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本文作者：何國才魯興武易超程亮李俞良蒲敬文作者單位：西北礦冶研究院冶金新材料研究所

1引言

近年來我國精鉛產(chǎn)量穩(wěn)步增長，近年來年均遞增14．9%，2011年中國精煉鉛產(chǎn)量為464．8萬t，較2010年增加10．7%，我國已成為全球鉛生產(chǎn)、消費(fèi)中心，鉛產(chǎn)量和消費(fèi)量連續(xù)多年位居世界第一。由于鉛產(chǎn)量的增長速度高于鉛精礦產(chǎn)量和鉛消費(fèi)的增長速度，國內(nèi)鉛精礦供不應(yīng)求與鉛冶煉產(chǎn)品供過于求的矛盾日益顯現(xiàn)［1-3］。

我國目前鉛冶煉企業(yè)普遍存在的問題是產(chǎn)業(yè)集中度低，工藝落后，部分企業(yè)仍然在采用污染大、能耗高的燒結(jié)－鼓風(fēng)爐煉鉛工藝，為了更好地改善我國煉鉛企業(yè)的工藝技術(shù)水平，降低成本和能耗，提升企業(yè)效益，我院利用多年在銅鉛鋅技術(shù)領(lǐng)域的積累和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出了達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)水平的一步還原煉鉛工藝［4］。

2鉛冶煉工藝發(fā)展現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的硫化鉛精礦燒結(jié)－鼓風(fēng)爐還原煉鉛工藝，由于不能滿足日趨嚴(yán)格的生態(tài)、環(huán)保法規(guī)和節(jié)能降耗要求，自20世紀(jì)80年代以來，逐漸被直接煉鉛新工藝所取代。我國煉鉛行業(yè)的發(fā)展也進(jìn)入了一個快速發(fā)展的階段，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與環(huán)保要求的越來越高，近幾年，國內(nèi)自主開發(fā)的氧氣底吹－鼓風(fēng)爐還原煉鉛(SKS)工藝，以及從國外引進(jìn)的艾薩爐(ISA)、澳斯麥特爐(Ausmelt)、卡爾多爐(Kaldo)等都己采用或正在建設(shè)中，熔池熔煉側(cè)吹煉鉛試驗(yàn)也取得重大進(jìn)展，這極大地推動了我國鉛冶煉工藝水平及裝備水平的提高，我國現(xiàn)有煉鉛工藝改造升級步伐明顯加快。

2．1燒結(jié)－鼓風(fēng)爐煉鉛法

燒結(jié)－鼓風(fēng)爐還原熔煉法，其技術(shù)穩(wěn)定、回收率高，多年被廣泛采用，所生產(chǎn)的鉛一度占世界產(chǎn)量的80%以上。燒結(jié)－鼓風(fēng)爐熔煉法對原料的適應(yīng)性較強(qiáng)，不但可以處理品位40%～75%的常規(guī)精礦，而且可以處理一些低品位在40%以下的雜礦和含鉛10%～25%的煙塵、渣料等。但在燒結(jié)過程中，硫及一些金屬氧化熱未能有效利用，而鼓風(fēng)爐還原熔煉要使用一定比率的焦炭，所以能耗高，而且燒結(jié)煙氣含SO2濃度偏低，勞動條件差。

2．2ISP煉鉛法

ISP熔煉法目前只有白銀公司和韶關(guān)冶煉廠使用。其中韶關(guān)冶煉廠通過不斷改造完善，生產(chǎn)工藝、技術(shù)裝備和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷提高，鉛鋅生產(chǎn)規(guī)模從最初的5萬t躍升到24萬t，己達(dá)到世界先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先的水平，在全世界13家ISP企業(yè)中綜合水平名列第三位，并以更加完美、更加成熟的狀態(tài)把ISP工藝轉(zhuǎn)讓給了伊朗。白銀公司也由最初的3萬t提高到6～7萬t，近期將進(jìn)行技術(shù)改造，屆時(shí)產(chǎn)能將達(dá)到10萬t。該法對鉛鋅混合精礦的處理有其廣泛的適應(yīng)性和獨(dú)到之處。目前葫蘆島鋅廠采用ISP熔煉法10萬t項(xiàng)目也正在建設(shè)中［5］。

2．3QSL直接煉鉛

QSL直接煉鉛技術(shù)是世界上一種先進(jìn)清潔高效的直接煉鉛先進(jìn)技術(shù)，是一種無焦煉鉛技術(shù)，代表煉鉛技術(shù)的一個發(fā)展方向。它與傳統(tǒng)煉鉛工藝相比省去了燒結(jié)工序不使用焦炭，故而具有流程短、熱利用率高、能耗低、煙氣中SO2濃度高、硫利用率高并比較好的解決了環(huán)保、降耗問題等優(yōu)勢。該法的核心設(shè)備是QSL爐。反應(yīng)器爐型為臥式、圓形，斷面沿長軸線是非等徑的，氧化區(qū)直徑大、還原區(qū)直徑小，爐體傾斜0．5%，反應(yīng)器沿長軸線可旋轉(zhuǎn)90°。爐內(nèi)根據(jù)反應(yīng)氣氛要求分為氧化段和還原段，兩區(qū)之間設(shè)置有下方留有孔洞的隔墻，孔洞用于渣鉛反向流動。目前世界上共有三座QSL法煉鉛工廠，除白銀公司西北鉛鋅冶煉廠外，還有德國Stolberg和韓國Onsan廠。韓國Onsan廠目前鉛生產(chǎn)能力己由初60kt/a提高到100～110kt/a［6-9］。

2．4SKS法

水口山煉鉛法是由我國自行開發(fā)的一種氧氣底吹直接煉鉛方法，屬于熔池熔煉范疇［3］。物料投入爐內(nèi)，同時(shí)完成加熱、熔化、氧化、造渣、造锍等過程。所不同的是，它采用了獨(dú)特簡單、具有優(yōu)越冶金動力學(xué)功能的設(shè)備－水口山熔煉爐(SKS底吹爐)。從熔煉爐頂部加入爐料，底部送入富氧空氣攪動熔池，入爐物料在熔池中完成熔煉過程，產(chǎn)出的粗鉛、高鉛渣和煙氣，分別從放鉛口、放渣口、排煙口排出［10-12］。

2．5艾薩法(ISA)

艾薩法能處理銅、鉛、鋅、錫、鐵陽極泥等多種物料。該熔煉工藝由兩臺爐子組成，精礦在第一個爐子被氧化，形成的熔體通過溜槽送到第二個爐子，在第二個爐子內(nèi)將氧化鉛還原成金屬鉛，然后將形成的渣和金屬鉛分別排到爐外，連續(xù)操作。該工藝能夠處理濕料，因此備料系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無塵作業(yè)。但該法不便于制酸。云南冶金集團(tuán)6萬t粗鉛項(xiàng)目引進(jìn)艾薩法氧化熔煉工藝技術(shù)和設(shè)備，與該集團(tuán)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的富鉛渣鼓風(fēng)爐還原工藝技術(shù)相結(jié)合，形成了新的環(huán)保節(jié)能粗鉛冶煉新工藝。該項(xiàng)目將引進(jìn)的艾薩爐氧氣頂吹煉鉛技術(shù)與富鉛鉛渣鼓風(fēng)爐熔煉技術(shù)及鼓風(fēng)爐強(qiáng)化噴粉熔煉技術(shù)有效整合，在世界首次將艾薩爐應(yīng)用于鉛冶煉［13］。

2．6澳斯麥特法(Ausmelt)

2006年云南錫業(yè)股份有限公司與澳大利亞澳斯麥特公司簽訂了10萬t鉛項(xiàng)目合同，從而向鉛冶煉進(jìn)軍。該公司選擇了更新的澳斯麥特新的工藝，特點(diǎn)是該工藝擁有澳斯麥特第三代最新頂吹噴槍、先進(jìn)的生產(chǎn)爐體結(jié)構(gòu)技術(shù)、智能化的控制系統(tǒng)，加之采用世界上最先進(jìn)的中國冶金行業(yè)尚未使用的制酸工藝［14］。

2．7卡爾多爐(Kaldo)

卡爾多爐煉鉛工藝在直接煉鉛法中占有一席之地?？柖酄t煉鉛法的加料、氧化、還原和排渣均在一個相對較小的空間中完成。由于瑞典波利登公司采用了先進(jìn)的控制設(shè)備，使得整個過程流暢輕松，卡爾多爐具有廣泛的原料適應(yīng)性，對處理含硫低的物料尤其適用。卡爾多爐的熔煉(氧化)和還原在同一個爐中進(jìn)行，沒有流態(tài)物料的任何形式的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。但卡爾多爐有兩個不足:一是在熔煉過程中要抽出一部分煙氣壓縮，使二氧化硫氣體變成液態(tài)二氧化硫，在還原過程中又將液態(tài)二氧化硫送至制酸，以保證工藝順利進(jìn)行;二是間斷性作業(yè)。青海西部礦業(yè)股份有限公司在其粗鉛冶煉技改工程中，從自身發(fā)展及環(huán)保政策的要求出發(fā)，結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況，最終選擇了卡爾多爐煉鉛工藝，2003年與瑞典波立登工程有限公司簽訂了合同，現(xiàn)己成熟應(yīng)用［15］。

2．8基夫塞特法

基夫塞特?zé)掋U法是一種閃速熔煉的直接煉鉛法。該法由前蘇聯(lián)“全蘇有色金屬科學(xué)研究院”開發(fā)，已成為工藝先進(jìn)、技術(shù)成熟的現(xiàn)代直接煉鉛法。基夫塞特?zé)掋U法可處理各種不同品位的鉛精礦、鉛銀精礦、鉛鋅精礦和鼓風(fēng)爐難以處理的硫酸鹽殘?jiān)?。濕法煉鋅廠產(chǎn)出的鉛銀渣、廢鉛蓄電池糊、各類含鉛煙塵等都可以作為原料入爐冶煉。在1臺爐內(nèi)完成物料的熔化、脫硫、氧化、還原及造渣過程。由于物料在反應(yīng)塔內(nèi)高溫區(qū)高氧勢的作用下，氧化、熔化速率高，硫化鉛揮發(fā)率較小，所以煙塵率相對較低，煙氣SO2濃度高，可實(shí)現(xiàn)雙接觸法制酸，尾氣低于國家排放標(biāo)準(zhǔn)，操作條件好。根據(jù)工廠實(shí)踐其處理煉鋅廠浸出渣的能力較強(qiáng)［16］。

2．9熔池熔煉側(cè)吹煉鉛

此外，中南大學(xué)在河南的熔池熔煉側(cè)吹煉鉛試驗(yàn)也取得重大進(jìn)展。2001年11月，河南新鄉(xiāng)中聯(lián)總公司建成的硫化鉛精礦氧氣側(cè)吹直接煉鉛爐，經(jīng)過20多次的開爐試驗(yàn)并對爐子作了多項(xiàng)重大技術(shù)改造，熔煉過程得以順利進(jìn)行，此后，通過長期的試生產(chǎn)，技術(shù)條件逐漸成熟，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不斷得到優(yōu)化提高。

3無燒結(jié)無焦還原煉鉛新工藝

3．1工藝流程

氧氣底吹氧化爐系統(tǒng)產(chǎn)生的液態(tài)富鉛渣(含pb40%)，經(jīng)溜槽送入到臥式還原爐中，同時(shí)，將碎煤與熔劑加入到還原爐中;工業(yè)純氧為氧化劑，工業(yè)純氮?dú)鉃閲姌尡Ｗo(hù)劑，粉煤從還原爐下方噴槍進(jìn)入在渣層中燃燒，還原溫度為1200℃。還原過程為:在高溫下，液態(tài)爐渣中的PbO與還原劑作用生成CO或CO2，同時(shí)爐渣中的ZnO也被還原成Zn蒸汽與煙氣一起排出。還原爐體靠近進(jìn)渣口端設(shè)出鉛口，另一端設(shè)放渣口。還原爐產(chǎn)出粗鉛經(jīng)過出鉛口虹吸放出，通過溜槽進(jìn)入到圓盤鑄錠機(jī)鑄錠，用橋式起重機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到堆垛區(qū)域脫模堆放，由汽車轉(zhuǎn)運(yùn)到精煉車間或庫房，鉛錠重量為2t/塊。還原爐渣從放渣口放出后進(jìn)入溜槽，終渣進(jìn)入煙化工序或者水淬。主還原劑采用碎煤，由加煤系統(tǒng)以壓縮空氣為載體在還原爐上部直接噴射到熔池中。輔助還原劑與燃料為粉煤，粉煤由粉煤噴槍從爐底噴射到熔池中，通過粉煤分配器控制進(jìn)入到各粉煤噴槍的粉煤量。配套的氧氣通過單獨(dú)的控制閥使氧氣流量和燃料流量相匹配，一起進(jìn)入到燃燒噴槍，通過燃燒噴槍使還原爐內(nèi)溫度保持在工藝要求的溫度。煙氣冷卻由設(shè)在煙氣出口上部的直升煙道和余熱鍋爐組成，直升煙道將煙氣導(dǎo)引到鍋爐中，同時(shí)完成煙氣的再氧化，避免可燃性氣體進(jìn)入到鍋爐中產(chǎn)生再次燃燒或爆炸，同時(shí)降低煙氣溫度，有利于余熱鍋爐正常運(yùn)行。利用自然漏風(fēng)和二次鼓風(fēng)，使煙氣中的氧濃度達(dá)到3%左右。原則流程圖見圖1。

3．2工藝特點(diǎn)

該工藝技術(shù)特點(diǎn)是不使用焦炭，能源消耗結(jié)構(gòu)合理，且能耗低，勞動衛(wèi)生條件比鼓風(fēng)爐得到很大改善。具體有以下幾點(diǎn):

⑴自動化程度高。臥式底吹還原爐反應(yīng)器以及粉煤分配器、加料系統(tǒng)的控制均采用DCS集散系統(tǒng)控制，生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)得到進(jìn)一步優(yōu)化，車間內(nèi)主要崗位設(shè)工業(yè)電視監(jiān)視。熔池溫度原設(shè)計(jì)的熱電偶測溫因壽命短已不能使用，改用快速熱電偶點(diǎn)測方式，將溫度輸入DCS系統(tǒng);爐料分析、爐渣分析等也采用離線分析再輸入DCS系統(tǒng)。隨著自動化控制水平不斷提高，現(xiàn)場操作人員大大減少，但對操作維護(hù)人員的水平要求則相應(yīng)提高。

⑵工藝流程短、成本及建設(shè)投資省。由于工藝流程簡短，所需設(shè)備及勞動力不多，生產(chǎn)費(fèi)用和建設(shè)投資分別比傳統(tǒng)煉鉛法約低40%和30%～40%。

⑶環(huán)境污染程度小、清潔。由于臥式底吹還原爐采用工業(yè)氧氣熔煉，過程產(chǎn)生的煙氣量只為傳統(tǒng)煉鉛法的l/4～1/5，對環(huán)境的污染臥式還原爐比鼓風(fēng)爐煉鉛法輕得多。

⑷綜合能耗低。將底吹氧化爐放出的液態(tài)熱富鉛渣直接通過溜槽送入臥式底吹還原爐，能充分利用化學(xué)反應(yīng)熱，煤耗低，不需優(yōu)質(zhì)焦炭。余熱鍋爐產(chǎn)出的蒸汽相當(dāng)于制氧站能耗的70%～80%。總能耗較傳統(tǒng)鼓風(fēng)爐煉鉛法低。

4結(jié)論及建議

⑴一步煉鉛法特別是QSL爐煉鉛法的不斷完善和發(fā)展為本工藝技術(shù)開發(fā)的還原爐提供了豐富的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

⑵材料性能和設(shè)備加工水平的提高為還原爐及配套設(shè)備的制作及穩(wěn)定運(yùn)行提供保證。隨著冶煉科技的發(fā)展，一些新的材料產(chǎn)生，為本項(xiàng)目技術(shù)開發(fā)提供了可靠的物質(zhì)條件。例如爐殼所需要的高強(qiáng)度耐熱鋼板目前已經(jīng)得到成熟應(yīng)用，新型的耐火材料也能很好適應(yīng)本項(xiàng)目的需求，噴槍所使用的耐熱不銹鋼材料在國內(nèi)也基本能得到滿足，項(xiàng)目所需配套的余熱鍋爐、電收塵器、風(fēng)機(jī)、制氧機(jī)組等制造水平也得到了很大的發(fā)展，完全可以滿足需要，一些特殊的機(jī)械設(shè)備加工也可以在國內(nèi)得到滿足。

⑶控制技術(shù)的進(jìn)步減小了還原爐的操作難度，并使得還原爐的進(jìn)料、進(jìn)氣與溫度控制更為精確，能夠更好的滿足工藝要求。我國引進(jìn)的QSL煉鉛技術(shù)沒有取得最終的成果，其中最核心的一個問題就是控制系統(tǒng)存在大量的問題，當(dāng)時(shí)采用了以模塊電路為主的控制系統(tǒng)，存在繼電器可靠性差、備件費(fèi)用高、故障判斷排除困難等問題，往往一個很小的問題就導(dǎo)致長時(shí)間的停產(chǎn);隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，智能化操作系統(tǒng)的發(fā)展，新型控制理論的不斷進(jìn)步，控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性都得到了很大提高，為工藝技術(shù)開發(fā)實(shí)施提供了保障。

⑷對現(xiàn)有焙燒－鼓風(fēng)爐煉鉛進(jìn)行環(huán)保改造，采用液態(tài)高鉛渣直接還原技術(shù)，除去了液態(tài)高鉛渣降溫凝固－固態(tài)渣加熱熔化的過程，充分利用高鉛渣熔體的潛熱，在還原時(shí)改用粉煤還原，并且粉煤用量比鼓風(fēng)爐的焦炭用量少，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)過余熱鍋爐回收熱量并產(chǎn)生蒸汽。綜合能耗由原鼓風(fēng)爐的413kgce/t粗鉛降到了337kgce/t粗鉛，真正做到了節(jié)能降耗。目前世界鉛市場需求旺盛，而我國作為鉛的主產(chǎn)國，該技術(shù)開發(fā)成功后具有廣闊市場前景，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著，并且將帶動中國鉛冶煉整體工藝水平的提高。