年产32000t粗锌电炉熔炼车间设计

1、年产年产 32000t 粗锌电炉熔炼车间设计粗锌电炉熔炼车间设计 摘要摘要：本设计主要是针对锌火法冶炼和精练的生产工艺设计，包括厂址选择、工艺流 程、生产方法的选择及论证来设计一套生产方案。本设计主要侧重考虑以上问题，及建厂所 需资料。建厂所需资料有地理条件资料、气象资料、地质情况、厂址周边情况、交通运输条 件，还有其他一系列相关的建厂资料等。全面合理的考虑以上设计中的问题，设计出在工艺 上可靠，经济上合理，技术上先进，系统优先，原料来源广泛的锌冶炼生产工艺。 关键词关键词：锌 、电炉熔炼、设备计算、车间设计 WithWith anan annualannual capacitycapacit

2、y ofof 3200032000 t t thickthick zinczinc smeltingsmelting furnacefurnace designdesign workshopworkshop AbstractAbstract: This design is mainly aimed at zinc smelting and scouring the dominated production process design, including site choice, process and production methods and the selection of argu

3、ment to design a production plan. This design focuses on the above consideration, and the plant the required information. The factory has the required information geographic conditions material, weather information, geological conditions, the site of surrounding situation, the transportation conditi

4、ons, and a series of other relevant information of the factory. Comprehensive and reasonable considering above the problems of design, the design gives in process, reliable, and reasonable in economy, materials widely zinc smelting process for production. KeywordsKeywords: Zinc smelting, equipment,

5、electric calculation, workshop design 目目 录录 年产年产 32000T 粗锌电炉熔炼车间设计粗锌电炉熔炼车间设计 .0 1 前言前言.4 2 绪论绪论.5 2.1 锌的性质及用途.5 2.1.1.锌的物理性质.5 2.1.2 锌的化学性质.5 2.1.3 锌的主要用途.5 2.2 炼锌原料.6 2.2.1 锌的主要化合物的性质.6 2.2.2 锌矿物的种类.6 2.2.3 锌精矿的成分.7 3 电炉炼锌生产和技术电炉炼锌生产和技术.8 3.1 锌的生产方法.8 3.1.1 火法炼锌工艺.8 3.1.2 湿法炼锌工艺.8 3.2 硫化锌精矿的焙烧.8 3.

6、2.1. 焙烧目的.8 3.2.2 焙烧时硫化锌精矿中各成分的行为.9 3.2.3 硫化锌精矿焙烧动力学.9 3.2.4 焙烧生产实践.10 3.3 火法炼锌的基础理论.11 3.3.1 火法炼锌概述.11 3.3.2 火法炼锌的基本原理.11 3.3.3 火法炼锌的生产实践.15 3.4 炼锌电炉的基础理论.18 3.4.1 电热转化与分配.18 3.4.2 熔池温度场和熔渣的运动.18 3.4.3 熔池内的热交换.19 3.5 电炉炼锌工艺流程.19 3.5.1 炉料的准备系统.19 3.5.2 电炉本体系统.20 3.5.3 电极系统.20 3.5.4 渣系统.21 3.5.5 冷却循环

7、系统.21 4 电炉锌的精炼电炉锌的精炼.22 4.1 概述.22 4.2 熔析法精炼.23 4.3 精馏法精炼.24 4.3.1 精馏法的基础理论.24 4.3.2 精馏法的工艺.24 4.3.3 技术经济指标.25 4.3.4 电炉锌精炼的发展动向.26 4.4 我国电炉炼锌工艺的技术进步.27 4.4.1 炼锌电炉大型化和结构合理化：.27 4.4.2 飞溅式锌雨冷凝器由二级一冷改进为三级一冷：.28 4.4.3 二冷洗涤器由二喷二文改进三喷三文 ：.28 4.4.4 短网系统.29 4.4.5 工艺技术条件更加合理、更加成熟.29 4.4.6 主要技术经济指标的提高.30 4.4.7

8、电炉锌质量有很大提高：.30 4.4.8 炉龄大大延长：.31 4.4.9 炉底积铁有所减缓：.31 4.5 电炉炼锌的特点.31 4.5.1 工艺流程简单.31 4.5.2 我国电炉炼锌尚存在的问题：.32 4.5.3 电炉炼锌的发展前景.33 5 厂址的选择与论证厂址的选择与论证.34 5.1 工厂设计的原则.34 5.2 厂址选择.35 6 冶金计算冶金计算.38 6.1 电炉炼锌的工艺计算.38 6.1.1 炉料计算.38 6.1.2 电炉熔炼过程冶金计算.41 6.2 电炉选型与结构计算.47 6.2.1 电炉主要电气参数的选择.47 6.2.2 电极直径的确定.49 6.2.3 电

9、炉主要尺寸的确定.52 7 电炉作业正常生产管理电炉作业正常生产管理.54 7.1 开炉准备.54 7.2 烘炉.54 7.3 电炉的开炉与停炉.55 7.3.1 开炉.55 7.3.2 停炉.55 7.4 电炉的正常操作与控制.56 7.4.1 配料.56 7.4.2 电炉熔炼操作.56 7.4.3 锌蒸汽的冷凝与出锌操作.56 7.5 电炉炼锌的常见故障及其处理.57 7.5.1 判断炉况的依据.57 7.5.2 电极断落故障.57 7.5.3 高压停电.58 7.5.4 低压停电.58 7.5.5 高低压同时停电.58 7.5.6 跳闸.58 7.5.7 泡沫渣.58 7.5.8 黏渣.

10、59 7.5.9 二水封结疤.59 7.5.10 二水封底部蓝粉堵死.59 7.5.11 二冷放炮.60 7.5.12 转子断轴或转子叶轮磨损.60 7.5.13 U 形管漏水.60 7.5.14 炉壳烧红.61 7.6 安全与环保.61 主要参考文献资料主要参考文献资料.62 总结与体会总结与体会.63 谢词：谢词：.64 1 前言前言 电炉炼锌技术在国外进行了较长时间的研究，直到十九世纪末，拉瓦尔发明的炼锌电炉 奠定了当今电炉炼锌的基础。随着科技的不断进步，特别是飞溅式冷凝器的研制成功，更加 促进了电炉炼锌事业的发展。目前世界上一些中小规模的电炉炼锌厂多数被大型湿法炼锌厂 所取代。但仍有一

11、些国家采用电炉炼锌工艺进行中小规模的生产。 我国电炉炼锌起步较晚，约在二十世纪六十年代末广西某厂建造了一座小型冶炼锌粉的 电炉，容量为 500KVA。直到九十年代初，出现了天水等地的几家电炉炼锌厂，由于技术还 不成熟，电耗高（7518kwh/t） 、直收率低（60%） 、炉龄短、效益差，在此期间电炉炼锌的发 展仍然缓慢。1994 年天水秦川冶炼厂（天水鑫能电冶炼厂的前身）对 1250KVA 电炉进行了 技术改造，如加大电炉直径，改进渣线部位的耐火材料，改进电工制度等，使炉日产量由原 来的 13t/d 提高至 35t/d，电耗由原来的 7500kwh/t 降至 50005500kwh/t。199

12、8 年天水 鑫能电冶炼厂建成国内首台 2000KVA 炼锌电炉投产成功，炉日产量、电耗、炉衬寿命均创造 了当时的较好水平，在国内引起了强烈反响。1999 年 10 月由天水鑫能电冶炼厂主持召开的 全国首届电炉炼锌技术研讨会，极大地推动了我国电炉事业的发展。1998 年前，全国仅有 电炉炼锌厂几家，如天水鑫能电冶炼厂、云南昭通铅锌矿等，总容量不到 1.0 万 KVA，生产 也很不正常。经过近十年的发展，据 2006 年初不完全统计，全国共有电炉炼锌厂 61 家，拥 有炼锌电炉 111 座，装机容量为 23.4 万 KVA，年产能为 40 万 t，约占全国锌产能的 1517%。此外在工艺装备、主要

13、技术经济指标都有重大突破。但由于电力供应不足、原料供 应紧张以及电价、锌原料价格急剧上涨等种种原因，不少厂家的电炉未开或未开足，而实际 产量不足 25 万 t，约占全国锌产量的 810%。目前电炉炼锌厂主要分布在水力资源和锌资源 丰富的四川、云南、贵州、陕西、宁夏等地，尤以四川的汉源、荥径、石棉等地为多。 2 绪论绪论 2.1 锌的性质及用途锌的性质及用途 2.1.1.锌的物理性质锌的物理性质 （1）金属锌是银白色略带蓝灰色的金属，断面有金属光泽。密度为 7.14kg/m3，熔点为 419.5，沸点 906 。 （2）锌在熔点附近的蒸汽压很小，液体锌蒸汽压随温度的升高极具增大， 这是火法炼 锌

14、的基础。 （3）在室温下，性较脆；100150时，变软，延展性很好，可压成 0.05mm 的薄片， 或拉成细丝。超过 200后，又变脆。 （4）锌是良好很导热体和导电体 2.1.2 锌的化学性质锌的化学性质 （1）锌在干燥空气或氧气中很稳定，但在潮湿空气中形成碱式碳酸锌(ZnCO33Zn(OH)2)， 这样可以保护锌进一步地被腐蚀。 （2）熔融的锌能与铁形成化合物，可使钢铁免受腐蚀，镀锌工业利用了锌的这一特点。 （3）纯锌不溶于纯硫酸或盐酸，但锌中若有少量杂质存在则会被酸所溶解。因此，一般 的商品锌极易被酸所溶解，亦可溶于碱中。 （4）锌的主要化合物有硫化锌，氧化锌，硫酸锌和氯化锌。 2.1.

15、3 锌的主要用途锌的主要用途 锌的用途很广，在国民经济发展中有重要的作用。世界锌的产量与销售量均大于一半消 费在镀锌方面，作为包覆物以保护钢材和钢铁制品，以免受大气腐蚀。 锌易与很多有色金属形成合金，如黄铜（铜、锌合金） ，青铜（铜、锡、锌合金）以及 铜、锌、铅、锡、砷形成抗磨合金和抗蚀合金。在近代，利用锌压铸技术制造铸件并完全地 充满模型所有细小弯曲部分。锌压铸技术广泛用于汽车与航空工业及机械、电力等工业部门。 由于锌抗蚀性好，锌被用来制成锌板屋顶盖、火药箱、家具、贮存器及 电装置的零件。 锌在化学工业中可供制造颜料。氧化锌作为橡胶工业的硫化促进剂、助促进剂、涂料工业的 填料、玻璃工业的澄清

16、剂、增强剂、润滑油的添加剂以及陶瓷、搪瓷的辅助配料。氯化锌浸 渍木材等可起保护作用。锌在冶金工业中用来从氰化物溶液中置换金，在湿法中利用锌粉净 夜除去铜、镉等杂质。 （1）用作防腐蚀的镀层(如镀锌板)，广泛用于汽车、建筑、船舶、轻工等行业，约占锌 用量的 46%。 （2）制造铜合金材(如黄铜) 用于汽车制造和机械行业，约占 15%。 （3）用于铸造锌合金 主要为压铸件，用于汽车、轻工等行业，约占 15%。 （4）用于制造氧化锌 广泛用于橡胶、涂料、搪瓷、医药、印刷、纤维等工业，约占 11%。 （5）用于制造干电池，以锌饼、锌板形式，约占 13%。 2.2 炼锌原料炼锌原料 2.2.1 锌的主要

17、化合物的性质锌的主要化合物的性质 （1）ZnS ZnS 是炼锌的主要原料，在自然界中以闪锌矿的形态存在。在空气中 753K 下缓慢氧化， 在 873K 以上时剧烈氧化。 ZnS + 3/2O2 = ZnO + SO2 在 1373K 下，与 CaO 反应生成 CaS 和 ZnO ZnS + CaO = CaS + ZnO 硫化锌在酸中可氧化分解，目前利用这一点已研究开发了高压氧酸浸法处理硫化锌精矿 的新工艺。 （2） ZnO 无天然矿物。ZnO 可被 C、CO 和 H2 还原，其中被 CO 还原的反应在 1073K 下十分激烈： ZnO + CO = Zn(g) + CO2 在 823K 以上

18、，与 Fe2O3 形成铁酸锌。 （3）ZnSO4 无天然矿物。易溶于水，比重为 3.474，受热分解，在 1123K 左右温度下分解压达到 10132.5Pa， ZnSO4 = ZnO + SO2 + 1/2O2 在 973K 以上温度时，易与 Fe2O3 生成铁酸锌，所以加速上述分解反应的进行。 2.2.2 锌矿物的种类锌矿物的种类 （1）锌矿石按其所含的矿物种类的不同可分为硫化矿和氧化矿。硫化矿主要包括闪锌矿 (ZnS)；磁闪锌矿(nZnSmFeS)；氧化矿主要包括菱锌矿(ZnCO3)；硅锌矿(Zn2SiO4)；异极 矿 (ZnSiO4H2O)等。 （2）自然界中较多的为硫化矿。锌的单金属

19、硫化物非常少见，多与铜铅共生。其中最常 见的有铅锌矿，其次为锌铜矿和铜铅锌矿。 （3）除了矿物之外，冶金工业中产生的含锌烟灰、熔铸锌时产出的浮渣和一些氧化锌， 也可作为炼锌原料。 2.2.3 锌精矿的成分锌精矿的成分 硫化矿含锌约为 8.8%17%，氧化矿含锌约为 10%。而冶炼要求锌精矿含锌大于 45%55%，因此一般采用优先浮选法对锌矿物进行选矿，选矿后的硫化锌精矿含锌为 3862%，Zn、Fe、S 总和为 9095%。锌精矿中还含有 SiO2、Al2O3、CaCO3 和 MgCO3 以及 Co、In、Ga、Ge、Tl 等稀有金属。因此处理锌精矿提炼锌时，必须充分回收其中的有价金 属。 3

20、 电炉炼锌生产和技术电炉炼锌生产和技术 3.1 锌的生产方法锌的生产方法 现代炼锌方法分为火法炼锌和湿法炼锌。以湿法冶金为主。 3.1.1 火法炼锌工艺火法炼锌工艺 包括焙烧、还原蒸馏和精炼三个主要过程。主要工艺有平罐炼锌、竖罐炼锌、密闭鼓风 炉炼锌及电热法炼锌。 平罐炼锌和竖罐炼锌都是间接加热，存在能耗高、对原料适应性差等缺点，已基本被淘 汰。 电热法炼锌虽为直接加热但不产生燃烧气体，生产能力小、能耗高、锌的直收率低，仅 适用于电力资源丰富地区。 密闭鼓风炉炼锌能处理铅锌复合精矿及含锌氧化物料，在鼓风炉内可同时生产铅、锌， 采用燃料直接加热，能量利用率高，是目前主要的火法冶炼方法，产锌量占锌

21、总产量的 10%。 3.1.2 湿法炼锌工艺湿法炼锌工艺 湿法炼锌工艺包括传统的湿法炼锌和全湿法炼锌两种工艺。 湿法炼锌工艺资源综合利用好，单位能耗较低，污染小，是锌冶炼的主流工艺，产锌量 占锌总产量的 80%。 传统的湿法炼锌工艺是火法-湿法联合流程。包括焙烧、浸出、净化、电积和熔铸五个 主要工序。新建的锌冶炼厂多采用此工艺。 全湿法炼锌是指在硫化锌精矿直接加压浸出技术基础上形成的，该工艺省却了传统湿法 炼锌工艺中的焙烧和制酸工序， 锌精矿中的硫以元素硫的形式富集在浸出渣中另行处理。 3.2 硫化锌精矿的焙烧硫化锌精矿的焙烧 硫化矿的焙烧是火法炼锌和湿法炼锌工艺的第一步冶金过程。硫化锌精矿的

22、焙烧过程是 在高温下借助空气中的氧进行的氧化脱硫过程，以改变其成分以适应下一步冶金处理的要求。 3.2.1. 焙烧目的焙烧目的 （1）火法炼锌工艺的焙烧目的完全脱硫，得到金属氧化物组成的焙烧矿（焙砂） ，从而 可使蒸馏得到的锌较纯，避免蒸馏过程锌成为硫化锌而造成的锌的损失 （2）湿法炼锌工艺的焙烧目的不完全脱硫，焙烧时要保留少量的硫酸盐，以补偿浸出 和电解过程中损失的硫酸。同时尽可能少生成铁酸锌。 3.2.2 焙烧时硫化锌精矿中各成分的行为焙烧时硫化锌精矿中各成分的行为 （1）硫化锌（ZnS）： 硫化锌以闪锌矿（nZnSmFeS）的形式存在于精矿中。焙烧开始时进行反应（1）和反 应（2）： Z

23、nS + 2O2 = ZnSO4 (1) 2ZnS + 3O2 = 2ZnO +2SO2 (2) 生成 SO2后，在有氧的条件下发生可逆反应（3） 2SO2 + O2 = 2SO3 (3) 生成 SO3后，发生可逆反应（4） ZnO +SO3 = ZnSO4 (4) 锌精矿焙烧过程中，就是通过控制焙烧温度和气相组成来控制焙烧产物中锌的存在形态。 生产中通过控制供风量(空气过剩系数)来调节气相组成。 （2）硫化铁（FeS2）： 硫化铁统称为黄铁矿，是锌精矿中常见成分。焙烧时在较低的温度下即发生 热分解： 2eS2 = 2eS + S2 也按下列反应生成氧化物： 4FeS2 + 11O2 = 2F

24、e2O3 + 8SO2 3FeS +5O2 = Fe3O4 + 3SO2 得到 Fe2O3和 Fe3O4。 （3）铁酸锌的生成： 873K 以上焙烧生成的 ZnO 与 Fe2O3 反应： ZnO+Fe2O3=ZnO.Fe2O3（铁酸锌） 湿法浸出时，铁酸锌不溶于稀硫酸，留在残渣中造成 Zn 损失。因此，湿法浸出时要 求在焙烧中避免铁酸锌的生成。传统湿法炼锌工艺要求精矿含铁 5%6%。 （4）硅酸盐： 锌精矿中含有 SiO2（2%8%） ，SiO2易与 ZnO 生成硅酸锌（2ZnO.SiO2） ，SiO2还易与 PbO 生成低熔点的硅酸铅（2PbO. SiO2 ） ，熔融状态的硅酸铅能与其他金属

25、氧化物或硅酸盐形成 复杂的硅酸盐。 在湿法浸出过程中，硅酸锌和其他硅酸盐易溶解，但生成的 SiO2在湿法浸出时成胶体 状态，对澄清和过滤不利。为了避免硅酸盐的形成，对入炉精矿中的铅、硅含量要严格控制。 硅酸盐的形成对火法炼锌过程影响不大。 3.2.3 硫化锌精矿焙烧动力学硫化锌精矿焙烧动力学 决定硫化锌精矿氧化焙烧速度的控制环节: (1) 氧通过颗粒周围的气膜向其表面扩散(外扩散)； (2) 氧通过颗粒表面的氧化物层向反应界面扩散(内扩散)； (3) 在反应界面上进行化学反应； (4) 反应的产物 SO2向着与氧相反方向的扩散。反应速度是由以上四个环节中最慢的环 节来决定。硫化锌矿氧化生成的氧

26、化锌层比较疏松，对氧和 SO2的扩散阻力不大，因此决定 反应速度的环节是气膜中氧的扩散和界面反应。在 830以下，界面反应的阻力占主要地位， 880以上，气膜传质的阻力占绝对优势。颗粒粒度的减小有利于界面反应，也有利于扩散 过程，但不能过小，否则增加烟尘率。 3.2.4 焙烧生产实践焙烧生产实践 3.2.4.1 焙烧设备 硫化锌精矿的焙烧采用沸腾炉焙烧。 在焙烧过程中使空气自下而上地吹过固体炉料层，使精矿悬浮于炉气中进行焙烧，悬浮 粒子不停地翻动，形如水的沸腾。 3.2.4.2 沸腾焙烧炉构造 沸腾焙烧炉可分为带前室的直形炉、道尔型湿法加料直形炉和鲁奇上部扩大型炉， 目前多采鲁奇上部扩大型炉。

27、炉体结构包括炉身、空气分布板、钢壳送风箱、炉顶、炉 气出口、加料装置和焙砂溢流排料口。 3.2.4.3 沸腾焙烧方式 沸腾焙烧包括高温氧化焙烧和低温部分硫酸化焙烧 3.2.4.4 高温氧化焙烧 （1）工艺目的 主要是为了获得适合火法炼锌工艺的还原蒸馏过程的焙砂。除了把精矿含硫脱除至最低 限度外，还要把精矿中的铅、镉等主要杂质脱除大部分，以得到较好的还原指标。 （2）工艺原理 主要是利用铅、镉的氧化物和硫化物的挥发性大，以及硫酸锌高温氧化分解的特性除去 杂质。焙烧温度升高有利于杂质的脱除，但焙烧温度过高，会使精矿颗粒烧结成块，因此高 温氧化焙烧时采用 13431373K 温度为适宜。 3.2.4

28、.5 低温部分硫酸化焙烧 工艺目的：得到适合传统湿法炼锌工艺浸出用的焙砂。焙砂要求含一定数量的硫酸盐形 态的硫（2%4%） ，焙烧温度要低于高温氧化焙烧，焙烧温度一般采用 11231173K。低温 焙烧有利于保存部分以硫酸盐形式存在的硫，但也会增加以硫化物形态存在的硫（不溶硫） 。 3.3 火法炼锌的基础理论火法炼锌的基础理论 3.3.1 火法炼锌概述火法炼锌概述 火法炼锌是将含 ZnO 的死焙烧矿用碳质还原剂还原得到金属锌的过程。由于 ZnO 较难 还原，所以火法炼锌必须在强还原和高于锌沸点的温度下进行。还原出来的锌蒸气经冷凝后 得到液体锌。 还原蒸馏法主要包括竖罐炼锌、平罐炼锌和电炉炼锌。

29、竖罐和平罐炼锌是间接加热，电 炉炼锌为直接加热。共同特点是：产生的炉气中锌蒸气浓度大，而且 CO2含量少，容易冷凝 得到液体锌。 20 世纪 50 年代开发，60 年代投入工业生产的密闭鼓风炉炼锌(简称 ISP)法是一种适合 于冶炼铅锌混合矿的炼锌方法。它的特点是采用铅雨冷凝法从含 CO2含量高而锌含量低的炉 气中冷凝锌，产出铅和锌两种产品。 3.3.2 火法炼锌的基本原理火法炼锌的基本原理 3.3.2.1 氧化锌的碳热还原反应基础-CO 还原 在生产实践中，用碳质还原剂还原 ZnO 时，起还原作用的主要还原剂是 CO，则主要还 原反应为: ZnO(s) + CO(s) = Zn(g) + C

30、O2(g) GT0=-111.67T(J) 该反应 PCO2=PZn ;PT=PCO+PCO2+PZn -lgK=lg(PT-2PZn) /PZn2；设 PT=105Pa，可以求出不同温度下格组分的分压 上式反应在不同温度下的个平衡分压值（MPa） 项 目973K1173K1373K1573K PCO2=PZn PCO PZn 0.00166 0.09688 0.0047 0.01145 0.0771 0.059 0.0327 0.0344 0.341 0.0460 0.0077 1.2361 该表说明： (1)CO 还原氧化锌产出锌蒸汽，也必须降温到 PZn平衡分压才能冷凝得到锌液； (2)

31、平衡气相中 CO2/CO 的比例随温度提高而增大，在 10001100条件下，该比 例接近 1；但温度降低时，该比例降低很大，因此冷凝时锌蒸汽易于被 CO2 氧化。 (3)在还原生产过程中，可以依靠过量的碳利用布多尔反应维持较高的 CO 分压，促进 ZnO 还原反应的进行。 3.3.2.2 氧化锌的碳热还原反应基础-还原历程 CO 还原： (1) ZnO(s) + CO(g) = Zn(g) + CO2 (g) lgK(1)=-9740/T+6.12 lgPCO2/PCO=-9740/T+6.12-lgPZn (2) ZnO(s) + CO(g) = Zn(l) + CO2 (g) lgK(2

32、)=-3650/T+0.88 lgPCO2/PCO=-3650/T+0.88-lgaZn CO 再生 (3) C(s) + CO2(g) = 2CO(g) ZnO 被碳还原的过程如下： lgK(3)=-8916/T+9.113T lgPCO2/PCO=8916/T-9.113+lgPCO 由以上 3 个反应看，还原产出的锌蒸汽分压与 lgPCO2/PCO 和 T 有关；还原产出锌 液活度也与 lgPCO2/PCO 和 T 有关；而布多尔反应 PCO 和 lgPCO2/PCO 与 T 有关。因此 PZn 、 aZn 和 PCO 均可在 lgPCO2/PCOT 图中表示出来，用以阐述还原生产过程。

33、 当 PZn =10132、50662、 、Pa 时，可分别求出反应（1） （CO 还原产生 锌蒸汽）的 lgPCO2/PCOT 关系； 当 aZn=1 和 0.1 时，分别求出反应（2） （CO 还原产生锌液）的 lgPCO2/PCOT 关系； 当 PCO =、50662、10132 时，分别求出反应（3）的 lgPCO2/PCOT 关系； 当 PZn =10132、50662、 、Pa 时的 lgPCO2/PCOT 关系曲线，表示还 原得到不同锌蒸汽分压所需的 PCO2/PCO 比例与温度的关系； 同理 当 aZn=1 和 0.1 时的 lgPCO2/PCOT 关系曲线；表示还原得到不同活

34、度锌液所需的 PCO2/PCO 比例与温度的关系； 而 PCO =、50662、10132 时的 lgPCO2/PCOT 关系；表示保持不同 CO 分压所 需的 PCO2/PCO 比例与温度的关系； 图图 3 31 1 （1）PZn =50662Pa 的 p 线与 aZn=1 的 Q 线相交于 B 点（826） ，此时 Zn 的气液两相 共存 ； （2）温度大于 826生成锌蒸汽，低于 826生成液态锌。但低温还原要求 PCO2/ PCO 10-3 ，且 PCO 分压很低，难于实现；因此还原产出液态锌在工程上是不可行的。 （3）PZn=50662Pa 的 p 线 PCO=50662Pa 的 R

35、 线相交于 A 点（920） ，这是总压 1atm 时 ZnO 与 Zn(g)共存点； （4）总压 1atm 时，温度大于 920， Zn(g)稳定；温度小于 920， ZnO 稳定； （5）相同的 PCO 下，提高温度可获得更高锌蒸汽压； 为了获得同等压力的锌蒸汽，提高温度所需的 PCO 变小（结合 PT=PCO+PZn+PCO2；看纵轴） ， 在实际 ZnO 被碳质还原的生产过程中，由于原料中的铁的化合物对火法炼锌特别 是鼓风炉法炼锌的影响较大，所以有必要研究铁在炼锌过程中的行为。 氧化锌还原过程的气相温度曲线如图 3-18 所示。与图 3-20 相比，横坐标由 1/TK 换成 K，纵坐标

36、由 lgPCO2/PCO 换成 PCO2/PCO，因此原来的直线会变成曲线 3.3.2.3 火法炼锌过程分析 图 32 火法炼锌分析 (a)蒸馏炼锌区 （b）鼓风炉炼锌区 （C）铁还原区 （d）液锌稳定区 (1)CO2 还原 氧化锌曲线 IIIIIIIVV aZnO1.01.00.10.0050.01 PZn(Atm)0.060.450.060.060.06 (2)A、B 曲线：C + CO2 = 2CO (3)i: ZnO(s) + CO(q) = Zn(l) +CO2(q) Ii:Zn(l) = Zn(q) ABa(4)BCd PCO2+PCOFe3O4(s)Fe3O4(s)FeO(s)F

37、eO(l) 0.2Atm0.6 AtmFe(r)FeO(s)Fe(r)Fe(r) 图中各曲线分别是下列反应在不同条件下平衡的 PCO2/PCOT 的关系曲线。 ZnO(s) + CO(g) = Zn(g) + CO2 图中、这 5 条曲线为反应在以下 5 种设定条件下的曲线。 曲线IIIIIIIVV aZnO1.01.00.10.0050.01 PZn(Atm)0.060.450.060.060.06 C(s) + CO2(g) = 2CO(g) 图中绘出 A、B 两条线，其设定的条件为： A 线：PCO +PCO2 = 20265Pa（0.2atm） B 线： PCO +PCO2 = 607

38、95Pa（0.6atm） 铁氧化物的还原 曲线 a: Fe3O4(s) + 4CO(g) = 3Fe() + 4CO2(g) 曲线 b: Fe3O4(s) + CO(g) = 3FeO(s) + CO2(g) 曲线 c: FeO(s) + CO(g) = Fe() + CO2(g) 曲线 d: FeO(l) + CO(g) = Fe() + CO2(g) Zn(l)的稳定范围 曲线(i): ZnO(s) + CO(g) = Zn(l) + CO2(g) 曲线(): Zn(l) = Zn(g) 1.间接加热时锌的还原挥发 间接加热方式将燃料燃烧产生的气体与 ZnO 还原产生的含锌气体用罐体分开，

39、从而进 行火法炼锌过程。所以罐体内 ZnO 的还原产生的炉气中含锌 45%左右，含 CO2 只有 1%， 其余为 CO。 在正常的冶炼条件下，蒸馏法炼锌区域为图 3-18 中的曲线 II 和曲线 B 的右侧打点区域。 从图中可以看到，即使 PCO2/PCO 大，ZnO 仍能被还原。 要在大气压下进行还原，温度至少需要 1170K(曲线 II 和曲线 B 的交点)。 由于罐内气体组成 PCO2/PCO 低于曲线 C 所示的 FeO 还原反应的平衡组成，FeO 被还 原成金属铁，分散在蒸馏残渣中。 2.直接加热时锌的还原挥发 鼓风炉炼锌与蒸馏法炼锌不同，大量的燃烧气体和还原产出的锌蒸气混在一起，从

40、而 气相中 Zn 蒸气的浓度比较低，通常只有 57%。平衡炉气成分在图 3-18 中曲线 I 与曲线 A 所包围的区域 鼓风炉炼锌时，锌的还原挥发与残留在炉渣中的 ZnO 活度有关。 鼓风炉炼锌产出的是液态炉渣，而从液态炉渣中还原 ZnO 比较困难，要求较强的还原 气氛和较高的温度，如图 3-18 中的、线所示。 随着渣中 ZnO 活度的降低，要求 PCO2/PCO 越来越小，温度越来越高。 在鼓风炉炼锌时，不希望渣中的 FeO 还原成 Fe，因为 Fe 的存在会给操作带来困难。 通常鼓风炉渣中 FeO 的活度为 0.4 左右，此时 FeO 还原的平衡反应曲线为图 3-18 中的 d 线。只有

41、炉内气相组成在 d 线以下时，渣中 FeO 才不被还原。因此炉内气氛应控制在 I 线 和 d 线所包围的区域内。由于采取低还原性气氛，所以渣含锌比较高，这是鼓风炉炼锌不可 避免的缺点。 3. 锌蒸气的冷凝 ZnO + CO = Zn(g) + CO2 为吸热反应，所以当炉气中温度下降时，CO2 将使产出的锌 蒸气再氧化成 ZnO，并包裹在锌液滴的表面，形成蓝粉，降低冷凝效率。为了防止氧化反应 的发生，尽可能在高温下直接将锌蒸气导入冷凝器内，使之急冷。如图 3-18 中的左上部所 示。 鼓风炉炼锌得到的炉气组成与蒸馏法大不相同，产出的炉气 CO 和 Zn 蒸气浓度低， CO2 浓度高。此时用蒸馏

42、法采用的锌雨冷凝法冷却，得不到液态锌。因此生产中采用高温密 闭炉顶和铅雨冷凝的方法。利用铅雨冷凝时，利用锌在液体铅中有一定的溶解度，降低冷凝 下来的锌的活度，从而保护锌不被炉气中的 CO2 所氧化。 3.3.3 火法炼锌的生产实践火法炼锌的生产实践 由硫化锌矿直接炼锌虽有可能，如： ZnS + Fe = Zn + FeS 但在工业上还没有应用，因为还原硫化锌实际上在 12001300才开始，而此时精矿已 熔化。氧化锌则较易还原，为此硫化矿精矿首先焙烧成氧化锌。焙烧矿与碳质还原剂混合装 入密闭器皿加热到 1100左右时，锌被还原出来，然后引入到冷凝器内冷凝为液体锌。 火法炼锌有鼓风炉、竖罐、平罐

43、和电炉炼锌等方法。 3.3.3.1 平罐炼锌 图图3-3 平罐炼锌装置平罐炼锌装置 平罐炼锌是 20 世纪初采用的主要的炼锌方法。其装置如图 3-19 所示。 平罐炼锌时一座蒸馏炉约有 300 个罐，生产周期为 24 小时，每罐一周期生产 2030kg， 残渣中含锌约 510%，锌回收率只有 8090%。 平罐炼锌的生产过程简单，基建投资少，但由于罐体容积少，生产能力低，难以实现 连续化和机械化生产。而且燃料及耐火材料的消耗大，锌的回收率还很低，所以目前已基本 淘汰。 3.3.3.2 竖罐炼锌 竖罐炼锌的原料是从罐顶加入，残渣从罐底排出，还原产出的炉气与炉料逆向运动，从 上沿部进入冷凝器。 离

44、开炉子上沿部的炉气的组分为 Zn40%、CO45%、H28%、N27%、几乎不含 CO2。 在冷凝器内，锌蒸气被锌雨急剧冷却成为液态锌，冷凝器冷凝效率为 95%左右。 工艺流程如图 6-4 所示 图图 3-4 竖罐炼锌工艺流竖罐炼锌工艺流 3.3.3.3 竖罐炼锌 竖罐炼锌是 20 世纪 30 年代应用于工业生产，经历了 70 多年，已基本淘汰，但目前在 我国的锌生产仍占一定的地位。 它的生产过程包括焙烧、制团、焦结、蒸馏和冷凝 5 个部分。 竖罐炼锌具有连续性作业，生产率、金属回收率、机械化程度都很高的优点，但存在制 团过程复杂、消耗昂贵的碳化硅耐火材料等不足。 3.3.3.4 电炉炼锌 电

45、炉炼锌的特点是直接加热炉料的方法，得到锌蒸气和熔体产物，如冰铜、熔铅和熔渣 等。 此法可处理多金属锌精矿、锌的回收率约为 90%;电耗为 30003600KWh/t(Zn) 电炉炼心所的为粗锌，一般为 5 号或 4 号锌，由于本身工艺的工艺特点，电炉炼锌对锌 精矿要求如下： （1）含锌品位高，要求锌精矿含锌品位在 50%以上，如果品位太低，相对地其他杂质 含量就会高，将会影响冶金熔炼过程中的技术条件的掌握和各项技术经济指标的实现。 （2）杂质铅、铁、砷、氟等含量要低，在电炉炼锌的第一步工序（即焙烧）虽然能够 比较有效地脱除铅、镉等杂质，但毕竟有一定的限度。砷、氟的含量过高势必增加了制酸系 统的

46、正常运行，铁的含量过高一方面降低了锌品位，另一方面在还原熔炼过程中，大量的铁 被还原，造成炉底沉铁，而且往往由于熔体铁含量过高，熔体导电性强，操作电流难以控制， 造成熔炼困难。 （3）水分。锌精矿水分含量不能过高，否则，不但给运输及沸腾焙烧工艺炉料准备系 统造成了很大的麻烦。而且会影响焙烧温度的稳定。造成 焙烧矿质量下降，一般要求在夏 季水分不大于 10%、在冬季不大于 8%。在实践操作中一般控制在 7%左右为宜。 3.3.3.5 密闭鼓风炉炼锌 铅锌密闭鼓风炉熔炼法-又称帝国熔炼法 (ISP 法) 炼锌的工艺流程如图 3-5 所示。 图 3-5 为 ISP 法设备流程图。 温度4004505

47、00540560600650 Zn(%)1.432.173.074.04.65.98.3 铅液入 440，Zn2.02%；出 560570，Zn2.26%； 循环铅量 QPb，产锌量 QZn， QPb /QZn =417 倍 铅雨冷凝法的特点: 铅的熔点低，在操作温度下（550）蒸气压低 ； 铅对锌的溶解度随温度变化大； 铅的热容量大，便于急冷。 鼓风炉炼锌对物料适应性大，可处理成份复杂的铅锌矿以及各种铅锌氧化物残渣和中间 物料，而且热效率高，生产成本低。但存在 SO2、铅蒸气和粉尘对环境污染问题 3.4 炼锌电炉的基础理论炼锌电炉的基础理论 3.4.1 电热转化与分配电热转化与分配 电能通过

48、炉用变压器，经电极输入炼锌电炉，电极插在熔融炉渣中。电能以下列两种方 式转化成热能。 3.4.1.1 电弧方式 电弧方式就是由电极与熔渣交界面上形成微电弧放电而转换成人能的方式，该方式是依 靠插入熔渣中的电极发射的热电子冲击电极周围的炉渣，电子动能转化为机械能。而且在电 子压的作用下，将熔融炉渣拍开，于是在电极与熔渣接触面之间形成许多分散的气隙，电流 通过气隙形成众多的微电弧放电，而使部分电能转化为人能。 3.4.1.2 电阻方式 电阻方式就是电流通过熔渣时，因熔渣本身电阻的作用，使分电能转化成热能。其数量 关系服从焦耳-楞次定律 电能在电弧部分和渣层电阻部分的分配、通常随电极插入熔池的深度而

49、异。故通常用改 变电极插入熔池深度来调节。在其他条件相同时电能分配到电弧部分的比例，随电极插入熔 池深度的增加而降低，分配到渣层电阻部分的比例则电极插入熔池的深度的增加而加大。 电极插入深度应适当。如果电极插的过深会引起炉渣激烈翻腾，再遇上冷料或含水分较 高的炉料时，冷炉料和过热渣混在一起，使得反应的气体产物不易排除，容易产生泡沫渣。 而且电流增高。反之。若电极插的过浅会使电弧拉长，造成渣面温度和烟气温度升高、熔池 底部温度降低，给放渣造成困难。对造作不利，热效率降低，电耗增加。对炼锌电炉，通常 电极插入的深度约为渣层厚度的 1/32/5. 3.4.2 熔池温度场和熔渣的运动熔池温度场和熔渣的

50、运动 图 36 熔池的温度场（带数字曲线是渣层内的等温曲线） 由于电场的不均匀性，电热功率密度的差异带来熔池内温度分布的不均匀性。熔池内电 极附近的温度最高。离电极越远，温度越低。使接近电极表面的炉渣强烈过热，炉渣密度降 低，从而上浮至熔池表面，并沿熔池表面的上层向西周流动。在流动过程中当与料堆下部相 遇时，便将部分热量传递给炉料，使之溶化，此时形成熔体温度较低，密度较大，于是下沉 在炉渣下层向电极方向移动，回流电极周围，又重新被过热而上浮。 对于炼锌电炉，熔炼的性质是还原挥发熔炼，还原出来的锌呈气态熔融体的激烈移动有 利于锌蒸汽的扩散和逸出。再则，炼锌的原料问锌焙烧矿或锌氧化矿其中硫含量很少

51、，一般 不会形成金属硫化物的冰铜层，炼锌原料含铅很低，在还原熔炼过程中绝大部分铅也呈气态 进入产品和蓝粉，很少的铅进入渣中。 3.4.3 熔池内的热交换熔池内的热交换 高温熔融炉渣在流动过程中与浮于渣层的固体料坡相遇时，熔融炉渣以对流换热方式将 热能传给料坡表面的固体炉料，使之熔化并过热，发生还原反应形成还原熔融产物和新的炉 渣。在熔池垂直方向上，炉渣上层对下层的传热方式对于铜镍熔炼炉而言，主要是传导。锍 层上部到底部的传热，由于锍层处于相当平静的状态，因此几乎的单一的传导方式。 对于炼锌还原挥发熔炼电炉来睡，由于熔池中熔体的垂直方向运动较为激烈，其传热方 式主要是对流，这样可避免或减少金属铁

52、的沉积。至于底部的金属铁层与其上部渣层之间的 垂直方向运动毕竟不甚激烈。其间的传热方式既有对流又有传导。其传导热仍符合上式的描 述。 3.5 电炉炼锌工艺流程电炉炼锌工艺流程 电炉炼锌工艺包括炉料准备和配料、电炉本体，电极系统，一冷、二冷及出渣系统。 3.5.1 炉料的准备系统炉料的准备系统 3.5.1.1 工艺简述 由本厂焙烧车间产出的合格焙砂，按级堆放在焙砂酷内，取样做全分析，供配料使用。 准备好冶金焦炭和溶剂石灰，将准备好的原料和辅助材料按照一定的配比经计算配料及混料 均匀，并由提升装置运送至炉上部炉料料仓，由下部螺旋给料机供电炉加料之用，本工序的 基本任务就是为电炉提供化学成分合理、稳

53、定、粒度合格、水分为 0.5%1.0%的炉料。 3.5.1.2 原料及辅助材料的要求 3.5.1.3 主要设备 （1）干燥设备。电炉对炉料的水分要求比较严格。一般情况下，在产出，运输，贮存过 程中各种原料和辅助材料带人水分是必然的，因此需要干燥。石灰和石英砂只要把好运输和 贮存关，也可以不需干燥。但是焦炭是人造固体燃料，其空隙率可达 45%左右，炽热的焦炭 是通过喷水直接冷却的，所以焦炭的水含量较高。一般水含量在 5%10%，有时竟达 20%以 上，因此焦炭必须经过干燥才能用。 （2）混料设备。混料多采用人工方法，也有的采用回转式搅拌机 （3）破碎及过筛设备。石灰、石英、块状焦炭均需专用设备破

54、碎过筛，是粒度符合要 求 （4）提升设备。准备好的炉料装入料车，有提升装置提至炉顶料仓，供电炉用。 此外，还有计量设备、通风防尘设备等。 3.5.2 电炉本体系统电炉本体系统 电炉本体系统主要由炉体、炉墩，加料等系统组成 3.5.2.1 工艺简述 准备好的炉料储存在锥部没有螺旋给料机的料仓内，有 螺旋机将炉料送入炉内，还原 出来的锌蒸汽随炉气一气经炉气出口进入冷凝系统。熔渣由放渣口定时放出。电炉的炉型有 圆形和矩形两种，圆形炉其电极排列在同心圆周上呈等边三角形。矩形炉的电极呈直线排列。 炉料均从炉顶的周边或四边的装料口装入。 3.5.2.2 主要设备 设备主要由炼锌电炉、旋转加料机等 3.5.

55、3 电极系统电极系统 电极通过短网将电炉同外部电源连接起来。电源系统要承担电极的升降，电极夹持装置、 电极中心的调整等。 电极系统包括立柱平台、立柱、立柱连接架及钢丝绳滑轮组、滑车架、电极升降臂、电 极升降传动装置、夹紧气动装置等。电极升降臂的上下限位由上下两个行程开关控制，确保 电极行程为 1.21.4m。立柱上装有导轨，供滑车上下滑动。达到电极升降之目的，立柱可 以转动，供调整电极中心位置。滑车架上的走轮由一个偏心轴天调整它与导轨之间的间隙。 图 37 电极升降原理示意图 3.5.4 渣系统渣系统 电炉内的熔渣由放渣口放出（每日放一次），经两段高温渣槽后，流至水淬渣槽。熔渣 经水淬渣池。水

56、淬渣池分为沉降池和循环池两种。水淬后的渣睡混合物首先流至沉降池，渣 在池中沉降下来，上清水流至循环池后由循环水泵送至水淬渣槽，沉降池的沉渣由人工铲出 运至渣场。 根据冶炼情况，决定是否更换底渣，或者停炉时放底渣，底渣放至由河沙铺成厚度为 400500mm 的底渣池。放出后可向渣面喷洒水降温，便于打开便于装运。 3.5.5 冷却循环系统冷却循环系统 除上述的冲渣水，洗涤水闭路循环外，炼锌电炉还有及处用冷却水： （1） 飞溅式冷却器（一冷）冷却锌液的 U 形管冷却用水。 （2） 一冷的底侧、端部冷却水套用水。 （3） 转子轴承座冷却水套用水。 （4） 电极系统的到点管冷却水。 图 38 冷却水循环

57、流程图 4 电炉锌的精炼电炉锌的精炼 4.1 概述概述 电炉炼锌产出的粗锌，一般为五号锌，其纯度为 98.7%，当然焙砂质量好，电炉锌也可 达四号锌（Zn99.5%）其杂志主要有铅、镉、铁、砷、锑等。这些杂质含量依据焙砂中杂质 含量和操作过程的情况而异。锌中含有较多的杂质，就严重的影响锌的质量，使粗锌在某些 工业上不能获得应用。比如，铅和其他杂质含量较高时，就不适合于制造进行热压加工的黄 铜；锡含量超过 0.01%时，忽悠不要能用于压片，镉含量超过 0.02%时，使间接法生产的氧 化锌颜色白度变差，且不适用于医疗和化妆用品，作为镀锌用的锌，为了提高镀锌件的抗蚀 性，对其中杂质的含量也有一定的要

58、求。因此，为了满足某些工业对心质量的要求，不适用 的锌必须进一步进行精炼。 精炼的方法有：熔析法、重蒸馏法、真空蒸馏法和精馏法，目前多用精馏法，而熔析法 仅用作精馏法的辅助过程。 精馏法的特点： （1） 可制的锌含量为 99.99%99.998%的高纯锌。 （2） 可富集原料中的铅、镉、铟、锗等金属，有利于综合回收。 （3） 可用于生产规模为 1000t/a的工厂。 （4） 对原料适应性大。 （5） 需要用一些高级耐火材料（碳化硅制品） 。 （6） 塔体设备结构复杂，筑炉和生产操作要求较严。 精馏法大约是与竖罐炼锌同一时期发展起来的。由美国泽西公司首创，因此又称为新 泽西精馏法。20 世纪 3

59、0 年代后来，世界各国凡有火法炼锌工厂的国家，几乎先后都建立了 这种装置。我国的精馏法技术是葫芦岛锌厂于 1957 年由波兰引进的以后多家炼锌厂相继推 广应用。 表 41 火法炼锌产出锌的化学成分（%） 表 42 工业阴锌牌号及去组成 4.2 熔析法精炼熔析法精炼 在熔融状态下，铅锌能相互部分溶解，熔体分层，上层为含少量铅的锌，下层为含少量 锌的铅。 从图中可以看到，随着温度的降低，锌和铅的分离比较完全。在 418，锌含铅 0.9%， 铅含锌 2%。 当含铁的粗锌冷却时，化合物 FeZn7 进行结晶。析出的 FeZn7 结晶因为较重，沉于锌熔 池下面，形成糊状结晶，称作硬锌。 熔析法精炼锌可得

60、含锌约 99%的精炼锌。锌的回收率仅为 90%。熔析法仅能除去锌中的 铅和铁。 图 6-6 为 PbZn 系和 FeZn 系状态图 FeZn7 熔析精炼在反射炉或榕析锅内进行，一般周期 2448h，控制温度在 430450；除了表 面少量浮渣外，熔池分上、中、下 3 层， 上层：熔析精炼锌，Zn99%,Pb0.91%，Fe0.020.03%； 中层：由铁和锌化合物组成； 下层：铅锌合金熔体，含 Zn56%； 4.3 精馏法精炼精馏法精炼 为了较完全地除去锌中的杂质，获得很纯的锌，最好采用精馏法精炼锌。精馏设备是 连续作业的精馏塔，包括铅塔和镉塔。铅塔是用来分离沸点较高的 Pb、Cu、Fe 等杂