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焙烧

焙烧是在低于物料熔化温度下完成某种化学反应的过程,为炉料准备的组成部分。绝大部分物料始终以固体状态存在,因此焙烧的温度以保证物料不明显熔化为上限。显然,焙烧反应以固-气反应为主,有时兼有固-固、固-液及气-液的相互反应或作用。焙烧大多为下步的熔炼或浸出等主要冶炼作业做准备,因而在冶炼流程中常常是一个炉料准备工序,但有时也可作为一个富集、脱杂、金属粉末制备或精炼过程。 

物料(矿石和精矿)在低于其熔化温度的条件下,使其发生脱水、分 解、氧化、还原、氯化、硫酸化、结块或球团等过程。依据焙烧时所发生的化学过 程的不同,分为煅烧、氧化焙烧、还原焙烧、氯化焙烧、硫酸化焙烧;依据其物理 状态的不同,分为粉状焙烧和烧结(结块焙烧)。大多数情况下,焙烧是冶金过 程中矿石和精矿的第一个处理阶段,是一种火法冶金过程,为熔炼或湿法冶金 做准备,在这个过程中物料发生某种化学变化,但仍保持固体状态。

依据物料的性质和后序加工方法的不同,焙烧具有不同的目的:(1)使矿石中的非氧化 物矿物变成氧化物,这些氧化物在湿法冶金过程中会转入溶液中以提取金属, 在火法冶金过程中会还原成金属状态;(2)除掉矿石中对冶金过程有害的水分 及其它易挥发组分(如砷、锑等):(3)使粉状物料变成块状或球团状,利于冶炼 过程的进行。任何类型的焙烧过程都是固相与气相间的多相化学反应过程。硫 化物焙烧为放热过程,一般可不加热或加少许热量的条件下可自动进行。多价 金属的化合物焙烧时,先离解成低价化合物后再进行焙烧。焙烧温度控制在硫 化物和氧化物熔点以下,一般低于900℃—1000℃;有些硫化物焙烧温度较 低,为提高焙烧速度,常控制在500℃—600℃。故实际焙烧温度控制在 500℃—1000℃。

根据工艺的目的,焙烧大致可分为:氧化焙烧、盐化焙烧、还原焙烧、挥发焙烧、烧结焙烧,其中的盐化焙烧包括硫酸化焙烧、氯化焙烧和苏打焙烧,磁化焙烧属还原焙烧。按物料在熔炼过程中的运动状态,分为固定床焙烧、移动床焙烧、流态化焙烧、飘浮焙烧。

粉碎后的固体原料在氧气中焙烧,使其中的有用成分转变成氧化物,同时除去易

在矿石或盐类中添加还原剂进行高温处理,常用的还原剂是碳。在制取高纯度产品时,可用氢气、一氧化碳或甲烷作为焙烧还原剂。例如:贫氧化镍矿在加热下用水煤气还原,可使其中的三氧化二铁大部分还原为四氧化三铁,少量还原为氧化亚铁和金属铁;镍、钴的氧化物则还原为金属镍和钴。因为该过程中的三氧化二铁具有弱磁性,四氧化三铁具有强磁性,利用这种差别可以进行磁选,故此过程又称磁化焙烧。

在矿物或盐类中添加氯化剂进行高温处理,使物料中某些组分转变为气态或凝聚态

以二氧化硫为反应剂的焙烧过程,通常用于硫化物矿的焙烧,使金属硫化物氧化为易溶于水的硫酸盐。若以Me表示金属,硫酸化焙烧主要包括下列过程:

例如:闪锌矿经硫酸化焙烧制得硫酸锌、硫化铜经硫酸化焙烧制得硫酸铜等。

固定床焙烧的炉料平铺在炉膛上,炉气仅与炉料表面接触,故气-固介面接触有限,质、热传递很不理想,因而生产率低,劳动强度大,烟气浓度低不便回收利用,但烟尘率低。多膛炉焙烧基本属固定床焙烧。固定床焙烧现代工业只在特殊情况下使用,如氧化锌尘脱氯、氟,高砷铜精矿脱砷焙烧等。

移动床焙烧因炉料靠重力或机械作用,在焙烧时缓慢移动,而炉气则与炉料逆(顺)流或垂直的相对运动,故气-固间接触较好。常用的设备有烧结机、竖炉和回转窑等。

流态化焙烧又叫假液化床焙烧或沸腾焙烧,固体粉(粒)料在自料层底部鼓入的空气或其他气体均匀向上的作用下,料层变成流态化状,故气-固间相对运动很剧烈,热、质传递迅速,整个流化床层内温度浓度梯度很小。有时为了强化过程又不致过分地增加烟尘率,精矿粉料常先经制粒后再加入炉内,故称制粒流态化焙烧。流态化焙烧由于有其独特的优点,自20世纪50年代以来在有色冶金中获得广泛的应用。

飘悬焙烧因炉料飘悬在炉中,气-固间相对运动虽不及流态化焙烧剧烈,但气-固间热、质传递仍然很迅速,并且固体粒子间几乎不直接接触,所以允许采用更高的焙烧温度,以及允许在飘悬炉内存在一定的温度梯度和炉料的浓度梯度。

以纯碱、烧碱或石灰石等碱性物质为反应剂,对固体原料进行高温处理的一种碱解过程。例如:软锰矿与苛性钾焙烧制取锰酸钾;铬铁矿与苛性钾焙烧制取铬酸钾。

在固体物料中加入适量的氯化钠、硫酸钠等钠化剂,焙烧后产物为易溶于水的钠盐。例如:湿法提钒过程中,细磨钒渣,经磁选除铁后,加钠化剂在回转窑中焙烧,渣中的三价钒氧化成五价钒。 

影响固体物料焙烧的转化率与反应速度的主要因素是焙烧温度、 固体物料的粒度、 固体颗粒外表面性质、物料配比以及气相中各反应组分的分压等。

焙烧过程所用设备,按固体物料运动特性,可分为固定床、移动床和流动床几类;按其所用加热炉的形式可分为反射炉、多膛炉、竖窑、回转窑、沸腾炉、施风炉等。

主要有多膛焙烧炉、回转窑、流态化焙烧炉、飘悬焙烧炉、烧结机和竖式焙烧炉等。

多膛焙烧炉为间隔成多层炉膛的竖式圆筒型炉(图1),一般设有8~12层炉床。炉内壁衬以耐火砖,在中心轴上连结着旋转的耙臂随轴转动,转动耙臂采用空气冷却。物料由顶部加入,并依次耙向每层炉盘外缘或内缘相间的开孔,依次由一层降落至下一层,经干燥、焙烧后从最底层排出。炉气在炉内向着与物料相反的方向流动,直到干燥预热最上层的物料后逸出。与其他焙烧炉相比,多膛焙烧炉具有出炉烟气温度低、散热少的优点;缺点是温度难以控制,焙烧时间长,生产能力小。对于依次进行不同焙烧反应的焙烧,此种炉子倒是很方便的。

为一只稍微倾斜的卧式圆筒型炉 (图2),以耐火砖作内衬。炉料从一端装入,边从旋转的炉壁落下边被搅拌焙烧,最后从出料端排出。一般在出料端设有烧嘴进行加热。由于窑内为负压,防止了从炉的两端漏出烟气和粉尘。回转窑结构简单,搅拌良好,不仅能处理粉料和块料,还能处理在焙烧过程中形成少量熔体的物料,可广泛用于氧化、还原、硫化和挥发的焙烧过程。其不足之处是:温度难以控制,一旦在炉内形成所谓环状炉结,便不能进行正常操作。



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