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
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。
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。
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。
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。
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。
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