铅冰铜一步熔炼新工艺的机理与应用

杨卫严，周亮亮

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

铅冰铜是火法炼铅过程中产生的一种含铅铜硫化合物的副产品。 其产出在粗铅和炉渣之间分层沉淀后，是PbS、Cu2S、FeS 和ZnS 的共熔体，此外还含有一定量的Au、Ag、In 等贵重金属[1]。 由于铅矿成分及炼铅熔炼炉操作制度的不同， 炼铅所产生的铅冰铜成分波动比较大，铜、铅含量分别在10%～30%和10%～50%之间波动[2]。

目前， 处理铅冰铜的工艺存在湿法和火法两个方向， 其中处理冷态铅冰铜的火法工艺有反射炉工艺和转炉工艺两种。 国内工厂采用反射炉工艺的大多采用苏打—硫精矿熔炼，但熔炼效果并不理想：粗铅的直收率比较低， 产出的砷冰铜铅合金含量比较高，且金、银大部分富集在合金里，熔炼炉渣与合金的分离效果也不好[3]。直接燃煤的反射炉同时还存在热效率低、能耗高、操作环境差、劳动强度大、炉窑寿命短等缺点，已不能满足当前的环保要求，被国家发展改革委修订发布的《产业结构调整指导目录（2019年版）》列为第三类淘汰类。鉴于此，本文拟介绍一种火法处理铅厂铅冰铜的新工艺。

1 处理铅冰铜的新工艺介绍

1.1 处理铅冰铜的基本原理

新工艺处理铅冰铜的过程分为氧化吹炼、 碱性吹炼及还原熔炼。

1）氧化吹炼的基本原理。 铜中存在的大多数杂质对氧的亲和力都大于铜对氧的亲和力， 但因熔体中铜占绝大多数而杂质占极少数， 故其氧化机理可认为铜首先发生氧化作用，化学反应见式（1）：

溶解于铜熔体中的Cu2O 与其中的金属杂质接触时便被这些金属杂质（Me）将氧夺去，化学反应见式（2）。

生成的杂质氧化物一般在铜液中溶解度很小，且比重又较轻，因此借助铜液的翻腾作用，迅速地浮出液面，一部分和加入的熔剂结合成为炉渣，一部分挥发除去。

2）碱性吹炼的基本原理。氧化吹炼时，为进一步除去铜液中的砷、锑，可加入碱性熔剂苏打或石灰[m（CaO）:m（CaF2）=3:1]使之生成不溶于铜液的砷酸盐和锑酸盐，上浮到熔体表面而被除去，化学反应见式（3）～式（6）。

3）还原熔炼的基本原理。 还原熔炼过程的主要目的是除氧，以保证铜的品位，化学反应见式（7）和式（8）。

1.2 工艺流程描述

该新工艺的关键冶炼设备为转炉，产品为粗铜。转炉熔炼铅冰铜工艺过程主要包括熔化、 吹炼、放渣、放铜等几个工序，作业周期为间断作业，每24 h为1 个作业周期，分别为熔化期、S1 吹炼期、S2 吹炼期及B 吹炼期。 不同时期的烟气量略有波动，烟气为连续排放，详细的作业制度见表1。

表1 转炉作业制度 h

熔化期包括加料期和熔化期共6．5 h，期间向转炉内投加混合物料，加热熔化后，熔化过程温度控制在1 200 ℃左右；加入石英、纯碱、石灰等熔剂并插风管准备进入S1 吹炼期进行造渣，炉温控制在1 100～1 150℃。 S1 吹炼期包括吹炼期和倒渣期共5．5 h，在S1 吹炼期吹风过程中，实时监测渣层情况。 通常情况下在渣层超过3 mm，同时保证一定的反应时间后即可放渣； 放完渣后根据炉内情况和调度指令开始加冷料；加完冷料后，重复进行碱性熔炼（加石灰、纯碱、插风管吹炼）；S1 吹炼期碱性熔炼后，再次放渣，再次加冷料进行S2 吹炼期；S1 吹炼期和S2 吹炼期完成后将转入B 吹炼期，即开始除砷、除锑过程。 此过程还需插风管吹炼，只是少加石英砂，加大纯碱或石灰的用量，控制炉温1 050～1 100 ℃左右。 除砷、锑约1 h，即可从炉内取铜液样分析含砷情况。 待炉内铜含砷＜0．5%时， 则快速升温至1 150 ℃左右，准备出铜；若炉内含砷量未达到要求则继续吹炼。出铜时要停止加热， 并在炉内铜液面上覆盖一层薄口的石英砂，转炉熔体出口则用石英砂堆砌起一道“坝”。这样既可顺利产出粗铜，又能有效地控制好铜液的流动速度，有利于粗铜浇铸。

转炉烟气收尘系统工艺流程为：转炉烟罩出口烟气→喷雾冷却器→高温过滤收尘器→排风机→脱硫→尾气烟囱。从转炉烟罩出口排出的温度为813 ℃，含尘质量浓度为36．75 g/m3的烟气（标准状态下，下同），经喷雾冷却并沉降部分烟尘，使烟气温度降至350 ℃，然后进入高温过滤收尘器净化，使出口含尘质量浓度降至30 mg/m3以下并送往脱硫系统处理。

1.3 关键设备转炉规格选择

目前， 中国瑞林工程技术股份有限公司正在设计的国内某铅冶炼厂10 kt/a 铅冰铜熔炼项目采用的就是该工艺。以下结合该项目，对其关键设备转炉规格选择作简要阐述。

根据冶金计算，转炉日处理冰铜物料为10 000/330=30．30 t。本设计选择熔炼强度为：1 t/（m3·d）。熔炼炉的计算容积见式（9）。

根据炉体结构和工艺需要， 设计确定转炉规格的：Φ2．8 m×6．5 m。该熔炼炉的有效容积为32 m3，可满足生产需要。

1.4 转炉烘炉操作要点

转炉作为新工艺的关键设备， 其烘炉对于整个工艺的操作过程尤为重要， 现将转炉烘炉的操作要点表述如下：烘炉前，清理炉内杂物，准备好木柴、重柴油等烘炉燃料；检查炉前低压风机、油泵能否正常运转，输油管道、烟道是否通畅，转炉的传动装置及各种设备是否完好，收尘系统是否处于可开状态；确认无误后方可点火烘炉。烘炉时，在转炉的整个底部装入木柴，使转炉特别是炉顶能得到均匀加热，避免局部过热现象。 当温度达到200 ℃时才能开始烧重柴油。整个烘炉过程需严格按照烘炉升温曲线执行，严禁急冷急热，烘炉时间约240 h。 烘炉升温曲线如图1 所示。

图1 转炉烘炉升温曲线

2 新工艺主要技术参数

国内某铅冶炼厂10 kt/a 铅冰铜熔炼项目设计过程中， 使用METSIM 计算软件进行了铅冰铜熔炼过程模拟计算，铅冰铜熔炼热平衡详见表2，本项目铅冰铜含铅9%， 作业过程中其走向分布如下：约60%的铅进入到吹炼渣，约30%的进入到烟尘，剩余约10%的铅进入了粗铜。

表2 铅冰铜熔炼热平衡

基于10 kt/a 铅冰铜处理量，新工艺主要技术参数详见表3。

表3 新工艺主要技术参数

3 结语

转炉富氧熔炼处理铅冰铜是火法处理铅冰铜的一次新工艺研发。 此工艺的创新之处在于通过适当提高吹炼风含氧浓度来增强熔炼强度。 此工艺在1台熔炼炉内分别完成熔炼、吹炼阶段作业，实现了不同除杂功能。转炉处于一个完全密封烟罩里，其操作生产清洁与环保。转炉配套设计有燃烧系统、吹炼系统以及仪表控制系统，实现了工艺操作的全自动化。综上所述， 铅冰铜一步熔炼新工艺具有可行性和潜在市场，且在国内已有工业生产实践，符合当前产业政策，也顺应铅冰铜冶炼方面的技术发展趋势，具有广泛的应用前景。