对电炉炼锌、粗锌精馏工艺及物料平衡的探讨

2021-07-29刘予成

文山学院学报 2021年3期

刘予成

（文山学院冶金与材料学院，云南文山 663099）

锌是一种重要的工业原材料，广泛应用于电气、机械、军事、冶金、化学、医药等众多领域。我国铅锌矿资源储量丰富、分布广泛，但是大矿少、小矿多；富矿少、贫矿多；易采易选矿少、难采难选矿多。绝大部分探明矿点已经得到开发利用，未被开发利用的储量大多集中在建设条件和资源条件不好的矿区，后备资源缺乏[1-2]。尽管我国锌工业出现投资热，但在全球市场竞争中的优势并不明显，特别是随着国内锌矿产资源的下降，锌产业的可持续发展能力严重削弱[3]。基于资源、能源与环境保护等多方面考虑，推进资源循环利用，建立高产出、低消耗、重环保的产业格局，对促进我国铅锌矿业科学健康发展具有十分重要的意义。

锌冶炼工艺分为火法和湿法冶炼两种，本文采用火法冶炼工艺主要是根据项目矿石性质、锌铟回收率确定，本文所用原矿为高铁含锌铟矿，此种矿石为“难采、难选、难冶”三难多金属矿[4-5]。湿法冶炼浸出率低、投资大、效果差，铟回收率仅为50%；火法冶炼锌铟回收率较好，铟回收率可以提高至80%，锌回收率比湿法冶炼可以提高2%左右[6]，因此根据矿石自身特点，选用火法冶炼工艺，为下一步从硬锌渣中提取铟工艺提供理论数据。

1 生产原料和辅料

1.1 原料

文章所用原矿为高铁含锌铟矿，以高温氧化沸腾焙烧产出的锌焙砂作为炼锌的主要原料。其化学成分为：Pb为0.0649%、As为0.429%、Fe为18.07%、S为0.54%、Cu为0.897%、Sb为0.0075%、Zn为55.58%、Ag为0.0025%、F为0.047%、Cd为0.0875%、Cl为0.318%、SiO2为3.16%、CaO为1.05%、MgO为0.53%、Al2O3为0.78%、In为0.045%。

1.2 辅助材料

电炉炼锌所需要的还原剂为碎焦，其化学成分含量为：固定炭C为77.73%，灰分为20.63%，挥发分为1.64%，S为0.5%，P为0.1%，水份小于1.0%；对碎焦灰分分析，其化学成分含量为：SiO2为52.54%，CaO为4.23%，MgO为0.74%，Al2O3为19.76%，Fe2O3为5.06%，其他为17.67%。熔剂主要为烧石灰和石英石，其中石灰化学成分含量为：CaO为87%，SiO2为0.487%，Fe2O3为0.06%，MgO为0.21%，其他为12.243%；石英石化学成分含量为：SiO2为98.54%，Fe为0.42%，MgO为0.34%，CaO为0.46%。

2 生产工艺

文章主要对电炉还原炼锌、粗锌精馏精炼的冶炼工艺进行研究。利用电能直接在电炉内加热炉料（锌焙砂、氧化锌矿、焦炭和生石灰熔剂等），经熔炼连续蒸发出锌蒸气，然后骤速冷凝得到粗锌产品，焙砂中的铟在电炉还原熔炼时大量挥发进入粗锌，粗锌再经精镏进一步可制取精锌。

2.1 电炉熔炼

锌焙砂、焦炭、生石灰、石英石按一定配备进行配料、混合，工艺流程见图1。

图1 电炉炼锌工艺流程

在电炉还原熔炼中，将配好的原料定量间断地给入密闭电炉内。升温至熔池温度达1 250～1 350 ℃，焙砂中的ZnO被还原气体CO还原成Zn蒸汽，经炉气出口进入飞溅式冷凝器，被石墨转子扬起的“锌雨”冷凝吸收汇入锌池，当锌池中的锌液面高度超过290 mm后，即可放出液锌浇铸成粗锌锭，电炉冶炼所产粗锌中Zn含量为98.7%～99.5%。

液锌因吸收锌蒸汽热量而使自身温度不断升高，为控制液锌在450～550 ℃范围内，在飞溅式贮锌槽中设置有可移动的U型冷却水管对液锌进行间接水冷，从而保证了最佳的冷凝效率，减少锌灰生成，提高Zn的直接回收率。

2.2 粗锌精镏

精馏法的精馏原理是利用粗锌中的杂质各具不同沸点的特性，通过蒸馏、分馏过程，使Zn与其他杂质金属分离从而得到高纯度的Zn，并使Pb、In、Cd等金属分别得到富集。工艺流程见图2。

图2 粗锌精馏工艺流程

在锌精馏工艺流程中设置不同功能、不同塔盘的两种塔即铅塔和镉塔，每个塔的温度控制条件不同，就可以控制塔内的蒸馏、冷凝回流、分馏量，使锌与杂质元素分离。将电炉熔炼车间的液体粗锌（或粗锌锭）经精馏车间将液锌包中的锌加入熔化炉，经煤气加热熔化为粗锌液，送入铅塔，铅塔温度控制在930 ℃左右，可将高沸点杂质Fe、Pb、Cu、Sn、In从粗锌中分离，其脱除率可达98～99%。铅塔中部冷凝的脱除高沸点杂质的含Cd液锌流入镉塔，镉塔温度控制在920℃左右脱除锌液中的Cd等低沸点杂质元素，镉塔上部产出高镉锌锭、镉塔下部的纯锌槽产出精锌通过铸锭机铸成锭。铅塔下部含高沸点杂质的液锌进入精炼炉，加铝除铁后得到硬锌、B#锌、粗铅。铝铁锌渣耙出冷却、破碎后送电炉配料工段回收锌。

3 物料平衡及金属平衡

对电炉熔炼、精锌精馏工艺流程进行物料平衡衡算，将锌矿中S、Pb、Zn、Cd、As等金属进行分析。

对电炉熔炼工艺流程进行物料平衡计算。按配比投入锌焙砂59 808 t、碎焦炭9 420 t、烧石灰8 670 t、石英石7 057 t、兰粉1 910 t、锌灰4 742 t后，经过电炉熔炼产出粗锌32 000 t、锌灰4 742 t、兰粉1 910 t、炉渣33 000 t、积铁放出18 924.5 t，整个电炉熔炼损失为1 030.5 t。

对电炉熔炼得到的粗锌进行精馏，通过计算物料平衡得到，投入原料电炉产物粗锌32 000 t，B#锌13 148.98 t，经过镉塔，使锌与镉分离，产出精锌28 726 t，B#锌13 148.98 t，硬锌2 180 t，锌渣及氧化锌575 t，高镉锌178.19 t，粗铅24 t，铁铝合金116 t，整个精馏流程工艺损失200.81 t。

在电炉熔炼物料中，利用不同金属沸点不同的特点，最终除去S、Pb、Cd、As等杂质。电炉熔炼和粗锌精馏工艺中金属元素S、Pb、Zn、Cd、As、In的平衡详见表4、5。

表4 电炉熔炼金属平衡表

表5 粗锌精馏金属平衡表

电炉熔渣温度控制在1 300～1 350 ℃之间，以上金属在物料中主要以氧化态存在，在炉内强还原剂CO的作用下，除部分留在渣中，其他形成金属单质全部挥发，经3次冷却吸收下来，尾气中仅含少量的锌和镉，不含铅、砷。物料中S主要是以硫化锌的形式存在，在强还原条件下，不反应，一部分留在渣中，一部分挥发冷却后进入粗锌、锌灰、兰粉水中。尾气不含硫化锌及SO2。