李偉偉 韓宏磊 盧新委 王培元 蔣晨龍

(濟(jì)源市萬洋冶煉(集團(tuán))有限公司， 河南 濟(jì)源 459000)

0 前言

20世紀(jì)末以來，中國已經(jīng)成為世界上最大的鉛、銅金屬生產(chǎn)國。隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鉛、銅的用量也越來越大，而礦產(chǎn)資源日漸枯竭，單金屬成礦更加稀缺，伴生物料逐漸增多，給冶煉回收帶來挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)有色冶煉一般將高銅低鉛物料送銅冶煉企業(yè)生產(chǎn)，將高鉛低銅物料送鉛冶煉企業(yè)生產(chǎn)，導(dǎo)致跨行業(yè)調(diào)撥費(fèi)用增加，回收利用流程長、效率低，冶煉企業(yè)利潤微薄甚至虧損，且競爭日益激烈。在實現(xiàn)鉛銅共煉的前提下，盡可能降低能耗和生產(chǎn)成本，提高資源利用率，將成為鉛、銅冶煉發(fā)展的新方向。

目前，鉛銅混合物料的處理方法有火法和濕法兩大類，其中火法包括反射爐法、鼓風(fēng)爐法、轉(zhuǎn)爐法、電爐法等；濕法包括酸浸法、氨浸法、堿浸法等[1]。

在火法工藝中，反射爐工藝勞動條件差，熱效率低，爐襯腐蝕快，檢修頻繁；鼓風(fēng)爐法處理鉛銅物料，產(chǎn)出的銅锍中鉛品位高，銅鉛比低，鉛和銅的回收率低；鼓風(fēng)爐+反射爐工藝的回收率較高，銅锍含鉛量低，但爐溫波動大，鉛、銅分離不徹底，銅锍產(chǎn)出率低，且產(chǎn)生堿性渣，爐體壽命短，能耗高，環(huán)境污染嚴(yán)重。反射爐法和鼓風(fēng)爐法均已被國家列為限期淘汰工藝[2]。轉(zhuǎn)爐處理鉛銅物料，柴油耗量大，生產(chǎn)成本高；電爐法的電耗高，焦炭用量大，生產(chǎn)費(fèi)用高，在用電緊張地區(qū)難以推行；轉(zhuǎn)爐+貧化爐工藝不能連續(xù)下料，處理量小，密閉性不好，生產(chǎn)環(huán)境差，粗鉛和銅锍在轉(zhuǎn)爐內(nèi)不能分離，貧化爐處理壓力大，效率低，且貧化不徹底，不能一步到位，貧化渣仍需返回配料處理，渣放出環(huán)境較差且需要較大的冷卻用地?；剞D(zhuǎn)窯+電爐工藝存在回轉(zhuǎn)窯油耗高，電爐用電量大且需要加入焦炭，成本過高且地域限制明顯的缺點?？偠灾?，火法處理鉛銅混合物料普遍存在鉛銅分離不徹底、粗鉛產(chǎn)出率低、能耗高的問題。

在濕法工藝中，酸浸法的反應(yīng)周期長，銅浸出率不高，雖棄渣少但廢水量大；氨浸法的設(shè)備需加強(qiáng)防腐，且氨氣使用安全性難保障，廢氣處理成本過高。酸浸法和氨浸法均利用銅與溶劑反應(yīng)的原理處理鉛銅混合物料，對鉛銅物料品位要求較高，因此處理低品位鉛銅混合物料的生產(chǎn)成本較高。堿浸法的流程長，工藝復(fù)雜，投資大?？傊瑵穹ㄆ毡榇嬖诠桃悍蛛x難、工藝復(fù)雜、反應(yīng)周期長、投資大、廢水廢氣難處理的問題[3]。

某公司主要處理的鉛銅混合物料是銅浮渣，銅浮渣是粗鉛火法精煉熔析除銅的產(chǎn)物，其主要成分是鉛和銅，一般含銅量為10%～15%，含鉛量為60%左右，此外還含有Zn、Sn、As、Sb、Co、Ni、Ag、Au及其他元素。該公司進(jìn)行了多次技術(shù)改造：2013年之前采用反射爐加鼓風(fēng)爐工藝處理銅浮渣；2014年采用富氧側(cè)吹爐處理銅浮渣；2018年采用富氧側(cè)吹爐加鼓風(fēng)爐處理銅浮渣。雖然這幾次改造都實現(xiàn)了鉛銅共煉，但爐渣含鉛量和含銅量指標(biāo)均不理想，能耗依舊過高。2020年再次進(jìn)行技術(shù)改造，采用了富氧側(cè)吹爐- 貧化爐兩爐協(xié)同處理銅浮渣。經(jīng)過不斷的試驗和改進(jìn)，鉛、銅分離較好，熔煉效率高，指標(biāo)良好，生產(chǎn)穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

1 富氧側(cè)吹爐- 貧化爐協(xié)同鉛銅混合物料工藝

最近幾年，國內(nèi)富氧側(cè)吹熔煉技術(shù)發(fā)展較快，主要應(yīng)用在高鉛渣還原熔煉、銅精礦的造锍熔煉、再生鉛還原熔煉以及污泥固廢處置等。在高鉛渣的還原熔煉中，高鉛渣中的鉛以PbO的形式存在，高鉛渣在富氧側(cè)吹爐內(nèi)還原熔煉30 min，渣含鉛量即可降至2%以下，熔煉效率高。銅浮渣中的部分鉛也以PbO形式存在，因此高鉛渣的富氧側(cè)吹熔煉為銅浮渣的富氧側(cè)吹熔煉提供了依據(jù)。銅锍是熔煉過程中產(chǎn)生的重金屬硫化物共熔體，以Cu2S、FeS為主，含有少量其他金屬硫化物(如PbS、ZnS等)、氧化鐵(如FeO、Fe2O3等)、貴金屬(Au、Ag等)。此外，富氧側(cè)吹爐在銅精礦的造锍熔煉生產(chǎn)中應(yīng)用成熟，傳質(zhì)和傳熱條件好，攪拌強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率高。

某公司已經(jīng)有一臺用于鉛銅物料熔煉的富氧側(cè)吹爐。自投產(chǎn)以來，富氧側(cè)吹爐運(yùn)行穩(wěn)定，但爐渣指標(biāo)均不理想。該公司創(chuàng)新性地研發(fā)了專門用于處理熔煉爐渣的貧化爐，使鉛、銅回收率進(jìn)一步提升。

1.1 處理熔煉爐渣的貧化爐

貧化爐基本構(gòu)造如圖1所示。

1-煙道； 2-進(jìn)渣口； 3-第四側(cè)壁； 4-第二側(cè)壁； 5-觀察口； 6-渣層； 7-銅锍層； 8-進(jìn)風(fēng)孔； 9-第三側(cè)壁； 10-第一側(cè)壁； 11-燃燒器； 12-出銅孔； 13-出鉛孔； 14-放渣口圖1 貧化爐構(gòu)造示意圖

目前現(xiàn)有的銅冶煉渣貧化技術(shù)較少，新建廠一般采用渣選礦方法，而老廠主要采用電爐或回轉(zhuǎn)爐貧化法。火法貧化的棄渣含銅量和運(yùn)行費(fèi)用略高于渣選礦法，但投資費(fèi)用較低；而渣選礦法雖然棄渣含銅量低、運(yùn)行費(fèi)用少，但選礦廠的投資費(fèi)用高且需要大面積的空地進(jìn)行渣緩冷。因此，火法與渣選礦法都不是非常理想的渣貧化工藝。

某公司在2018年采用鼓風(fēng)爐處理熔煉爐渣，雖提高了金屬回收率，但生產(chǎn)成本、環(huán)保管控、能源消耗、工藝指標(biāo)等各個方面均不理想。經(jīng)過兩年的研究試驗后，創(chuàng)新性地研發(fā)貧化爐處理熔煉爐渣，將部分銅锍和熔煉渣通過進(jìn)渣口進(jìn)入貧化爐，并通過噴槍吹入富氧空氣，銅锍和熔煉渣中未燃燒充分的碳粒作為燃料，在溶池的渣層內(nèi)浸沒燃燒，提供熱量的同時，提供爐內(nèi)還原氣氛，進(jìn)行還原熔煉。充分熔煉后，停止進(jìn)氣，熔煉后的锍體和爐渣靜置沉降分離，且貧化爐配套燃燒器通入天然氣進(jìn)行供熱保溫，防止降溫影響沉降分離效果。這種貧化工藝不需要添加額外還原劑和燃料即可進(jìn)行吹煉，貧化效果好，金屬回收率高，并且能耗和投資低、占地小、生產(chǎn)費(fèi)用低，適于推廣。

1.2 熔煉過程

富氧側(cè)吹爐- 貧化爐協(xié)同處理鉛銅混合物料的工藝流程如圖2所示。

圖2 富氧側(cè)吹爐- 貧化爐協(xié)同處理鉛銅混合物料的工藝流程

熔煉的主料包括銅浮渣(Pb含量60%～70%、Cu含量10%～15%)、鉛膏(Pb含量68%～72%、S含量3%～5%)、煙灰(Pb含量15%～25%、Cu含量1%～3%)、壓濾渣(Ca含量40%～50%、S含量12%～18%)及各種鉛銅伴生料；輔料為純堿、鐵屑。主、輔料的各元素滿足Pb含量50%～55%，Cu含量10%～15%，銅硫比2.5～3，F(xiàn)e含量3%～4%，Si含量0.5%～2%，Ca含量0.5%～2%，Zn含量<2%。

熔煉過程中，將主輔料混合均勻，投入富氧側(cè)吹爐進(jìn)行熔煉，不間斷均勻投料，下料量為12～15 t/h，同時從富氧側(cè)吹爐下料口投入燃料粒度炭。熔煉過程分為造銅期和造渣期以及二次吹煉。造銅期粒度炭量為2.4～2.6 t/h，造渣期粒度炭下料量為1.3～1.5 t/h。

1.2.1 造銅期

在造銅期，鼓入富氧空氣2 500～2 850 Nm3/h ，天然氣40～70 Nm3/h ，氧氣濃度為45%～55%，降低氧化氣氛，使鐵、銅、硫形成共晶，單獨(dú)成相形成銅锍，具體反應(yīng)為：

FeS+Cu2O=FeO+Cu2S

(1)

經(jīng)銅锍口排出的一次銅锍含銅量占入爐物料銅金屬含量的50%～57%，銅锍含鉛量占入爐物料鉛金屬含量的3%～7%。

配入輔料純堿的作用是生成低熔點的鈉锍，降低爐渣的熔點和含鉛量，使原料中少量的砷、銻以砷酸鈉、銻酸鈉的形式造渣，從而脫除部分砷、銻[4]。具體反應(yīng)為：

7PbS+4Na2CO3=7Pb+6NaS+Na2SO4+4CO2↑

(2)

As2O5+3Na2CO3=2Na3AsO4+3CO2↑

(3)

Sb2O5+3Na2CO3=2Na3SbO4+3CO2↑

(4)

加入鐵屑的作用是將硫化鉛置換成金屬鉛，降低銅锍含鉛量，從而實現(xiàn)銅锍與鉛的徹底分離。

PbS+Fe=Pb+FeS

(5)

1.2.2 造渣期

在造渣期，鼓入富氧空氣2 500～2 850 Nm3/h，天然氣40～70 Nm3/h，氧氣濃度為55%～65%，降低熔煉爐渣的熔點和含鉛量，以及銅锍含鉛量，實現(xiàn)銅锍與鉛的徹底分離。熔煉形成的粗鉛通過虹吸道排出，粗鉛含鉛量占入爐物料鉛金屬含量的85%～95%，粗鉛含銅量占入爐物料銅金屬含量的12%～25%。

整個熔煉周期為200～220 min，熔煉爐銅锍口排出銅锍和出渣口排出熔煉渣的周期均為3.5～4 h。

富氧側(cè)吹熔煉爐產(chǎn)生的粗鉛進(jìn)行下一步電解精煉，銅锍可直接外售，煙氣降溫收塵后送去脫硫，熔煉爐渣進(jìn)入貧化爐進(jìn)行進(jìn)一步吹煉。

高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐回收余熱、脈沖收塵器收塵、脫硫塔脫硫后達(dá)標(biāo)排放，SO2濃度低于50 mg/m3，煙灰返回配料使用。

1.2.3 二次吹煉

熔煉爐渣通過溜槽進(jìn)入貧化爐進(jìn)行吹煉，其中未燃燒的粒度炭作為燃料，同時提供還原氣氛。前期低溫吹煉，通富氧空氣1 250 Nm3/h；后期高溫吹煉，通富氧空氣1 450 Nm3/h；充分熔煉后，粗鉛、銅锍和爐渣靜置沉降分層，依次放出。

貧化爐每爐吹煉的熔煉渣量為5～7 t，吹煉過程中視爐況及時補(bǔ)充輔料：粒度炭0～0.5 t/爐，純堿0～100 kg/爐，鐵屑0～100 kg/爐。貧化爐的處理量為35～50 t/d，產(chǎn)生的貧化爐渣量為20～30 t/d。

在粗鉛、銅锍和爐渣沉淀期，貧化爐未用氣；進(jìn)行粗鉛、銅锍和爐渣排放作業(yè)時堵住風(fēng)口不通氣。貧化爐吹煉產(chǎn)生的二次銅锍自出銅口排出，爐渣自出渣口排出。銅锍和貧化爐渣每爐放出一次，時間間隔為2～3.5 h。粗鉛自貧化爐出鉛口排出，每周一次。

由于富氧側(cè)吹爐的熔煉周期與貧化爐的吹煉周期不完全相同，再加上主輔料入爐、粗鉛、銅锍、排渣等因素的影響，貧化爐有時會出現(xiàn)等待熔煉爐渣進(jìn)爐的空爐期。為了避免貧化爐空爐期自然降溫后重新加熱升溫造成能量浪費(fèi)，如果等待時間超過20 min，則通入天然氣和氧氣進(jìn)行保溫，天然氣與氧氣量的通入量為1∶(1.5～2)，最佳配比為1∶2，此時天然氣可以充分完全燃燒。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

富氧側(cè)吹爐的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 富氧側(cè)吹爐技術(shù)指標(biāo)

貧化爐的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 貧化爐技術(shù)指標(biāo)

3 鉛、銅分布情況

富氧側(cè)吹熔煉爐- 貧化爐協(xié)同貧化處理鉛銅混合物料，不僅實現(xiàn)了鉛、銅共煉，且鉛、銅分離方面的指標(biāo)良好(表3、表4)。

表3 富氧側(cè)吹爐- 貧化爐產(chǎn)物中鉛銅分布率 %

表4 富氧側(cè)吹爐- 貧化爐產(chǎn)物中砷、銀分布率

4 工藝優(yōu)勢

相比改造前采用的反射爐加鼓風(fēng)爐工藝，富氧側(cè)吹爐- 貧化爐處理銅浮渣工藝的優(yōu)勢[5]如下：

1)床能率綜合提升。反射爐床能率為2～2.5 t/m2·d，爐況較好時最高能達(dá)到4 t/m2·d，但依舊過低；富氧側(cè)吹爐床能率可達(dá)50 t/m2·d，物料處理能力大幅提升，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，工業(yè)化優(yōu)勢更加明顯。

2)可連續(xù)下料。反射爐需分次下料，熔煉周期長，且各期爐溫相差懸殊，爐襯易損壞，檢修頻繁，含銅爐渣需冷卻破碎后才能下料，費(fèi)工費(fèi)時，熱量得不到利用，無法實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)；富氧側(cè)吹爐可連續(xù)下料，熔煉周期比較短，為150～180 min，熱渣直接流入貧化爐，貧化爐熔煉周期與富氧側(cè)吹爐熔煉周期基本匹配，極少出現(xiàn)空爐期，即使出現(xiàn)空爐期也可使用天然氣進(jìn)行保溫，流程短，熱利用率高。

3)鉛、銅分離效果好。反射爐在鉛渣分離、鉛銅分離階段均需要長時間保溫沉淀；富氧側(cè)吹爐可實現(xiàn)粗鉛、銅锍、熔煉渣分別放出，無須進(jìn)行沉淀分離，后續(xù)貧化爐進(jìn)行短時間保溫沉淀后即可放出粗鉛、銅锍、熔煉渣。反射爐產(chǎn)銅锍含鉛量為5%～10%，后續(xù)鼓風(fēng)爐產(chǎn)銅锍含鉛量為4%～8%，鉛、銅分離效果較差；富氧側(cè)吹爐產(chǎn)銅锍含鉛量為4%～6%，后續(xù)貧化爐產(chǎn)銅锍含鉛量為1%～3%，含鉛量降低。

4)鉛、銅回收率高。反射爐加鼓風(fēng)爐工藝的鉛綜合回收率為96%～97%，銅綜合回收率為94%～95%；富氧側(cè)吹爐鉛綜合回收率可達(dá)99%以上，銅綜合回收率可達(dá)97%以上。

5)渣指標(biāo)良好。富氧側(cè)吹爐的熱渣直流入貧化爐，貧化爐爐渣的含鉛量、含銅量均小于0.5%，可直接水碎冷卻后銷售，無需自然冷卻后再進(jìn)行選銅處理。

6)生產(chǎn)操作環(huán)境好。富氧側(cè)吹爐和貧化爐的密閉性更好，連續(xù)進(jìn)料、出料過程中，全程密閉控制，無煙氣逸出問題，尾氣在線監(jiān)測達(dá)標(biāo)排放，生產(chǎn)環(huán)境良好。

7)能耗低。反射爐消耗焦炭25～35 kg/t、煙煤400～450 kg/t、電耗45～50 kW·h/t，且后續(xù)鼓風(fēng)爐處理爐渣的焦炭消耗達(dá)到3 000～4 000 kg/t，電耗達(dá)到710 kW·h/t；而富氧側(cè)吹爐電耗為64 kW·h/t，煙煤消耗只有213 kg/t，后續(xù)貧化爐只需要補(bǔ)少量的純堿、粒度炭、鐵屑即可進(jìn)行吹煉，能耗大幅降低。

5 結(jié)束語

某公司的富氧側(cè)吹爐- 貧化爐兩爐協(xié)同處理鉛銅混合物料工藝投產(chǎn)運(yùn)行以來，不斷改進(jìn)，探索最佳技術(shù)參數(shù)，目前取得很好的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。實踐表明，該工藝是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的現(xiàn)代冶煉方法，大幅提高鉛、銅金屬回收率，在銅浮渣冶煉領(lǐng)域?qū)⒕哂泻芎玫耐茝V前景。