萨熔炼炉的化学反应 艾萨炉具有很强的冶炼能力，铅精矿、熔剂和烟尘等混合物料进入炉子后，由于喷枪以旋涡状高速喷出的气体，剧烈搅动熔池，使炉料在高氧位的条件下和有限的空间内，进行气一固一液三相的充分接触和迅速反应，精矿中的PbS与反应空气中的氧气发生反应后，生成铅；二氧化硫（SO2）并放出大量的热，它的反应原理是PbS富氧强化熔炼，在熔炼过程中主要发生的化学反应有：C + O2 CO2PbS + 1.5O2 PbO + SO2PbS + O2 Pb + SO2从热力学角度看，硫化铅精矿的氧化过程都能自动进行，它们都是放热反应，一旦反应发生，它所释放的热量便可使反应维持下去因此在艾萨熔炼过程中。可以不消耗燃料或只消耗极少的燃料，就可以把反应进行下去，基本能够实现自热熔炼。上述反应式简要地描述了铅精矿的熔炼过程。但实际还存在一系列的反应，其中一个对艾萨熔炼工艺有很好作用的反应是： Fe2O3 + ZnO =ZnFe2O4铁酸锌熔点很高，通常以固态的形式存在于富铅渣中，它们会在喷枪和炉壁上形成一层很好的保护层，减少熔体对喷枪和炉砖的磨损。工厂投产后的运行效果同大多数冶炼厂设备的投产一样，云南冶金集团艾萨熔炼炉的投产在生产工艺、设备的设计、新设备的熟悉程度和维修工作等方面存在着许多问题。到本文落笔时为止，艾萨熔炼炉已经运行了6个月，并且已经基本实现了预期的目标。在这段时间的生产中，产量已接近设计能力。而且值得更加乐观的事情是：在投产后的4个月里，投产初期所暴露的主要问题，大部分已被解决了。2005年6月12日开始第一次向艾萨熔炼炉投料，从69月，继续生产了竟接近4个月时间，运行过程所有主要问题都暴露出来了，问题如下：1. 泡沫渣的出现；2. 余热锅炉的炉顶（喷枪入口处、保温烧嘴入口处以及炉顶上升烟道与喷枪入口之间）三次爆管泄漏事故；3. 喷枪口、进料口和保温烧嘴口容易结瘤；4. 备料系统各下料口易堵塞，精矿仓下料非常困难；5. 排放开口机无法使用；6. 烟尘量特别大，大于45%；7. 铅溜槽易烧损泄漏，放铅口不易堵塞；8. 喷枪寿命短；9. 排放困难，排放冷却铜水套泄漏；10. 粗铅表面层出现冷却后析出的铅冰铜层，不易分离。粗铅质量偶尔较差。 上述问题，大多数在投产后几个月内得到解决，然而直到现在，有些问题仍对生产构成威胁。下面将详细叙述这些难题和解决的办法。泡沫渣的产生艾萨炉从开始投产至今，泡沫渣就一直出现，影响着生产的连续作业，并给安全生产埋下隐患，这是外方专家和我们都没有想到的问题，也是艾萨炼铅法首次遇到的工艺问题。这是一种非常特殊的泡沫渣。它的化学成分如下：表四 泡沫渣化学成分表PbFeSiO2SZnCaOMgOAl2O355.186.056.240.4483.353.321.511.23实践中，我们不断摸索，找到了泡沫渣产生的原因及解决的措施：泡沫渣产生的原因： 1）、渣含铅的高低是艾萨炉熔炼过程中产生泡沫渣的根本原因，一般来说，随着渣含铅的升高，产生泡沫渣的可能性在增加，渣含铅以40%左右为转折点，但如果渣含铅在40%以下，一般来说，泡沫产生的可能性很小。根据实践中的摸索，渣含铅的高低与泡沫渣的关系如下图所示： 2）、喷枪空气流量的大小也会影响泡沫渣产生的程度在有泡沫渣存在的情况下，如果喷枪空气流量加大，则泡沫渣程度加重，反之减小喷枪空气流量，则泡沫渣会减弱一些，但不会消失，因此，喷枪空气流量的大小示加重或减弱泡沫渣的一个原因，但不是形成泡沫渣的根本原因。 3）、渣的流动性也是形成泡沫渣的原因之一在实践中，我们发现如果渣的流动性极差，粘稠度大，则此时产生泡沫渣的可能性极小，相反，如果渣的流动性极好，则此时泡沫渣就会产生，而且有时会很严重，在此种情况下，泡沫渣在时间范围内5分钟就可达到3.5米以上。 解决泡沫渣产生的根本措施 1）、采用还原熔炼，降低渣含铅，是目前为止最行之有效的办法，在加热模式下，启动进料系统，还原时间约为1020分钟，主要原因如下：PbO + PbS = Pb + SO2（渣）（原料） 2）、调整空气系数 在泡沫渣产生的情况下，可以在熔炼状态下，适当减少空气系数，则原料中的Pb更多形成金属Pb，更少的变成PbO，这样也有助于减小渣含铅，从而达到消除泡沫渣的效果。 3）、合理控制各项操作系数，如空气流量、富氧浓度、加油量、进煤量、温度等，在调整参数时一定不能大幅度调整，应循序渐进，视熔炼情况而细心操作，也可以降低或减缓泡沫渣的形成。喷枪使用寿命短艾萨炉投料至今，喷枪的消耗一直比较严重，在正常熔炼条件下平均1.5天就要更换以次喷枪，以正常情况下7到10天更换一次相距太远。这不仅增加了材料的消耗，而且也减少了艾萨炉的连续作业时间，给生产带来许多不利因素。喷枪寿命短、烧损过快的原因 1）、喷枪末端钢材质量的好坏是喷枪寿命长短的主要原因，喷枪末端钢材分以下几类：a、普通不锈钢；b、253型不锈钢；c、310S型不锈钢；d、CoCr合金不锈钢。如果选用a、b两种型号的不锈钢来作喷枪头，则寿命非常短，如果选用c、d两种型号的钢材，则喷枪的寿命会长一些，当然选用CoCr合金不锈钢最好。 2）、操作温度、喷枪空气流量、渣的流动性及操作也是影响喷枪寿命的原因之一 操作温度越高，则喷枪寿命越短，反之亦然； 喷枪空气流量越小，则喷枪冷却效果就越差，喷枪寿命越短，反之亦然； 渣含铅越高，渣的流动性越好，则越不利于挂渣，即使喷枪挂了渣，渣也是很薄，不利于保护喷枪，导致喷枪烧损严重； 在操作喷枪的过程中，如果插入过深，造成铅层和喷枪末端直接发生接触，使喷枪末端快速磨蚀。 3）、加油升温熔池是烧损喷枪最严重的情况之一 在实践中，我们发现，喷枪在给油率为1200升/小时的情况下，加热熔池或融化冻结熔池时是喷枪烧损最严重的，平均每支喷枪寿命不超过8小时，在熔炼模式下，如果喷枪加油率超过800升/小时，此时也相当容易烧损喷枪。这是因为燃烧引起的磨蚀与富铅渣造成的磨蚀明显不同。烧坏的喷枪朝末端越来越薄；而富铅渣磨蚀的喷枪象被砍掉一模一样。 4）、操作不熟练 刚投产时，由于缺乏经验，而且各种操作参数波动大，因此喷枪寿命短时不可避免的。解决喷枪烧损严重的根本措施 1）、选用好的钢材来制作喷枪，如310S或CoCr合金不锈钢； 2）、操作温度不宜过高，且不能插入熔池太深，保持合理的渣型，使喷枪容易挂渣，并且具有一定厚度。 3）、确保流过喷枪的空气流量达到要求，让喷枪在熔体中得到充分冷且。在相同的条件下，尽量使用小口径喷枪，这样可以更好的满足喷枪的空气流量。（具体情况如下表所示）表五 喷枪寿命与空气流量表的关系喷枪直径mm喷枪寿命较长的空气流量喷枪寿命中等的空气流量喷枪寿命较短的空气流量2505.0 Nm3/S4.0-5.0 Nm3/S4.0Nm3/S2503.0Nm3/S2.5-3.0 Nm3/S2.5Nm3/S 4）、加热熔池不宜长时间停留在熔池中，隔一定时间应把喷枪提出熔池，冷却后再进入，如此反复升温熔池，在融化冻结熔池时，最好在熔炼模式下。适当加入一些品位较高的精矿，使其在喷枪搅拌的情况下，自然熔化，这样对喷枪的寿命有很大益处。 5）、不断提高操作工的操作水平，在实践中不断摸索并确定喷枪头在熔池中的正确位置，不断积累操作经验。烟尘量大的问题余热锅炉和电收尘所收集的烟尘通过链式刮板送到对锟式破碎机后，然后用气化喷射泵送到备料系统烟尘仓中。但是输送烟尘这套系统未能投入使用，所以不得不改用人工的方式用铲车和运输车把烟尘运回精矿储矿仓中，另外当炉子抽力过大、制粒系统不正常时，末熔化的精矿粉进入烟尘系统才开始燃烧，导致电收尘内部温度过高，对设备造成危害。在生产中，艾萨炉所产的烟尘量大，几乎达到45%，加之气化喷射泵经多次调试都无法使用，给整个操作环境带来了不利的影响。由于操作的不稳定性，烟尘的颜色也出现了几种：白色、白灰色以及灰黑色。具体成分如下表：表六 烟尘化学成分表PbSZnAsSb65.936.01.7微微65.815.921.76微微64.785.552.89微微 烟尘多的原因主要有以下几条： 1）、入炉原料中水份控制不合理时主要原因之一 水份太低，原料在末进入熔池就被吸入WHB或ESP中，导致烟尘率多，甚至出现黑色烟尘，电收尘进出口温度偏高。 2）、炉子抽力控制不恰当也是烟尘率高的原因之一 炉子抽力大，使进入炉子的物料被提前抽入WHB或ESP中使烟尘率高。 3）、泡沫渣的产生也使导致烟尘率高的一个原因 熔炼中一旦产生泡沫渣，此时，熔池就越高，一般达到3.53.8米之间，导致烟气区温度越高，进入的物料在高温情况下失去水份，还未来得及参加反应被吸入WHB或ESP中，使烟尘率高。 4）、操作温度过高，使熔池中的PbS、PbO及Pb等挥发进入烟尘，也会使烟尘率增高。 解决烟尘率高的措施主要有以下几条： 1）、合理控制水份和粒度； 2）、合理控制好炉子的抽力，不能过大； 3）、尽可能低温操作，熔池温度不宜过高； 4）、控制好泡沫渣的产生。排放困难的原因及解决措施一）、排放困难的原因：1）、渣型控制不合理，主要指渣含铅量，SiO2/Fe、SiO2/CaO比等控制不好，就会导致渣的流动性差，粘度大，从而导致排放困难。2）、操作温度低，也会导致排放困难，渣的熔点很高，如果温度过低就会使渣凝固，导致排放困难。3）、进料量大，搅拌不充分，或反应时间不够，熔池中夹生料或反应不充分也会导致排放困难。4）、开口机不能使用，用吹氧管开的排放口内径小，易堵塞且流量小。熔体在出口区出现堆积。5）、喷枪烧损变形，末端给风不均匀，导致熔池在各个方向搅拌不均匀，反应不充分、不彻底，导致产出的粗铅象沙状似的，难以排放。二）、解决措施：1）、合理控制渣型，选择合适的SiO2/Fe、SiO2/CaO及空气系数，使渣中含铅量以及渣的熔点、粘度达到排放要求。2）、排放时，应保持熔池具有一定的温度，不能太低。3）、排放铅时，应使进入熔池的原料充分搅拌，反应彻底，不夹生料。4）、尽量使用开口机开口和堵口，确保排放口畅通。粗铅质量问题在艾萨炉中，正常熔炼时熔体共分二层：铅层和渣层，铅从炉底的放铅口放出，渣从距炉底1.4米的放渣口排出。但在放铅的同时熔体中有一部分铅冰铜渣铅熔体一起排出，因为在高温时（大于700）它们和铅是共熔的，只有当温度不断下降，铅冰铜渣才慢慢析出从而与铅熔体分离。（铅冰铜的化学成分如下表）表七 铅冰铜的化学成分表PbCuZnS样品（一）59.2411.542.465.3样品（二）64.8912.891.296.81当铅冰铜凝固析出而铅熔体末凝固时，此时时实现二者分离的最好时机。但由于冷却速度快，通常30分钟后铅熔体也开始凝固，此时要把铅冰铜和铅完全分离开变得十分困难，从而影响粗铅质量，也给下一步电解精炼带来许多问题。（粗铅的化学成分如下表）针对这一问题，利用停产时间作了一些改进，在铅排放口前增加了一个沉铅池，当铅熔体从炉子中排出后首先先进入沉铅池，在沉铅池中沉清分离一定时间后，本来想铅冰铜以熔体形式从沉铅池得上口排出，铅从下口排出，从而实现二者的分离。但是由于温度很难把握，效果不理想，更好的办法有待于在今后的工作中继续探索。表八 粗铅的化学成分表PbAgAuAsSbSnCuZn（一）96.061177.60.610.0140.0680.0080.496（二）96.981282.70.880.00950.1180.00761.356（三）96.381761.30.0580.2060.00070.4960.0059结瘤情况严重在生产中，艾萨炉炉顶喷枪口、保温烧嘴口结瘤十分明显。结瘤主要是焦碳渣和含有生精矿结块颗粒的富铅渣，结瘤情况严重，而且十分难以清除，每个班几乎都要清1到2次，否则喷枪口、保温烧嘴口就要被堵死。生产经验表明：泡沫渣的产生使结瘤情况变得更加严重，而阻溅装置能十分有效地减少结瘤生成，但炉子的吸风作用似乎也是堵塞的原因之一，当负压较大时，大量冷风吸入炉内，造成飞溅炉渣的冷却，凝固在炉顶和侧墙上，加剧了喷枪口、保温烧嘴口的堵塞。当然艾萨熔炼炉确实有一定的负压，但不能太大，否则会降低炉内的温度，加剧结瘤的形成。在清理结瘤时，不得不使用风镐、钎子等工具，无疑会对炉顶水冷壁管造成损伤，曾经有二次停炉就是因为喷