頂吹吹煉爐問題剖析與解決方案

袁精華

(中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司,江西南昌 330031)

0 引言

閃速爐工藝及側(cè)吹+頂吹工藝成為近階段的主流銅冶煉工藝,閃速爐工藝因其規(guī)模大的優(yōu)勢在市場占有率上遠(yuǎn)超其它工藝[1],而側(cè)吹+頂吹工藝則因其對原料適應(yīng)性強(qiáng)、流程短、投資少、生產(chǎn)成本低等優(yōu)越性有后來者居上的趨勢[2-3]。2013 年,側(cè)吹+頂吹工藝投產(chǎn)的產(chǎn)能僅為100 kt/a,遠(yuǎn)落后于閃速爐工藝產(chǎn)能的400 kt/a,當(dāng)時,某銅業(yè)公司前期初步設(shè)計階段采用側(cè)吹熔煉爐和轉(zhuǎn)爐吹煉的生產(chǎn)流程,設(shè)計規(guī)模為陰極銅200 kt/a。2016 年,該銅業(yè)公司最終初步設(shè)計階段采用側(cè)吹+頂吹工藝,并把產(chǎn)能提升到300 kt/a,熔煉工序配置1 臺44.4 m2的側(cè)吹熔煉爐,吹煉工序配置了1 臺55.45 m2頂吹吹煉爐。2017 年,在施工圖階段,最終確定側(cè)吹爐面積為50.4 m2、頂吹爐面積為65.7 m2,無論是側(cè)吹爐還是頂吹吹煉爐都是當(dāng)時世界上設(shè)計最大的,到目前為至,仍然是世界上投產(chǎn)最大的側(cè)吹爐和頂吹吹煉爐。2016 年,側(cè)吹+頂吹工藝投產(chǎn)的產(chǎn)能僅為150 kt/a,把側(cè)吹+頂吹工藝產(chǎn)能提升至300 kt/a,具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

1 出現(xiàn)的問題

2018 年,該銅業(yè)公司側(cè)吹爐與頂吹吹煉爐開始進(jìn)行施工安裝,在砌筑時頂吹吹煉爐爐底在爐子長度方向的中心線位置出現(xiàn)了一條很大的縫隙,縫隙位于第一反拱工作層,是在兩環(huán)耐火磚之間,長度幾乎覆蓋整個爐長,寬度約7～9 mm,最大處接近10 mm,縫隙最大寬度處位于吊裝孔下部區(qū)域,縫隙情況如圖1 所示。投產(chǎn)后,側(cè)吹爐運(yùn)行總體上基本正常,除爐體出現(xiàn)一些膨脹問題外,沒有出現(xiàn)較大的問題。但是,頂吹吹煉爐在投產(chǎn)初期位于爐子中心線第二反拱工作層下部的搗打料位置的爐底測溫點顯示溫度除個別顯示有問題外,大部分接近或者在900 ℃以上,后期有的測溫點甚至接近1 050 ℃,溫度顯示情況如圖2 所示,遠(yuǎn)高于600～700 ℃的正常值。在投產(chǎn)不到兩年時間則出現(xiàn)爐底第一反拱工作層的大量耐火磚漂浮在爐渣上部的重大問題,這種爐底反拱工作層大量耐火磚漂浮的現(xiàn)象在銅冶煉歷史上也是罕見的,如果處理得不果斷、及時,則會造成爐子漏銅、跑銅的重大事故。鑒于此,頂吹吹煉爐不得不停產(chǎn)冷修,這也意味著爐子使用壽命大幅度縮短,不及正常使用壽命的一半。

圖1 爐底第一反拱工作層縫隙

圖2 爐底測點溫度

2 問題剖析

2.1 縫隙

爐底縫隙產(chǎn)生需要具備產(chǎn)生的條件和誘因。頂吹吹煉爐寬度方向爐底第一反拱工作層的拱腳磚與爐殼兩側(cè)各有100 mm 厚的搗打料,爐底第二反拱工作層沒有設(shè)置拱腳磚,且與爐殼各有200 mm 厚的搗打料,爐底第二反拱工作層下部采用搗打料制作成反拱形,最薄處也有130 mm,也就是說爐底反拱耐火磚周圍與下部存在大量的可壓縮的搗打料,如圖3 所示,這么厚的搗打料要搗密實是不容易做到的,這就為爐底縫隙的產(chǎn)生具備了條件。爐底縫隙是在砌筑爐墻過程中產(chǎn)生的,此時爐墻砌筑的高度達(dá)到700 mm 左右,爐底第一反拱工作層上堆滿了從吊裝孔吊下的一箱箱爐墻耐火磚,也就是說爐底承受了相當(dāng)大的重力,這為爐底縫隙的產(chǎn)生具備了誘因,這點也可以從縫隙寬度大小分布得到驗證,縫隙最寬的地方集中在吊裝孔下部區(qū)域[4-5]。搗打料在重力作用下向兩側(cè)壓縮和向下壓縮沉降,向兩側(cè)壓縮時爐底反拱工作層弦的寬度變大,向下壓縮沉降時爐底工作層的反拱半徑變大,也導(dǎo)致反拱工作層弦的寬度變大,顯然,實際的弦寬度大于理論設(shè)計弦寬度,也就是說反拱工作層實際弧長大于理論長度,當(dāng)然會導(dǎo)致縫隙產(chǎn)生[6]。

圖3 原設(shè)計耐火材料結(jié)構(gòu)圖

2.2 爐底測點溫度高

位于爐子中心線第二反拱工作層下部的搗打料爐底測溫點處的理論溫度約610 ℃,實際溫度基本上在900～1 040 ℃,實際溫度比理論溫度超過290～430 ℃,溫度高出如此之多,爐底必有粗銅滲入,而且可以確定粗銅滲入量不在少數(shù)。當(dāng)時該銅業(yè)公司對前面提到的筑爐過程中出現(xiàn)的約10 mm 的縫隙非常重視,邀請了三家設(shè)計院對出現(xiàn)的問題進(jìn)行會診,會議也決定采取補(bǔ)救措施,不知出于何種考慮,后來并沒有實施。這就造成耐火磚受熱膨脹后并沒有把出現(xiàn)的縫隙完全閉合,因此,粗銅就會從沒有閉合的膨脹縫滲入爐底。由于粗銅的熱導(dǎo)熱率為134 W/(m·k-1),遠(yuǎn)高于900 ℃鎂鉻磚的1.65 W/(m·k-1),顯然會導(dǎo)致爐底測溫點的溫度大大高出正常值[7]。

2.3 爐底耐火磚漂浮

正常情況下,即使粗銅的7.9 t/m3的比重遠(yuǎn)大于鎂鉻質(zhì)耐火磚3.2 t/m3的比重而存在向上的浮力,爐底耐火磚也是不可能上浮的。因為爐底為反拱狀,也就是說爐底耐火磚為楔形,即耐火磚為大小頭形,且小頭朝爐內(nèi),大頭朝爐外。出現(xiàn)爐底工作層耐火磚漂浮可以判定爐底工作層反拱的整體性已經(jīng)破壞,局部工作層耐火磚已經(jīng)松動。松動的原因則是由于前面提到的粗銅滲入,滲入的粗銅達(dá)到爐底第一反拱工作層與第二反拱工作層之間,粗銅就會給爐底第一反拱工作層一個向上推舉的力量,隨著粗銅的滲入量增加,這種推舉力越來越大,最終這種向上的推力與浮力的合力大于反拱向下的力量,耐火磚就會松動,直至耐火磚脫離反拱,進(jìn)入粗銅層,最后進(jìn)入爐渣層,因為爐渣比重為3.5 m3,大于鎂鉻磚的比重3.2 t/m3,于是耐火磚就會上升至爐渣表面形成爐底耐火磚漂浮現(xiàn)象[8]。

當(dāng)然,粗銅滲入是造成爐底耐火磚漂浮的直接原因,究其本質(zhì)原因有二個。

其一:爐體結(jié)構(gòu)存在不合理。①爐體四周及爐底使用了大量的搗打料,而且厚度很厚,都在100 mm及以上,當(dāng)然,原設(shè)計思路是防止高溫熔體向爐外滲漏,起防滲作用,但是,搗打料施工需要遵循嚴(yán)格的規(guī)范,特別是工期緊的情況下,搗打料存在沒有搗密實的不確定性,這樣搗打料可壓縮性就很大;②第二層工作層沒有設(shè)置拱腳磚,該層穩(wěn)定性較差,近而削弱了整個爐底反拱穩(wěn)定性;③反拱設(shè)置不合理。爐底反拱不應(yīng)像附圖3 一樣伸入爐墻,因為反拱在爐墻下部就會對爐墻有一個很大的向上推力,單靠約3 000 mm 高的爐墻耐火磚和銅水套的重量是不可能壓住反拱的,這樣就會破壞反拱的穩(wěn)定性,給爐體帶來風(fēng)險。

其二:膨脹縫設(shè)置不恰當(dāng)。砌筑說明指出寬度方向每六塊磚1 張3 mm 膨脹紙,長度方向每三塊磚1 張2 mm 膨脹紙,在考慮搗打料可壓縮的情況下,爐體寬度方向設(shè)置膨脹量偏大,而膨脹量留設(shè)過大,會導(dǎo)致縫隙過大,繼而造成粗銅滲入爐底[9]。

3 解決方案

3.1 縫隙的處理

筆者當(dāng)初也參加了問題的討論,因為考慮到搗打料的可壓縮性,經(jīng)過核算原設(shè)計膨脹量留設(shè)過大,那么大的縫隙不可能通過耐火磚受熱膨脹后閉合,筆者認(rèn)為縫隙必須處理,并建議采取以下方式處理:1)采用200 目以下的與耐火磚同材質(zhì)的干粉填料進(jìn)行填充并搗打密實;2)填充后表面采用鋼板覆蓋加以保護(hù)。如果當(dāng)初通過這種方式處理,后續(xù)可以借用烘爐時機(jī),讓散狀填料經(jīng)高溫烘烤后固化在原縫隙處,與耐火磚形成一個整體,可有效防止粗銅通過此縫隙向爐底滲入,進(jìn)而避免爐底耐火磚漂浮的現(xiàn)象出現(xiàn)[10]。

3.2 爐體結(jié)構(gòu)完善

事實上,爐體結(jié)構(gòu)合理是爐子安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。通常情況下,無論是第一反拱工作層還是第二反拱工作層兩側(cè)都應(yīng)設(shè)置拱腳磚,以保證反拱的穩(wěn)定。拱腳磚與爐殼之間一般不宜設(shè)置可壓縮材料,即使為了防滲,搗打料也不應(yīng)設(shè)置過厚,一般控制在50～80 mm 之間。為了防止反拱沉降,第二反拱工作層下部的搗打料也不宜過厚,宜控制在80 mm 左右,并且,合理的爐底反拱設(shè)置不應(yīng)在爐墻下部,而應(yīng)在爐墻外側(cè),雖然這種結(jié)構(gòu)的反拱對拱腳磚也會對爐墻有一個向上的力,但這個力遠(yuǎn)小于把爐底反拱設(shè)置在爐墻下部的力,反拱大部分力通過反拱兩側(cè)的拱腳磚傳遞給強(qiáng)度非常高的爐體鋼結(jié)構(gòu),這樣就有利于反拱穩(wěn)定可靠,新耐火材料結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示[11]。

圖4 新耐火材料結(jié)構(gòu)圖

3.3 膨脹縫設(shè)置

要保證爐體安全穩(wěn)定地運(yùn)行,除爐體結(jié)構(gòu)要合理外,膨脹縫設(shè)置得恰當(dāng)也是非常關(guān)鍵的,膨脹的設(shè)置需根據(jù)供應(yīng)商耐火材料的膨脹系數(shù),并結(jié)合磚縫和搗打料厚度以及整個爐體的結(jié)構(gòu)形式采用集中和分散相結(jié)合的方式。

4 結(jié)語

側(cè)吹+頂吹銅冶煉工藝因具有多方面的優(yōu)勢,特別是生產(chǎn)成本低,其在市場占有率會越來越高。隨著這種工藝的單套設(shè)備處理能力的加大,其規(guī)模效益帶來生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢將更加顯現(xiàn)。