影響自熱爐水冷氧槍壽命的因素及提升途徑

摘要：水冷氧槍是氧氣頂吹自熱爐的核心工藝設(shè)備，其使用壽命直接影響冶煉過程的生產(chǎn)安全和周期。文章基于多年的自熱爐系統(tǒng)生產(chǎn)實踐，對影響水冷氧槍壽命的主要原因進(jìn)行了分析，并指出提升氧槍壽命的途徑和方法。

關(guān)鍵詞：氧氣頂吹自熱爐；水冷氧槍；噴頭；噴嘴；氧槍壽命 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TF066 文章編號：1009-2374（2016）28-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.015

1994年8月，金川集團自前蘇聯(lián)引進(jìn)了氧氣頂吹自熱熔煉技術(shù)，作為鎳冶煉配套的火法冶煉系統(tǒng)，是世界上首臺用于煉銅的自熱爐，初步設(shè)計二次銅精礦年處理量為4.5萬噸，年產(chǎn)銅陽極板2.8萬噸。經(jīng)過多次擴能改造后，二次銅精礦年處理量已達(dá)10萬噸。該系統(tǒng)采用氧氣頂吹自熱爐熔煉—氧氣斜吹旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)爐吹煉—回轉(zhuǎn)陽極爐精煉的工藝流程，生產(chǎn)效率高，能耗低，煙氣SO2濃度高，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)指標(biāo)均能滿足電解工序生產(chǎn)高純陰極銅的要求。在自熱爐吹煉過程中，物料從爐頂?shù)募恿峡诼淙肴鄢兀赜秃脱鯕馔ㄟ^氧槍在高壓下噴入爐內(nèi)，形成超強的氧氣射流。熔池內(nèi)的熔體在氧氣射流的強烈攪動下迅速反應(yīng)，產(chǎn)出含銅91.5%的粗銅并送下道工序。氧槍的使用壽命對自熱爐作業(yè)有著巨大的影響，因此研究如何提升氧槍的使用壽命顯得十分必要。

1 自熱爐氧槍的基本結(jié)構(gòu)

氧槍裝置是自熱爐的關(guān)鍵設(shè)備，由氧槍、氧槍升降裝置及換槍裝置三部分組成。氧槍槍體是采用循環(huán)水冷卻的套管構(gòu)件，由管體和噴頭兩部分組成。管體是由無縫鋼管制成，由中心燃油管、氧氣輸送管、冷卻水隔離管和外管同心套裝成型，下端與噴頭連接。各管通過法蘭接頭與金屬軟管連接，分別用于供氧、重油和進(jìn)、出冷卻水。噴頭采用紫銅制作而成，為單孔拉瓦爾型結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。拉瓦爾型噴頭的主要優(yōu)點是吹煉平穩(wěn)、化渣容易、減少噴濺，在提高了氧氣利用效率的同時提高了金屬回收率。

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圖1 自熱爐氧槍結(jié)構(gòu)示意圖

2 氧槍壽命對生產(chǎn)作業(yè)的影響

在自熱爐內(nèi)部，熔體因比重不同而分層，上層為銅渣，下層為冰銅。氧槍頭插入氧槍孔時開始送油氧，并緩慢下降至吹煉槍位。在下槍和吹煉過程中，氧氣射流攪動熔體，飛濺的銅渣會包住槍頭和槍體，形成保護(hù)層。槍身在氧氣射流和熔體的共同作用下，會有輕微的小幅度擺動，使熔體反應(yīng)更加激烈、均勻。氧槍壽命對生產(chǎn)的影響主要體現(xiàn)在作業(yè)安全和作業(yè)率兩方面。

2.1 氧槍漏水導(dǎo)致安全事故

一旦氧槍槍頭被腐蝕，氧槍中的循環(huán)冷卻水將會滲漏進(jìn)入爐內(nèi)。在高溫下，冰銅遇水會發(fā)生爆炸，原因是水接觸到高溫熔體時，會急劇汽化膨脹，與冰銅中的Cu2S、FeS等發(fā)生反應(yīng)生成H2和H2S。由于爐內(nèi)的強氧勢環(huán)境，H2和H2S與氧氣發(fā)生反應(yīng)，在非常短的時間內(nèi)體積再次急劇膨脹，并釋放出大量的熱。在有限的爐膛空間里，大量的高壓氣體無法順暢地擴散，大量的熱又引起熔體局部劇烈升溫，在巨大的壓力就會發(fā)生爆炸，危及人員生命安全。

2.2 頻繁更換氧槍影響作業(yè)率

氧槍在使用過程中，當(dāng)出現(xiàn)氧槍槍頭滲漏水、氧槍整體彎曲、循環(huán)冷卻水流量低、槍內(nèi)油管漏油、氧道內(nèi)有雜物且無法清理、油芯偏離中心且無法校正、銅頭燒損無法更換且氧流股或火焰形狀偏離中心、氧槍氧壓和氧量達(dá)不到工藝要求等情況時，必須停爐更換氧槍。從現(xiàn)場判斷需要更換氧槍到新氧槍安裝到位開始入爐吹煉，整個過程一般會耽誤1～2小時的進(jìn)料時間，降低生產(chǎn)作業(yè)率。

3 氧槍的歷史壽命

在正常吹煉情況下，氧槍槍頭自然腐蝕至壽命極限，最長可達(dá)60天。但是由于多種因素，造成氧槍的使用壽命長短不一。4 影響氧槍壽命的因素分析

在更換氧槍的歷史記錄中，因加工件質(zhì)量問題導(dǎo)致?lián)Q槍的僅占0.2%左右，槍頭滲漏占95.4%，銅頭噴嘴燒損占4.1%，其他因素占0.3%。

4.1 氧槍槍頭漏水原因

正常吹煉時，渣含銅在13%左右波動，銅頭會緩慢腐蝕溶解。當(dāng)渣型控制不好，渣含銅超過13%時，在高溫熔體的沖刷下銅頭會加速腐蝕溶解。渣型控制與很多因素有關(guān)，主要取決于每班的爐況控制措施，包括槍位和工藝參數(shù)設(shè)置。在實際操作中，當(dāng)氧槍槍位過高時，氧槍處于吊吹狀態(tài)，會導(dǎo)致爐內(nèi)熔渣噴濺嚴(yán)重，對熔體的攪動卻達(dá)不到要求，熔體反應(yīng)不好，導(dǎo)致槍頭加速腐蝕。當(dāng)氧槍槍位過低時，氧氣射流容易穿透熔渣層直達(dá)冰銅層，冰銅層被射流攪起后沖刷槍頭，導(dǎo)致腐蝕漏水。

渣型與氧料比、熔劑率的設(shè)置也有較大關(guān)系。氧料比過高容易過氧化，產(chǎn)生“泡沫渣”，過低則反應(yīng)不完全。熔劑率過高易導(dǎo)致渣粘，爐況也會急劇惡化，過低則導(dǎo)致渣反應(yīng)不完全，使渣含銅指標(biāo)不合格。

4.2 氧槍噴嘴燒損原因

氧槍噴嘴燒損的原因與吹煉槍位控制有直接關(guān)系。當(dāng)槍位控制過低時，冰銅層被氧氣射流穿透，容易濺起沖刷噴嘴。噴嘴一旦燒損，會導(dǎo)致氧流股和火焰形狀偏離中心，使氧槍在小范圍內(nèi)劇烈擺動，氧氣射流的攪動效果差，熔體溫度不均勻，反應(yīng)不充分，使?fàn)t況逐漸惡化。氧槍噴頭的維修加工質(zhì)量和焊接精度也會影響噴嘴的使用。在生產(chǎn)實踐中就曾出現(xiàn)維修后的氧槍噴嘴仍然歪斜，在使用不到一個班次就導(dǎo)致燒損情況的發(fā)生。

5 提高氧槍壽命的途徑和方法

根據(jù)前文中對影響氧槍壽命的因素分析，提升自熱爐水冷氧槍壽命主要有加強工藝控制、提高維修加工質(zhì)量和氧槍設(shè)計改進(jìn)三種途徑。

5.1 加強工藝控制

工藝控制主要包括配料、調(diào)整爐況和渣型、氧槍控制。表2是自熱爐吹煉時的基本工藝參數(shù)：

5.1.1 根據(jù)爐況科學(xué)配料。二次銅精礦的含銅品位基本固定，影響配料的因素主要是精礦的含水率。入爐二次銅精礦的含水要求8%～12%，水分過低會導(dǎo)致入爐精礦在反應(yīng)前就被爐膛負(fù)壓直接抽走進(jìn)入煙道，造成煙道上升段結(jié)瘤速度加快、爐溫過高等問題。水分過高會導(dǎo)致爐溫低、煙氣結(jié)露嚴(yán)重腐蝕設(shè)備、渣型差等問題。水分控制可由人工加水或配入干燥物料進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)爐況較差時，物料的水分不宜高，要多配入煙灰和酸泥等低硫值的干燥物料。

5.1.2 合理調(diào)整爐況和渣型。引起爐況惡化的原因比較多，如二次銅精礦含鎳過高、連續(xù)吹煉時間過長、燃料率偏低等。二次銅精礦含鎳品位基本在5.5%左右，但也經(jīng)常出現(xiàn)6.5%以上的情況。含鎳過高的精礦會導(dǎo)致渣型發(fā)粘，需要適當(dāng)提高燃料率以調(diào)整爐溫。如果爐內(nèi)熔體依舊反應(yīng)不好，則停止進(jìn)料，切換至重油氧槍調(diào)整爐況。正常連續(xù)吹煉的時間不得超過1小時，必須按時停料觀察爐況和爐內(nèi)熔體液位，并根據(jù)實際情況調(diào)整工藝參數(shù)。

5.1.3 加強氧槍控制。氧槍槍位必須控制在200～500mm之間，最合理的吹煉槍位一般為300～350mm，不僅熔體反應(yīng)好，而且氧槍使用壽命長。但是渣型不好的情況下，需采用低槍位強化反應(yīng)。為了提升氧槍使用壽命，需同步提高燃料率，并每隔1小時停料清理氧槍粘接物。

5.2 提高維修加工質(zhì)量

對氧槍維修和加工新氧槍提出更高的要求，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行加工和焊接，確保氧槍噴頭、噴嘴的加工精度和焊接質(zhì)量，保證每根氧槍都符合吹煉要求。

5.3 設(shè)計高馬赫數(shù)的新噴頭

在工藝控制允許的范圍內(nèi)，設(shè)計2.0馬赫以上的氧槍。當(dāng)Ma>2時，隨馬赫數(shù)的增長氧氣的出口速度增加變慢，要求更高理論設(shè)計氧壓，這樣技術(shù)上不夠合理，經(jīng)濟上也不合算。目前國內(nèi)推薦Ma=1.9～2.1。高馬赫數(shù)的氧槍穿透力更強，不僅使?fàn)t內(nèi)熔體反應(yīng)充分，而且可以采用高槍位操作，最大程度地避免氧槍噴頭燒損。

參考文獻(xiàn)

[1] 許欣.自熱爐結(jié)構(gòu)設(shè)計與生產(chǎn)應(yīng)用分析[J].有色設(shè)備，2016，（1）.

[2] 吳劍.超音速氧槍設(shè)計[J].冶金叢刊，2014，12（6）.

作者簡介：鄧?yán)冢?986-），男，西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院在讀工程碩士，金川集團股份有限公司銅冶煉廠助理工程師，研究方向：生產(chǎn)技術(shù)和環(huán)保管理。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）