底吹還原噴槍的試驗(yàn)研究

張和平

（河南豫光金鉛集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 濟(jì)源 454650）

底吹還原噴槍的試驗(yàn)研究

張和平

（河南豫光金鉛集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 濟(jì)源 454650）

詳細(xì)介紹了底吹還原噴槍的通氣方式、進(jìn)氣壓力、通氣流量、氣體通道規(guī)格以及其選用的原理和使用效果。

底吹還原噴槍；通氣方式；進(jìn)氣壓力；通氣流量；氣體通道

1 概述

河南豫光金鉛股份有限公司開發(fā)并已申請(qǐng)專利（ZL200720152994.4）的“用于液態(tài)高鉛渣還原的底吹熔池還原爐”，其核心技術(shù)設(shè)備還原爐需要配備一種連續(xù)向爐內(nèi)提供熱量、對(duì)爐料進(jìn)行攪拌、有利于還原反應(yīng)進(jìn)行的還原噴槍。由于該還原爐屬于新型鉛冶煉裝置，因此其還原噴槍也需要開發(fā)。目前國(guó)內(nèi)已應(yīng)用于鉛冶煉工業(yè)生產(chǎn)的氧氣底吹用氧槍可作為參考，但該類氧槍通入的是氧氣、氮?dú)夂退?，不能滿足還原爐的要求，而且氣量、氣壓等也不適于還原爐。QSL爐還原段所用的噴槍是向爐內(nèi)噴入氧氣、氮?dú)?、水、壓縮空氣及粉煤，雖能滿足還原爐需要，但通入的氣體種類多、噴槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易操作，而且還需要從國(guó)外引進(jìn)，費(fèi)用昂貴。河南豫光金鉛集團(tuán)有限責(zé)任公司在液態(tài)高鉛渣還原底吹熔池還原爐的試驗(yàn)過程中，對(duì)底吹還原噴槍的通氣方式、通氣流量、天然氣通道的規(guī)格及進(jìn)氣壓力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2 底吹還原噴槍的試驗(yàn)研究

2.1 底吹還原噴槍的通氣方式

QSL爐還原段所用噴槍向爐內(nèi)噴入的物質(zhì)有氧氣、氮?dú)?、水、壓縮空氣和粉煤五種，噴槍的氣體通道從內(nèi)到外分為3層，內(nèi)層氣體通道通入的是粉煤和壓縮空氣，中間層氣體通道通入的是氧氣，外層氣體通道通入的是氮?dú)夂退?/p>

底吹熔池還原爐開始試驗(yàn)時(shí)，所用的還原噴槍就是借鑒QSL爐還原段噴槍的通氣方式，外層氣體通道通入氮?dú)?，中間層氣體通道通入氧氣，內(nèi)層氣體通道通入還原性氣體天然氣。這種通氣方式的還原噴槍，在試驗(yàn)過程中存在的主要問題是使用壽命短，長(zhǎng)時(shí)六、七天，短時(shí)僅兩、三天，如此短的壽命，無法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

對(duì)還原噴槍使用壽命短的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為通過還原噴槍向爐內(nèi)噴入的天然氣、壓縮空氣和粉煤與氧氣的反應(yīng)差別很大，天然氣燃燒的熱值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粉煤，而且使用的天然氣純度高，粉煤和壓縮空氣混合后，粉煤的濃度不可能太高，因此，爐內(nèi)天然氣與氧氣反應(yīng)的程度比壓縮空氣和粉煤與氧氣反應(yīng)劇烈很多，天然氣與氧氣劇烈反應(yīng)對(duì)噴槍產(chǎn)生的燒損非常嚴(yán)重，造成噴槍使用壽命短。

此后又嘗試了另一種進(jìn)氣方式，外層氣體通道還是通入氮?dú)猓虚g層氣體通道改為通入還原性氣體天然氣，內(nèi)層氣體通道通入氧氣，然而噴槍的使用壽命無明顯延長(zhǎng)。

以上兩種通氣方式的共性是天然氣和氧氣從噴槍出來后在氮?dú)飧糸_的區(qū)域迅速燃燒，造成槍頭周圍局部高溫。如果不通氮?dú)?，天然氣和氧氣可能更多地與熔體反應(yīng)，天然氣還可能發(fā)生裂解吸熱反應(yīng)，槍頭的局部高溫可能減弱?；谏鲜龇治?，取消了外層氮?dú)獾劳?，改只通天然氣和氧氣兩種氣體。噴槍的氣體通道從內(nèi)到外分兩層，內(nèi)層通入的是氧氣，外層通入的是天然氣。

改進(jìn)后，試驗(yàn)取得了令人非常滿意的結(jié)果，噴槍能夠使用15 d以上。將其用在5萬t還原爐，使用壽命達(dá)到30 d。噴槍使用壽命的延長(zhǎng)，為液態(tài)高鉛渣直接還原試驗(yàn)成功及工業(yè)化生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

這種噴槍氣體進(jìn)氣方式看上去非常簡(jiǎn)單，但實(shí)際上是長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)研究的結(jié)果，同時(shí)也是一種認(rèn)識(shí)的突破。底吹熔煉氧槍和QSL爐還原段所用噴槍的外層氣體通道通入的是氮?dú)夂退?，以往人們認(rèn)為：在氧氣噴嘴氧氣通道外圍高速流過的惰性氣體或空氣，不僅能強(qiáng)化冷卻噴嘴，而且在噴嘴之后，氧氣外圍有一層惰性氣體或空氣遮護(hù)，阻隔氧氣與熔體直接接觸，從而對(duì)噴嘴起保護(hù)作用，使之蝕損緩慢，使用壽命延長(zhǎng)。由于這種保護(hù)作用是有限的，于是人們根據(jù)噴嘴結(jié)瘤的機(jī)理，采取對(duì)氧氣噴嘴強(qiáng)化冷卻措施，包括增加冷卻氣體流量，在冷卻氣體中加水等，制造結(jié)瘤的條件，生成結(jié)瘤即蘑菇頭。蘑菇頭使噴嘴端頭及其四周耐火磚與熔體隔開，更有效地保護(hù)了噴嘴及其四周耐火磚，大大延長(zhǎng)了氧氣噴嘴使用壽命。試驗(yàn)證明，天然氣不僅可作為還原性氣體，而且也可作為一種保護(hù)性氣體，對(duì)噴槍起到保護(hù)作用。

2.2 底吹還原噴槍的進(jìn)氣壓力

底吹還原噴槍的進(jìn)氣壓力與氧氣底吹熔池氧槍有相同之處，也有不同。相同的是都應(yīng)有一個(gè)最低的進(jìn)氣壓力，不同的是底吹還原噴槍的進(jìn)氣壓力應(yīng)盡量降低。對(duì)底吹氣流與金屬熔池之間相互作用的研究，業(yè)界人士已達(dá)成這樣的共識(shí)：即底吹氣體的流出行為是兩種基本狀態(tài)，一是“氣泡”噴出，二是“射流”噴出，兩者的分界是出口氣流馬赫數(shù)約為1。當(dāng)出口氣流馬赫數(shù)小于1時(shí)，氣流呈氣泡形式流出噴嘴，將引起噴嘴出口壓力脈動(dòng)，易造成熔體倒灌堵塞噴嘴，噴嘴及周圍耐火磚蝕損加快。當(dāng)出口氣流馬赫數(shù)等于或無限接近1時(shí)，氣流呈氣柱深入熔池一定高度才被斷成氣泡，熔池熔體壓力變化傳播不進(jìn)噴口，噴槍內(nèi)的氣體流動(dòng)穩(wěn)定，噴嘴及周圍耐火磚蝕損緩慢。李運(yùn)洲進(jìn)行了高壓模擬實(shí)驗(yàn)［1］，實(shí)驗(yàn)在水深500 mm、噴嘴直徑10 mm、底吹的條件下進(jìn)行，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)噴吹氣體的壓力超過0.4 MPa后，噴嘴端部不再形成氣泡和氣泡帶，而是形成接近于噴嘴直徑的柱狀射流深入水池，在氣流束的頂部氣液交混形成穩(wěn)定的氣泡帶。因此氣體從噴嘴流出“射流”狀態(tài)應(yīng)保證噴吹氣體壓力有一個(gè)最低壓力。

底吹熔煉熔池噴入氧氣和其他氣體的過程為：氣體射流由噴嘴噴出后，沿射流的縱軸向熔池面伸展，這時(shí)射流四周的熔體沿射流束的徑向流來。射流帶動(dòng)熔體向上運(yùn)動(dòng)，熔體衰減射流的能量，減緩射流的運(yùn)動(dòng)，互相運(yùn)動(dòng)的同時(shí)發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，射流則逐漸擴(kuò)大。但主射流仍保持著“氣柱”或“氣舍”的形狀，直到達(dá)到一定高度方在主射流的頂部發(fā)生氣液交混，形成氣泡帶向熔池面伸展。氣體到達(dá)熔池面時(shí)逸出，熔體則再向下流動(dòng)形成回流，使熔池熔體不斷循環(huán)流動(dòng)。由于通過還原噴槍進(jìn)入還原爐的為高純度天然氣和氧氣，這兩種氣體會(huì)在主射流的頂部發(fā)生氣液交混時(shí)劇烈反應(yīng)，放出大量的熱，同時(shí)天然氣也可能發(fā)生裂解反應(yīng)，由于生成物的體積大于反應(yīng)物的體積，爐料中的氣體體積急劇膨脹，從而造成高溫爐料噴濺到噴槍上方的耐火材料上，對(duì)耐火材料進(jìn)行沖刷，耐火材料損壞較快。試驗(yàn)時(shí)中發(fā)現(xiàn)，爐內(nèi)噴槍上方的耐火材料損壞非常嚴(yán)重，為此，在試驗(yàn)過程中，盡量降低進(jìn)氣壓力，以便主射流的頂部上面有足夠厚的爐料，反應(yīng)因氣體體積急劇膨脹產(chǎn)生的噴濺物通過爐料的距離足夠長(zhǎng)，盡量減弱高溫噴濺物對(duì)耐火材料的沖刷。通過試驗(yàn)得到的還原噴槍合適進(jìn)氣壓力為0.4～0.7 MPa。

2.3 底吹還原噴槍的通氣流量

噴槍的流量與通氣的截面積、噴槍入口處氣體壓力、氣體溫度、通道表面光潔度、通道長(zhǎng)短等因素有關(guān)。在光滑銅管內(nèi)通氣體，噴槍的氣體流量與入口處氣體的壓力成正比，與通氣的截面積也成正比。對(duì)于還原噴槍為多個(gè)截面長(zhǎng)方形的通氣通道是否合適，用噴槍做了大量的試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：1對(duì)于一種規(guī)格通氣截面且通氣面積一定的噴槍，氣體入口壓力在0.3 MPa以上，通氣流量與氣體入口壓力近似成正比關(guān)系。2噴槍通氣流量與通氣截面積的關(guān)系，不是簡(jiǎn)單的正比關(guān)系，只是隨通氣面積增加而增加；噴槍通氣流量還與通道的截面尺寸、通道數(shù)量、加工精度及安裝等有關(guān)系。從試驗(yàn)中得到噴槍通氣流量與進(jìn)氣壓力和通氣截面面積之間的關(guān)系，以此為指導(dǎo)設(shè)計(jì)底吹還原噴槍。

2.4 底吹還原噴槍的氣體通道

通過試驗(yàn)摸索出還原噴槍的合理進(jìn)氣通道尺寸，氣體通道尤其是天然氣應(yīng)采用多個(gè)細(xì)小溝槽結(jié)構(gòu)，保證氣體能夠呈多個(gè)細(xì)小氣束，這些氣束以極高的速度噴入熔體，一方面有利于天然氣燃燒熱和裂解反應(yīng)物傳遞、擴(kuò)散，避免引起爐料劇烈噴濺；另一方面有利于在較低的進(jìn)氣壓力下避免熔體堵塞氣體通道，影響噴槍的使用壽命。

3 結(jié)語

底吹還原噴槍采用通天然氣和氧氣的通氣方式，在國(guó)內(nèi)有色行業(yè)尚無先例。試驗(yàn)證明：還原噴槍能夠滿足還原爐的供氣要求，外層通天然氣能夠起到保護(hù)噴槍的作用，噴槍的使用壽命在30 d以上。還原噴槍在結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、進(jìn)氣壓力、流量、加工精度等方面，還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。該技術(shù)可以推廣應(yīng)用在銅及其他金屬熔煉上。

[1]李運(yùn)洲.鋼鐵.1980，（3）：1-3.

Abstract:The gas supply style,inlet pressure,gas supply flow rate,gas channel specification,selection principle and usage effect on lance of bottom-blown reduction furnace are introduced in detail.

Key words:lance of bottom-blown reduction furnace;gas supply style;inlet pressure;gas supply flow rate;gas channel

Experimental research of lance of bottom-blown reduction furnace

ZHANG He-ping

TF812.031.1

B

1672-6103（2011）02-0030-02

張和平（1967—），男，河南濟(jì)源人，畢業(yè)于洛陽工學(xué)院，工程師。

2010-08-04