淺談“奧爐改造工程”頂吹爐設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張 磊，郝志全

（銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司金冠銅業(yè)分公司，安徽 銅陵 244000）

“奧爐改造工程”即為金昌冶煉廠異地搬遷改造項(xiàng)目，本項(xiàng)目熔煉主工藝為：倉(cāng)式配料-精礦制粒-頂吹浸沒(méi)熔池熔煉-電爐貧化-轉(zhuǎn)爐吹煉-陽(yáng)極爐精煉工藝，其中冰銅通過(guò)冰銅包送轉(zhuǎn)爐吹煉，貧化爐渣直接進(jìn)行水淬后外售，頂吹爐煙氣經(jīng)余熱鍋爐-電收塵-高溫排風(fēng)機(jī)送往制酸工序。頂吹爐外形如圖1所示。

圖1 頂吹爐外形圖

1 頂吹爐現(xiàn)狀

1.1 頂吹爐結(jié)構(gòu)形式

頂吹爐在我國(guó)已有幾家投入使用，如中條山有色金屬公司侯馬冶煉廠、云南冶煉廠、云南錫業(yè)公司及銅陵有色金屬集團(tuán)股份有限公司金昌冶煉廠已投入使用[1]。頂吹爐爐體可分為爐底、爐墻和爐頂三部分。爐底為圓形結(jié)構(gòu)，耐火材料砌筑后呈“鍋底”形狀。爐墻分為下部、中部和上部三部分，下部爐墻是圓柱型筒體，在下部爐墻上有渣堰、清理口和緊急排放口三個(gè)口；中部和上部爐墻包含圓柱型筒體和擴(kuò)張段兩部分組成。爐頂有噴槍口、加料口和檢尺口共三個(gè)口。

1.2 頂吹爐耐火材料

頂吹爐在鎂鉻磚上不能析出四氧化三鐵進(jìn)行爐體掛渣，爐體耐火材料采用耐高溫、耐沖刷性能好的鎂鋁尖晶石，更重要的熔煉渣中的FeO能與爐襯中的Cr2O3和Al2O3形成保護(hù)層，鎂鋁尖晶石適用于頂吹爐耐火材料[2]。按照頂吹爐熔池熔煉特點(diǎn)，爐體耐火材料厚度隨其消耗程度自上而下逐漸增加，在中部和上部爐墻擴(kuò)張段位置（也叫防砸區(qū)）考慮到鍋爐上升煙道結(jié)焦，在鍋爐振打裝置振打的結(jié)焦塊砸到擴(kuò)張段位置后掉入爐內(nèi)，耐火磚容易被砸碎并脫落，因此在擴(kuò)張段的位置焊接了32mm厚的鋼板作為磚托，有效降低耐火磚脫落幾率。表1為原金昌冶煉廠頂吹爐直筒段爐襯耐火材料配置，使用周期約為12個(gè)月。

表1 金昌冶煉廠頂吹爐直筒段爐襯耐火材料配置

1.3 頂吹爐外掛水套

頂吹爐爐體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，爐體外掛水套呈長(zhǎng)條塊狀，圍繞爐體一圈高達(dá)96個(gè)外掛鋼水套，爐體高度16.5米，設(shè)計(jì)水的流向是下端進(jìn)水、上端出水至同一個(gè)集水箱，集水箱位于下部爐體平臺(tái)，因此回水管道沿著爐體高度自上而下，爐體一周回水管道形成圓柱體包圍著爐體一圈，空間狹小，出現(xiàn)跑銅等意外情況時(shí)易燒損水管產(chǎn)生爆炸，同時(shí)也不便于檢修。

1.4 頂吹爐噴槍系統(tǒng)

噴槍是頂吹爐熔池熔煉核心設(shè)備，噴槍是由四個(gè)同心圓柱組成，由內(nèi)向外是天然氣管、氧管、工藝風(fēng)管和套筒風(fēng)管組成的同心圓結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)過(guò)程中，噴槍插入熔池進(jìn)行熔池熔煉，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)、氧、天然氣、煤和石英砂控制冰銅品位、熔池溫度和渣型三大關(guān)鍵參數(shù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

2 頂吹爐優(yōu)化改造

2.1 頂吹爐結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

“奧爐改造工程”新型頂吹爐新增冰銅堰，冰銅堰口下沿比渣堰口下沿低約1060mm，利用虹吸原理，冰銅從冰銅堰排放至冰銅包，送轉(zhuǎn)爐吹煉，大部分冰銅從冰銅堰排出后，降低沉降電爐的負(fù)荷，從而實(shí)現(xiàn)減小電爐面積，降低電爐能耗的目的。特別是本項(xiàng)目的電爐渣水淬后外售，因此，可以最大限度地降低電爐渣含銅。

圖2 頂吹爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.2 頂吹爐耐火材料優(yōu)化

頂吹爐爐墻共108層SA尖晶石耐火磚，爐底呈弧形，爐底最低點(diǎn)距爐底10層高鋁磚，最高點(diǎn)距爐底18層高鋁磚，高鋁磚上面用搗打料搗打嚴(yán)實(shí)并呈“鍋底’形狀，爐底四周用填充料填實(shí)，接著是次工作層和工作層都是采用鎂鋁尖晶石砌筑，下部爐墻1-49層采用長(zhǎng)度為“260mm+350mm”和“350mm+260mm”兩種鎂鋁尖晶石耐火磚交錯(cuò)錯(cuò)縫砌筑，耐火磚與爐體鋼板之間都用23mm厚石墨導(dǎo)熱料，爐內(nèi)熔體及時(shí)傳遞熱量至爐殼，爐襯表面溫度低于爐殼溫度，達(dá)到掛渣保護(hù)爐襯作用[3]；中部爐墻50-72層采用長(zhǎng)度為530mm鎂鋁尖晶石耐火磚，上部爐墻73-108層采用長(zhǎng)度為460mm鎂鋁尖晶石耐火磚，中部和上部直筒段耐火磚與爐體鋼殼采用25mm厚隔熱料。

2.3 頂吹爐外掛水套優(yōu)化

優(yōu)化后是在下部爐體一周安裝一個(gè)八角管，分別在每一個(gè)外掛水套進(jìn)口通過(guò)金屬軟管-截止閥-短接接至八角管，出水口在爐體上方，分別安裝對(duì)應(yīng)集水箱，減少管道長(zhǎng)度，操作更安全，優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)空間，方便于檢修。

2.4 頂吹爐噴槍系統(tǒng)優(yōu)化

風(fēng)、氧和天然氣通過(guò)噴槍在距離槍頭約700mm處匯合[4]?！皧W爐改造工程”對(duì)頂吹爐噴槍進(jìn)行了優(yōu)化改造。其中主要包括噴槍的材質(zhì)優(yōu)化和噴槍使用的燃料改進(jìn)兩個(gè)方面。噴槍材質(zhì)優(yōu)化是由原來(lái)的碳鋼+316L槍頭材質(zhì)改為全部316L材質(zhì)，噴槍風(fēng)管壁厚由8mm增加到12mm，并且在噴槍套通風(fēng)管上開(kāi)孔，爐內(nèi)不完全燃燒的單體硫及一氧化碳充分燃燒。

3 頂吹爐優(yōu)化后效果

3.1 頂吹爐結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化后效果檢驗(yàn)

①優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)新增冰銅堰，降低了電爐存儲(chǔ)負(fù)荷，節(jié)約電爐電耗；因水淬渣外售，直排冰銅進(jìn)入轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐渣重新選礦，提高了銅回收率。②缺點(diǎn)。同時(shí)也需要克服冰銅直排會(huì)帶來(lái)的一些問(wèn)題，首先，為了實(shí)現(xiàn)可以從頂吹爐直排冰銅，需加高頂吹爐爐體內(nèi)的熔體深度，以保證冰銅品位，不僅需要提高熔煉溫度保證底部冰銅溫度，相應(yīng)增加了能耗，而且頂吹爐增加了冰銅排放的操作。其次，減少了從頂吹爐渣溢流堰口排放的熔體量，導(dǎo)致渣溢流從連續(xù)排放變更為間斷排放，增加進(jìn)入電爐的溜槽因散熱快而結(jié)凍的可能，增加了操作難度。再者，頂吹爐和沉降電爐的爐內(nèi)氣氛不同，會(huì)帶來(lái)兩個(gè)爐內(nèi)排出的冰銅品位會(huì)有差別。最后，由于頂吹爐的爐內(nèi)容積有限，直排冰銅作業(yè)可能會(huì)導(dǎo)致難以與轉(zhuǎn)爐的進(jìn)冰銅作業(yè)匹配。

3.2 頂吹爐耐火材料優(yōu)化后效果檢驗(yàn)

“奧爐改造工程”頂吹爐自2018年3月18日點(diǎn)火烘爐，5月18日投料試生產(chǎn)，2019年6月12日停爐大修，爐襯耐火磚使用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)近15個(gè)月，爐襯最易消耗的部位損耗率僅為21.4%，如表2所示。

表2 頂吹爐爐襯使用一年后耐火磚消耗情況表

由表1可以得出，頂吹爐渣線部位由于掛渣形成保護(hù)，故渣線部位耐火磚現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量尺寸610mm高于原始尺寸637.5mm；下部爐體和中部筒體耐火磚分別消耗88.3mm和82.2mm，消耗比例分別為14.5%和15.5%，屬于正常熔體沖刷消耗；中部防砸區(qū)耐火磚消耗113.3mm,消耗比例為21.4%，雖然此部位承受熔體的沖刷較小，但是頂吹爐鍋爐上升煙道結(jié)焦在振打裝置下脫落掉至防砸區(qū)，致使防砸區(qū)耐火磚受到?jīng)_擊，日積月累，耐火材料頭部斷裂；上部筒體和擴(kuò)張段爐墻耐火磚消耗分別為56.7mm和56.0mm，消耗比例分別為12.3%和12.2%，上部筒體在爐內(nèi)熔體噴濺過(guò)程掛渣保護(hù)，受到熔體的沖刷較少，因此消耗的最少。

3.3 頂吹爐外掛水套優(yōu)化后效果檢驗(yàn)

通過(guò)頂吹爐外掛水套優(yōu)化，頂吹爐設(shè)計(jì)每一個(gè)水套附加一個(gè)熱電偶，實(shí)時(shí)跟蹤水溫動(dòng)態(tài)變化，并將溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)入操作室電腦DCS系統(tǒng)，溫度設(shè)有報(bào)警值，隨時(shí)跟蹤爐體溫度以了解水套的冷卻效果，不僅降低投資成本，同時(shí)便于維保。

3.4 頂吹爐噴槍系統(tǒng)優(yōu)化后效果檢驗(yàn)

頂吹爐噴槍設(shè)計(jì)使用周期為5～7天，現(xiàn)平均使用壽命達(dá)到15天左右，最高使用壽命達(dá)20天，大大延長(zhǎng)了噴槍使用壽命，提高了頂吹爐作業(yè)率。

噴槍燃料優(yōu)化是由原來(lái)的重油優(yōu)化為天然氣，重油燃燒污染環(huán)境，如湖北大冶有色公司采用粉煤作為燃料，燃燒對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，國(guó)家也日益重視環(huán)保型能源，天然氣燃燒比較清潔環(huán)保，同時(shí)也提供燃燒熱，是一種節(jié)能環(huán)保型燃料。

4 總結(jié)

“奧爐改造工程”新型頂吹爐爐體結(jié)構(gòu)、耐火材料、外掛水套及噴槍系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)。爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低了電爐電耗，提高了銅回收率；爐襯耐火材料優(yōu)化，提高了耐火材料使用壽命；外掛水套優(yōu)化簡(jiǎn)化管道鋪設(shè)，便于維保；噴槍優(yōu)化，提高噴槍使用壽命，提高頂吹爐作業(yè)率。簡(jiǎn)要描述試生產(chǎn)一年來(lái)運(yùn)行狀況，對(duì)頂吹爐繼續(xù)優(yōu)化改造研究提供重要參考。