奧斯麥特?zé)掋U過程中泡沫渣的形成與預(yù)防

馬忠旭

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

奧斯麥特法是在熔池內(nèi)的熔體—爐料—?dú)怏w之間造成強(qiáng)烈的攬拌與混合，大大強(qiáng)化熱量傳遞、質(zhì)量傳遞和化學(xué)反應(yīng)速率[1]，泡沫渣隨之產(chǎn)生。泡沫渣的產(chǎn)生將會影響鉛渣分離，導(dǎo)致粗鉛和還原渣的排放困難，嚴(yán)重時泡沫渣將會從爐內(nèi)噴出，對設(shè)備造成危害，甚至危及生命安全。

1 氣體來源

奧斯麥特?zé)掋U采用熔煉+兩段還原的冶煉方法，工藝流程圖1所示。

圖1 煉鉛熔煉工藝流程

1.1 熔煉階段

在熔煉階段主要發(fā)生硫化物的氧化反應(yīng)[1]。通過噴槍將一定的空氣/氧氣送入熔融的渣池內(nèi)，在渣池內(nèi)氧氣會直接與硫化物物料接觸發(fā)生氧化反應(yīng)。在發(fā)生氧化反應(yīng)的過程中會釋放二氧化硫氣體，如圖2所示。

圖2 典型的硫化物熔煉反應(yīng)

具體地，硫化物的氧化會發(fā)生以下反應(yīng)：

冶煉所需氧氣量由物料平衡計算中的空氣系數(shù)來控制[12]。由此可知，熔煉階段帶入或產(chǎn)生的氣體主要是空氣和SO2。

1.2 還原Ⅰ段

還原Ⅰ段主要是添加硫化物精礦來還原渣中的金屬，使其從氧化物形式變?yōu)榻饘傩问剑鐖D3所示。

圖3 硫化鉛還原反應(yīng)

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(xué)計量來維持還原氣氛。此外，需要提供少量的塊煤來促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，同時塊煤可以吸附過量的游離氧。

由此可知：在此階段產(chǎn)生的氣體主要是SO2。

1.3 還原Ⅱ段

還原Ⅱ段主要是通過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(xué)計量來維持還原狀態(tài)。添加到熔池中的煤炭會影響熔池內(nèi)氧勢。在此階段控制渣的溫度至關(guān)重要，因?yàn)樵刂薪饘傺趸锼降臏p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(fā)生的反應(yīng)和階段。

圖4 典型還原反應(yīng)

主要反應(yīng)如下：

由此可知：在此階段產(chǎn)生的氣體主要是CO2。

2 泡沫形成

泡沫渣通常是指在一定的高溫冶金條件下，熔渣中形成大量氣泡，并在其內(nèi)部滯留聚集，使高溫液態(tài)爐渣體積成倍增長，且能穩(wěn)定維持較長時間時熔渣所具有的一種特性形態(tài)[2]。

正常熔煉過程中，一定范圍內(nèi)的冶煉爐渣泡沫化有利于動力學(xué)條件，通過加快熔池內(nèi)固液氣的混合，加速理化反應(yīng)的進(jìn)行；但在冶煉過程中爐渣黏度增加，很可能導(dǎo)致爐內(nèi)氣體與爐內(nèi)熔渣分離不通暢，造成爐內(nèi)熔渣體積的膨脹，從而造成泡沫狀熔渣從爐內(nèi)溢出。發(fā)生泡沫渣主要有以下幾種情況[3]。

1）如果爐溫過低，會造成渣的黏度增加，使得渣層的透氣性較差，氣體不能透過渣層順暢排出，會造成泡沫渣。

2）渣型控制不合理；如m（Fe）/m（SiO2）比、渣中CaO含量都會影響爐渣黏度。

3）爐料或氣體急劇變化可能產(chǎn)生泡沫渣，例如在爐渣黏度較大的情況下，噴槍鼓入氣體過多，反應(yīng)產(chǎn)生氣體過多過快等情形，很容易引發(fā)泡沫渣。

4）熔煉階段過度氧化，不僅使鉛生成高價氧化物，同時FeO反應(yīng)生成Fe3O4，造成渣的黏度增加，渣層的透氣性變差，氣體不能透過渣層順暢排出，會造成泡沫渣；Fe3O4熔點(diǎn)高、黏度大，如果大量存在于爐內(nèi)，將導(dǎo)致爐內(nèi)渣層的透氣性變差，氣體不能透過渣層順暢排出，從而可能產(chǎn)生泡沫渣噴爐事故[2]。

3 泡沫渣的檢測及應(yīng)對

奧斯麥特爐中熔渣出現(xiàn)發(fā)泡可以根據(jù)下述現(xiàn)象判斷：

1）噴槍聲音減少，但噴槍流沒有相應(yīng)的減少。

2）有大塊熔渣飛沫從敞開的爐口噴出。

3）噴槍提到理論靜態(tài)熔池液位之上時，噴槍聲音沒有改變。

4）在取樣或熔池測深過程中，發(fā)現(xiàn)熔渣樣本充入了氣體且熔池高度上升。

5）噴槍振動發(fā)生改變。

6）爐子尾氣中的SO2濃度發(fā)生改變。

7）爐子振動增強(qiáng)或減弱。

8）從敞開的爐口處溢出（“吹出”）的氣體增加。

如果出現(xiàn)發(fā)泡現(xiàn)象，可能會發(fā)生下述情形：

1）發(fā)泡的熔渣在爐子中。

2）發(fā)泡的熔渣通過敞開的爐口（給料口、噴槍入口和取樣口）噴出。

在上述情況中，必須在繼續(xù)冶煉之前，識別出熔渣發(fā)泡的原因并進(jìn)行處理。處理熔渣發(fā)泡，首先要做的是將噴槍提到熔池之上，使?fàn)t中物質(zhì)沉淀。然后通過熔池上面處在“HOLD”位置的噴槍，向爐中加入塊煤，將過度氧化的熔池還原。如果是由于熔池過度氧化之外的原因而引起熔渣發(fā)泡，則有必要去分析熔渣的化學(xué)反應(yīng)，并對爐子中加入的熔劑做適當(dāng)?shù)淖兏２僮魅藛T也可在短時間內(nèi)增加渣池溫度，來降低熔渣黏度，直到熔渣恢復(fù)到其適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)成分。

4 泡沫渣的預(yù)防

通過減少下述情況，可預(yù)防熔渣發(fā)泡。

1）熔池的過度氧化。

2）向過度氧化的熔池添加給料。

3）快速改變?nèi)墼瘜W(xué)反應(yīng)導(dǎo)致熔渣黏度變高。

4）爐子熔池作業(yè)溫度過低導(dǎo)致熔渣黏度變高。

5）爐子在熔池混合不良的情況下作業(yè)。

5 結(jié)語

結(jié)合奧斯麥特?zé)掋U工藝流程，分析了氣體來源以及泡沫形成的情形，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際提出了檢測和應(yīng)對辦法，同時提出了預(yù)防措施，為奧斯麥特?zé)掋U安全生產(chǎn)提供了一定的指導(dǎo)和幫助。