馬忠旭， 姜有澤

（1.甘肅有色冶金技術學院， 甘肅 金昌 737100；2.蘭州金川新材料科技股份有限公司， 甘肅 金昌737100）

鉛冶煉的工藝大致可以分為火法和濕法兩種，目前，我國鉛冶煉技術主要為火法工藝[1]。我國鉛冶煉技術的發展經歷了最早的“燒結機—鼓風爐熔煉”工藝[2]，到后來引進國外的奧托昆普法、頂吹浸沒式熔池熔煉（ISA 或Ausmelt）法、氧氣底吹（QSL）法、氧氣頂吹卡爾多爐法等煉鉛工藝[2]，再到近些年國內獨立自主研發成功的“液態高鉛渣直接還原一步煉鉛（YGL）法[3]”、“氧氣底吹氧化熔煉—氧氣底吹（側吹）還原熔煉法[4]”、“氧氣頂吹氧化熔煉—氧氣側吹還原熔煉法[5]”、“富氧側吹氧化熔煉—富氧側吹還原熔煉雙側吹法”等煉鉛工藝。以上國內獨立自主研發的直接煉鉛新工藝，充分利用了氧氣強化熔煉技術[6]，生產效率高、能耗低、自動化水平高、勞動強度低、系統配置緊湊、節約用地、設備密閉性好、煙氣含硫濃度高，便于制酸，較好地解決了環境污染等問題。

奧斯麥特法是在熔池內的熔體-爐料-氣體之間造成強烈的攬拌與混合[7]，大大強化熱量傳遞、質量傳遞和化學反應速率，以便在燃料需求和生產能力方面產生較高的經濟效益。奧斯麥特法的噴槍豎直浸沒在熔渣層內，噴槍結構較為特殊，爐子尺寸比較緊湊，整體設備簡單[8]。

1 煉鉛原料

奧斯麥特煉鉛的兩種必備原料中，熔劑主要用來助熔、造渣，生產中使用的有石灰石和石英石，成分如表1，2；鉛礦是冶煉的對象，生產中使用的有鉛精礦、鉛渣和硫渣，成分如表3。

表1 石灰石化學成分（干基） %

表2 石英石成分（干基） %

表3 鉛礦主要化學成分 %

2 渣型控制

鉛渣成分主要有鐵（Fe）、二氧化硅（SiO2）和石灰（CaO）。渣型選擇要確保形成較低的熔點段，從而形成較低的作業溫度，產生相關效益。此處的給料是鐵，加入足量的二氧化硅熔劑，以保持預期的m（Fe）/m（SiO2）比。同樣的，如果給料是二氧化硅，將加入富含鐵的熔劑。石灰通過同樣的方式加入，一般是以石灰石的形式（CaCO3），以提高熔渣流動性。熔渣中CaO 含量過多也會導致熔渣流動性上的問題[9]。在其他工藝中的熔渣化學反應，可能受到其他熔渣成分例如氧化鋁（Al2O3）和氧化鎂（MgO）的影響。由于發熱過程反應形成過多熱量，而進行的適當熔渣化學反應控制，無論什么時候，都可以用于熔化要求的熔劑物質。熔渣中各種混合物的成渣過程會根據熔池溫度、熔池氧勢和元素濃度來改變。所形成的復雜混合物例如尖晶石，會在液體熔渣中沉淀成固體，對熔渣流動性產生不利影響。圖1 是SiO2-FeO-CaO三元渣系狀態圖，顯示奧斯麥特煉鉛工藝的渣型區[10]。

圖1 SiO2-FeO-CaO 三元渣系狀態圖

3 原料分解

分解反應通常發生在高溫中，使給料中包含的金屬化合物分解。復雜化合物的分解需要部分熱量來促進。對熔煉過程中物料的分解以及礦物質中所含金屬的變化形式進行評估，不能簡單的對這些變化形式進行區分。礦石中含鉛主要是以硫化鉛（PbS）的形式直接存在，然而，在一些其他情況中，例如銅/鎳，則會以更加復雜的礦物形式存在。因此，以下物料分解反應要發生在高溫熔爐和由銅/鎳系統構成的渣池中：

熔劑是由碳酸鈣（CaCO3）和碳酸鎂（MgCO3）組成的混合物。這些分解反應也被稱作為解離。

4 氧化熔煉

硫化物熔煉工藝過程包括硫化物的氧化反應[11]。通過噴槍將一定的空氣/氧氣送入熔融的渣池內，在渣池內氧氣會直接與硫化物物料接觸發生氧化反應。在發生氧化反應的過程中會釋放二氧化硫氣體，同時會導致脈石（也就是鐵）被氧化，如圖2 所示。

硫化物的氧化會發生以下反應。該氧化過程是一個放熱過程，通過這些化學反應可以釋放出熱量。

圖2 典型的硫化物熔煉反應

冶煉所需氧氣量由物料平衡計算中的空氣系數來控制[12]。在銅/鎳的氧化過程中，與生成其他金屬相比，主要發生鐵的氧化反應。在此工藝條件下，通過改變空氣系數來控制最終的產品品味，因此通過硫化物的氧化反應（反應見4、5）可以使鐵的氧化量（反應見6）超過生成的其他金屬。

5 還原

5.1 渣還原

渣還原階段包括添加硫化物精礦來還原渣中的金屬，使其從氧化物形式變為金屬形式，此階段僅適用于鉛工藝，如圖3 所示。

圖3 硫化鉛還原反應

為了確保所添加的硫化物主要用于金屬氧化物的還原，可以通過控制噴槍端口的噴槍燃料化學計量來維持還原氣氛。此外，需要提供少量的塊煤來促進反應的進行，同時塊煤可以吸附過量的游離氧。添加到熔池中的硫化物會影響熔池內的氧勢。在此階段控制渣的溫度至關重要，因為渣中金屬氧化物水平的減少會影響橄欖石渣的增加。通過控制硫化物的加入數量來控制爐渣的成分和品味。應用硫化物實現還原過程，此舉普遍用于鉛還原的第一階段。其中包含向金屬氧化物渣池中添加硫化鉛精礦[13]。

通過添加少量的煤炭可以幫助實現熔池中的還原電勢。下頁圖4 顯示了硫化鉛的還原過程，包含可能會發生的反應和階段。與整個還原段只有塊煤相比，利用鉛精礦作為還原劑，允許增加鉛精礦的量并產生更多的粗鉛，反應化學方程式為：

5.2 煤還原

渣的還原階段還包括添加塊煤來還原渣池中的金屬，使其從氧化物還原為金屬。為了確保所添加的煤炭主要用于金屬氧化物的還原，可以通過控制噴槍端口的噴槍燃料化學計量來維持還原狀態。添加到熔池中的煤炭會影響熔池內氧勢。在此階段控制渣的溫度至關重要，因為渣池中金屬氧化物水平的減少會使得橄欖石渣的含量增加。圖4 顯示了一個典型的還原過程，包括可能發生的反應和階段。

圖4 典型還原反應

6 結論

1）奧斯麥特煉鉛工藝的合理的渣型要求為：具有較好的流動性，m（Fe）/m（SiO2）=1.2。

2）氧化熔煉階段關鍵在于控制空氣系數。

3）還原階段關鍵在于控制噴槍端口的噴槍燃料化學計量和熔池溫度。