提高感应炉锌阴极片熔化直收率的研究.pdf

6 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 0 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．1 0 ．0 1 7 提高感应炉锌阴极片熔化直收率的研究 鲁志昂1 ，汪洋洋1 ，何世科2 ，艾元方2 1 ．株洲火炬工业炉有限责任公司，湖南株洲4 1 2 0 0 5 ； 2 ．中南大学能源科学与工程学院，长沙4 1 0 0 8 3 摘要针对锌阴极片在工频感应电炉熔化中锌液氧化导致锌直收率降低的问题，对锌直收率和氧化率随 炉膛气相空间氧气浓度变化的规律进行研究。结果表明，炉膛内气相空间填注氮气可提高锌直收率；在 4 7 0 ～4 9 0 ℃，锌液上方气相空间填注氮气到含氧浓度降低至5 ％以下，锌直收率可提高到9 8 ．0 8 ％～ 9 8 ．2 1 ％，比常规不填充氮气锌熔铸的锌直收率高出1 ．1 5 ～2 ．1 5 个百分点，且无需考虑N 0 。生成问题。 关键词工频电炉；锌阴极片；熔铸；直收率；氧化率 中图分类号T F 8 1 3文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 1 0 - 0 0 6 0 0 3 S t u d yo nI m p r o v i n gZ i n c c a t h o d eM e l t i n gR e c o v e r yi nI n d u c t i o nF u r n a c e L UZ h i a n 9 1 ，W A N GY a n g y a n 9 1 ，H ES h i k e 2 ，A IY u a n f a n 9 2 1 ．Z h u z h o uH u o j uI n d u s t r i a lF u r n a c eL i m i t e dL i a b l i t yC o m p a n y ，Z h u z h o u4 1 2 0 0 5 ，H u n a n ，C h i n a 2 ．S c h o o lo fE n e r g yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ev a r i a t i o n a lp a t t e r no fz i n cr e c o v e r ya n do x i d a t i o nr a t eV 5 ．t h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni nt h e h e a r t hs p a c eo fi n d u c t i o nf u r n a c ew e r ei n v e s t i g a t e da i m e da tt h el o w e rz i n cr e c o v e r yd u ot ot h eo x i d a t i o no f m e l t e dz i n cl i q u i d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h en i t r o g e ni n je c t i o ni n t ot h eg a s p h a s es p a c eo ft h ee l e c t r i cf u r n a c ec a ni n c r e a s ez i n cr e c o v e r yt o9 8 ．0 8 ％～9 8 ．2 1 ％，w h i c hi s1 ．1 5 ～2 ．1 5p e r c e n t a g ep o i n th i g h e rt h a n t h a to ft r a d i t i o n a lz i n cc a s t i n gf u r n a c ew i t h o u tn i t r o g e ni n j e c t i o n 。u n d e rt h ec o n d i t i o n so f4 2 0 ～5 2 0 ℃a n d o x y g e nc o n t e n ti nt h eh e a r t hs p a c el e s st h a n5p e r c e n t ，a n dn oN O 。p o l l u t i o nn e e dt ob et a k e ni n t oa c c o u n t ． K e yw o r d s m a i nf r e q u e n c yf u r n a c e ；z i n cc a t h o d e ；c a s t i n g ；t o t a lr e c o v e r y ；o x i d a t i o nr a t e 工频感应电炉熔锌具有金属直收率高、产渣率 低、热效率高、能耗较低和环境污染少等优点[ 1 _ 2 ] ， 目前国内湿法炼锌行业的锌片熔铸工序多采用工频 有芯感应电炉作为锌片熔炼设备口j 。感应电炉利用 电流热效应产生的热量使固体金属锌在4 7 0 ～4 9 0 ℃熔化_ 5 ] 。由于炉膛内锌液上方气相空间里含有 高浓度氧化性气体 含氧浓度约2 0 ．9 ％ ，锌片熔化 过程中存在明显的氧化烧损。被氧化的锌以固态氧 化锌形式存在于锌渣中，或以气态氧化锌存在于开 启炉盖时散发的高温烟气中，这样既降低锌直收率、 收稿日期2 0 1 2 - 0 6 1 9 作者简介鲁志昂 1 9 6 4 一 ，男，湖南桃江人。高级工程师 造成能源浪费和经济损失，又污染环境。提高锌直 收率和减少环境污染的技术和方法一直是工频炉熔 锌的焦点议题。由气固反应动力学机理可知，决定 锌熔化氧化损失的主要因素为熔化温度、熔化时间、 熔液表面积、炉内氧化性气氛浓度等。作者依据锌 液上方气相空间里氧气浓度高低明显影响锌直收率 高低现象，提出一种工频炉熔锌填注氮气抑制氧化 锌生成的新装置方法[ 6 ] 。本文主要探讨工频感应炉 熔锌中锌液氧化率和渣量随着炉气含氧浓度变化的 规律。 万方数据 2 0 1 2 年1 0 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／[ y s y l ．b g r i m m ．c n 6 1 1 试验装置 试验装置示意图如图1 所示，主要包括工频感 应电炉、石墨坩埚、氮气瓶、工业氯化铵瓶和集渣器。 电炉炉盖设置有用于连通氮气源和炉膛气相空间的 氮气接口。氮气接口设置有氮气接口法兰，氮气接 口法兰通过进气管与氮气源相连通。氮气进气管上 有调节阀调节氮气进入量。试验装置采取在锌液上 方气相空间充注氮气的方法来改变和锌液表面接触 的氧气浓度。感应电炉用于熔化锌阴极片，炉内腔 呈长方体状，水平截面12 5 0m m 4 0 0m m 。石墨 坩埚用于产生初始起熔液。氯化铵为电炉放出锌液 后沉淀分离锌渣和微量锌液使用的造渣剂。电炉炉 盖和集渣器上方均设置收尘系统。 主要仪器及设备有1 台精度- 4 - 0 ．1h 磅秤；1 台 t e s t o3 6 0 烟气成分分析仪，测氧气浓度量程0 ～ 2 0 ．9 ％，精度0 ．0 1 ％，测N O 。精度1t 1 L ／L ；2 根K 分度热电偶；1 台t e s t o5 1 0 电子微压差计，精度1P a 。 试验用锌阴极片为0 ”锌 G B ／T 4 7 0 一2 0 0 8 ，纯 度9 9 ．9 9 5 ％，工业氯化铵 G B ／T6 5 8 2 0 0 6 纯度 9 9 ．5 ％。 熔锌工频感应电炉 图1 试验装置示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po ft e s t e r 2试验方法 试验中使用氮气保护熔化炉熔化锌锭，在一定 氮气分压下，加热熔化6h ．测量锌锭和锌渣的质 量，进而确定锌氧化率和直收率。试验步骤 1 形成本试验锌液计量基准面用石墨坩埚产 生起熔体，连续注入感应电炉，锌液浇注口处于开放 状态，电炉通电使锌液温度控制在4 7 0 ～4 9 0 ℃，锌 液至浇注口底平面附近，加入少量工业氯化铵造渣， 捞渣，让少量锌液通过浇注口溢流出来，停止注入锌 液，此时锌液浇注口底平面形成，此锌液面作为本试 验计量基准，清理浇注口并用黄泥巴封堵； 2 用磅秤称重电解锌阴极片5 0 0k g ； 3 打开感应电炉炉盖，将称好的电解锌阴极片 加入电炉炉膛内，盖好炉盖，炉盖密封采用沙封结构； 4 打开电炉炉盖上的进气阀，通入氮气进行吹 扫，排出停留在炉膛内的氧气到设定的炉气含氧浓 度； 5 电炉升温并测量炉气氧气浓度。测量炉气 氧浓度和炉内温度周期为1 0r a i n 。每周期连续采 集5 次，锌阴极片熔化过程中炉内密闭不排放烟气。 锌阴极片完全熔化后，在4 7 0 ～4 9 0 ℃保温，加入少 量工业氯化铵造渣，捞渣 称重、记录 ； 6 打开浇注口放锌液铸锭、扒皮 每次扒皮放 入本次炉内重熔 、冷却，锌锭称重、记录； 7 锌锭和锌渣冷却后分别称出锌锭和锌渣的 重量。 打开炉盖加料时放散的烟气和放锌结束造渣时 烟气均夹杂微量氧化锌，但因量极少而忽略不计，认 为锌氧化后以氧化锌形态存在于固体渣中。设锌锭 质量M 。，锌渣质量M ，加热熔化试验锌直收率} 和 氧化率卵计算式为 ／ ，r ；一M ，／ M t 瓦彘6 5 3 7 1 0 0 ％ 叩一 燕羔 ／叩一 万了丽 ／ M ， 揣 X 1 0 0 ％ 3试验结果与讨论 氮气保护气氛下锌阴极片熔化试验炉气含氧浓 度及锌液温度数据见图1 ～2 ，空气 未通入氮气 气 氛下锌阴极片熔化试验炉气含氧浓度及锌液温度数 据见图3 。3 个试验工况的锌直收率和氧化率数据 见表1 。 表1感应炉熔铸锌试验数据 T a b l e1D a t eo fz i n cc a s t i n gi ni n d u c t i o nf u r n a c e 试验锌阴极片锌锭 编号 ／k g／k g 锌渣 ／k g 12 ．3 1 1 ．5 2 6 ．4 锌氧化率 ／％ 2 ．0 2 1 ．8 8 4 ．3 2 5 0 0 ．0 5 0 0 ．0 5 0 0 ．0≯百巷直，一沲撤狐髓j ％％％ 万方数据 6 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 0 期 p 、 憾 赠 星 图1 氮气保护下的试验1 数据 F i g ．1 D a t ao ft e s tN o ．1w i t hn i t r o g e np r o t e c t i o n 图2 氮气保护下的试验2 数据 F i 昏2 D a t ao ft e s tN o ．2 、v i t hn i t r o g e np r o t e c t i o n 时间／r a i n p ＼ 魁 赠 昱 冬 图3 无氮气保护下的试验3 数据 F i g ．3 D a t ao ft e s tN o ．3w i t h o u t n i t r o g e np r o t e c t i o n 熔锌试验中，炉温始终维持在4 7 0 ～4 9 0 ℃，温 度变化对锌直收率和氧化率影响可忽略。另外，和 接触到炉气的锌液表面积和熔化时间没有变化，锌 直收率可认为是炉气含氧浓度单因素变化引起的。 熔锌试验中，渣层阻碍炉气中氧分子扩散到锌 液表面作用可忽略，锌直收率和氧化率变化趋势试 验规律是炉内气氛与锌液直接作用的结果。 熔锌试验表明 1 电炉炉膛内气相空间填注氮气可以降低锌液 表面氧化损失。由于氮气保护气氛，锌氧化率降低， 直收率提高； 2 使用氮气保护 含氧 5 ％ 条件下，锌直收率 分别为9 8 ．0 8 ％和9 8 ．2 1 ％，锌氧化率分别为 2 ．0 2 ％和1 ．8 8 ％。在空气气氛条件下，锌直收率为 9 5 ．8 9 ％，锌氧化率为4 ．3 2 ％。使用氮气保护比不 使用氮气保护锌直收率高2 ．2 0 ～2 ．3 3 个百分点，锌 氧化率低2 ．3 0 ～2 ．4 4 个百分点； 试验中，炉内温度始终低于4 9 0o C ，氮气充入并 未引起N O 。形成，试验测得的N O 。浓度几乎为0 。 感应炉熔锌填注氮气提高锌直收率工业现场无需考 虑N o 。污染问题。 4结论 1 炉膛内气相空间填注氮气可提高锌直收率； 在4 7 0 ～4 9 0o C ，锌液上方气相空问填注氮气到含氧 浓度降低至5 ％以下，锌直收率可提高到9 8 ．0 8 ％～ 9 8 ．2 1 ％，比常规不填充氮气锌熔铸的锌直收率高出 1 ．1 5 ～2 ．1 5 个百分点，且无需考虑N O 、生成问题。 2 精确的炉气含氧浓度对锌直收率和氧化率的 影响规律，以及锌熔铸氧化反应动力学机理，有待于 更多的、更精细的科学试验研究来验证。 3 熔锌试验结果可以为熔锌工频炉结构优化设 计、工业现场工频炉熔锌操作参数优化、感应炉锌熔 铸节能减排技改等工作提供理论参考。 参考文献 [ 】] 刘立群．熔锌工频有芯感应电炉熔沟漏锌分析[ J ] ．湖 南有色金属，2 0 0 9 2 3 4 3 5 ． E 2 ] 袁慧清，1 2 吨锌熔铸电炉的设计及生产E J ] ．有色金属 设计，1 9 9 1 3 2 8 2 9 ． [ 3 ] 张利平，李伟．熔锌工频炉改造失败的原因探讨[ c ] ／／ 有色金属工业科技创新一中国有色金属学会第七届学 术年会论文集，北京中国有色金属学会，2 0 0 8 5 9 55 9 8 ． L 4 3 唱鹤鸣，杨晓平，张德惠．感应炉熔炼与特种铸造技术 E M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 2 ． E 5 3 谢国祥，向顺安．熔锌感应电炉生产实践[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，1 9 7 7 2 2 ． [ 6 ] 鲁志昂，汪洋洋，李勇，等．工频有芯感应电炉及氧气含 量控制方法中国，2 0 1 1 1 0 0 8 0 7 7 8 ．4 [ P ] ．2 0 1 卜0 3 3 1 ． 枣＼世蛙扩研 9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 窜、越蜓扩蝌 万方数据