鋅揮發(fā)窯整體澆筑襯體烘窯分析

王紅吉

(甘肅廠壩有色金屬有限責(zé)任公司成州鋅冶煉廠,甘肅 隴南 742508)

0 前言

鋅揮發(fā)窯因具有生產(chǎn)能力大、自動(dòng)化程度高、使用壽命長(zhǎng)、原料適應(yīng)強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛用于處理冶金過程中的各種含鉛、鋅及揮發(fā)性元素的渣料，使其成為無害渣。揮發(fā)窯工作時(shí)，窯內(nèi)溫度一般為1 100～1 300 ℃，因此筒體上須有耐火襯體保護(hù)窯殼。襯體是與揮發(fā)窯筒體內(nèi)壁結(jié)合的一層耐高溫、致密耐磨并能承受高溫荷重作用的材料，它是揮發(fā)窯生產(chǎn)過程中物料傳熱、傳質(zhì)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)等熱工過程得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[1-2]。鉛鋅揮發(fā)回轉(zhuǎn)窯襯體多采用耐火磚砌筑，或預(yù)熱段、干燥段采用耐火磚砌筑，高溫段采用澆筑的方式。某廠φ4.35 m ×62 m揮發(fā)窯襯體采用整體澆筑的方式。

烘窯是揮發(fā)窯襯體使用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其作用主要是排出襯體中的游離水、化學(xué)結(jié)合水而使其獲得高溫使用性能[3]，以防止高溫操作使窯襯體產(chǎn)生熱應(yīng)力面進(jìn)而導(dǎo)致澆筑料膨脹破裂。揮發(fā)窯襯體烘烤質(zhì)量直接影響襯體的使用壽命。由于澆筑料粒級(jí)搭配十分緊密，襯體致密度高，透氣性差，襯體中的水分主要以氣體的形式排出[4]，因此在烘烤過程中要注意升溫速度。在實(shí)際烘窯過程中，主要通過控制窯尾溫度來控制升溫速度，并通過監(jiān)測(cè)襯體溫度、窯殼溫度，進(jìn)一步判斷烘窯進(jìn)度及水分烘干情況，為烘窯進(jìn)程提供依據(jù)，以保證烘窯的質(zhì)量及襯體的強(qiáng)度和壽命。

1 烘窯傳熱分析

烘窯時(shí)，窯襯體發(fā)生一系列的物理、化學(xué)變化，最終達(dá)到燒結(jié)，獲得高溫使用性能，在高溫下更可靠、更穩(wěn)定。依工況不同，襯體澆筑分低溫區(qū)、變溫區(qū)及高溫區(qū)，并采用不同物性的耐火材料以延長(zhǎng)使用壽命[5]。采用重油烘窯過程中，窯內(nèi)傳熱主要是煙氣、火焰與窯內(nèi)襯表面間的傳熱，而煙氣主要由被加熱的空氣、重油完全燃燒產(chǎn)生的CO2以及少量的SO2組成。在冶金爐煙氣中，具有輻射和吸收能力的氣體主要是CO2、H2O(汽)、SO2，所以烘窯過程的傳熱方式主要為兩種，即對(duì)流傳熱和輻射傳熱[6]。當(dāng)窯內(nèi)的煙氣流體與相對(duì)靜止的窯內(nèi)襯表面直接接觸且存在溫差時(shí)，必然形成速度邊界層。由于速度邊界層的出現(xiàn)，溫度在襯體壁面法線方向的變化出現(xiàn)熱邊界層，且在熱邊界層內(nèi)存在溫度梯度，所以烘窯時(shí)溫度先傳遞到襯體表面，再逐步傳遞到內(nèi)襯深處，再到窯殼。由于對(duì)流換熱具有流體宏觀位移的對(duì)流作用，氣體輻射換熱具有氣體容積的射線平均行程，所以在窯體軸線方向溫度從窯頭逐漸傳遞到窯尾。

根據(jù)熱輻射的基本定律——斯蒂芬-波爾茲曼定律(Stefan-Boltzmann Law)和克希荷夫定律(Kirchoffs Law)，煙氣溫度愈高，黑體的輻射力愈大。窯襯溫度逐步升高，襯體中的游離水、結(jié)晶水不斷從氣孔排出。隨著溫度的增加及水分的排出，耐火材料礦物組成中的基質(zhì)開始熔化[7]，基質(zhì)包圍在主晶四周起膠結(jié)作用，并將主晶緊緊粘結(jié)成整體，從而完成窯襯體的燒結(jié)，而且窯殼溫度逐步上升，所以窯殼溫度的高低間接反映窯襯體溫度的高低。

揮發(fā)窯烘窯升溫時(shí)，傳熱過程主要包括煙氣、火焰與窯襯體的輻射、對(duì)流傳熱，窯襯與窯殼的輻射傳熱，窯殼與外界的自然對(duì)流傳熱。當(dāng)傳熱過程達(dá)到平衡后，窯襯體溫度不斷升高。依據(jù)水的相圖中蒸汽壓曲線(圖1)，在一定壓力范圍內(nèi)，內(nèi)襯中的水分逐漸轉(zhuǎn)變成水蒸氣從窯襯氣孔中排出，使窯襯烘干、燒結(jié)。

圖1 水的相圖

2 鋅揮發(fā)窯烘窯分析

依據(jù)烘窯要求及準(zhǔn)則，某廠鋅揮發(fā)窯烘窯過程主要分為兩個(gè)階段：第一階段是襯體澆筑整體完成后，在不被凍裂、干裂的常溫中自然養(yǎng)護(hù)干燥；第二階段是維持窯尾壓力為40～60 Pa，用劈柴和重油烘窯258 h，其中劈柴烘窯累計(jì)96 h，重油烘窯累計(jì)162 h。

2.1 窯襯體溫度與窯殼溫度變化分析

通過每隔4 h 測(cè)量窯頭襯體的表面溫度和距窯頭1 m 處的窯殼溫度可知，窯襯體與窯殼之間的溫差和窯殼溫度成一定的比例關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 窯頭襯體表面與距窯頭1 m 處窯殼的溫差和距窯頭1 m 處窯殼溫度比例系數(shù)隨烘窯時(shí)間變化趨勢(shì)

1)隨著煙氣溫度的升高，煙氣中固體顆粒(如灰塵、炭黑、油等)增加，氣體的輻射與吸附能力增大。黑體輻射力愈大，對(duì)流換熱量增加。窯襯體被烘干并完成晶相轉(zhuǎn)變，窯襯體與窯殼間發(fā)生輻射換熱，窯殼與外界自然對(duì)流換熱的熱量上升并達(dá)到平衡后，窯殼溫度隨煙氣溫度升高而升高。

2)依據(jù)線性分析，窯頭襯體的表面溫度、襯體表面與窯殼間的溫差、距窯頭1 m 處的窯殼溫度、三者趨勢(shì)線斜率(圖3)依次增大。當(dāng)窯襯體逐步烘干并發(fā)生晶相轉(zhuǎn)變時(shí)，襯體與窯殼之間的溫差不斷增大，窯殼溫度緩慢上升，完成烘干的高溫區(qū)的耐火澆筑料襯體具有良好的隔熱性能，能有效保護(hù)窯體。

圖3 距窯頭1 m 處窯殼溫度、襯體表面與窯殼溫差及窯頭襯體表面溫度隨烘窯時(shí)間變化圖

3)根據(jù)圖2 襯體表面與窯殼間的溫差和窯殼溫度的比值范圍，窯襯體表面與窯殼之間的溫差是窯殼溫度的2～3 倍，可推斷出，窯襯體的溫度是窯殼溫度的3～4 倍。因此，可通過窯殼溫度推斷窯襯體溫度，為烘窯過程控制提供依據(jù)，同時(shí)為正常生產(chǎn)中窯內(nèi)反應(yīng)溫度及窯襯體變化判斷提供依據(jù)，更好地控制揮發(fā)窯生產(chǎn)及窯襯體使用壽命。雖然不同耐火材料及厚度具有不同的導(dǎo)熱能力，襯體溫度與窯殼溫度略有差異，但差異可忽略不計(jì)。

2.2 窯殼各處溫度達(dá)到100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃所需時(shí)間

將烘窯過程中各處窯殼溫度達(dá)到100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃所需的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并繪制成圖，結(jié)果如圖4 所示。

從圖4 可知：

圖4 窯殼各處溫度達(dá)到100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃所需時(shí)間

1)愈靠近窯尾，窯殼達(dá)到100 ℃、150 ℃、200 ℃、250 ℃時(shí)所用時(shí)間愈長(zhǎng)。且從100 ℃到150 ℃、從150 ℃到200 ℃、從200 ℃到250 ℃，各直線對(duì)應(yīng)的橫截距越來越大，說明烘窯的關(guān)鍵是在于低溫階段窯襯體的排水以及高溫段、預(yù)熱段的烘干，所以烘窯前期一定要注意烘窯速度，避免溫度上升過快。對(duì)流換熱過程中，在窯襯體壁面法線方向，溫度場(chǎng)梯度方向正好與熱流方向相反，先發(fā)生換熱的面是窯襯體表面。在高溫區(qū)、變溫區(qū)，如升溫速度過快，襯體深層的水分未完全排出，而襯體表面因?yàn)楦邷囟l(fā)生相變燒結(jié)，隨著溫度的不斷升高，水蒸氣體積增加，蒸汽壓上升，超過襯體所能承受的最大限度，就易發(fā)生襯體裂紋、起皮或剝落等問題。因?yàn)闊煔廨椛錈岷蛯?duì)流熱在高溫段與預(yù)熱段已經(jīng)完成換熱，到靠近窯尾干燥段時(shí)換熱量較少，所以干燥段窯殼溫度上升緩慢，不易發(fā)生襯體損壞現(xiàn)象。

2)根據(jù)不同結(jié)合劑耐火材料的失重率[8](圖5)，110 ℃烘干后耐火材料的失重率為55%～80%；當(dāng)溫度為200～300 ℃時(shí)，耐火材料的累計(jì)失重率一般達(dá)到70%～90%。因此，低溫階段脫水較多，主要是游離水以及部分結(jié)合水。隨著溫度的不斷升高，結(jié)晶水和結(jié)合水不斷排出。當(dāng)溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，澆筑料含水率僅為10%左右，并且澆筑料不同，失重率略有區(qū)別。根據(jù)上節(jié)所述襯體溫度與窯殼溫度之間的關(guān)系，當(dāng)窯尾的窯殼溫度達(dá)到160 ℃時(shí)，襯體溫度達(dá)約600 ℃，則襯體已烘干。

圖5 不同結(jié)合劑耐火材料的失重率

3)通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，距窯頭1 m 處的窯殼溫度最高能達(dá)到280 ℃，距窯頭20 m 處的窯殼溫度最高達(dá)到246 ℃，距窯頭33 m 處的窯殼溫度最高達(dá)到191 ℃，距窯頭50 m 處的窯殼溫度最高達(dá)到165 ℃。在烘窯過程中，當(dāng)距窯頭50 m 處的窯殼處溫度達(dá)到165 ℃及以上時(shí)，將干燥的紙片放入窯尾煙氣中片刻后拿出，干燥紙片每次打濕情況基本穩(wěn)定，說明窯襯體中水分已脫除。因此，當(dāng)窯尾的窯殼溫度超過165 ℃時(shí)，窯襯體已經(jīng)干燥，與上述推算吻合。

2.3 恒溫時(shí)窯殼溫度分布分析

恒溫即保持窯尾溫度穩(wěn)定，也就是保持窯內(nèi)煙氣溫度及襯體溫度的相對(duì)穩(wěn)定。由于低溫時(shí)只能排出襯體表面的水分，當(dāng)襯體達(dá)到熱平衡后，襯體中各點(diǎn)溫度不再升高，深層溫度與受熱面溫度相差較大，加上襯體中水的飽和蒸汽壓大，深層水分較難排出[9-10]，所以在不同溫度段要有足夠的恒溫時(shí)間。根據(jù)熱量傳輸原理，當(dāng)黑體的輻射力保持在一定范圍內(nèi)，愈靠近火焰端，窯內(nèi)煙氣熱流與襯體表面間的溫差愈大，換熱量愈多。但由于黑體輻射力相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)煙氣熱流達(dá)到窯內(nèi)一定位置時(shí)，煙氣熱流與襯體表面間的溫差減小，換熱量減少，溫度上升緩慢，所以在一定溫度條件下恒溫時(shí)，只是烘干某一段窯襯體。

在烘窯恒溫操作中，控制窯尾溫度恒定的難度較大，溫度往往在給定溫度的一定范圍內(nèi)波動(dòng)。實(shí)際恒溫過程中，窯尾溫度波動(dòng)較集中在130 ℃、210 ℃、265 ℃、335 ℃、405 ℃，這些溫度對(duì)應(yīng)的距窯頭1 m 處、20 m 處、33 m 處、50 m 處的窯殼溫度分布情況如圖6～圖10 所示。

圖6 窯尾溫度約130 ℃時(shí)窯殼溫度分布

從圖6～圖10 可以看出：

圖10 窯尾溫度約405 ℃時(shí)窯殼溫度分布

1)各處窯殼溫度波動(dòng)較大且無明顯的變化趨勢(shì)，但在不同的恒溫段，各處窯殼溫度在某一特定的范圍內(nèi)波動(dòng)。

2)距窯頭50 m 內(nèi)揮發(fā)窯為變溫區(qū)或高溫區(qū)，因耐火材料力學(xué)性能存在差異，換熱效率和速率略有不同。參照表1 烘烤制度，實(shí)際各溫度段升溫所用時(shí)間遠(yuǎn)大于烘烤制度所需時(shí)間。

圖7 窯尾溫度約210 ℃時(shí)窯殼溫度分布

圖8 窯尾溫度約265 ℃時(shí)窯殼溫度分布

圖9 窯尾溫度約335 ℃時(shí)窯殼溫度分布

3)沿窯頭到窯尾方向，各處窯殼溫度均經(jīng)歷110～140 ℃，已達(dá)到此溫度范圍的窯殼溫度將進(jìn)一步升高，因此不同的恒溫段作用是烘干不同位置的窯襯體。恒溫約130 ℃時(shí)，主要烘干冷卻段；恒溫約210 ℃、265 ℃、335 ℃時(shí)，主要烘干高溫段；恒溫約405 ℃時(shí)，主要烘干預(yù)熱段。

4)恒溫約265 ℃時(shí)，距窯頭20 m 處的窯殼溫度分布在110～140 ℃，而20 m 之前的窯襯溫度已全部達(dá)到或超出此范圍；恒溫約335 ℃時(shí)，距窯頭33 m處的窯殼溫度主要分布在130～150 ℃，而33 m 之前的窯襯溫度基本達(dá)到或超出此范圍；恒溫約405 ℃時(shí)，距窯頭50 m 處的窯殼溫度全部分布在120～140 ℃，50 m 之前的窯襯溫度已全部達(dá)到或超出此范圍。根據(jù)熱量傳輸方向可推斷出，以70 ℃為恒溫梯度時(shí)，烘干窯襯體長(zhǎng)度約10 m。

5) φ4.35 m×62 m鋅揮發(fā)窯襯體厚度為275 mm，將實(shí)際升溫速度、所需時(shí)間與不定型耐火材料烘烤制度[8](表1)對(duì)比，結(jié)果見表2。

表1 不定型耐火材料襯體的烘烤制度

表2 φ4.35 m×62 m 鋅揮發(fā)窯實(shí)際烘窯制度與設(shè)計(jì)烘烤制度對(duì)比

由表1 和表2 可知，鋅揮發(fā)窯烘窯過程符合不定型耐火材料襯體的烘烤制度。與設(shè)計(jì)烘烤制度相比，實(shí)際烘烤制度的升溫速度更緩慢，烘烤所用時(shí)間遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)需用時(shí)間。因此襯體中水分脫除更干凈，能有效防止襯體裂紋、起皮或剝落等現(xiàn)象的出現(xiàn)，烘窯過程更加安全。同時(shí)耐火材料的相變及燒結(jié)更徹底，其耐火度、荷重軟化開始溫度、重線變化、抗熱磨性、抗渣性等使用特性均達(dá)到襯體要求。烘干相變的襯體能有效減少熱量損失，節(jié)約能源，延長(zhǎng)襯體使用壽命。雖然烘窯時(shí)能源消耗有所上升，但與襯體所獲得的高溫使用性能、窯爐及熱工設(shè)備使用壽命的提高相比，其所取得的經(jīng)濟(jì)效益更可觀。

3 結(jié)論

通過研究鋅揮發(fā)窯整體澆筑襯體烘窯過程中窯尾溫度、窯襯體溫度、窯殼溫度的變化及其相互關(guān)系，可得到以下結(jié)論：

1)烘窯過程中，為了保持可控的火焰及窯尾溫度以滿足烘窯需求，應(yīng)盡可能采用重油、天然氣等易燃可控燃料。

2)烘窯過程中，應(yīng)根據(jù)鋅揮發(fā)窯干燥段、預(yù)熱段、反應(yīng)段、冷卻段的分布，對(duì)各段的窯殼溫度進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，依據(jù)窯殼溫度變化調(diào)整烘窯制度。

3)由于窯頭襯體表面溫度是窯殼溫度的3～4倍，當(dāng)窯殼溫度達(dá)到110 ℃左右，窯襯體溫度在550 ℃左右，而當(dāng)襯體溫度低于600 ℃時(shí)，需較長(zhǎng)的升溫時(shí)間，以便水分排出。所以，在對(duì)新澆筑襯體烘窯時(shí)，可依據(jù)窯殼溫度準(zhǔn)確地把握烘窯速度，確定升溫速度及恒溫時(shí)間點(diǎn)，確保襯體中水分的排出及襯體的晶相轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到襯體要求的燒結(jié)程度及硬度。

4)通過分析恒溫時(shí)各處窯殼溫度的分布可知，以70 ℃為恒溫梯度時(shí)，烘干窯襯體長(zhǎng)度約10 m。

高質(zhì)量的烘窯完成后，在實(shí)際使用過程中，應(yīng)注意窯內(nèi)物料翻動(dòng)情況。保持合理的窯頭結(jié)圈高度，調(diào)整強(qiáng)制鼓風(fēng)風(fēng)管角度及長(zhǎng)度，避免窯內(nèi)物料排料不順暢或壓料不合理使物料與窯襯之間發(fā)生滑動(dòng)摩擦，以減少內(nèi)襯高溫侵蝕、磨損，延長(zhǎng)內(nèi)襯使用壽命。