鋅精餾車間鋅液轉運裝備自動化改造

伍學敏

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410012）

常規火法煉鉛鋅是將精礦置于熔池熔煉之后再進行鉛鋅分離，將位于上層的熔融粗鋅再運送至鋅精餾車間，基于鋅與雜質元素的沸點不同的特點，采用不同的溫度精餾的原理，在兩種不同塔型中蒸餾，分凝回流，使鋅與其它雜質金屬分離，從而得到高純度鋅。

加料操作是精餾爐生產的重要一環，加料均勻與否，直接影響精鋅產量和質量，并影響熱工操作和塔體壽命。加料一般先鉛塔后鎘塔（個別廠也有先鎘后鉛），精餾用的粗鋅有塊錠和液體，熔化并過熱1 t鋅錠耗煤約100 kg，而用同量液體粗鋅可減少40%～50%的煤耗，因此應盡量供給液體粗鋅。

設計精煉車間時，應注意工藝操作的高度連續性、金屬鋅在熱狀態下的氧化和受冷凝結等問題。粗鋅主要由本廠供給時，應盡量縮短精餾爐至粗鋅車間的距離，做到液鋅輸送。

由于粗鋅液中所含有雜質金屬的種類多，單個鉛塔處理能力的限制，按操作周期與工作習慣，液態金屬轉運需要在多個地點、頻繁的重復操作，因此人工及惡劣的操作環境、超大的勞動負荷現狀對實現工藝流程的機械化和自動化有著迫切的需求。

1 設計條件

1.1 鋅熔煉車間

鋅熔煉是將含鋅原料用熔煉爐進行反應，產生粗鋅的過程，其主要設備就是熔煉爐。

鼓風爐煉鋅是20世紀50年代由英國帝國熔煉公司始創，其特點是能同時煉鋅、鉛，對原料有廣泛的適應性，通過配料、燒結在爐內進行還原熔煉，氧化鋅被還原，鋅呈蒸汽揮發，并引入冷凝器冷凝成粗鋅［1］。

電熱法煉鋅是以電能為熱源直接加熱含鋅爐料連續還原蒸餾出金屬鋅的方法。其直接在爐內加熱爐料，不需要燃燒室，所以電熱法所用的爐子占容積小，熱的損失也小，熱利用率高。電熱法的爐料一般為焙燒礦與還原劑（焦炭或煤）混合組成。由于電熱法爐內溫度較高，一方面可以進行蒸餾還原，使鋅及一些金屬蒸發，另一方面也可以得到熔體產物—冰銅、鐵、鉛、渣等。因此電熱法就有條件處理多金屬的鋅精礦。當處理多金屬鋅精礦得到熔體產物時，爐料中的碳只供爐料中結合的氧化合，不需要有大量過剩的焦炭或煤加到爐料中。隨著環保要求愈發嚴格，電爐煉鋅正成為一種趨勢。

1.2 鋅精餾車間

鋅精餾是基于鋅與其余雜質元素的沸點不同的特點，采用不同的溫度精餾的原理，在兩種不同塔型中蒸餾，分凝回流，使鋅與其它雜質金屬分離，而得到高純度鋅。粗鋅及精鋅中鋅與其它雜質元素見表1。

表1 粗鋅及精鋅中鋅與其它元素含量表 %

1.3 設計目的

本文旨在實現液鋅從熔煉車間轉運至精餾車間并自動入爐的功能，研究鋅精餾智能入爐與轉運技術，極大程度上減少鋅精餾車間惡劣環境下的人工勞動，為優化車間工藝布局、提高工廠智能化程度提供強有力的依據。通過對該技術的研發，能有效指導鋅精餾車間的工藝布局和總圖布局，達到節能降耗、智能化工廠的目的。

根據需求，本方案將鋅液轉運的運動動作要求及路徑進行分解規劃，將鋅液轉運裝備分為幾大設備單元：（1）鋅包，其作用是接收來自熔煉爐的粗鋅液；（2）鋅包運輸車，其作用是將鋅液包從熔煉車間轉運至精餾車間；（3）鋅包傾翻入爐裝置，其作用是傾翻鋅液包，將鋅液傾倒至精餾塔中；（4）鋅包提升裝置，考慮到精餾塔入爐標高與熔煉爐出粗鋅的標高可能存在不一致的問題，其作用是實現鋅包在兩個不同標高之間的轉運。

2 關鍵設備設計探究

2.1 鋅包

鋅包的設計主要從鋅包的有效容積及保溫材質方面考量。

通過鋅包從熔煉車間轉運至精餾車間并返回所需的周期t/min，每小時精餾塔的處理量Q/（t·h-1）以及每次平板車轉運的鋅包數量n/個來計算，鋅包有效容積V/m3應為式（1）：

式中：ρ為鋅液密度，取值為7.14 t/m3。

關于保溫材質，現行主要采用黏土與黏土磚的組合，也有采用耐火水泥的包襯方式。除此之外，也有使用保溫耐火材料制作的預成型整體包襯。這類整體包襯的保溫性能優異，安裝后僅需短暫加熱除潮，日常使用中無需加熱。

對比此類保溫材料在鋁水包的應用，其包襯厚度小于普通包襯的情況下，鋁水包的邊界溫度明顯低于普通包襯，見表2。最終耐火水泥的熱損失達到9 069 W/m2，而該保溫耐火材料的熱損失才2 583 W/m2。

表2 耐火水泥和某保溫耐火材料熱傳遞對比

2.2 鋅包傾翻入爐裝置

傳統的鋅包入爐是采用電動葫蘆與人工操作相配合的方式，不僅工作方式落后，還存在一定的安全隱患。為了解決人工操作帶來的各種問題，實現鋅液自動入爐，特設計開發出鋅包自動傾翻入爐裝置。

該裝置由機架、驅動單元和緩沖單元組成，如圖1所示。機架考慮到鋅包在傾翻時的固定，特設計凸臺擋邊的型式，使鋅包在向前傾翻時有支撐。并考慮到重心的位置，讓其在傾翻角度足夠讓鋅液傾倒完的同時還不會因過角度而導致鋅包整體傾翻。

圖1 鋅包傾翻入爐裝置

驅動單元采用液壓的方式，是基于更大的動力以及液壓工作平穩的優點。通過計算，選用液壓缸參數為缸徑/桿徑：φ125/90 mm，行程為800 mm。

2.3 鋅包提升裝置

由于精餾塔的入爐位于塔的上部，其標高與熔煉爐出粗鋅的標高不一致，一般會比其高，故在鋅包轉運過程要考慮到鋅包的提升過程。然而，鋅包在提升過程中，不僅需要考慮到提升的速度不能太慢，同時還要考慮到平穩不漏液，所以提升裝置的穩定及安全是需要重點考慮的因素。鋅包提升裝置主要由提升框架、驅動單元和防護裝置組成。

提升框架由正面框架、側面框架以及頂部框架組成，通過螺栓連接固定。框架主體由矩形鋼管焊接而成，具有足夠高的強度和剛度。框架側邊四周均由鋼板進行密封保護，以防止鋅包發生漏液傷人事故。如圖2所示。

圖2 鋅包提升裝置

驅動單元由電動葫蘆、專用吊具和行車梁組成。電動葫蘆的起吊重量為10 t，提升的重量應包含滿載鋅水的鋅包以及專用吊具，其起升速度為7 m/min。專用吊具采用雙吊鉤的結構形式，吊點位于鋅包兩側，鋅包利用自重能夠穩定液面。行車梁由中間主梁和兩側行走梁組成，讓鋅包能在粗鋅1＃平板車上起吊運至位于入爐2＃平板車的入爐傾翻裝置上。

3 自動化方案及路徑規劃

傳統鋅液加料由叉車實現熔煉車間至精餾車間的轉運，再由葫蘆吊與人工配合的方式加料，通過上述對加料設備進行自動化改造，能夠實現鋅液加料全程無人化操作。

3.1 自動化入爐流程

鋅包加料流程圖如圖3所示，正常情況下，熔煉爐將粗鋅液通過溜槽進入鋅包，鋅包經由1＃平板車運送至鋅包提升裝置處，再由提升裝置提升放置于傾翻裝置中，而傾翻裝置是放置在2＃平板運輸車上的，再通過2＃平板運輸車橫向平移至精餾塔加料口處，啟動傾翻裝置使鋅液自動入爐。

圖3 鋅包加料流程圖

如若自動化加料路徑上的設備出現故障需要檢修，則熔煉爐將粗鋅液通過溜槽進入粗鋅圓盤鑄錠，然后再通過人工投料的方式加入精餾塔中。

3.2 精餾塔及其數量

精餾塔的個數也是影響自動化入爐的路徑規劃的因素之一。在鋅精餾工藝流程中設置不同功能、不同塔盤的兩種塔即鉛塔和鎘塔。每個塔的溫度控制條件不同，就可以控制塔內的蒸餾、冷凝回流、分餾量，使鋅與雜質元素分離。將電爐熔煉車間的液體粗鋅（或粗鋅錠）經精餾車間將液鋅包中的鋅加入熔化爐，經煤氣加熱熔化為粗鋅液，送入鉛塔，鉛塔溫度控制在930℃左右，可將高沸點雜質Fe、Pb、Cu、Sn、In從粗鋅中分離，其脫除率可達98%～99%。鉛塔中部冷凝的脫除高沸點雜質的含Cd液鋅流入鎘塔，鎘塔溫度控制在920℃左右脫除鋅液中的Cd等低沸點雜質元素，鎘塔上部產出高鎘鋅錠、鎘塔下部的純鋅槽產出精鋅通過鑄錠機鑄成錠。鉛塔下部含高沸點雜質的液鋅進入精煉爐，加鋁除鐵后得到硬鋅、B號鋅、粗鉛。鋁鐵鋅渣耙出冷卻、破碎后送電爐配料工段回收鋅［2］。

鉛塔和鎘塔的座數，應根據每年需要處理的粗鋅量或需生產的精鋅量確定，按照公式（2）～（4）計算：

鉛塔座數：

式中：G為年處理粗鋅總量，t；p為一座鉛塔每天的加料量，t/d；E為B號鋅塔直接產出率，%；m為B號鋅產出率，%；η為塔年運轉率，一般為88%～91%。

3.3 路徑規劃

以某鋅廠搬遷設計為例，其設計生產能力為150 kt/a，配套三臺電爐煉鋅。設計要求的精餾塔是14座鉛塔，8座鎘塔和4座B號鋅塔，加料量：粗鋅20 t/h，B號鋅7 t/h。以車間中軸線為基準，對應兩套鋅包自動入爐裝置，如圖4所示。

圖4 某鋅廠鋅包自動入爐裝置配置

3.4 設備功率及造價

根據前述的設計描述，每一套鋅包自動入爐裝置可對應年產7萬t精餾鋅產量。依據設計要求，裝置中的各個模塊單元功率及造價見表3。一套機組總功率為63 kW，總造價約為156萬元。

表3 機組功率及造價

4 總結與展望

鋅冶煉工藝分為火法和濕法冶煉兩種，濕法冶煉與火法相比，普遍存在浸出率低、投資大、效果差等缺點，火法冶煉鋅回收率比濕法冶煉提高2%左右［3］，因此火法煉鋅特別是近年來興起的電爐煉鋅成為主流之一。目前在做的鋅廠高階段設計中，火法煉鋅也是業主主要的考慮工藝。而火法煉鋅中，鋅精餾是重要的車間之一，因此鋅精餾鋅包轉運入爐機組是非常有推廣前景的。

本例是基于鋅冶煉的設計，實際中可應用到其他類似性質的熔融金屬的轉運過程。譬如鋁合金鑄造過程中，需要將鋁水包轉運并傾倒至鋅合金熔煉爐中。

綜上所述，基于鋅精餾車間鋅液轉運裝備的自動化改造具有良好的前景，值得推廣和應用。