硫化铅精矿熔炼的方法和原理

硫化铅精矿熔炼的方法和原理

铅冶炼就是将铅金属从矿石、精矿或二次铅料中提炼出来, 生产铅的方法可以分为火法冶炼和湿法冶炼。目前, 炼铅几乎采用的全是火法, 湿法炼铅虽已进行长期试验研究, 有的已进行了半工业试验规模, 但仍未工业应用。火法炼铅普遍采用传统的烧结焙烧-鼓风炉熔炼流程, 该工艺占世界产铅量65%左右, 铅锌密闭鼓风炉生产的铅约为5%, 其余约30%是从精矿直接熔炼得到。直接熔炼的老方法有沉淀熔炼和反应熔炼。沉淀熔炼是用铁作还原剂, 在一定温度下使硫化铅发生沉淀反应, 即PbS+FePb+FeS, 从而得到金属铅。反应熔炼是将一部分PbS氧化成PbO或PbSO4, 然后使之与未反应的PbS发生相互作用而生成金属铅, 主要反应为PbS+2PbO3Pb+SO2或PbSO4+PbS2Pb+2SO2。这两种炼铅方法金属回收率低、产量小、劳动条件恶劣, 现在大型炼铅厂已不采用。20世纪80年代以来开始工业应用的直接炼铅方法主要是氧气闪速电热熔炼基夫塞特法和氧气底吹熔池熔炼QSL法, 它们将传统的烧结焙烧-还原熔炼的两个火法过程合并在一个装置内完成, 提高了硫化矿原料中硫和热的利用率, 简化了工艺流程, 同时改善了环境。其他的熔炼方法如富氧顶吹、富氧底吹熔炼法均可以达到简化流程、改善环境的目的。

2.1 熔炼的传统方法

2.1.1 烧结焙烧-鼓风炉熔炼法

烧结焙烧-鼓风炉熔炼法属传统炼铅工艺, 铅冶炼厂大部分都采用这一传统工艺流程, 此法即硫化铅经烧结焙烧后得到烧结块, 然后在鼓风炉中进行还原熔炼产出粗铅。图2-1为该方法的工艺流程图。

图2-1 烧结焙烧-鼓风炉熔炼工艺流程图

2.1.1.1 硫化铅精矿焙烧-鼓风炉熔炼法概述

最早的硫化铅矿焙烧方法是将块矿堆积起来进行氧化焙烧, 称为堆烧法, 而对碎的富铅矿则采用灶或窑来焙烧。到19世纪末, 随着浮选技术的发展及普及, 才开始将富集的粉状铅精矿加入反射炉内进行粉末焙烧或烧结焙烧。但该法存在产量低、燃料消耗大、劳动条件差等一系列缺点。直至20世纪初, 又出现了在烧结锅内进行鼓风烧结焙烧的方法, 它克服了以前各种烧结法的缺点, 产出坚硬多孔的烧结块, 适于鼓风炉熔炼, 但因生产过程是间断性的, 机械化程度低, 劳动条件恶劣等严重缺陷而发展到采用烧结盘进行烧结焙烧。而烧结盘存在占地面积大、产量低的缺点, 不久便被直线型(又名带式)吸风烧结机所代替。带式吸风烧

结克服了烧结锅鼓风烧结的一些缺点, 使烧结过程连续化, 操作机械化, 大大提高了处理能力。但吸风烧结存在着吸风箱经常堵塞, 低浓度SO2烟气难以利用, 烧结炉料品位无法提高以及机件容易损坏等缺陷, 至20世纪50年代后期, 鼓风烧结技术的试验成功和应用, 弥补了吸风烧结的不足, 再加上鼓风返烟烧结技术的发展, 得到了世界各国的普遍采用。

烧结焙烧-鼓风炉熔炼法虽然工艺稳定、可靠, 对原料适应性强, 经济效益尚好, 但该工艺致命的缺点是烧结烟气SO2浓度低, 采用常规制酸工艺难以实现SO2的清洁利用, 严重污染环境。此外, 烧结过程中产生的热能量不能得到充分利用, 烧结块破碎、筛分时工艺流程长, 物料量大, 扬尘点分散, 造成劳动作业条件恶劣。

为克服此法的缺点, 一是采用了非稳态制酸法解决SO2的制酸和污染环境问题; 二是采用新的炼铅生产工艺。20世纪80年代以来, 新的直接炼铅工艺引起了广泛兴趣, 近年已在工业上得到完善和发展。随着国家政策的改变, 此法有被硫化铅精矿直接炼铅法取代的趋势。

2.1.1.2 基本原理

(1) 硫化铅精矿烧结焙烧的目的

硫化铅精矿的烧结焙烧, 是在大量空气参与下的强氧化过程。其目的: 一是氧化脱硫, 使金属硫化物变成氧化物以适应于还原熔炼; 二是将粉状物料烧结成块; 三是使精矿中的硫呈SO2以便制取硫酸; 四是脱除部分砷、锑, 避免熔炼时产生大量砷铜锍, 而增加铅及贵金属的损失; 五是使易挥发的伴生稀散金属如铊集中于烟尘中, 以利于综合回收。

(2) 烧结焙烧-鼓风炉熔炼法的基本原理

铅精矿烧结焙烧的基本原理是: 将制备好的炉料(即混合料)装入烧结设备中, 鼓入或吸入大量空气的条件下, 点火加热到800~950℃, 则炉料中的硫化物发生氧化, 生成金属氧化物和二氧化硫, 各种金属氧化物相互反应, 形成各种盐类。其中

铅的硅酸盐和亚铁酸盐熔点较低, 在烧结过程中起黏结剂作用, 将粉状炉料黏结成坚实的大块, 即烧结块。

过程中主要氧化反应可用下式表示:

一般过程中氧化反应释放的热量足够使焙烧过程的一切反应继续进行, 不需加其他燃料。

(3) 影响烧结的几个因素

在烧结焙烧-鼓风炉熔炼法生产过程中, 主要有以下几个方面的因素对烧结焙烧有较大影响。

1)金属硫化物的着火温度。在某一温度下, 硫化物氧化放出的热能使氧化过程自发地扩展到全部物料, 并使反应加速进行, 此温度叫着火温度。

几种硫化物的着火温度如表2-1所示。

表2-1 几种硫化物的着火温度

2)金属硫化物的氧化过程。金属硫化物的烧结焙烧是典型的气-固相反应, 气相(空气中的氧)向固相(硫化物)表面不断扩散, 而反应后的气体产物二氧化硫和微量三

氧化硫迅速从固相金属氧化物表面逸出, 所以炉料的透气性和物理化学性质以及着火温度等, 对烧结焙烧过程进行的好坏具有决定性意义。

(4) 铅烧结块鼓风炉还原目的及原理

铅鼓风炉还原熔炼的主要目的是将烧结块中的铅尽可能还原出来, 使炉料中的贵金属尽量富集于粗铅中, 造渣成分形成适当的炉渣, 杂质尽量富集于渣中。

烧结块鼓风炉还原的基本原理是: 将烧结块、焦炭和辅料加入到鼓风炉中, 鼓入大量空气形成一定的温度和还原性气氛, 将熔体中的铅氧化物还原, 形成粗铅。未被还原的杂质与脉石进行造渣与粗铅分离。过程中主要还原反应可用下式表示:

2.1.2 铅锌密闭鼓风炉熔炼法

2.1.2.1 铅锌密闭鼓风炉熔炼法概述

铅锌密闭鼓风炉熔炼法是火法炼铅锌的一项重大技术成就。最初, 人们认为从含锌十分低的炉气中冷凝锌是不可能的, 因而曾试图从炉底产出液体锌。在大的压力下使氧化锌直接还原成液体锌在热力学理论上是可行的, 但同时精矿中所有的铁也会被还原, 得到的是一种锌铁合金而不是单纯的金属锌, 实际的结果是炉子会在短时间内因炉缸积铁而导致停炉。炼锌鼓风炉在大的压力下进行操作以防止锌挥发的各种努力都没有成功。直到1939年, 在英国阿旺茅斯建立了一座

0.72 m2的试验炉, 用铅雨冷凝器从低锌蒸气浓度和高CO2含量的炉气中获得液体金属锌, 从而为密闭鼓风炉炼铅锌奠定了生产基础。密闭鼓风炉炼铅锌有许多优点: 一是对原料的适应性强, 适合处理难选的铅锌混合矿, 简化了选冶工艺流程, 从而得到较高的金属回收率; 二是该法以一个系统代替了一般炼铅、锌的两种独立系统, 简化了冶金工艺流程, 建厂占地面积小, 设备台数减少, 投资相对较小; 三是铅在并不额外消耗焦炭的条件下得到, 因此生产每一吨金属消耗的燃料和生产成本比其他的冶炼方法相对要低; 四是密闭鼓风炉炼铅锌为直接加热, 因此冶炼设备能力不受限制, 可在生产能力较大的设备内进行规模生产, 有利于实