硫化銅礦與硫化鉛礦閃速熔煉的差異分析

唐　斌，王志剛

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031)

硫化銅礦與硫化鉛礦閃速熔煉的差異分析

唐斌，王志剛

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031)

對(duì)硫化銅礦與硫化鉛礦閃速熔煉過(guò)程的差異進(jìn)行了,包括化合物物理化學(xué)性質(zhì)、原料性質(zhì)、冶煉原理與工藝、爐體結(jié)構(gòu)方面的差異。研究表明,銅、鉛精礦成分的差異決定了“兩步煉銅”和“一步煉鉛”的工藝差異,爐體結(jié)構(gòu)也有所不同,但是二者采用閃速熔煉工藝均能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

硫化銅礦；硫化鉛礦；閃速熔煉；原料性質(zhì)；爐體結(jié)構(gòu)

閃速熔煉是有色重金屬火法冶煉中主要的冶煉方法，它的主要優(yōu)點(diǎn)在于：1)懸浮熔煉的反應(yīng)模式具有良好的冶金反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，能充分利用粉狀物料巨大的比表面積，充分利用冶金反應(yīng)過(guò)程熱，使反應(yīng)過(guò)程得到極大加速和強(qiáng)化，從而易于實(shí)現(xiàn)高效能的大規(guī)模生產(chǎn)；2)鼓風(fēng)壓力低，動(dòng)力消耗少；原料預(yù)先深度干燥，煙氣量低，煙氣帶走熱量少，節(jié)能減排效果好；3)過(guò)程全密閉，無(wú)有害污染物泄漏，煙氣中SO2濃度波動(dòng)小，易于制酸，硫的控制率可達(dá)99%，環(huán)保優(yōu)勢(shì)明顯。

我國(guó)開始于20世紀(jì)80年代中期開始采用閃速熔煉工藝煉銅，先后經(jīng)歷了引進(jìn)、消化和創(chuàng)新幾個(gè)階段，在國(guó)內(nèi)獨(dú)立完成設(shè)計(jì)和建設(shè)了100 kt級(jí)銅冶煉廠，并成功地將閃速熔煉技術(shù)輸出到國(guó)外。如果將我國(guó)近30年閃速煉銅的技術(shù)積累合理地運(yùn)用到閃速煉鉛領(lǐng)域，將對(duì)我國(guó)鉛冶金技術(shù)帶來(lái)大幅度提升。本文試圖對(duì)硫化銅礦和硫化鉛礦在應(yīng)用閃速熔煉技術(shù)的差異性上進(jìn)行綜合分析。從銅與鉛閃速熔煉的流程來(lái)看，其系統(tǒng)構(gòu)成單元基本上是由：配料—干燥—熔煉—爐渣貧化幾個(gè)部分構(gòu)成，總體是相同的，但由于主金屬及其化合物的物理化學(xué)性質(zhì)上的差異，在冶煉過(guò)程機(jī)理以及爐型結(jié)構(gòu)上都存在差別，下面將一一進(jìn)行闡述。

1　化合物物理化學(xué)性質(zhì)的差異

1.1熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、蒸氣壓

表1為銅和鉛及其主要化合物的熔點(diǎn)與沸點(diǎn)[1-2]。

表1　銅與鉛及其主要化合物的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)　K

表中數(shù)據(jù)表明,鉛及其氧化物的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)明顯低于銅及其氧化物對(duì)應(yīng)的熔點(diǎn)及沸點(diǎn),硫化物熔點(diǎn)相當(dāng)。此外,鉛及其化合物均就有較高的揮發(fā)性（如圖1所示）。

圖1　鉛及其化合物的蒸氣壓

1.2氧化物及硫化物的化學(xué)穩(wěn)定性

圖2為金屬氧化物離解壓與溫度的關(guān)系，圖3為金屬硫化物離解壓與溫度的關(guān)系[3]?？梢钥闯觯诨鸱ㄒ睙挼囊话銣囟认?，銅與鉛相比較，鉛的氧化物更穩(wěn)定，銅的硫化物更穩(wěn)定。

圖2　金屬氧化物離解壓與溫度的關(guān)系

圖3　金屬硫化物離解壓與溫度的關(guān)系

2　原料性質(zhì)差異

2.1精礦成分

閃速煉銅的主要礦物是黃銅礦，其主要成分為CuFeS2，閃速煉鉛的主要礦物是方鉛礦，其主要成分為PbS。國(guó)內(nèi)典型銅精礦與鉛精礦的成分如表2所示。

表2　國(guó)內(nèi)典型銅精礦與鉛精礦的成分　%

從表2中可以看出，鉛精礦的品位明顯高于銅精礦，含鐵和含硫更低，這是由礦石成分直接決定的。正由于原料成分的這種差異，決定了鉛的閃速熔煉可以實(shí)現(xiàn)一步直接獲得粗鉛，而粗銅的獲得則需要經(jīng)過(guò)兩步，即由閃速熔煉獲得冰銅，冰銅再經(jīng)吹煉后獲得粗銅。

2.2著火溫度

表3顯示了不同粒度下黃銅礦與方鉛礦的著火溫度。

表3　不同粒度下黃銅礦與方鉛礦的著火溫度

從表3中可以看出，隨著粒度的增大，黃銅礦與方鉛礦的著火溫度均上升，在同一粒度范圍內(nèi)，方鉛礦的著火溫度都明顯高于黃銅礦。

3　冶煉原理及工藝差異

3.1冶煉原理

銅的閃速熔煉屬于造锍熔煉，其原理主要是基于以下反應(yīng)[1]：1)高價(jià)硫化物的分解，即CuFeS2→Cu2S＋FeS+S2,生成的S2繼續(xù)氧化生成SO2進(jìn)入煙氣。2)硫化物的氧化,即Cu2S+O2→Cu2O+SO2，F(xiàn)eS2+ O2→Fe2O3/Fe3O4+SO2，F(xiàn)eS+O2→FeO+SO2，F(xiàn)e2O3+ FeS→Fe3O4+SO2，F(xiàn)eS+Fe3O→FeO+SO2，F(xiàn)eO+O2→Fe3O4。3)造锍反應(yīng)和造渣反應(yīng)，即FeS+Cu2O→FeO+ Cu2S（造锍反應(yīng)），F(xiàn)e3O4+SiO2→Fe3O4SiO2（造渣反應(yīng)）。

造锍反應(yīng)的平衡常數(shù)很大，說(shuō)明反應(yīng)很容易向右進(jìn)行，即在FeS存在的條件下，Cu2O很難存在，而銅精礦中鐵的含量比較大，使得造锍反應(yīng)容易進(jìn)行，則銅易于形成Cu2S而進(jìn)入銅锍。鐵對(duì)氧的親和力強(qiáng)于銅，鐵易于氧化造渣除去，但閃速熔煉過(guò)程中不能使鐵徹底除去，因?yàn)槌F需要在強(qiáng)氧化條件下，而在強(qiáng)氧化條件下容易生成Fe3O4。Fe3O4在沉淀池中易形成爐結(jié)，縮小熔池有效面積，存在于渣中會(huì)增加渣的粘度，一方面使渣含銅上升，加劇銅的損失[1]（如圖4所示），另一方面容易造成排渣困難。這是銅冶煉過(guò)程一般分為造锍熔煉和吹煉兩步進(jìn)行的主要原因。

圖4　锍品位與渣含F(xiàn)e3O4或銅關(guān)系

銅的閃速熔煉不同，鉛精礦由于含鉛品位較高，鐵的含量又比較低，因此在閃速爐中可以實(shí)現(xiàn)一步獲得粗鉛，其主要的反應(yīng)如下：1)硫化物氧化。PbS+ O2→PbO+SO2，F(xiàn)eS+O2→FeO+SO2；2)氧化物還原。PbO+CO→Pb+CO2，PbO+C→Pb+CO2；3)布多爾反應(yīng)。CO2+C→CO。

但鉛的直接熔煉熱力學(xué)表明，直接熔煉硫化鉛礦要么產(chǎn)出高硫鉛，要么得到高鉛渣。而鉛在直接熔煉過(guò)程產(chǎn)物粗鉛、爐渣和煙塵中的分配率與粗鉛中含硫量有關(guān)（如圖5所示）[2,4]。當(dāng)粗鉛含硫量低于1.0%時(shí)，鉛進(jìn)入粗鉛的分配率隨著粗鉛含硫量的增加而增加；當(dāng)粗鉛含硫量高于1.0%之后金屬鉛進(jìn)入粗鉛的分配率呈逐漸降低的趨勢(shì)。隨著粗鉛含硫量的增加，金屬鉛分配進(jìn)入初渣的比率降低，而進(jìn)入煙塵的比率升高。鉛在直接熔煉過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的這種分布特征是鉛以及其化合物的化學(xué)特性所決定的。依據(jù)鉛直接冶煉的這種特點(diǎn)，綜合考慮直收率和初渣處理的便利性等因素，應(yīng)盡可能地進(jìn)行低硫粗鉛熔煉，最大限度地首先獲得粗鉛，盡可能少的產(chǎn)出煙塵，并盡量完成脫硫。

圖5　鉛在直接熔煉產(chǎn)物中的分配

3.2冶煉工藝

銅與鉛的閃速熔煉在冶煉工藝上的主要差別如下：1)精礦成分的差異決定了“兩步煉銅”和“一步煉鉛”，銅精礦經(jīng)閃速熔煉產(chǎn)出冰銅，再經(jīng)吹煉得粗銅，鉛精礦經(jīng)閃速熔煉直接得到粗鉛；2)鉛及其化合物的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)更低，蒸氣壓更大，熔煉過(guò)程中揮發(fā)更多，煙塵率更高；3)鉛精礦品位高，含硫量低，反應(yīng)過(guò)程不能完全自熱，需添加更多的燃料；4)鉛精礦著火溫度更高，分解溫度也更高，需要更高的傳熱強(qiáng)度，以避免反應(yīng)塔“下生料”。

4　爐體結(jié)構(gòu)差異

銅閃速冶煉過(guò)程采用較多的是奧托昆普閃速爐，如圖6所示；鉛閃速冶煉采用較多的是基夫賽特爐，如圖7所示。

圖6　奧托昆普閃速爐結(jié)構(gòu)示意

圖7　基夫賽特爐結(jié)構(gòu)示意

從圖6、圖7可以看出，銅閃速爐與鉛閃速爐爐體結(jié)構(gòu)有很多相似之處，均包括反應(yīng)塔、沉淀池和上升煙道，但由于原料及工藝等方面有所不同，仍然存在一些差異，主要體現(xiàn)在：1)銅閃速爐采用一個(gè)中央擴(kuò)散型精礦噴嘴，而鉛閃速爐一般不止一個(gè)精礦噴嘴，噴嘴結(jié)構(gòu)上也有差別；2)銅閃速爐反應(yīng)塔為圓形，鉛閃速爐反應(yīng)塔為方型；3)銅閃速爐爐渣選礦技術(shù)已很成熟且相對(duì)能耗更低，所以一般不接電爐，閃速爐渣直接送渣選礦處理；而基輔賽特爐設(shè)有電爐貧化段，用來(lái)降低終點(diǎn)爐渣含鉛；4)基輔賽特爐由于將氧化和還原過(guò)程集中在一個(gè)反應(yīng)器中，所以為避免兩種不同化學(xué)勢(shì)下的煙氣和熔體的回流混合，設(shè)置了水冷隔墻，同時(shí)熔池側(cè)壁因直接與熔渣接觸，是受熔渣沖刷和侵蝕最嚴(yán)重的部位。因此，其熔池側(cè)壁也采用了銅水套加嵌磚的結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到節(jié)能增效的效果。銅閃速爐中不設(shè)置水冷隔墻；5)為減少收塵負(fù)荷和煙塵量，鉛閃速爐設(shè)置了由膜式水冷壁構(gòu)成的直升煙道和與其連接的豎式輻射部余熱鍋爐，銅閃速爐由于煙塵率較低，余熱鍋爐大多為臥式鍋爐。

5　結(jié)語(yǔ)

閃速熔煉具有其他工藝無(wú)法比擬的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的火法冶煉方法。通過(guò)上文對(duì)銅閃速熔煉和鉛閃速熔煉在化合物物理化學(xué)性質(zhì)、原料性質(zhì)、冶煉原理與工藝、爐體結(jié)構(gòu)等方面的差異分析，可為以后銅和鉛生產(chǎn)過(guò)程設(shè)計(jì)提供更直觀的借鑒。

[1]朱祖澤，賀家齊.現(xiàn)代銅冶金學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]《鉛鋅冶金學(xué)》編委會(huì).鉛鋅冶金學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[3]傅崇說(shuō).有色冶金原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[4]劉慶華.旋渦柱連續(xù)煉鉛工藝原理及設(shè)計(jì)探討[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2011，32(1):4-8.

Differential Analysis of Flash Smelting of Sulfide Copper Ore and Sulfide Lead Ore

TANG Bin,WANG Zhigang
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

The paper analyzes the difference of sulfide copper ore and sulfide lead ore during the period of flash smelting, including the difference of chemical and physical properties of compounds,raw properties,smelting principle and process and furnace structure.The research shows that component difference of copper concentrate and lead concentrate determines process difference of two-step copper smelting and one-step lead smelting,there has difference in furnace structure,but flash smelting process can be adopted for them to achieve good economic benefit and environmental benefit.

sulfide copper ore;sulfide lead ore;flash smelting;property of raw materials;furnace structure

TF811；TF812

A

1004-4345(2015)02-0020-04

2014-09-01

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）課題（編號(hào)：2013AA064001）。

唐斌（1983—），男，工程師，主要從事有色冶金的設(shè)計(jì)和研究工作。