側(cè)吹爐優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

李 陽， 白 樺

(1.長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長沙 410131； 2.長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長沙 410011)

?

設(shè)備及自動(dòng)化

側(cè)吹爐優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

李 陽1， 白 樺2

(1.長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長沙 410131； 2.長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖南 長沙 410011)

側(cè)吹爐在我國有色冶煉行業(yè)應(yīng)用愈來愈多，本文敘述了側(cè)吹爐的構(gòu)成，并對爐缸、銅水套、風(fēng)口的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對側(cè)吹爐優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。

側(cè)吹爐； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 風(fēng)口； 爐缸

0 前言

側(cè)吹爐在我國有色冶煉行業(yè)的應(yīng)用愈來愈多，在煉銅、煉鉛、煉錫、煉銻、煉紅土鎳礦、煙化鋅浸出渣等方面都已有工業(yè)化生產(chǎn)(如煉銅、煉鉛)或者工業(yè)化試驗(yàn)(如煙化鋅浸出渣、煙化煉鉛爐渣、紅土鎳礦的熔煉、銻精礦的揮發(fā)熔煉)的實(shí)例?？梢圆榈降年P(guān)于側(cè)吹爐的專利不少，近幾年出版的介紹鉛鋅冶煉新技術(shù)方面的書籍中大多都有對側(cè)吹爐介紹的章節(jié)，而且，我國也有一批設(shè)計(jì)側(cè)吹爐的工程技術(shù)人員。然而，側(cè)吹爐的設(shè)計(jì)不同于其它一些在有色冶煉生產(chǎn)運(yùn)行多年的傳統(tǒng)爐窯有設(shè)計(jì)手冊可查，本文總結(jié)了筆者側(cè)吹爐設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)。

側(cè)吹爐的基本構(gòu)成是建立在瓦紐科夫爐特征點(diǎn)之上的。瓦紐科夫爐是前蘇聯(lián)瓦紐科夫教授于1949年發(fā)明的一項(xiàng)技術(shù)，1977年實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用。瓦紐科夫爐有以下特征點(diǎn)：一是側(cè)吹，富氧空氣通過設(shè)置在爐身第一層銅水套上兩側(cè)的風(fēng)口鼓入爐內(nèi)渣層；二是熔池熔煉，物料(精礦、熔劑等)從加料口直接加入到強(qiáng)烈攪拌的熔體中；三是銅水套的應(yīng)用，瓦紐科夫爐爐身是由銅水套相圍而成；四是風(fēng)口，風(fēng)口是由帶有堵塞桿、鑄銅帶水冷風(fēng)嘴頭構(gòu)成。

1 側(cè)吹爐構(gòu)成

側(cè)吹爐由爐缸，爐身下部銅水套、上部鋼水套或耐火材料砌體，爐頂水套，風(fēng)口，鋼結(jié)構(gòu)骨架等主要部件構(gòu)成，見圖1。

1-鋼結(jié)構(gòu)骨架； 2-燒嘴； 3-沉降室； 4-爐頂水套； 5-耐火材料砌體； 6-銅水套； 7-風(fēng)口； 8-爐缸 圖1 側(cè)吹爐示意圖

側(cè)吹爐的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鼓風(fēng)爐相似，故筆者在敘述側(cè)吹爐某一構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)與傳統(tǒng)鼓風(fēng)爐相應(yīng)部分進(jìn)行比較。本文側(cè)重描述爐缸、銅水套、風(fēng)口的設(shè)計(jì)理念，由于上部鋼水套、鋼結(jié)構(gòu)骨架、爐頂鋼水套等的設(shè)計(jì)比較常規(guī)化，文中不作描述。

1.1 爐缸

側(cè)吹爐爐缸由殼體、砌體構(gòu)成。

殼體由一定厚度的鋼板焊成箱形外殼(包括底鋼板)，殼體外用型鋼(多采用工字鋼)箍緊。殼體鋼板依據(jù)爐子大小在10～25 mm，不需要太厚，殼體的強(qiáng)度是靠殼體外的型鋼箍緊形式保證，太厚的鋼板既不便于制作加工，又不便于在生產(chǎn)使用過程中對爐缸的修復(fù)。筆者認(rèn)為參照傳統(tǒng)鼓風(fēng)爐的設(shè)計(jì)，乘以1.1～1.2的系數(shù)即可。

砌體一般由多層耐火材料構(gòu)成，爐缸底為反拱形。上層砌體多為鎂磚或鎂鉻磚，下層砌體由粘土磚砌筑。上層砌體、下層砌體厚度的選取，可參照《有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊》中鼓風(fēng)爐部分。

一些煉鉛側(cè)吹爐在實(shí)際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)以下狀況：爐缸膨脹變形，砌體向上抬高，其發(fā)生都是在新爐投產(chǎn)不久，筆者認(rèn)為鉛液滲入到爐缸砌體內(nèi)是主要原因。鼓風(fēng)爐煉鉛，很少有新投產(chǎn)的爐子爐缸膨脹變形、砌體向上抬高的現(xiàn)象發(fā)生，這與兩種爐子熔煉時(shí)熔體對爐缸的影響略有不同有關(guān)。

側(cè)吹爐爐缸多設(shè)計(jì)有伸出于爐本體的沉降室，在沉降室設(shè)渣放出口和熔煉產(chǎn)物放出口。伸出于爐本體的沉降室起熔分作用，考慮到維持熱平衡，在沉降室頂部設(shè)燒嘴，也有設(shè)計(jì)者考慮在沉降室設(shè)置石墨電極。側(cè)吹爐熔煉過程是典型的熔池熔煉，是靠從風(fēng)口鼓入的氣體將爐內(nèi)熔體強(qiáng)烈攪拌完成物料間的傳熱傳質(zhì)、各種化學(xué)反應(yīng)的過程，所以側(cè)吹爐熔煉要求的風(fēng)口風(fēng)速相當(dāng)大，煉鉛側(cè)吹爐風(fēng)口風(fēng)速設(shè)計(jì)值都在170 m/s以上。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，風(fēng)口風(fēng)速達(dá)到150 m/s以上時(shí)，對爐內(nèi)熔體的攪動(dòng)范圍可達(dá)風(fēng)口下約800 mm。我國目前用于煉鉛的側(cè)吹爐風(fēng)口中心線到爐缸底的距離一般在950 mm以內(nèi)，故側(cè)吹爐生產(chǎn)時(shí)，爐缸內(nèi)的熔融金屬也受到一定的攪動(dòng)。這可能就是側(cè)吹爐爐缸設(shè)引出于爐本體的沉降室，以及新爐有可能發(fā)生爐缸膨脹變形、砌體向上抬高的原因。

1.2 銅水套

爐身由2～3層銅水套構(gòu)成(多為3層銅水套)，下層帶風(fēng)口的水套稱為風(fēng)口型水套，不帶風(fēng)口的水套稱為排列型水套。側(cè)墻每塊銅水套尺寸：寬600～750 mm，高1 250～1 400 mm，厚130 mm。

側(cè)吹爐風(fēng)口水套是一塊水套上開一個(gè)風(fēng)口。煉鉛、煉銅時(shí)，多數(shù)情況下風(fēng)口數(shù)量是有余量的，實(shí)際生產(chǎn)中只用到三分之一或二分之一。

為了便于銅水套在生產(chǎn)運(yùn)行過程中掛渣，采用在水套內(nèi)壁橫向開細(xì)溝槽的方法；也有采用在水套內(nèi)壁開較寬的溝槽，然后在溝槽內(nèi)嵌磚的。

開細(xì)溝槽形式水冷強(qiáng)度大，而嵌磚形式在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行過程中的使用效果沒有預(yù)期的好。可否有其他更好的辦法，既保證水套的壽命又可一定程度降低水冷強(qiáng)度，如：在銅水套內(nèi)壁焊密集拉釘，搗一層30～50 mm耐熱混凝土，鋼水套在這方面有很成功的應(yīng)用實(shí)例。

設(shè)計(jì)者要注意的一點(diǎn)是：并不是側(cè)吹爐熔煉所有物料風(fēng)口數(shù)都是夠的。筆者遇到過這樣一個(gè)設(shè)計(jì)案例：用側(cè)吹爐來處理銅鈷渣，氧濃60%。設(shè)計(jì)者按照處理量算出需要的側(cè)吹爐面積，按部就班的照常規(guī)思路對風(fēng)口等進(jìn)行設(shè)計(jì)。筆者在審定時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的風(fēng)口數(shù)不夠(或者說風(fēng)口風(fēng)速過大)，原因是煉這種銅鈷渣煤率很高，需要的風(fēng)量很大。

用側(cè)吹爐熔煉低品位物料時(shí)(如紅土鎳礦、各種渣料)，往往煤率很高(因?yàn)檫@些低品位物料本身的熱值很低，而要求的熔煉溫度往往又很高)，也就是說需要的風(fēng)量相對大，因此設(shè)計(jì)者需要對風(fēng)口數(shù)量、風(fēng)口內(nèi)徑進(jìn)行計(jì)算，合理設(shè)置。

1.3 風(fēng)口

風(fēng)口由鑄銅帶冷卻水管的圓錐臺(tái)、堵塞桿、風(fēng)管座構(gòu)成(見圖2)，風(fēng)口內(nèi)徑φ30～40 mm。傳統(tǒng)鼓風(fēng)爐風(fēng)口內(nèi)徑一般φ60～100 mm，鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐的為φ100～150 mm。側(cè)吹爐的風(fēng)口內(nèi)徑小源于以下兩個(gè)因素：一是側(cè)吹爐用富氧，有的熔煉氧濃達(dá)到70%～80%，鼓入爐內(nèi)的氣量比用空氣要少很多；二是側(cè)吹爐熔煉要求風(fēng)口風(fēng)速在150～180 m/s，遠(yuǎn)大于鼓風(fēng)爐的15～20 m/s(工況)。

1-圓錐臺(tái)； 2-風(fēng)管座； 3-堵塞桿 圖2 側(cè)吹爐風(fēng)口示意圖

這種鑄銅圓錐臺(tái)風(fēng)口也是基本參照了瓦紐科夫爐的風(fēng)口形式，與傳統(tǒng)的鼓風(fēng)爐、鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐、煙化爐不一樣。

瓦紐科夫爐最初是用于煉銅，而在我國側(cè)吹爐已經(jīng)作為一種推廣爐型廣泛用于有色行業(yè)的多種物料熔煉。筆者了解到，并不是所有已投入生產(chǎn)運(yùn)行的側(cè)吹爐風(fēng)口使用情況都好，達(dá)到預(yù)期的壽命。應(yīng)針對熔煉物料的特性，設(shè)計(jì)相應(yīng)的風(fēng)口，包括采用不同的材料、冷卻方式或者冷卻強(qiáng)度。

2 側(cè)吹爐優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

2.1 風(fēng)口

可否在爐缸內(nèi)完成熔煉金屬的沉降及與渣的分離，取消伸出于爐本體的沉降室。這要從改變風(fēng)口操作個(gè)數(shù)以及風(fēng)口內(nèi)徑著手。

降低風(fēng)口風(fēng)速(取70～100 m/s)，減小對爐內(nèi)風(fēng)口以下熔體的攪動(dòng)范圍，采用全風(fēng)口使用模式，保證風(fēng)口以上的熔體達(dá)到一定的攪動(dòng)強(qiáng)度。

除了上述措施外，還可以考慮采用爐缸內(nèi)設(shè)儲(chǔ)液槽的方法。

2.2 爐缸的結(jié)構(gòu)

為避免爐缸膨脹變形、砌體向上抬高的現(xiàn)象發(fā)生，除了減少風(fēng)口數(shù)量，降低風(fēng)速對風(fēng)口以下熔體的攪動(dòng)外，還可對爐缸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

砌體仍由多層耐火材料組成，底不設(shè)反拱，為平底。工作層砌體(與金屬熔體相接觸層)為Z形磚組合式砌筑，砌筑時(shí)縱向、橫向都不預(yù)留膨脹縫。由于沒有膨脹縫，最大限度地減少了金屬熔體(尤其是鉛液)對砌體的滲透。Z形磚的搭接式砌筑可以保證不浮磚。由于沒有反拱，消除了砌體反拱熱膨脹時(shí)向上的分力。

為了解決砌體熱膨脹的影響，在砌體與殼體之間設(shè)置一定量的膨脹縫(理論值的50%～60%)，膨脹縫最好用壓縮比較大的保溫材料填充，不用石棉板等壓縮比較小的材料；另一個(gè)措施就是把爐缸殼體圍板設(shè)計(jì)成可滑動(dòng)式。爐缸殼體的端板、側(cè)板與底板不焊接，端、側(cè)板之間也不焊接，當(dāng)砌體膨脹力達(dá)到一定值時(shí)，可推動(dòng)端板、側(cè)板向外位移。這種可滑動(dòng)式設(shè)計(jì)不是靠外置彈簧來頂固，結(jié)構(gòu)簡單。由于不具備自動(dòng)回位功能，在停爐后殼體鋼板回位需要人工用設(shè)備將其復(fù)位。

3 結(jié)語

隨著側(cè)吹爐的廣泛應(yīng)用，如何提高側(cè)吹爐對不同種類熔煉物料的適應(yīng)性是設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮的問題，并且在側(cè)吹爐結(jié)構(gòu)、節(jié)能方面做進(jìn)一步研究。

[1] 《有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊》編委會(huì).有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

[2] 任鴻九等.有色金屬熔池熔煉[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[3] 《鉛鋅冶金學(xué)》編委會(huì). 鉛鋅冶金學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

歡迎訂閱2015年《中國有色冶金》

《中國有色冶金》國內(nèi)外公開發(fā)行，國際刊號(hào)：ISSN1672-6103，國內(nèi)刊號(hào)：CN11-5066/TF。大16開，雙月刊，常年辦理征訂業(yè)務(wù)，每期18元/份，全年108元/份(含郵費(fèi))。

訂購辦法：

(一)郵局直接匯款。地址：北京市復(fù)興路12號(hào)(郵編：100038) 單位：中國有色工程有限公司期刊雜志部 收款人：《中國有色冶金》編輯部

(二)銀行匯款。 開戶名：中國有色工程有限公司 開戶行：建行金安支行 帳號(hào)：11001029200056000502

咨詢電話：63936351

Discussion on design optimization of side blowing furnace

LI Yang, BAI Hua

The application of side blown furnace in China’s nonferrous smelting industry is increasing. This paper introduced the structure of side blown furnace, and the design of the hearth, copper water jacket, the tuyere in detail. The optimization design of side blown furnace was discussed.

side blowing furnace; optimization design; hearth; tuyere

李 陽(1964—)，女，湖南人，副教授，主要從事教學(xué)及課題項(xiàng)目的研發(fā)工作。

2014-- 08-- 27

2015-- 03-- 31

TF806.02

B

1672-- 6103(2015)04-- 0034-- 03