富氧側(cè)吹爐銅水套的優(yōu)化配置及應(yīng)用實(shí)踐

尤廷晏, 邵振華, 徐 風(fēng)， 夏 青

(煙臺(tái)鵬暉銅業(yè)有限公司， 山東 煙臺(tái) 264002)

設(shè)備及自動(dòng)化

富氧側(cè)吹爐銅水套的優(yōu)化配置及應(yīng)用實(shí)踐

尤廷晏, 邵振華, 徐 風(fēng)， 夏 青

(煙臺(tái)鵬暉銅業(yè)有限公司， 山東 煙臺(tái) 264002)

對(duì)富氧側(cè)吹爐傳熱過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐介紹了側(cè)吹爐中各類銅水套的配置、設(shè)計(jì)理念以及安全使用措施，指出耐火材料與銅水套配合使用是富氧側(cè)吹爐的特點(diǎn)，具有熱量損失小、投資少等優(yōu)點(diǎn)。

富氧側(cè)吹爐； 銅水套； 耐火材料； 熱量損失

0 概述

隨著銅冶煉工業(yè)的發(fā)展，銅水冷元件也在各種爐型中得到了廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用最廣泛的是銅水套，分為鉆孔式及預(yù)埋銅管式。鉆孔式銅水套制造技術(shù)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，水套鉆孔密度大，冷卻能力強(qiáng)。但是，這種銅水套的堵頭和進(jìn)出水接頭在熱態(tài)下容易脹裂并腐蝕，造成水套漏水或滲水，危害爐體安全。而預(yù)埋式銅水套雖然制造技術(shù)要求高，但是安全可靠，不易漏水，所以應(yīng)用較為普遍。目前，大型埋管式銅水套也已實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化[1]。煙臺(tái)鵬暉銅業(yè)有限公司在富氧側(cè)吹爐(以下簡(jiǎn)稱側(cè)吹爐)的不同部位配置了自主設(shè)計(jì)的銅水套，不僅滿足了銅冶煉生產(chǎn)的需求，同時(shí)也較好地控制了銅水套的制作成本，降低了生產(chǎn)過(guò)程中的熱量損失。

1 銅水套應(yīng)用理論基礎(chǔ)

側(cè)吹爐的爐墻可簡(jiǎn)化為二層結(jié)構(gòu)，從內(nèi)至外分別為襯體層(耐火材料和各類隔熱材料)、預(yù)埋式銅水套層(如圖1)。耐火材料起隔熱作用，減少爐子的熱損失。同時(shí)采用銅水套后，在爐墻上形成了一個(gè)外層冷卻強(qiáng)度很大的冷卻層，使得爐墻耐火材料始終在低溫下工作，大大延長(zhǎng)了爐壽命。

圖1 爐墻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

假設(shè)爐墻的傳熱為一維(厚度)方向的傳熱過(guò)程[2-3]，則：

qwall=qfusion+qbath

(1)

(2)

(3)

qbath=h(Tbath-Tl)=hΔTslag

(4)

式中：qwall——襯體層熱面向外的熱流密度，W/m2；

qfusion——襯體層的潛熱熱流密度，W/m2；

qbath——熔池對(duì)襯體層的熱流密度，W/m2；

λwall——襯體層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；

ρ——襯體層的密度，kg/m3；

H——釋放的潛熱，W；

A——接觸面積，m2；

Tfu——襯體層的厚度，m；

h——綜合傳熱系數(shù)， W/(m2·K)；

Tbath——熔池溫度，K；

Tl——襯體層溫度，K；

ΔTslag——渣的過(guò)熱度，K。

(5)

式(5)中，λi、ρi、Cpi分別為對(duì)應(yīng)材料層的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m2·K))、密度(kg/m3)和比熱容(J/(kg·K))。

在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱條件下(即襯體層的厚度維持一定，爐墻內(nèi)溫度梯度穩(wěn)定)，式(3)為0，式(1)簡(jiǎn)化為：

(6)

(7)

式中：d0、d1——襯體層、水套層厚度，m；λwall、λc——襯體層、水套層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；kw——冷卻介質(zhì)對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；

Tw、Tc——冷卻介質(zhì)、銅水套平均溫度，K；

ΔTw——冷卻介質(zhì)溫度差，K；

Cw——冷卻介質(zhì)比熱容，J/(kg·K)；

mw——冷卻介質(zhì)質(zhì)量，kg；

∑R——多個(gè)界面接觸熱阻之和，K/W。

(1)側(cè)吹爐內(nèi)始終有一層穩(wěn)定的、厚度(d0)為300 mm的襯體層，爐子上部的襯體層厚度更是達(dá)到600 mm，相比于傳統(tǒng)銅水套的直接掛渣形式，這種設(shè)計(jì)保溫效果更好，爐子熱損失更低。同時(shí)，傳統(tǒng)的銅水套要多消耗30%～35%的昂貴銅料，而且不一定能形成穩(wěn)定的“渣皮”，這種區(qū)別在渣線以上區(qū)域更加明顯?！霸ぁ痹谠€以上不易形成，銅水套長(zhǎng)期暴露于高溫爐氣中，造成銅水套磨損，嚴(yán)重時(shí)造成銅水套燒損，失去完整性而漏水[4]。

(2)側(cè)吹爐因?yàn)橛心突鸩牧蟽?nèi)襯，所以對(duì)銅水套冷卻強(qiáng)度的要求小得多，因而銅水套循環(huán)水量(mw)小，進(jìn)出水溫度差(ΔTw)小，冷卻水帶走熱量小，側(cè)吹爐內(nèi)熱利用率較高。

(3)由于銅水套的冷卻作用，耐火材料始終在規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)工作，對(duì)提高爐齡起到了積極作用；同時(shí)，側(cè)吹爐內(nèi)熔渣也可在耐火材料表面凝固形成“渣皮”，對(duì)降低熱量損失和確保爐體安全起到促進(jìn)作用。

2 側(cè)吹爐銅水套配置

2.1 側(cè)吹爐簡(jiǎn)介

側(cè)吹爐是一座有耐火材料襯里、關(guān)鍵部位嵌有銅水套的固定式長(zhǎng)方形爐子(如圖2)。主體結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)、爐底、爐墻、爐頂、上升煙道、虹吸池及外圍鋼結(jié)構(gòu)等部分組成，銅水套廣泛分布在爐墻、爐頂、上升煙道等區(qū)域[5]。

圖2 側(cè)吹爐示意圖

2.2 熔煉區(qū)銅水套

熔煉區(qū)銅水套應(yīng)用在渣線以下區(qū)域，銅水套中間預(yù)留風(fēng)口組件安裝孔，內(nèi)襯耐火材料，水套間通過(guò)凸糟連接，內(nèi)置循環(huán)水管(如圖3)。側(cè)吹爐渣線以下為熔體攪動(dòng)區(qū)域，溫度相對(duì)較高、沖刷較嚴(yán)重，故該部位銅水套要有較強(qiáng)的熱傳導(dǎo)能力。因此，熔煉區(qū)銅水套設(shè)計(jì)尺寸較大，水套內(nèi)水管的分布密度大，水冷強(qiáng)度大。水套間通過(guò)凹凸槽連接，水套布置整體性強(qiáng)，可有效防止熔體泄露。

圖3 熔煉區(qū)整體式水套示意圖

2.3 爐墻銅水套

爐墻銅水套主要在渣線以上的爐墻間隔分布，該處與熔體接觸較少，爐墻銅水套長(zhǎng)度為1 400～3 000 mm，與砌爐耐火材料相同厚度，內(nèi)置一根循環(huán)水管，可根據(jù)實(shí)際砌筑情況合理搭配。渣線以上部分溫度相對(duì)較低，不直接與熔體接觸，熔體沖刷較小，對(duì)銅水套冷卻強(qiáng)度要求相對(duì)較低。使用嵌入式銅水套不僅可以降低銅水套的使用量和制作成本，同時(shí)可以大大降低熱量損失，圖4反映了銅水套與耐火材料在側(cè)吹爐墻上的分布情況。嵌入式銅水套的應(yīng)用使得該區(qū)域冷卻強(qiáng)度降低，循環(huán)水帶走的熱量減少，對(duì)維持爐內(nèi)熱平衡，提高側(cè)吹爐熱利用效率具有顯著作用。而且由于銅水套的降溫作用，耐火材料的壽命得到了極大地提高，圖5為500 d爐齡時(shí)爐墻耐火材料腐蝕情況。

圖4 爐墻嵌入式水套及配置示意圖

2.4 煙氣出口銅水套

煙氣出口銅水套在上升煙道下方，是爐體與余熱鍋爐水冷壁的連接部分。該水冷件為大型銅水套，通過(guò)大型螺栓直接固定在外圍鋼結(jié)構(gòu)上，拆卸安裝方便。通過(guò)在內(nèi)壁中增設(shè)凹槽，可使內(nèi)襯的耐火搗打料牢固附著在水套上(如圖6)，由于耐火搗打料的存在，大大提高了銅水套的安全性能，開(kāi)爐時(shí)可直接燒油提溫。采用凹槽設(shè)計(jì)，即使部分區(qū)域搗打料在生產(chǎn)過(guò)程中脫落，也比較容易形成掛渣，能夠有效保證水套安全。

圖6 煙氣出口銅水套示意圖

2.5 爐頂拱形銅水套

爐頂拱形水套間隔分布在爐頂弦中間，寬度、弧度都與爐頂弦一致，內(nèi)置兩根獨(dú)立水管，進(jìn)出水方向相反。銅水套起著骨架及冷卻爐頂耐火材料的雙重作用，可有效提高耐火材料使用壽命，確保爐頂安全。爐頂拱形銅水套示意圖及水套、耐火材料分布如圖7。

圖7 爐頂拱形水套、爐頂配置示意圖

2.6 其它異型銅水套

除上述銅水套外，側(cè)吹爐其它銅水套包括加料口銅水套、補(bǔ)風(fēng)口銅水套、虹吸口銅水套等，可有效保護(hù)側(cè)吹爐薄弱環(huán)節(jié)。實(shí)際使用過(guò)程中在加料口銅水套內(nèi)增加不銹鋼管，以減輕礦粉對(duì)水套內(nèi)壁的沖擊，延長(zhǎng)使用壽命。虹吸口及補(bǔ)風(fēng)口水套的示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 虹吸口、補(bǔ)風(fēng)口水套示意圖

3 銅水套使用安全措施

由于循環(huán)水的存在，使得銅水套的使用安全成為日常生產(chǎn)中必須考慮的問(wèn)題。一旦銅水套發(fā)生腐蝕漏水，容易引發(fā)冷卻水泄露而導(dǎo)致安全事故，對(duì)設(shè)備和人員危害極大。側(cè)吹爐銅水冷件的安全措施主要包括使用前的檢測(cè)及使用過(guò)程中的監(jiān)控兩部分。

3.1 使用前的安全檢測(cè)

銅水套出廠后，需要對(duì)其材質(zhì)、物理規(guī)格、力學(xué)性能進(jìn)行一系列測(cè)試。主要包括：

(1)利用γ射線檢測(cè)水管與水套粘合程度；

(2)對(duì)水套進(jìn)行水壓測(cè)試，測(cè)試壓力為1 MPa，通水30 min不得有滲漏；

(3)水套必須用鋼球進(jìn)行通球試驗(yàn)，確保管路順暢。

3.2 使用過(guò)程中的安全監(jiān)控

(1)對(duì)進(jìn)出水溫度的監(jiān)控。日常生產(chǎn)中，在每個(gè)水套的出水管道上都配備有溫度測(cè)量設(shè)備，以達(dá)到對(duì)出水溫度的在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，并設(shè)置高溫自動(dòng)報(bào)警裝置。生產(chǎn)過(guò)程中，控制出水溫度不高于45 ℃時(shí)，側(cè)吹爐銅水套可處于安全運(yùn)行狀態(tài)。一旦出水溫度過(guò)高，由于通常使用沒(méi)有經(jīng)過(guò)水處理的自來(lái)水作循環(huán)水，水套內(nèi)部容易結(jié)垢，造成水量降低，對(duì)水套的安全運(yùn)行影響較大。

(2)對(duì)水套或爐墻外壁溫度的監(jiān)控。水套外壁溫度是反映水套運(yùn)行情況的關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)，在爐況一定的情況下，也能反映出爐襯的腐蝕程度和爐墻掛渣厚度。因此，日常生產(chǎn)中需要經(jīng)常對(duì)水套外壁溫度進(jìn)行點(diǎn)檢，遇到水套外壁溫度上升較快的情況，需要及時(shí)查找原因并采取措施。

(3)檢修時(shí)銅水套的維護(hù)。上個(gè)爐期拆除下來(lái)的銅水套，通常情況下是可以繼續(xù)使用的，對(duì)于部分腐蝕磨損或變形嚴(yán)重的易損件要予以更換。水套拆除后，需要用濃度為5%的稀鹽酸或硝酸對(duì)水管進(jìn)行酸洗，以除去水管內(nèi)附著的水垢。同時(shí)，由于舊水套表面不可避免地帶有氧化銅或其他污漬，因此需要用砂輪對(duì)水套內(nèi)襯面進(jìn)行拋光打磨，以提高水套的導(dǎo)熱效率。上述措施完成后，水套經(jīng)壓力測(cè)試合格后可重新投入使用。

4 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)銅冶煉行業(yè)發(fā)展較快，各種爐型在不同方面均有各自的特點(diǎn)。其中，側(cè)吹爐熔煉在中小企業(yè)中有迅速發(fā)展和普及的趨勢(shì)，銅水套和耐火材料的配合使用是煙臺(tái)鵬暉銅業(yè)側(cè)吹爐的特點(diǎn)，增加耐火材料內(nèi)襯可以減少熱損失，從而降低生產(chǎn)能耗，配合銅水套的使用又可提高耐火材料的使用壽命，兩者相輔相成。煙臺(tái)鵬暉銅業(yè)側(cè)吹爐自2008年改造以來(lái)，經(jīng)多個(gè)爐期的完善，爐內(nèi)銅冷卻元件配置日趨合理。目前采用的配置方式具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于有耐火材料內(nèi)襯，因此可以直接燒油開(kāi)爐，開(kāi)停爐方便。臨時(shí)停車可直接開(kāi)停，無(wú)需外放熔體，短時(shí)間內(nèi)不需要進(jìn)行燒油操作，生產(chǎn)控制方便。

(2)可有效控制投資成本。相比與其它爐型銅銅水套的大規(guī)模使用，側(cè)吹爐在爐墻渣線以上采用嵌入式銅水套，較好地控制了投資成本。

(3)銅水套帶走熱量少。耐火材料內(nèi)襯的存在為爐內(nèi)能量利用效率的提高創(chuàng)造了有利條件。目前，側(cè)吹爐循環(huán)水僅需配備1臺(tái)較小的循環(huán)泵便可滿足日常的生產(chǎn)需求。

(4)水套使用壽命長(zhǎng)。側(cè)吹爐運(yùn)行5年多以來(lái)，各類水套基本不需要更換。大修期間，僅需配備少量備用水套便可滿足檢修需求。

(5)循環(huán)水用量較小，并且需要補(bǔ)充的新水量也少得多。

國(guó)外銅水套常采用負(fù)壓進(jìn)水方式，很好地解決了生產(chǎn)過(guò)程中因水套泄露導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)進(jìn)水的問(wèn)題，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)銅冶煉行業(yè)應(yīng)用較少，這將是今后主要的研究方向。

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[2]張先棹. 冶金傳輸原理[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2005.

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[4]賈美高, 吳啟常, 佘京鵬等. 提高銅冷卻壁效能的新思路[A]. 2006年全國(guó)煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議暨煉鐵年會(huì)[C], 杭州, 2006.

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Optimizingconfigurationandapplicationpracticeofcopperwaterjacketforoxygen-enrichedside-blownbathsmeltingfurnace

YOU Ting-yan, SHAO Zhen-hua, XU Feng, XIA Qing

Heat transfer process of oxygen-enriched side-blown bath smelting furnace was analyzed. The configurations,design ideas and safe use measures of different copper water jackets were introduced according to industrial production practice. It is pointed out that cooperative use of refractory and copper water jacket is the character of oxygen-enriched side-blown bath smelting furnace, including the advantages of small heat loss and investment, etc.

side-blown bath smelting furnace with oxygen enriched; copper water jacket; refractory; heat loss

尤廷晏(1972—)，男，山東煙臺(tái)人，冶金工程師，從事有色冶煉技術(shù)管理工作，現(xiàn)為煙臺(tái)鵬暉銅業(yè)有限公司熔煉車間主任。

TF811； TF806

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