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铅雨冷凝器进口挂帘并堆积的成因与应对

摘要：本文根据铅锌密闭鼓风炉的生产实践，探讨铅雨冷凝器进口结瘤的形成及应对措施
关键词：铅雨冷凝器 密闭鼓风炉 进口斜坡
一、 前言
近年来，第三冶炼厂为了提高密闭鼓风炉生活水平，延长生产周期，对铅雨冷凝器进口易挂帘并堆积的现象做了大量的研究工作，并且在生产实际中总结出许多行之有效的方法。使长期以来因斜坡堆积或进口挂帘造成炉气不畅而中断送风过程的现象得到大幅度的改善。
二、 铅雨冷凝器进口挂帘的形成过程
由于密闭鼓风炉炉气中，锌蒸汽为6—8%，CO2为10—12%，CO为18—25%，在这种高CO2低锌蒸汽气氛中，随着温度的降低锌蒸汽很容易被CO2氧化，因此密闭鼓风炉的铅雨冷凝器利用铅雨对锌蒸汽进行迅速吸收，降低锌的活度，避免了锌的再冷氧化，但由于转子扬起的铅雨在冷凝器进口顶部存在干湿界面，而密闭鼓风炉炉气的温度在此处也逐步下降至900℃左右，依据动力学的原理，炉气中锌蒸汽极易被氧化成氧化锌，并与其它硫化物一起攀附在此处，形成致密的结瘤，从而改变炉气的流动状态，形成局部的涡流，而逐渐形成下垂的炉结俗称挂帘（如图所示）
其主要成分如表一所示

表一 铅雨冷凝器进口结瘤成分

含量（%）
成分

Pa
Zn
S
Fe
CaO
SiO2

28.81
55.82
0.23
0.25
0.45
0.3

35.90
49.63
0.93
0.20
0.56
0.4

35.12
49.88
0.68
0.18
0.49
0.43

图1 铅雨冷凝器结瘤示意图
铅液面
A

三、 进口斜坡堆积物的形成过程
如图1所示，当挂帘形成，炉气在此处形成涡流状态时，炉气所夹带粉尘或氧化物的流动方向产生逆流，逐步在进口斜坡处产生结瘤形成恶性循环，堆积速度加快，最终中断生产，休风处理。
四、 针对挂帘及堆积的应对
长期的生产实践证明，当密闭鼓风炉生产进入后期，铅雨冷凝器挂帘及堆积形成较快，炉顶压力高，物料在炉气烘托作用下，容易在物料中形成卡料。为了维持正常的清扫制度，只能利用短暂的休风时间来清除挂帘的那部分，影响密闭鼓风炉的送风时率，同时由于清理下的浮渣块不能及时扒出，导致转子及铅泵的正常运转得不到保证，冷分系统条件的正常控制受到很大的影响。针对以上种种原因，可采取以下几点措施可减少结瘤的生成机率：
⑴ 保证炉料（烧结块及焦炭）的块度和强度，加入密闭鼓风炉的物料通常为烧结块、焦炭和熔剂。烧结块必须具有足够的硬度,即机械强度,只有足够的硬度才能保证烧结块在熔炼时不被一定高度的料柱所压碎;烧结块的块度一般在50～100ｍｍ,块度过小会使料柱透气性变坏,且容易粘附在炉壁形成炉结;还要求有均匀的化学成分,低的含硫和高的孔隙度,烧结块的多孔和良好的透气性有助于提高整个料柱的透气性,加速还原反应的进行。焦炭是鼓风炉熔炼的发热剂,也是还原剂。焦炭中一部分固定碳在鼓风炉内燃烧成ＣＯ,这是鼓风炉的主要还原剂;另外,高温的焦炭本身也是很好的还原剂。焦炭在炉中还起作疏松料柱的作用,炭素在高温下不软化、不熔化,在鼓风炉的成渣带是依靠焦炭来保持料柱的良好透气通道。入炉焦炭要求有较高的固定碳(一般是80%～85%)和低的含硫和灰分,焦炭的灰分直接影响固定碳含量,一般焦炭灰分为8%～15%。灰分高,渣量也大,灰分的造渣还需要消耗熔剂和热量。加入的熔剂是生石灰块,起作调整渣型的作用。铅锌密闭鼓风炉内,在风口前有一个燃烧区域,焦炭在这里进行燃烧反应。焦炭从鼓风炉炉顶加入,在风口燃烧区以上一直保持固态直至风口。焦炭集中在风口区与从风口鼓入的高温空气发生激烈的燃烧反应生成ＣＯ2,见(1),随着ＣＯ2气体的上升又被炉料中赤热的焦炭还原成ＣＯ,见(2)。
Ｃ+Ｏ2=ＣＯ2+393840Ｊ(1)
Ｃ+ＣＯ2=2ＣＯ-171715Ｊ(2)
从反应式(1)、(2)可看出,如果焦炭全部燃烧成ＣＯ2,热的利用率最高,但还原能力最弱。鼓风炉内焦炭的燃烧与鼓入的风量相关,在鼓入的风量较小鼓风动能较低时,风不足以带动焦炭一起运动,这时风口前的焦炭比较紧密,即焦炭在“紧密的焦炭层”中进行燃烧,风口不活跃,运动比较呆滞;在鼓入的风量较大鼓风动能较大时,就能吹动焦炭并带着焦炭在风口前进行循环运动,即焦炭在“循环运动中”燃烧,此时风口比较活跃,焦炭在其中进行激烈的运动并燃烧。风口前焦炭的这种呈机械的循环运动形成了一个比较疏松的区域,这一区域近似球形。在鼓风炉的设计当中鼓风炉风口区的计算是相当重要的一个环节,关系到风口直径的选取,风口间距、风口对距的设定。鼓风炉风口区的计算是一个比较复杂的过程,在理论上还没有形成一个严谨的、统一的计算公式。目前运用比较多的仍是嘉德勒(Ｇａｒｄｎｅｒ)计算公式和伍洛达茨克(Ｗｌｏｄａｒｃｚｙｋ)计算公式。密闭鼓风炉的设计已趋于成熟和经验化,通常情况下设计者在风口装置的设计时往往习惯于凭经验或是参考原有的设计而不去作繁杂的计算,这也是为什么在风口区计算理论上的研究一直少有进展的原因之一。
　烧结块烧结块中的锌,绝大部分呈氧化锌(ＺｎＯ)、硅酸锌(ＺｎＯ·ＳｉＯ2)和铁酸锌(ＺｎＯ·Ｆｅ2Ｏ3)的形态存在,在烧结脱硫良好的情况下硫酸锌(ＺｎＳＯ4)与硫化锌(ＺｎＳ)在烧结块中含量甚微。烧结块中的ＺｎＯ在密闭鼓风炉内的还原是强吸热反应,见(3);烧结块中的铅,绝大部分呈氧化铅(ＰｂＯ)、硅酸铅(ＰｂＯ·ＳｉＯ2)和铁酸铅(ＰｂＯ·Ｆｅ2Ｏ3),少量呈硫酸铅、硫化铅和金属铅。在鼓风炉料柱的上部,氧化铅就被一氧化碳还原成金属铅,见(4)。
ＺｎＯ+ＣＯ=Ｚｎ+ＣＯ2-188100Ｊ(3)
ＰｂＯ+ＣＯ=Ｐｂ+ＣＯ2+66960Ｊ(4)
为了更清楚了解烧结块在鼓风炉内的行为及所起的物理化学变化,可以将鼓风炉从上至下大致分成四个区域,鼓风炉内的物理化学变化是复杂的,划分仅仅是为了叙述的方便,也只能初略地反映大概情况。风口水平面向上1ｍ左右为炉渣熔化带,再向上约3ｍ区域为还原带,还原带向上1ｍ左右称之再氧化带,再氧化带到料面的距离定义为炉料预热带。烧结块从炉顶的料钟加入炉内,烧结块的温度约400℃,首先进入炉料预热带,在此区域烧结块从炉气中吸收热量而被迅速加热到1000℃左右,从料面逸出的炉气温度被降低到800～900℃。在这种温度变化的范围内,炉气中的锌部分被再氧化(即(3)的逆反应),锌蒸气再氧化时放出热量,烧结块中的ＰｂＯ开始按反应(4)被还原。所以预热炉料的热主要来自炉气的显热和锌蒸气再氧化放出的热及ＰｂＯ还原放出的热。了解了整个焦炭和烧结块在铅锌密闭鼓风炉的反应机理，要求更加准确的控制正常的风焦比，以减少炉结产生的条件；
⑵ 为减少炉喉斜坡底部堆积，可将斜坡改陡改短，并减薄混凝土厚度；
⑶ 延长1#转子中心线与冷凝器进口水泥梁（图1 A点）的距离，使干湿界面后移，有利于炉气中锌蒸汽尽快被铅雨吸收；
⑷ 铅雨冷凝器盖板可适当抬高，以增大冷凝器进口截面积，减缓炉气流速，提高冷凝器进口顶部干湿界面的温度，减缓锌蒸汽氧化凝结过程，减少挂帘的形成。
五、 提出的相关建议
因铅雨冷凝器前段盖板一直是密闭鼓风炉生产后期的薄弱环节，盖板变形、移位时，对转子更换等生产操作带来诸多的不利影响，尤其当盖板处在温度上升时。对盖板材质的要求更高。因此试用新型材质或耐火材料的组合顶盖或许会改变这种被动的状况。

铅雨冷凝器进口挂帘并堆积的成因与应对

工作单位： 白银有色集团股份有限公司第三冶炼
姓 名： 王民军
工 种： 火法冶炼工
级 别： 技 师