CN105803201B

CN105803201B - 一种一步冶金的闪速炉及冶金方法

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Publication number: CN105803201B
Application number: CN201610283937.3A
Authority: CN
Inventors: 李效东; 夏明�; 邱江波; 黄小兵
Original assignee: TIANJIN FLASH IRONMAKING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: TIANJIN FLASH IRONMAKING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2018-02-13
Anticipated expiration: 2036-04-28
Also published as: CN105803201A

Abstract

本发明提供了一种一步冶金的闪速炉，包括反应塔，所述反应塔顶部设有喷嘴；所述反应塔下部连接熔池的一端，所述熔池的另一端上方设有上升烟道；所述反应塔下半部设有气体导入装置用于导入还原性气体，在反应塔下部空间形成还原气垫层。本发明通过还原气垫层的设置，使矿物中待冶炼的金属氧化物和Fe₃O₄几乎被完全还原成金属和FeO，进而使渣含待冶炼金属的量极低，并改善了炉渣的性质，使其粘性降低，利于排放。

Description

一种一步冶金的闪速炉及冶金方法

技术领域

本发明创造属于冶金技术领域，尤其是涉及一种一步冶金的闪速炉及一步冶金方法。

背景技术

在冶金领域，由硫化物金属精矿生成粗金属一般要经过两个步骤，即熔炼—吹炼，传统的方法是将熔炼和吹炼分开在不同装置内进行，如熔池熔炼+PS转炉吹炼、闪速熔炼+闪速吹炼等，这些传统工艺都存在流程长、能耗高和SO₂烟气低空污染等问题。因而有人主张在一个冶金装置中完成从金属精矿到粗金属产出的整个冶炼过程即一步冶炼法,并进行了一些产业化的尝试:

在铜硫化矿冶炼领域，澳大利亚的Olympic Dam冶炼厂、波兰的Glogow冶炼厂以及赞比亚的KCM冶炼厂采用的就是由铜精矿直接生产粗铜的闪速熔炼工艺，冶炼的基本原理是通过调节氧/料比控制硫化铜精矿的氧化程度，直接生产粗铜，得到的粗铜含铜量约为98.5％。但这些方法还具有一个共同的特点，就是在生产排放的炉渣中，Cu₂O的含量通常超过15％，Fe₃O₄含量为30％～50％，若要回收渣中的铜则会增加投资和生产成本，如果不回收又会造成资源的极大浪费，而渣含Fe₃O₄高，会使炉渣的性质恶化(渣熔点升高、比重增大、粘度增加)。为降低渣中Cu₂O和Fe₃O₄的含量，也有人尝试在闪速炉熔池熔体上铺一层焦炭层用于还原在闪速炉反应塔中被过氧化的铜氧化物，从实现一步炼铜，但该方法的缺点是焦炭会同时还原出大量的铁，从而使粗铜中铁含量较高，后续还需要进行除铁精炼，同时，该方法需要耗费大量的焦炭，能耗较高。

在铅硫化矿冶炼领域，基夫赛特法是一种一步炼铅法。基大赛特炉由两个反应区组成，炉内设有隔墙，隔墙两侧分别为氧化反应区和电炉还原区。熔融物料经过熔池表面焦炭层实现第一阶段的还原，铅渣混合物再进入液相连通的电炉还原区，炉渣中的铅氧化物在强还原条件下被二次还原。基夫赛特炉气相被隔墙分隔，氧化段烟气含SO₂高，还原段烟气主要含CO和CO₂。炉渣与粗铅由还原区不同位置的出口放出。基夫赛特炉实质是把闪速炉和电炉联合起来进行熔炼，利用电炉对渣中的锌和铅进行还原贫化，该工艺氧化段和还原段的烟气须分为两类分别进行尾气处理，整个工艺流程复杂，整套设备投资大，能耗高。

在镍硫化矿冶炼领域，目前还未有一步炼镍或一步冶炼镍铜合金的工业尝试。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种一步冶金的闪速炉，以节能环保的方法解决铜硫化矿、镍硫化矿、铅硫化矿一步冶炼工艺中存在的炉渣含待冶炼金属和Fe₃O₄高、炉渣排放困难、产品中含铁量高、能耗高、工艺流程复杂等问题。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：一种一步冶金的闪速炉，包括反应塔，所述反应塔下部连接熔池的一端，所述熔池的另一端上方设有上升烟道；所述反应塔下半部设有气体导入装置用于导入还原性气体，在反应塔下部空间形成还原气垫层。

待冶炼的金属矿从反应塔顶部下落过程中先发生氧化反应，生成过氧化的金属氧化物，再经过反应塔下部还原气垫层时，待冶炼的金属氧化物被还原成金属，Fe₃O₄被还原成FeO，即改善了渣性又提高了待冶炼金属的回收率。在反应塔下部空间内，由顶部加入的氧已基本被消耗完毕，还原性气体进入炉内不会出现剧烈燃烧而增加闪速炉的热负荷，而且大量的还原气氛还要吸收热量加热自身，有一定的冷却作用。

进一步，所述熔池上壁靠近反应塔侧设有深入炉内的挡墙或可移动闸门。挡墙的设置可以有效避免还原性气体向上升烟道方向快速扩散，使反应塔下部与熔池侧壁及挡墙间形成一个还原气垫层。挡墙由铜水套外衬耐火材料制成，挡墙底面与炉体底面的距离为1-3米。优选的，挡墙或可移动闸门位于反应塔和熔池上壁的连接处，且垂直于熔池上壁深入炉内，这样形成的还原气垫层空间最小，还原性气体更集中，有效还原气氛的利用率更高。

进一步，所述熔池上部、侧面或烟道上设有若干喷枪或鼓风装置。未参与反应的还原性气体从反应塔下部经熔池上部的连通通道向上升烟道流动的过程中，可通过喷枪或鼓风装置喷入或鼓入含氧气体，与过剩的还原气体燃烧，为熔池补充热量，同时消除上升烟道可能出现的烟尘粘结。

进一步，所述还原性气体含有效还原气氛，有效还原气氛为CO、H₂或碳氢化合物(如甲烷)气体中的一种或多种；优选的，为工业生产排放的含还原气氛的废气；更优选的，为高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气、电炉(矿热炉)尾气、回转窑尾气、转底炉尾气等；本发明创造采用上述工业废气作为冶炼气体，一方面使上述废气不需要再经过尾气净化处理流程，大大减小了原生产工艺的投资，另一方面降低了本发明所述冶金工艺的生产成本，实现了资源的循环综合利用，变废为宝。

优选的，所述还原气垫层中有效还原气氛(CO和H₂)含量为35％-70％。根据冶金热力学原理，在反应塔空间1100-1450℃高温下，上述范围的有效还原气氛(CO+H₂)可以使Fe₃O₄较易还原为FeO,而FeO几乎无法被还原成单质Fe，同时，铜、镍和铅氧化物在上述温度和还原气氛浓度下极易被还原。矿粉经过还原气垫层，其中的待冶炼的金属氧化物基本都被还原成金属单质。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述的闪速炉一步冶金的方法，其特征在于：将待冶炼金属矿、熔剂、含氧气体、冷料通过闪速炉顶部的喷嘴加入到反应塔中，通过气体导入装置向反应塔下部导入还原性气体；加热，待冶炼金属矿先经过反应塔上部发生氧化反应，生成金属氧化物，再经过反应塔下部的还原气垫层，发生还原反应，生成金属单质，在熔池下部形成粗金属层；待冶炼金属矿中的脉石成分和熔剂造渣后在熔池上部形成渣层；粗金属和渣分别排出炉外；反应生成的烟气通过上升烟道排出。

该方法具体包含以下步骤：

1)备料：将待冶炼的金属矿干燥并散化为含水量在0.3％以下、粒度小于0.2mm的干矿粉，造渣熔剂含水小于1％、粒度小于1mm；冷料含水小于1％，粒度小于5mm。

2)反应塔上中部氧化：将金属矿粉、熔剂、含氧气体、冷料通过闪速炉顶部的喷嘴喷入到炽热的反应塔中，利用矿粉比表面积大、在高温下与氧气反应速度快的特性，使矿粉和氧气在反应塔上中部迅速发生氧化反应，生成多种金属氧化物，并放出大量的热量。

3)反应塔下部及熔池上部空间还原：通过气体导入装置向反应塔下部导入还原性气体，在反应塔下部和熔池熔体上部空间形成了一个还原气垫层，生成的金属氧化物在下落经过该还原气垫层时，待冶炼的金属氧化物被还原成金属单质，通过控制还原气垫层中还原性气体中有效还原气氛(CO+H₂)的浓度，控制Fe₃O₄的还原程度，使其只能被还原成FeO,而不能被还原成金属Fe，反应生成的烟气通过上升烟道排出。

4)熔池造渣分离：在经过上述空间反应后的熔体落入熔池，其中的脉石成分与熔剂发生造渣反应，生成低熔点的熔渣，由于密度的差异，被还原出来的液态的金属与熔渣沉淀分层，由上至下形成渣层和粗金属层，原料中的贵金属溶解于熔融的粗金属层中，再通过金属排放口和排渣口分别把粗金属和冶炼渣排出炉外。

优选的，该过程中，反应塔中的温度控制在1100-1450℃。

优选的，含氧气体中氧的体积浓度≥50％。

优选的，所述待冶炼金属矿为铜硫化矿(或掺杂部分铜硫或废杂铜)、镍硫化矿(或掺杂部分镍硫)、铅硫化矿(或掺杂部分含铅废渣或烟尘)中的一种。本发明的提出的闪速炉和一步冶炼方法对原料适应性广，对于低铜高铁的铜硫化矿、低镍高MgO的镍硫化矿和低铅高铁的铅硫化矿都适用，且能产生一定的经济效益。

目前现有技术中为了解决在同一反应炉内完成金属硫化物氧化和金属氧化物还原两种反应过程，采用在空间进行氧化，同时在熔池熔体表层设置焦炭层或在熔池内设置电极的方式来实现金属氧化物的还原任务，其本质是用碳作为还原剂来直接还原金属氧化物，因而不可避免的使金属Fe单质被还原出来，导致最后的粗金属中含有一定量的铁，后续还需要有单独精炼除铁工序，增加了投资和能耗，同时在该过程中，焦炭或电极材料的耗用量也极大，生产成本高。而本发明创造提出的技术方案是在闪速炉反应塔空间从上至下构建了氧化和还原两种冶金气氛，在还原气垫层中使用CO和H₂等有效还原气氛作为还原剂，通过控制还原气垫层中的温度和有效还原气氛浓度分压的方法使待冶炼的金属氧化物能被完全还原成金属单质，而Fe₃O₄只能被还原成FeO，无法还原出单质铁，这是相对于现有技术的一个重大技术改进。

进一步，所述冷料为含有价金属的原矿、烟尘、火法冶炼渣、湿法冶炼渣(包括浮渣)中的一种或多种。优选的，所述有价金属为金、银、铟、铜、铋、钴中的一种或多种。冷料一方面吸收可以炉内热量，降低闪速炉的热负荷，另一方面可以在熔池中用金属熔体(Cu或Ni或Pb)捕集冷料中的有价金属(有价金属最终溶解富集于粗金属中，后续可以分离提取)，做到变废为宝。

进一步，所述冶炼渣渣层中Fe₃O₄的含量小于0.5％。本发明创造提出的方法，通过控制导入到闪速炉反应塔内还原性气体的流速，即可调节闪速炉内还原气垫层的厚度和还原气垫层中有效还原气氛的浓度分压，从而使待冶炼的金属氧化物(Cu₂O或NiO或PbO)能被完全还原成金属单质，而Fe₃O₄只能被还原成FeO，在保证最终排出炉外的冶炼渣中Fe₃O₄含量小于0.5％的同时，又尽量消耗还原性气体中有效还原气氛，提高有效还原气氛的利用率，降低能耗。

相对于现有技术，本发明创造提出的一步冶金的闪速炉和一步冶金方法具有以下优势：

本发明所述的一步冶金的闪速炉和一步冶金方法通过还原气氛(CO/H₂)可以对铁氧化物进行选择性还原的特性，使待冶炼的金属氧化物能被完全还原成金属单质，而Fe₃O₄只能被还原成FeO，无法还原出单质铁，从而即保证了待冶炼金属的回收率，又降低了粗金属中含铁量，改善了渣的性能。

本发明所述的一步冶金的闪速炉所导入的还原性气体来源广泛，可直接采用工业生产排放的带热量的含还原气氛的废气作为冶炼气体，一方面使废气不需要再经过尾气净化处理流程，大大减小了原生产工艺的投资，另一方面降低了本发明所述冶金工艺的生产成本,同时，无须使用大量焦炭和昂贵的电极材料，更节能环保，实现了资源的综合回收利用。

本发明所述的一步冶金的闪速炉构建简单，不需额外使用电炉或加焦炭处理熔渣，投资小、生产成本低。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例1-3所述的一步冶金的闪速炉。

附图标记说明：

1-反应塔，2-喷嘴，3-气体导入装置，4-还原气垫层，5-熔池，6-挡墙，7-渣层，8-粗金属层，9-喷枪；10-上升烟道。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1一步冶金的闪速炉

一种一步冶金的闪速炉，包括反应塔1，反应塔1顶部设有喷嘴2；反应塔1下部连接熔池5的一端，熔池5的另一端上方设有上升烟道10；反应塔1下半部设有气体导入装置3用于导入还原性气体，还原性气体中含有CO和H₂。还原性气体在反应塔1下部和熔池5上部空间形成还原气垫层4。熔池5和反应塔1连接处设有挡墙6。熔池5上部、侧面及上升烟道10上设有若干喷枪9。

实施例2利用实施例1的闪速炉一步炼铜的方法

1、原料和辅料准备

本实施例中采用原料为一种进口铜精矿，主要成分如下表：

成分	Cu	S	Fe	SiO₂	CaO+MgO
						％	29.5	31	26	6	1

将原料干燥并散化为含水量在0.3％以下、粒度在200目以下占80％的干精矿。

熔剂为SiO₂含量在90％以上的石英粉，石英粉含水小于1％、粒度小于60目的占90％，此处石英粉作为熔剂参与闪速熔炼的造渣过程。

冷料为含有价金属如金、银、铟、铜、铋的烟尘、炉渣、原矿、湿法浸出渣中的一种或多种，干燥至含水小于1％，粒度小于5mm。冷料一方面吸收炉内过量的热量，降低闪速炉的热负荷，另一方面其中含有的有价金属在熔池5中可被熔融的铜液捕集(有价金属最终溶解富集在粗铜中，后续可以分离提取)，从而使二次资源得到回收利用，一举两得，变废为宝。

含氧气体一般为氧气－空气混合物，通常采用空气和工业氧混合配成，含氧气体中氧的体积浓度≥50％。

2、冶炼过程

将原料、熔剂、含氧气体、冷料通过闪速炉顶部喷嘴2加入到闪速炉反应塔1，在闪速炉反应塔1内，Cu₂S被直接氧化生成Cu₂O，也有部分过氧化的Cu₂O和Fe₃O₄与欠氧化的Cu₂S的交互反应生成铜，部分铜又再次被氧化成Cu₂O。控制氧气和铜精矿加入的质量比为43％-47％，一方面使进入反应塔1的铜精矿中的硫和硫化物最终全部被氧化，最后落入熔池5的物料中S的含量小于0.05％，同时，也使铜精矿中的硫、硫化物及铁的氧化反应将反应塔1上中部空间的氧耗尽，使反应塔1下部空间呈弱氧化环境。

经过在反应塔1的上中部的氧化反应后生成大量的Cu₂O、Fe₃O₄和少量铜，为避免Cu₂O和Fe₃O₄进入炉渣，本发明在反应塔1的下部导入还原性气体，还原性气体含CO、H₂或碳氢化合物气体(如甲烷)等有效还原气氛中的一种或多种，优选为工业生产排放的含还原气氛的废气如高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气、电炉(矿热炉)尾气、回转窑尾气、转底炉尾气等。在反应塔1与熔池5的连接处设置挡墙，使反应塔1下部及熔池5上部及挡墙间形成充满还原气氛的还原气垫层4。

在反应塔1下部空间内，由顶部加入的氧已基本被消耗完毕，还原性气体进入炉内不会出现剧烈燃烧而增加闪速炉的热负荷，而且大量的还原性气体要吸收热量加热自身，对炉体有一定的冷却作用。当Cu₂O和Fe₃O₄下落穿过含有效还原气氛(CO+H₂)浓度为35％-70％的还原气垫层4时，Cu₂O被还原成单质Cu，Fe₃O₄被还原成FeO，即提高了铜的回收率又改善了渣性。

上述反应物熔体落入熔池5后，其中的FeO和熔剂SiO₂造渣，液态的渣和熔融的铜液由于比重的不同沉淀分层，形成渣层6和粗金属层7即粗铜层，生成的含有SO₂的烟气通过上升烟道10排出炉外，再经过降温、除尘后可引入到硫酸厂制酸。在闪速炉熔池5上部、侧面及上升烟道10上的若干喷枪9，在未参与反应的有效还原气氛(CO或H₂)经熔池5上部的连通空间向上升烟道10流动的过程中，可喷入或鼓入含氧气体，一方面为熔池5补充热量，同时消除上升烟道10可能出现的烟尘粘结。

本发明的提出的一步炼铜的方法对原料具有广泛的适用性，不仅适用于高Cu低Fe的铜精矿，也可用于高Fe低Cu的铜精矿的冶炼，同时,在精矿中掺杂部分铜硫或废杂铜也是可行的。

3、冶炼过程中发生的主要化学反应

1)反应塔上中部空间发生的主要化学反应：

a.分解反应

4CuFeS₂＝2Cu₂S+4FeS+S₂

2FeS₂＝2FeS+S₂

4CuS＝2Cu₂S+S₂

b.氧化反应

2Cu₂S+3O₂＝2Cu₂O+2SO₂

2FeS+3O₂＝2FeO+2SO₂

6FeO+O₂＝2Fe₃O₄

S+O₂＝SO₂

c.交互反应

3Fe₃O₄+FeS＝10FeO+SO₂

Cu₂O+FeS＝Cu₂S+FeO

Cu₂S+2Cu₂O＝6Cu+SO₂

2)反应塔下部空间及熔池上部空间发生的主要化学反应(还原反应)

Cu₂O+CO＝2Cu+CO₂ Cu₂O+H₂＝2Cu+H₂O

Fe₃O₄+CO＝3FeO+CO₂ Fe₃O₄+H₂＝3FeO+H₂O

3)熔池熔体内发生的主要化学反应(造渣反应)

2FeO+SiO₂＝2FeO·SiO₂

CaO+SiO₂＝CaO·SiO₂

实施例3利用实施例1的闪速炉一步炼镍铜粗合金的方法

1、原料、燃料和辅料准备

原料为镍精矿，镍精矿中主要含镍、铜两种金属，镍铜含量的质量比例通常在1.5-2.5之间，此外还含有钴及少量的金、银和铂族金属。本实施例采用的镍精矿的成分如下：

成分	Ni	Cu	Co	Fe	S	SiO₂	CaO	MgO
									％	6.6	2.8	0.3	39.5	27.3	8.2	1.2	6

熔剂为SiO₂含量在90％以上的石英粉，石英粉含水小于1％、粒度小于60目的占90％。此处石英粉作为熔剂参与闪速熔炼的造渣过程。

煤作为燃料须进行磨煤及干燥处理，使其含水量低于1％、粒度小于200目占85％；粉煤通过燃烧为闪速熔炼提供所需要的热量。

含氧气体直接采用工艺氧(O₂≥70％)

2、冶炼过程

将原料、熔剂、工艺氧、粉煤通过闪速炉顶部喷嘴2加入到闪速炉反应塔1中，在1100-1450℃温度下，镍精矿中的(NiFe)₉S₈、CuFeS₂等硫化物发生分解反应，生成Ni₃S₂、Cu₂S、FeS、CoS等金属硫化物，这几种硫化物大部分迅速被氧化成NiO、Cu₂O、Fe₃O₄、CoO，过氧化的NiO、Cu₂O、CoO和Fe₃O₄与欠氧化的FeS(颗粒的中心部位)在碰撞中发生交互反应，生成的金属和硫化物又会再次被氧化，在此过程中，氧气逐渐被耗尽。控制氧气和镍精矿加入的质量比为42％-47.5％，一方面使进入反应塔1的Ni₃S₂、Cu₂S、FeS、CoS等硫化物和硫最终全部被氧化，使最后落入熔池5的物料中S的含量小于0.05％，同时，也使镍精矿中的硫、硫化物及铁的氧化反应将反应塔1上中部空间的氧耗尽，使在反应塔1下部空间呈弱氧化环境。

为避免在反应塔1的上中部经氧化反应生成的NiO、Cu₂O、CoO和Fe₃O₄进入炉渣，本发明在反应塔1的下部导入还原性气体，还原性气体含CO、H₂或碳氢化合物气体(如甲烷)等有效还原气氛中的一种或多种，优选为工业生产排放的含还原气氛的废气如高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气、电炉(矿热炉)尾气、回转窑尾气、转底炉尾气等。在反应塔1与熔池5的连接处设置挡墙，使反应塔1下部及熔池5上部及挡墙间形成充满还原气氛的还原气垫层4。

在反应塔1下部空间内，由顶部加入的氧已基本被消耗完毕，还原性气体进入炉内不会出现剧烈燃烧而增加闪速炉的热负荷，而且大量的还原气氛要吸收热量加热自身，对炉体有一定的冷却作用。当NiO、Cu₂O、CoO和Fe₃O₄下落穿过含有效还原气氛(CO+H₂)浓度为35％-70％的还原气垫层4时，NiO、Cu₂O、CoO被还原成金属单质Ni、Cu和Co，Fe₃O₄被还原成FeO，即改善了渣性又提高了Ni、Cu和Co的回收率。

上述反应物落入熔池5后，其中的MgO、FeO和熔剂SiO₂造渣，液态的渣和熔融的铜镍由于比重的不同沉淀分层，形成渣层6和粗金属层7即镍铜粗合金层，由于NiO、Cu₂O、CoO和Fe₃O₄都已几乎完全被还原，渣含Ni、Cu、Co和Fe₃O₄都很低。铜镍粗合金可以在精炼提取其中的贵金属后配成一定比例的铜镍合金出售，如蒙乃尔合金，或二次硫化经磨浮分离后得到二次铜精矿和二次镍精矿，再分别冶炼得到铜金属和镍金属。

反应生成的含有SO₂的烟气通过上升烟道10排出炉外，再经过降温、除尘后可引入到硫酸厂制酸。在闪速炉熔池5上部、侧面及上升烟道10上的若干喷枪9，在未参与反应的还原气氛(CO或H₂)经熔池5上部的连通空间向上升烟道10流动的过程中，可喷入或鼓入含氧气体，一方面为熔池5补充热量，同时消除上升烟道10可能出现的烟尘粘结。

本发明的提出的一步炼铜的方法对原料具有广泛的适用性，不仅适用于高Ni低MgO的镍精矿，也可用于高MgO低Ni的低品质镍精矿的冶炼，且能产生一定的经济效益。在精矿中掺杂部分镍硫或含镍含铜或含钴废渣也是可行的。此外，若闪速炉内热量过剩，也可加入含有价金属如金、银、铟、铜、铋、钴的烟尘、炉渣、原矿、湿法浸出渣中的一种或多种的冷料，这些有价金属最后会富集于粗铜镍合金中，做到废物利用，一举两得。

3、冶炼过程中发生的主要化学反应

1)反应塔上中部空间发生的主要化学反应：

a.分解反应

2(NiFe)₉S₈＝4Ni₃S₂+6FeS+S₂

4CuFeS₂＝2Cu₂S+4FeS+S₂

2Fe₇S₈＝14FeS+S₂

2FeS₂＝2FeS+S₂

b.氧化反应

2Ni₃S₂+7O₂＝6NiO+4SO₂

2Cu₂S+3O₂＝2Cu₂O+2SO₂

2CoS+3O₂＝2CoO+2SO₂

2FeS+3O₂＝2FeO+2SO₂

6FeO+O₂＝2Fe₃O₄

S+O₂＝SO₂

c.交互反应

6NiO+6FeS＝2Ni₃S₂+6FeO+S₂

3Fe₃O₄+FeS＝10FeO+SO₂

Cu₂O+FeS＝Cu₂S+FeO

CoO+FeS＝CoS+FeO

Cu₂S+2Cu₂O＝6Cu+SO₂

NiO+CO＝Ni+CO₂ NiO+H₂＝Ni+H₂O

Cu₂O+CO＝2Cu+CO₂ Cu₂O+H₂＝2Cu+H₂O

CoO+CO＝Co+CO₂ CoO+H₂＝Co+H₂O

Fe₃O₄+CO＝3FeO+CO₂ Fe₃O₄+H₂＝3FeO+H₂O

3)熔池熔体内发生的主要化学反应(造渣反应)

2FeO+SiO₂＝2FeO·SiO₂

MgO+SiO₂＝MgO·SiO₂

CaO+SiO₂＝CaO·SiO₂

实施例4利用实施例1的闪速炉一步炼铅的方法

1、原料和辅料准备

原料为一种铅精矿，主要成分为：

将原料干燥并散化为含水量在0.3％以下、粒度小于0.2mm的干精矿。

熔剂为石英砂和石灰石。石英沙含SiO₂在80％以上，石英沙干燥至含水小于1％、粒度小于1mm；石灰石含CaCO₃在90％以上，粒度小于1mm，含水小于1％。此处石英沙和石灰石作为熔剂参与闪速熔炼的造渣过程。

煤作为燃料须进行磨煤及干燥处理，使其含水量低于1％、粒度小于0.2mm，粉煤通过燃烧为闪速熔炼提供所需要的热量。

2、冶炼过程

将原料、熔剂、工艺氧、粉煤通过闪速炉顶部喷嘴2加入到闪速炉反应塔1，在1100-1450℃温度下，原料进入反应塔1后与炙热氧气快速发生反应，铅、锌、铜和铁的硫化物迅速被直接氧化生成PbO、ZnO、Cu₂O和Fe₃O₄，在此过程中，氧气逐渐被耗尽。控制氧气和铅精矿加入的质量比为28.5％-30％，一方面使进入反应塔1的硫化物和硫最终全部被氧化，使最后落入熔池5的物料中S的含量小于0.05％，同时，也使铅精矿中的硫、硫化物及铁的氧化反应将反应塔1上中部空间的氧耗尽，使在反应塔1下部空间呈弱氧化环境。

为避免在反应塔1的上部经氧化反应生成的PbO、Cu₂O和Fe₃O₄进入炉渣，本发明在反应塔1的下部导入还原性气体，还原性气体含CO、H₂或碳氢化合物气体(如甲烷)等有效还原气氛中的一种或多种，优选为工业生产排放的含还原气氛的废气如高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气、电炉(矿热炉)尾气、回转窑尾气、转底炉尾气等。在反应塔1与熔池5的连接处设置挡墙，使反应塔1下部及熔池5上部及挡墙间形成充满还原气氛的还原气垫层4。

在反应塔1下部空间内，由顶部加入的氧已基本被消耗完毕，还原性气体进入炉内不会出现剧烈燃烧而增加闪速炉的热负荷，而且大量的还原气氛要吸收热量加热自身，有一定的冷却作用。当PbO、Cu₂O和Fe₃O₄下落穿过含有效还原气氛(CO+H₂)的浓度为35％-70％的还原气垫层4时，PbO、Cu₂O被还原成单质金属Pb和Cu，Fe₃O₄被还原成FeO，即改善了渣性又提高了Pb和Cu的回收率。

上述反应物熔体落入熔池5后，其中的MgO、FeO和熔剂SiO₂造渣，液态的渣和熔融的铅液由于比重的不同沉淀分层，形成渣层6和粗金属层7即粗铅层(少量的Cu也进入粗铅中)，由于PbO、Cu₂O和Fe₃O₄都已被还原，渣含Pb、Cu和Fe₃O₄都很低。

反应生成的含有SO₂的烟气通过上升烟道10排出炉外，再经过降温、除尘后可引入到硫酸厂制酸。在闪速炉熔池5上部、侧面及上升烟道10上的若干喷枪9，在未参与反应的还原气氛(CO或H₂)经熔池5上部的连通空间向上升烟道10流动的过程中，可喷入或鼓入含氧气体，氧气与还原气氛燃烧可为熔池5补充热量，也可消除上升烟道10可能出现的粘结。

本发明的提出的一步炼铅的方法对原料具有广泛的适用性，不仅适用于高铅低铁的铅精矿，也可用于低铅高铁的铅矿的冶炼。此外,在精矿中掺杂部分含铅的废渣如铅残渣、硫酸铅泥、銅浮渣、精炼氧化渣等，也是可行的。

3、冶炼过程中发生的主要化学反应

1)反应塔上中部空间发生的主要化学反应：

a.分解反应

4CuFeS₂＝2Cu₂S+4FeS+S₂

2Fe₇S₈＝14FeS+S₂

2FeS₂＝2FeS+S₂

CaCO₃＝CaO+CO₂

b.氧化反应

2PbS+3O₂＝2PbO+2SO₂

2PbS+4O₂＝2PbSO₄

2ZnS+3O₂＝2ZnO+2SO₂

2Cu₂S+3O₂＝2Cu₂O+2SO₂

2FeS+3O₂＝2FeO+2SO₂

6FeO+O₂＝2Fe₃O₄

S+O₂＝SO₂

c.交互反应

PbS+2PbO＝3Pb+SO₂

PbS+PbSO₄＝2Pb+2SO₂

3Fe₃O₄+FeS＝10FeO+SO₂

Cu₂O+FeS＝Cu₂S+FeO

PbO+CO＝Pb+CO₂ PbO+H₂＝Pb+H₂O

Cu₂O+CO＝2Cu+CO₂ Cu₂O+H₂＝2Cu+H₂O

Fe₃O₄+CO＝3FeO+CO₂ Fe₃O₄+H₂＝3FeO+H₂O

3)熔池熔体内发生的主要化学反应(造渣反应)

2FeO+SiO₂＝2FeO·SiO₂

CaO+SiO₂＝CaO·SiO₂

效果实验例

对实施例2-4方法生产的产品和副产品进行检测及对整个工艺流程的能耗进行分析计算，并与现有技术中已产业化的最先进的冶金工艺比较，所得到的炉渣中金属含量和综合能耗结果如下表所示：

通过上表可知本发明创造提出的冶金方法，降低了炉渣含待冶炼的金属量和Fe₃O₄的含量，既提高了待冶炼金属的回收率，又改善了炉渣的性质，使其粘性降低，利于排放，同时，由于不用使用电炉，也不需要加焦炭，一次性投资小，综合能耗低，产品的生产成本低。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种一步冶金的闪速炉，其特征在于：包括反应塔，所述反应塔顶部设有喷嘴；所述反应塔下部连接熔池的一端，所述熔池的另一端上方设有上升烟道；所述反应塔下半部设有气体导入装置用于导入还原性气体，在反应塔下部空间形成还原气垫层；所述还原性气体含有效还原气氛，有效还原气氛为CO、H₂中的一种或多种；所述还原气垫层中有效还原气氛的含量为35％-70％；反应塔中的温度控制在1100-1450℃。

2.根据权利要求1所述的闪速炉，其特征在于：所述熔池上壁靠近反应塔侧设有深入炉内的挡墙或可移动闸门。

3.根据权利要求1所述的闪速炉，其特征在于：所述熔池上部、侧面或烟道上设有若干喷枪或鼓风装置。

4.一种利用权利要求1所述的闪速炉一步冶金的方法，其特征在于：将待冶炼金属矿、熔剂、含氧气体、冷料通过闪速炉顶部喷嘴加入到反应塔中，通过气体导入装置向反应塔下部导入还原性气体；加热，待冶炼金属矿先经过反应塔上部发生氧化反应，生成金属氧化物，再经过反应塔下部的还原气垫层，发生还原反应，生成金属单质，在熔池下部形成粗金属层；待冶炼金属矿中的脉石成分和熔剂造渣后在熔池上部形成渣层；粗金属和渣分别排出炉外；反应生成的烟气通过上升烟道排出。

5.根据权利要求4所述的一步冶金的方法，其特征在于：所述待冶炼金属矿为铜硫化矿、镍硫化矿、铅硫化矿中的一种。

6.根据权利要求4所述的一步冶金的方法，其特征在于：所述冷料为含有价金属的原矿、烟尘、火法冶炼渣、湿法冶炼渣中的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的一步冶金的方法，其特征在于：所述有价金属为金、银、铟、铜、铋、钴中的一种或多种。

8.根据权利要求4所述的一步冶金的方法，其特征在于：所述渣层中Fe₃O₄的含量小于0.5％。