Savard-Lee雙重套管噴嘴在鋼鐵冶金和有色冶金行業(yè)應用發(fā)展綜述

李秀軍 摘譯

(山東東營方圓有色金屬有限公司， 山東 東營 257000)

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國外工程技術

Savard-Lee雙重套管噴嘴在鋼鐵冶金和有色冶金行業(yè)應用發(fā)展綜述

李秀軍 摘譯

(山東東營方圓有色金屬有限公司， 山東 東營 257000)

鋼鐵冶金和有色冶金的主要相似點：都在高溫條件下進行，并且都是熔融狀態(tài)，所以冶金學者堅信一些有色冶金技術可以從鋼鐵冶金技術改造而來，反之亦然。薩- 李(Savard-Lee)雙重套管噴嘴就是這樣一種技術。本文對采用雙重套管噴嘴的主要冶金工藝進行了闡述。這些工藝主要包括鉛、銅熔池熔煉工藝(QSL法，SKS法)，銅、鎳熔池吹煉工藝，銅火法精煉工藝(吹入O2/N2/H2)和鉛- 銀灰吹工藝(BBOC)。作者著重強調(diào)了薩- 李雙重套管噴嘴如何從氧氣底吹鋼鐵冶金(OBM)應用到有色冶金中。

雙重套管噴嘴； 有色冶金； 綜述

1992年，Mackey和Brimacombe 在一篇文章中介紹了加拿大的Guy Savard和Robert G.H. Lee在1966年如何利用他們發(fā)明的富氧雙重套管噴嘴譜寫冶金歷史，這種雙重套管噴嘴后來被命名為薩- 李(Savard-Lee)噴槍。這個發(fā)明迎來了氧氣底吹工藝的應用，這對于70年代鋼鐵冶金是一次革命。薩-李噴槍對有色冶金有著重要的影響，因為所有氧氣底吹工藝的熔煉和吹煉都要采用薩- 李噴槍，它是冶金爐至關重要、必需的部件。

1 薩- 李(Savard-Lee)雙重套管噴槍發(fā)明簡介

1947年到1966年，薩- 李雙重套管噴槍的研究持續(xù)了近20年。1947年，年輕的Robert G.H. Lee(加籍華人李甘棠)剛從邁克吉爾大學畢業(yè)就加入了加拿大液空公司。經(jīng)過幾年的研究，通過與法國液空公司的Etienne Spire先生合作，在加拿大礦業(yè)統(tǒng)計局前身(現(xiàn)CANMET)的支持下，發(fā)明了多孔塞并且應用于鋼包冶金。

1951和1956年，頂部浸沒式氧槍和底部噴入式氧槍的試驗分別在鋼鐵廠和鑄造廠進行，并在1954—1955年間取得了重大突破，即氧壓在4 825 kPa條件下，在底部噴槍的頂端發(fā)現(xiàn)了一個保護性的蘑菇頭狀增生物。1955年，加拿大渥太華國際研究委員會開展了水- 氣物理模型，第一臺底吹反應器誕生了，并于1956年在DOSCO冶煉廠運行。這個底吹反應器在生產(chǎn)過程中底部噴槍可生成蘑菇頭，如圖1所示。1958年，針對氧氣煉鋼，授予Savard和Lee一個專利。

圖1 (a)第一個氧氣底吹反應器；(b)在噴槍頂端有蘑菇頭生成

1957到1962年間，北美和歐洲對這個技術做了各種論證，但是沒有得到任何工廠的應用。1963年，加拿大液空公司組建了一個研發(fā)小組，主要致力于氣體噴射的研究，放棄了那些不愿承擔風險的鋼鐵廠和鑄造廠。研發(fā)小組的第一個創(chuàng)新就是K-反應器(以它的設計者Bob Kottmeier命名)，一個可以進行底吹、側吹、頂吹的多功能反應器，如圖2所示。

圖2 1964年新建K-反應器示意圖

研發(fā)小組的目標是開發(fā)一個可商業(yè)化、可廣泛應用的噴槍，并能在可行的氧壓下操作。雙重套管的早期試驗始于1964年，試驗初期是采用頂部浸沒式吹氧，取得成功后，采用簡易安全的噴槍開展底部噴入試驗，如圖3所示。選擇甲烷和丙烷作為保護氣體，這樣可以在噴槍頂部產(chǎn)生蘑菇頭。

圖3 1964年為早期底吹試驗設計的Savard-Lee噴槍

1965年6月，薩- 李型雙重套管氧槍誕生了，并在1966年7月18日，被授予發(fā)明專利。1967年12月17日，一個改造后的托馬斯轉爐第一次工業(yè)化生產(chǎn)試驗在德國Maxhütte進行，規(guī)模20 t。薩- 李型雙重套管氧槍給Maxhütte舊托馬斯轉爐帶來了很大改進，創(chuàng)造了氧氣底吹冶金工藝，1972年12月19日授予了Maxhütte公司和Air Liquide公司專利。

2 氧氣底吹冶金工藝中薩- 李型雙重套管噴槍的設計

1965年，Savard和Lee第一次進行了同心噴槍的測試，同心噴槍由內(nèi)徑3.2 mm、外徑8.7 mm的銅管和內(nèi)徑11.9 mm、外徑15.9 mm的不銹鋼管組成，與1966年原始的法國專利中關于噴槍的描述和試驗設計尺寸相近，而1972年Maxhütte專利中噴槍的尺寸更大，以便處理30 t工業(yè)規(guī)模的鋼水。表1列出了兩個專利的比較。一個完整的工業(yè)化氧氣底吹冶金反應器的典型規(guī)模>200 t。

3 QSL—Savard-Lee噴嘴在有色冶金行業(yè)的第一次使用

直到1981年，新建了一個處理能力為200 t/d粗鉛的示范性工廠，于1986年投入運行。在整個示范生產(chǎn)過程中只有一種S-噴槍設計結構，如圖4(a)所示。在壓力500～1 500 kPa情況下，通過試驗分別確立了最佳的氧氣和氮氣流量的標準。在80年代后期與90年代初期，那些詳細的標準成為進行工業(yè)化生產(chǎn)采用大型S-噴槍的設計依據(jù)。最終，將氧氣流區(qū)域切分成很多小孔，并且在管道周邊的環(huán)形邊上設有很多通道，如圖4(b)所示，保護氣體通過通道的外環(huán)噴入。

表1 各種氧氣底吹反應器中Savard-Lee噴槍的設計

圖4 S噴槍設計結構：(a) 1981—1986年間德國杜伊斯堡QSL示范工廠采用的噴槍結構； (b)QSL工業(yè)化反應裝置的噴槍結構

在示范生產(chǎn)過程中，K-噴槍的設計從簡單到精細有了很大改變。這種新噴槍由3個同心管組成，煤粉和空氣從中心管道噴入，氧氣從內(nèi)部環(huán)形空間通入，保護氣體從外部環(huán)形空間噴入?？刹鹦兜奶沾晒苡糜谧罾飳庸艿?，可防止固體煤噴射產(chǎn)生的磨損。最終用于工業(yè)化生產(chǎn)的設計結構如圖5所示，氮氣、霧化水、烴類氣體的混合物起到冷卻作用。

圖5 QSL工業(yè)化反應裝置的K噴槍設計結構

4 造渣吹煉反應裝置與采用液空套管噴嘴的霍博肯轉爐

4.1 液化空氣雙重套管(ALSI)技術

這種薩- 李型噴槍能夠充分利用28%的氧氣濃度操作優(yōu)勢，并不增加耐火材料磨損，在噴槍頂端形成了一個保護性的蘑菇頭(增生物)，消除了打風口的操作。雙重套管的內(nèi)部管道通入的是富氧空氣，環(huán)形通道通入氮氣(或其他惰性氣體、烴類氣體)。

1992—1993年間，在比利時聯(lián)合礦業(yè)霍博肯冶煉廠進行了銅吹煉的首次試驗。雖然試驗取得了積極成果，但由于1994年生產(chǎn)流程的改造,導致ALSI技術在霍博肯冶煉廠沒有實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。1995年，艾薩頂吹爐的應用取代了焙燒爐、燒結廠、鼓風爐和霍博肯轉爐。

1997—1999年間，在加拿大鷹橋公司的冶煉廠進行了鎳吹煉的第一次示范性生產(chǎn)，運行非常成功，并得出重要結論，其中一點是，在30%～40%氧濃度條件下雙重套管噴槍對耐火材料的侵蝕要優(yōu)于或等同于21%～23%氧濃度條件下的傳統(tǒng)噴槍。這次生產(chǎn)取得的結果促使鷹橋公司將ALSI技術應用到P-S轉爐，即造渣吹煉反應器(SMC)。

4.2 鎳吹煉過程采用ALSI技術進行造渣吹煉(SMC)的反應裝置

SMC反應裝置規(guī)格φ4×17 m，類似于PS轉爐。SMC的作用是通過吹風氧化大部分鐵和硫，剩余的由PS轉爐完成，而吹風具有高腐蝕性的性質要求噴射技術能夠減小風嘴處耐火材料的侵蝕，確保反應裝置的實用性。ALSI技術能夠在高富氧條件下操作，并確保風嘴所必需的壽命。

4.3 銅吹煉過程中采用ALSI技術的霍博肯轉爐

泰國銅冶煉廠設計產(chǎn)能為16.5萬t陰極銅/年，精礦經(jīng)混合后在特尼恩特爐熔煉，產(chǎn)出高品位的銅锍或白銅锍，白銅锍在霍博肯轉爐中吹煉產(chǎn)出粗銅，最后在兩個陽極爐中精煉，再進行澆鑄和電解。該廠的三臺轉爐都配備了采用富氧音速噴槍的ALSI技術。

5 帶有雙重套管風嘴的再生銅火法精煉

根據(jù)歐洲和北美生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)驗，再生銅精煉廠應用雙重噴槍是明智的做法。同樣的雙重噴槍用于交替噴入氧氣和氫氣進行氧化和還原反應。在氧化過程中，中心管通入的富氧空氣(80%O2)達到音速，氮氣也以音速通入到環(huán)形區(qū)域。在還原階段，含有氮氣的氫氣(75%H2)以音速通入到中心管道，而氮氣作為保護氣體通入到環(huán)形區(qū)域。氣門結構和流量控制系統(tǒng)安全的一個關鍵特點就是用氮氣吹掃中心管道1～2分鐘，這樣可以消除爆炸風險。吹掃結束后，將進行新的氧化精煉周期。

6 BBOC-氧氣底吹分銀爐

80年代初期，為了尋找能夠替代鉛銀灰吹工藝的分銀爐，不列顛精煉金屬有限公司(BRM)研發(fā)了氧氣底吹轉爐(BBOC)。1986年，BRM公司安裝了第一臺商業(yè)規(guī)模反應裝置—3 t底吹轉爐。類似于20年前Savard和Lee開展的研究，BBOC研發(fā)最初的原因就是希望使用純氧使灰吹工藝快速進行。

7 銅、鉛冶煉的SKS工藝

80年代，中國水口山礦務局開展了高強度熔池熔煉的初步研究，1991年完成了年產(chǎn)3 000 t粗銅的半工業(yè)試驗。并在1994年申請氧氣底吹銅冶煉工藝的專利，這就是現(xiàn)稱為水口山(SKS)的煉銅工藝。

1999年湖南省水口山礦務局第一次進行了SKS鉛冶煉技術半工業(yè)試驗，2001年開展工業(yè)設計和建設，2002年成功運行。SKS鉛冶煉工藝是第一次將氧氣底吹技術實現(xiàn)了工業(yè)化，從那以后，中國有30多家鉛冶煉企業(yè)采用了SKS煉鉛工藝。

圖6 東營方圓公司SKS煉銅爐

2001年，SKS煉銅工藝第一次被采用，并于2008年在越南生權銅聯(lián)合企業(yè)第一次實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。該技術的第二次(較大規(guī)模)應用是在2008年中國東營方圓有色金屬有限公司，生產(chǎn)規(guī)模從年產(chǎn)3 000 t粗銅擴展到年產(chǎn)10萬t粗銅。第一臺SKS煉銅爐安裝在越南生權銅聯(lián)合企業(yè)，尺寸是φ3.1 m×11 m，生產(chǎn)規(guī)模是年產(chǎn)10 000 t粗銅。而東營方圓底吹爐規(guī)格是φ4.4 m×16.5 m，年產(chǎn)10萬t粗銅。東營方圓底吹爐氧槍分兩排布局，一排4支氧槍，另一排5支氧槍，見圖6。

在1994年中國專利中，SKS爐子的氧槍有兩種設計：①氧氣和空氣預先混合，由單管噴射，②同心管結構，中心管道通入氧氣，環(huán)形區(qū)域通入空氣作為保護氣體，見圖7。1999年，ENFI的李誠等人設計了噴槍，用于SKS銅冶煉半工業(yè)試驗爐，這種噴槍采用同心管，中間通氧氣，環(huán)形區(qū)域通壓縮空氣起到冷卻作用。

圖7 SKS爐的原始噴槍設計圖

據(jù)報道，空氣和氧氣比例可調(diào)節(jié)，富氧空氣濃度高達50%。氧氣和冷卻氣體壓力分別是0.5～0.7 MPa和0.6～0.8 MPa，使用空氣作為保護氣體降低了工業(yè)氧氣量的要求(需要供氧量較低的制氧站)，同時也能在噴槍頂端生成保護性增生物(蘑菇頭)。

2007年，張振民等人發(fā)明的專利設計的噴槍也像齒輪，見圖8。據(jù)專利中描述，圖8中124指示的外環(huán)區(qū)域有著冷卻作用，起到保護作用的是氮氣和霧化水而不是壓縮空氣。方圓有色金屬有限公司和ENFI在2013年銅會的手稿和演示文稿中闡述了SKS工藝的設計和運行特點。

圖8 SKS爐同心管噴槍結構

2009年，ENFI公司蔣繼穆在武漢舉行的ICSG會議中對氧氣底吹銅冶煉技術提出了新的認識，同時也提出了該技術的不足之處和未來發(fā)展的潛力。近來，尉克儉在2013年他申請的專利中介紹了底吹銅吹煉工藝，其中說明采用氮氣可以冷卻噴槍，并且可以提供吹煉熔池攪拌的動力。底吹吹煉工藝將是有色冶金未來發(fā)展的另一個領域。

8 結論

由于薩- 李型套管氧槍可以在富氧條件下運行，

它將增強側吹的諾蘭達爐,特尼恩特爐和PS轉爐的熔煉強度,因此可獲得節(jié)能增效的效果。在當今加強環(huán)保意識、遵守法律法規(guī)的時代下，減少氣體排放、控制砷等揮發(fā)性雜質的產(chǎn)生已使工藝向現(xiàn)代化、集約化發(fā)展。

雙重套管技術的革新是實現(xiàn)集約化的必然選擇，并且相比ALSI技術的管中管設計，或QSL型多重管設計，這種噴槍更簡單，選擇連續(xù)的環(huán)形空間還是選擇槽環(huán)設計取決于冶金工藝的需求，尤其在特定熔池化學反應中，通過控制氣體流速和富氧濃度來獲得期望的工藝強度。噴槍的設計，特別是噴槍環(huán)形間隙和凹槽尺寸的大小對于噴濺情況和使用壽命很關鍵。在開展高強度噴射設計中，關于可壓縮流體流動能力、熔融金屬中氣體噴射的知識和噴槍設計的經(jīng)驗及運行是工程公司要主要考慮的。

雙重套管的設計確保了冷卻作用的合理性：但不要冷卻過度,以免形成保護性的增生物過大、孔隙度過低。每支氧槍的高氧濃和每個爐子少的氧槍數(shù)量是采用雙重套管技術的最優(yōu)方案。超達公司鎳冶煉廠已經(jīng)掌握了實踐操作經(jīng)驗。

對于熔池熔煉，高富氧濃度等同于高熔煉率，加拿大霍恩冶煉廠的諾蘭達爐的實踐證明了這一點。早在1973年初始設計中就是采用空氣，每天處理720 t原料。在富氧濃度40%的情況下，處理量可增加至每天2 800 t。進一步強化熔煉效率，氧濃度超過50%，必然會成為現(xiàn)代冶煉廠的發(fā)展常態(tài)，如SKS工藝。

略)

申殿邦 校閱(摘編)

蘇平 校對

The Savard-Lee shrouded injector: a review of its adoption and adaptation from ferrous to non-ferrous pyrometallurgy

Translated selectively by LI Xiu-jun

Pyrometallurgical processes for iron and base metals present major similarities since they occur at high temperatures and in molten state. Pyrometallurgists, therefore, have long believed that some technologies from ferrous metallurgy could be beneficially adapted (and transferred) to non-ferrous metallurgy, and vice versa. The Savard-Lee shrouded injector is one such technology. This paper provides a review of key non-ferrous pyrometallurgical processes that have innovatively adapted and implemented the shrouded injector concept. Such processes include bath smelting of lead and copper (QSL, SKS), bath converting of copper and nickel, copper pyro-refining (O2/N2/H2injectors) and lead-silver cupellation (BBOC). The authors highlight how the Savard-Lee injector was adapted from its original steel refining design for oxygen bottom metallurgy (OBM) into new designs for non-ferrous applications. preoccupations.

shrouded injector; non-ferrous pyrometallurgy; review

李秀軍(1983—)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士，從事有色冶金技術生產(chǎn)工作。

2014-- 12-- 17

TF81

B

1672-- 6103(2015)02-- 0001-- 05