降低矿热电炉水淬渣含锌的原理分析及措施

鲁吉祥

摘要：介绍了矿热电炉生产锌粉的基本原理，对熔渣氧化锌活度的影响因素进行了分析，碱性渣有利于氧化锌的还原。对影响水淬渣含锌的操作条件控制因素：熔渣酸碱度、加料量、炉温、焦炭配比等进行了分析，提出了优化方向和措施。并进一步降低水淬含锌至设计指标，取得良好经济性。

关键词：矿热电炉;水淬渣含锌;渣型

一、前言

矿热电炉炼锌具有体积小、占地面积小、热效高等特点，由于采用锌焙砂或其他含锌物料作为原料，成本低且来源广泛，同时矿热电炉工艺设备简单易于实现机械化和自动化，加之电炉锌粉活性强、净化效果好，有其独特的优势。

某厂矿热电炉生产渣含锌普遍在13%以上，造成很大经济损失。降低水淬渣含锌是提高锌直收率的关键措施。本文主要从矿热电炉主要的工艺原理出发，通过分析熔池氧化锌的碳还原条件，寻找工艺控制的薄弱环节，提出对应措施，以期减低水淬渣含锌，提升技术经济指标。

二、矿热电炉炼锌的基本原理

矿热电炉炼锌是将锌焙砂用碳还原出金属锌的过程，锌焙砂被碳还原，实际是由CO还原，主化学反应是：

该反应是吸热反应，需要温度在1000℃以上。锌焙砂和焦炭及熔剂的混合物料加入炉内后，焦炭在高温下迅速气化：C+CO2=CO，锌焙砂中的氧化锌部分直接与一氧化碳发生气固反应直接还原，大部分（约60%）锌焙砂中的的氧化锌进入熔池，熔融后主要以熔池形式和一氧化碳气体发生气液反应被还原。

三、锌金属损失的原因分析

由于该厂电炉锌粉工艺没有制粒工序，直接采用焙砂或氧化锌粉（80-200目）为电炉锌粉原料。根据锌金属损失的物料形态，由两部分构成，一是未反应的物料直接被炉气带走：根据气固反应的收缩核动力模型，受制于物相扩散速率和多元反应速率，入炉焙砂来不及反应，直接随炉气飘入炉体后冷凝系统，以焙砂的形式混入锌粉，锌粉有效锌指标下降。

另外一部分是，熔池中未会发还原完全、留在熔渣中的锌金属损失。矿热电炉熔池锌的损失主要有两个方面：一是根据化学反应平衡常数，熔池中氧化锌受制于反应限度和反应条件，未能全部还原，渣含锌高于指标以放渣形式排出，造成锌的损失;二是由于该厂所用锌焙砂不是全熟料，焙砂含残硫约0.6%，主要以硫化锌和硅铁硫酸盐锌的化合物形式存在，锌的硫化物还原比较氧化锌还原更为困难，大部分不能还原，造成损失。

就实际情况来说，熔渣中氧化锌含量偏高，是锌损失的主要原因，也是导致电炉锌粉成本较高的主要原因，降低水淬渣含锌是减少锌损失、降低锌粉生产成本的当务之急。

四、控制渣含锌的工艺条件影响分析

渣含锌是反应炉况的重要指标之一，根据氧化锌碳还原平衡图（见右图），反应的控制条件不同，氧化锌的活度不同，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别代表了氧化锌在活度为a（ZnO）=1.0  1.0  0.1  0.05  0.01下的五种不同条件下的反应平衡曲线。

可见：在一定温度和还原气氛P（CO2）/P（CO）下，活度不同，反应限度不同，选择合适的炉渣成分是降低渣含锌的主要方法。渣型的控制尤为重要;活度一定，温度一定，还原反应则对还原气氛提出要求;还原气氛和氧化锌活度一定，则需要调整温度达到控制条件。

（一）炉渣是金属还原提炼过程中的产物，矿热电炉还原炼锌炉渣的主要作用是发热传导热量使含锌物料受热变为液相，氧化锌在熔池得以还原挥发。该作用通过控制炉渣的化学组成、温度及其所具有的物理化学性质（酸碱度、黏度等）来实现的。要合理地选择炉渣成分，使之具有优良的物理化学性质，如适当的熔化温度和酸碱度，较低的粘度和密度等，以利于锌的碳还原反应发生。

在实际生产中，则根据进厂原料性质和成分的特点，结合矿热电炉的操作要求，选择较合理的渣成分。氧化钙含量高能使渣含锌大幅度地降低，因通常采用高钙渣型。这样做主要有以下两个原因：一是由于氧化钙是三元炉渣（SiO2-FeO-CaO）中较强碱性的氧化物，能将渣中溶解的锌（ZnO·SiO2） 置换出来，利于氧化锌被一氧化碳和固体碳还原。适当提高氧化钙可提高渣中氧化锌活度，有利于炉渣中的锌更好地还原挥发。二是在一氧化碳还原气氛下，氧化钙能部分地分解硫化锌为金属锌，其反应式如下：ZnS+CaO+CO——CaSO4 +Zn+CO2。提高氧化钙组分，有利于降低以硫化锌和及硫酸盐化合物形态的锌损失。

（二）控制炉内还原气氛

氧化锌的碳还原比较困难，需要较强的还原气氛。由锌碳还原图可知，提高炉内还原气氛，维持较低的P（CO2）/P（CO），在平衡常数一定的情况下，有利于氧化锌最大限度的还原，降低还原后熔池内氧化锌的成分。同时，由于还原后的锌蒸汽易被二氧化碳氧化，适当提高碳锌比，配料时提高碳过剩系数，维持较低的P（CO2）/P（CO），能有效防止锌的再氧化，提高锌粉有效锌指标。

（三）温度控制

炉内还原气氛和炉渣流动性和酸碱性（氧化锌活度）较好时，则需要控制温度，使还原反应进行。

五、工艺控制措施

降低水淬渣含锌，主要有以下几个方面采取措施：

（一）适宜渣酸碱度和较低的黏度

氧化锌在炉渣中的活度，取决于炉渣的相应组成并在很大程度上依赖于其中的氧化钙和二氧化硅的含量。渣型控制不良，酸碱性和渣粘度控制没有达到还原反应需要的较好条件，造成渣中氧化鋅的活度很低，渣含锌未能充分还原。炼锌就是炼渣，渣型控制十分重要。

矿热电炉还原生产锌粉采用SiO2-FeO-CaO三元熔渣，三种氧化物占炉渣总量的80-85%，熔点在约1100-1300之间，导电率及密度均适中，黏度可小于0.5Pa·s，达到合理的条件。

在合适炉温下，控制熔池CaO/SiO2在1.0-1.2，氧化钙14-25%，二氧化硅26-32%，氧化亚铁20-28%，具有较好的流动性，氧化锌活度较高，有利于氧化锌的渣还原。

同时中性偏碱渣对镁铬渣线炉砖的化学腐蚀较小，利于延长炉砖炉衬使用时间，提高炉寿。

（二）稳定加料量

在配料比一定的情况下，熔池反应有一定的速度，当加料速度过大时，物料直接慢慢富集于熔池，熔渣变稠粘度增大，流动性下降，造成还原反应程度降低，部分氧化锌沉积，加剧了反应困难，最后随熔渣放出，造成水淬渣含锌偏高。所以稳定加料量十分重要，杜绝大料量和料量投入变化过大过猛的操作。应按照固定料量长周期均匀投料，如需调整投料量时，应按照逐渐微调的方式进行调整，尽量做到“均匀连续”。同时及时探渣，注意炉况和熔池下部的流动性，根据炉况及时做出相应调整。在放渣前，适当减少或者停止加料，以增加炉渣反应时间和充分程度、减少锌的渣损失。

（三）炉温控制

氧化锌的碳还原，按照反应机理是发生三个过程：a.吸附在氧化锌的一氧化碳还原氧化锌;b.碳表面产生的二氧化碳被碳还原;c.氧化锌和固体碳之间气体扩散。这三个过程几乎同时发生并互相联系，其最慢的过程控制了这个反应的速度。相关研究表明，氧化锌的一氧化碳还原的快慢是决定整个反应速度大小的主要环节。

氧化锌的碳还原，是一个强吸热反应，炉料保持必要的显热，过热到1000或1100℃，一方面提供反应所需的大量热焓，一方面提高反应过程所有基元反应的速度，使氧化锌迅速还原，同时高温利于提高渣的流动性。从现有控制温度1040-1070，适当提高炉顶温度至1100-1140℃，以提高整个炉内反应速率，十分必要。

（四）焦炭比例

焦炭配比取决于入炉物料中主要金属氧化物还原的理论碳量，在实际生产中，焦炭过剩系数为1.1-1.2，维持良好的还原气氛，保证氧化锌还原所必需用量。

电炉还原时，还原气氛过高，则会造成铁的还原。上图所示：曲线d所示为氧化亚铁还原为金属铁曲线，只有控制条件在曲线d下方，氧化亚铁才不被还原。在实际生产中，三相电极中心圈温度在1300至1450℃左右，这就要求焦炭过剩系数不能太高，否则造成铁的还原，生铁不易放出，恶化炉况。在实操作过程中，三相电流若都存在持续频繁性跳动，大小不易控制，则标志着熔渣铁还原已经部分地发生、炉底部分积铁，为避免可能的炉况继续恶化，需要及时采取下调焦炭配料比例或其他等相关操作。

六、具体效果

根据有关研究，锌的火法碳还原反应，要使熔渣中氧化锌完全还原，氧化亚铁势必还原为金属铁，将造成生产操作困难，渣含锌在3%时，在矿热电炉氧化锌还原将基本不再进行。

通过生产实践，控制良好的炉况操作条件，该厂电炉锌粉生产已达到设计指标，渣含锌已降至8%以下。

参考文献：

[1]李洪桂.冶金原理.北京.科學出版社.2013.

[2]邱竹贤.冶金学有色金属冶金（下卷）.沈阳.东北大学出版社.2001.

[3]郭天立.锌粉及合金锌粉生产.长沙.中南大学出版社.2011.