一種新型帶爐缸煙化爐的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

梁 玲

(廣西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣西 河池 547000)

有色冶煉過程中產(chǎn)生大量的爐渣，這些爐渣中含有有價(jià)金屬，采用煙化爐工藝處理可以回收鉛、鋅等易揮發(fā)的有價(jià)金屬。煙化過程的實(shí)質(zhì)是向熔融的爐渣中吹入混以粉煤(或其他還原劑)的空氣進(jìn)行還原吹煉，在高溫下，爐渣中的鉛、鋅、錫等金屬以各種形式揮發(fā)，富集于煙塵中。

廣西某冶煉公司是世界首家采用火法流程處理脆硫鉛銻礦的廠家，脆硫鉛銻礦屬于Pb、Sb、Cu、Bi、Ag、Au、In、Sn、Zn等多金屬共生礦，主要冶煉流程為：脆硫鉛銻礦→氧氣底吹氧化熔煉→鼓風(fēng)爐還原熔煉→吹煉→電解精煉。該工藝流程不足之處為：Pb冶煉回收率僅為85%左右，銻冶煉回收率僅75%左右；資源利用程度低，僅回收了Pb、Sb、Cu、Bi、Ag、Au等金屬，鼓風(fēng)爐水碎渣中的Zn、In、Sn、Ge等較多的有價(jià)成分沒有被回收利用。鼓風(fēng)爐水碎渣中(Pb+Sb)含量為6%～8%，Zn含量為8%～14%，In含量約為180～200 g/t，按每月產(chǎn)出鼓風(fēng)爐渣2 000 t計(jì)，從鼓風(fēng)爐渣中流失的有價(jià)金屬每月達(dá)到(Pb+Sb)140 t、Zn200 t，In400 kg，造成了巨大的資源浪費(fèi)。為進(jìn)一步提高資源的綜合利用和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2015年該公司建造一座2.5 m2煙化爐，用以回收鼓風(fēng)爐水碎渣中的鉛、鋅、錫等金屬。

新建造的煙化爐在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)爐底結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，將爐底水套結(jié)構(gòu)改為爐底爐缸結(jié)構(gòu)，達(dá)到了爐窯一爐兩用的目的，既可處理煙化爐渣，也可處理鋅合金礦。改進(jìn)后的新型煙化爐投入生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。本文對(duì)該設(shè)計(jì)改造進(jìn)行詳細(xì)闡述，以便為行業(yè)內(nèi)的煙化爐改造提供借鑒。

1 傳統(tǒng)煙化爐存在的問題

煙化爐是一種類似鼓風(fēng)爐的立式設(shè)備，傳統(tǒng)煙化爐由兩側(cè)、兩端和爐底、爐頂水套拼裝而成，主要部件包括風(fēng)口裝置、熔渣注入裝置、冷(熱)料加入裝置、放渣口、排煙口、水套煙道和支撐框架等。一般煙化爐水套設(shè)計(jì)思路：爐壁(即工作面)采用鍋爐鋼板，其余部分采用普通鋼板焊接而成，水套外壁下部布置進(jìn)水管、排汚管，頂部布置出水管，水套內(nèi)設(shè)筋板加固，并對(duì)冷卻水起導(dǎo)流作用，制作中焊縫要確保嚴(yán)密，焊制結(jié)束后，用1.5倍工作壓力作水壓試驗(yàn)[1]。

傳統(tǒng)煙化爐爐底是在爐底平底水套上設(shè)有約0.4 m厚度保護(hù)層(或用渣層、或用鉻鎂轉(zhuǎn)、鉻渣磚)，風(fēng)口中心至爐底水套距離一般為0.5～0.6 m。爐底水套一般有耐熱鑄鐵澆鑄和鋼板焊接兩種。耐熱鑄鐵水套中埋有水冷鋼管，不易制作，使用中易產(chǎn)生裂紋，故多數(shù)改用鋼板制作。這種爐底方式耐火磚易上浮，易損壞，維修頻繁，同時(shí)風(fēng)口中心高度較高，不利于還原冶煉[2]。

2 新型帶爐缸煙化爐的設(shè)計(jì)

該公司在借鑒傳統(tǒng)煙化爐設(shè)計(jì)和根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)條件的基礎(chǔ)上，對(duì)煙化爐部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的煙化爐為爐床面積2.5 m2的長方形爐子，豎式結(jié)構(gòu)(于2018年已成功申請(qǐng)專利)[3]，詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。該新型煙化爐結(jié)構(gòu)組成見圖1，最底層為爐底爐缸，爐體水套從下自上為：下端面渣口水套，渣口水套，下側(cè)面風(fēng)口水套，下后端面水套，上(中)端面水套，上(中)側(cè)面水套，加料口水套，頂后端面水套，頂側(cè)面水套，頂前端面水套，爐頂水套。加料裝置將冶煉冷物料從加料口水套上的爐門加入；支撐框架包括支柱，水套千斤頂；排煙道安裝在爐頂水套上，煙管中心與爐頂水套中心重合。

表1 鉛銻煙化爐結(jié)構(gòu)參數(shù)

1-爐底爐缸；2-風(fēng)口裝置；3-爐體水套；4-加料裝置；5-支撐框架；6-排煙道圖1 煙化爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

煙化爐改造后，一爐可兩用，既可煙化爐渣，也可處理鋅合金物料，節(jié)約了煙化爐建造、維修和生產(chǎn)成本，并且降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；另外，爐底改造成反拱延長了爐子壽命，開機(jī)投產(chǎn)后，達(dá)到了預(yù)期效果。此次煙化爐改造設(shè)計(jì)具體如下所述[3-5]。

1)爐底結(jié)構(gòu)改為爐缸。改造后的爐底結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的鼓風(fēng)爐爐缸，在圍爐鐵箱中砌滿普通黏土耐火材料，以保持圍爐鐵板不被侵蝕，和熔體接觸的最上一層用高鋁耐火磚砌筑成反拱爐底，以確保爐底不易上??；同時(shí)，這樣結(jié)構(gòu)的爐子既可以作為煙化爐使用，也可以適度改造后作為鼓風(fēng)爐使用，實(shí)現(xiàn)了爐子功能多樣化。

2)優(yōu)化煙化爐爐床尺寸。考慮到爐子能一爐兩用，既可煙化爐渣，也可處理鋅合金礦，煙化爐爐內(nèi)寬僅取1.39 m，確保了風(fēng)口氣流向爐子中心的穿透能力；煙化爐長度要視生產(chǎn)規(guī)模而定，本設(shè)計(jì)取1.8 m(內(nèi)部尺寸)。

3)優(yōu)化煙化爐爐體高度。熔池底部(爐底水套)至爐頂?shù)木嚯x稱為爐子高度，其取決于爐渣中金屬含量、爐渣成分和熔池深度。改造后的煙化爐高度設(shè)計(jì)為7.5 m(凈空)。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 爐底爐缸

由于煙化爐底部平底水套上的耐火磚容易產(chǎn)生浮磚事故，給連續(xù)生產(chǎn)和安全生產(chǎn)帶來隱患，故對(duì)煙化爐進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，將平爐底改為爐缸型爐底，新型帶爐缸煙化爐的爐底爐缸結(jié)構(gòu)如圖2所示，其由外殼和內(nèi)砌筑結(jié)構(gòu)組成，下側(cè)面風(fēng)口水套中心線至水套端面距離為335 mm。

圖2 煙化爐爐底爐缸裝配圖

3.1.1 爐底爐缸座外殼

爐底爐缸座外殼起加固和保護(hù)爐底爐缸的作用，開發(fā)設(shè)計(jì)以爐缸形式代替爐底平底水套，爐缸外殼尺寸為3 230 mm×3 200 mm×1 400 mm，缸體由δ14 mm鋼板焊接而成，四周用150 mm×150 mm δ20 mm鋼板加固包邊，上下兩層20#槽鋼箍緊缸體外側(cè)。爐缸外殼的設(shè)計(jì)側(cè)視圖和俯視圖如圖3所示。

圖3 煙化爐爐缸外殼

3.1.2 爐底爐缸內(nèi)砌筑結(jié)構(gòu)

爐底爐缸內(nèi)砌筑成反拱爐底，爐缸內(nèi)砌耐火磚，即可作煙化爐，也可作鼓風(fēng)爐使用，具體如圖4所示。反拱爐底由鎂鉻爐底大磚砌筑而成，反拱厚380 mm，半徑約1 400 mm，鎂鉻爐底大磚尺寸為380 mm×150 mm×70/65 mm；石棉板厚為δ10 mm。

7-黏土磚；8-鎂鉻磚；9-石棉板；10-爐缸圍爐鐵箱；11-鎂鉻爐底大磚；12-耐火填料圖4 煙化爐爐缸內(nèi)砌筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2 風(fēng)口裝置

風(fēng)口裝置即粉煤風(fēng)嘴，是煙化爐的重要部件，它安裝在爐子底部側(cè)水套上，如圖5所示。粉煤風(fēng)嘴由三部分組成：前部為噴嘴頭，伸向爐內(nèi)60～200 mm；中部為連接管，由陶瓷、鑄石或鑄鐵等耐磨材料制成；后部為風(fēng)煤混合器，其中一個(gè)支管為一次風(fēng)口，送入粉煤和一次風(fēng)，另一個(gè)支管為二次風(fēng)口，送入二次風(fēng)，一次空氣、二次空氣和粉煤在混合器的前部相遇混合，經(jīng)由連接管、噴嘴頭后送入爐內(nèi)；尾部為捅風(fēng)眼機(jī)構(gòu)，正常工作時(shí)，鋼球堵住捅風(fēng)眼；當(dāng)風(fēng)嘴內(nèi)部通路有結(jié)渣時(shí)，在外部用鋼釬頂開鋼球，鋼球上移，疏通通路，結(jié)束后鋼球復(fù)位。

風(fēng)嘴由于受風(fēng)煤高速顆粒流(80～100 m/s)的沖刷，磨損相當(dāng)嚴(yán)重，一般鑄鐵噴嘴頭使用7～8 d即被磨穿。傳統(tǒng)的風(fēng)嘴各部位采用法蘭螺栓連接，更換噴嘴頭時(shí)需拆裝法蘭螺栓，比較笨重、麻煩。本設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)嘴進(jìn)行了改進(jìn)，首先，將鑄鐵改為中硅球鐵，使用壽命延長至20 d；其次，為便于拆裝，將風(fēng)嘴各部分的法蘭連接改為螺紋連接，這樣更換燒損的部位更直接簡(jiǎn)便。這個(gè)設(shè)計(jì)改進(jìn)大大節(jié)省了日常的維修維護(hù)成本，改造后的粉煤風(fēng)嘴如圖5所示。

圖5 改造后的粉煤風(fēng)嘴

3.3 水套內(nèi)襯

傳統(tǒng)煙化爐水套內(nèi)襯設(shè)計(jì)有掛渣釘，焊接在水套內(nèi)壁爐膛的表面，材質(zhì)為直徑Φ(10～16) mm、長0～16 mm的圓鋼，呈三角型交錯(cuò)排列，間隔為75 mm、100 mm或100 mm、200 mm[6]。其作用是在爐子工作時(shí)將渣留在爐膛表面形成渣殼，以保護(hù)水套內(nèi)壁,但由于爐內(nèi)溫度較高掛渣釘容易燒損，掛渣效果不佳。

為了減少煙化爐生產(chǎn)過程中的熱量損失，新型帶爐缸煙化爐在水套內(nèi)壁靠爐膛的表面焊有φ10 mm×50 mm的圓鋼(掛渣釘)，交錯(cuò)排列間隔為50 mm×50 mm，再用碳化硅耐火澆鑄料填充，形成50 mm厚的隔熱保護(hù)層，即保護(hù)了水套內(nèi)壁，又節(jié)省了能源。

4 新型帶爐缸煙化爐的生產(chǎn)實(shí)踐

煙化爐生產(chǎn)為周期性作業(yè)，新型帶爐缸煙化爐處理原料為鉛銻鼓風(fēng)爐水碎渣，其冶煉過程分為加料、熔化升溫、還原吹煉、放渣水碎4個(gè)步驟，爐渣的熔化和還原吹煉時(shí)間約占整個(gè)生產(chǎn)周期的70%～80%左右。

粉煤在整個(gè)熔煉工藝中起到發(fā)熱劑和還原劑雙重作用，利用空氣將粉煤吹入煙化爐的熔渣中，使熔渣內(nèi)的鉛銻銦鋅化合物還原成金屬，并以氣態(tài)揮發(fā)進(jìn)入氣相，氣相中的銦、鉛、銻、鋅隨爐氣上升到爐子的上部空間或煙道系統(tǒng)，遇到吸入的空氣再度氧化成In203、Sb2O3、PbO、ZnO，最后以金屬氧化物形態(tài)被捕集于收塵設(shè)備中。當(dāng)此煙化爐作為鼓風(fēng)爐使用時(shí)也可處理鋅合金物料。

該新型帶爐缸煙化爐某4天開爐處理鉛銻鼓風(fēng)爐爐渣24批次，共處理鉛銻鼓風(fēng)爐爐渣200 t，操作方式及參數(shù)如表2所示。鉛銻鼓風(fēng)爐爐渣化學(xué)成分分析見表3，爐渣的性能指標(biāo)見表4；生產(chǎn)獲得的煙化爐爐渣綜合樣分析結(jié)果見表5，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表6。

表2 新型帶爐缸煙化爐工藝操作方式及參數(shù)

表3 鉛銻鼓風(fēng)爐爐渣綜合化學(xué)成分 %

表4 鉛銻爐渣性能指標(biāo)

表5 煙化爐爐渣綜合樣分析結(jié)果 %

由表5可知，爐渣中的Fe、CaO、SiO2等成分比原渣型有所升高。Fe升高說明了鐵沒有被還原；CaO、SiO2升高主要是由耗煤較高引起，爐渣的硅酸度僅為1.21，對(duì)爐況不構(gòu)成影響。從表6可知，該新型煙化爐耗煤率較高，主要是因?yàn)椴捎美錉t料作業(yè)所致；鉛、銻、鋅、銦的揮發(fā)率分別達(dá)到93%、88%、83%、78%，說明鉛銻鼓風(fēng)爐爐渣在煙新型化爐中能有效揮發(fā)，可以達(dá)到富集的目的。該新型煙化爐從2015年建成投產(chǎn)至今生產(chǎn)狀況穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表6 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

5 結(jié)語

針對(duì)老式煙化爐底部平底耐火磚容易產(chǎn)生浮磚事故，給連續(xù)生產(chǎn)和安全生產(chǎn)帶來隱患的問題，廣西某冶煉公司對(duì)煙化爐的爐底及爐型進(jìn)行了改造，并對(duì)爐壁水套保護(hù)方式由掛渣層保護(hù)改為碳化硅耐火澆鑄料保護(hù)，解決了以上難題，延長了煙化爐使用壽命。按日處理鉛銻鼓風(fēng)爐爐渣60 t計(jì)算，該煙化爐每日可回收Pb 1.73 t、Sb 1.89 t、Zn 4.6 t、In 8 428 g；同時(shí)，該煙化爐可一爐兩用，即可作為煙化爐使用，也可作為鼓風(fēng)爐使用，節(jié)約了場(chǎng)地和建設(shè)成本。

該新型帶爐缸煙化爐設(shè)計(jì)應(yīng)用的成功，既是脆硫鉛銻礦火法流程的延伸與完善，為大幅度提高脆硫鉛銻礦火法流程的金屬回收率并綜合回收渣中的鋅、銦、錫等有價(jià)金屬開辟了一條新的途徑，又可作為鼓風(fēng)爐使用，而且生產(chǎn)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。