鋅粉礦熱電爐爐頂結(jié)構(gòu)的分析及改進(jìn)措施

林志富

（巴彥淖爾紫金有色金屬有限公司，內(nèi)蒙古巴彥淖爾015543）

鋅粉礦熱電爐爐頂結(jié)構(gòu)的分析及改進(jìn)措施

林志富

（巴彥淖爾紫金有色金屬有限公司，內(nèi)蒙古巴彥淖爾015543）

分析了鋅粉礦熱電爐爐頂結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)運(yùn)行中局部變形的主要原因，并提出改進(jìn)措施，實(shí)施后對(duì)礦熱電爐的安全生產(chǎn)操作起到重要的作用。對(duì)爐頂改進(jìn)前后的散熱損失進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，為計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益提供了科學(xué)依據(jù)。

爐頂結(jié)構(gòu)；氯；焙砂；傳熱

巴彥淖爾紫金有色金屬公司共有3臺(tái)2 000 kWA電爐，年產(chǎn)鋅粉7 500～8 200 t；生產(chǎn)的鋅粉做電解煉鋅置換劑。該爐正常運(yùn)行8～9個(gè)月就需停爐檢修渣線(xiàn)磚、爐身磚、爐頂磚。爐頂結(jié)構(gòu)是礦熱電爐的重要部位，見(jiàn)圖1。

圖1 改造前后爐頂結(jié)構(gòu)圖

爐頂上設(shè)有電極孔3個(gè)、測(cè)溫孔1個(gè)，壓力孔1個(gè)、探渣孔1個(gè)、加料孔1個(gè)。爐頂上設(shè)置這么多孔洞，給爐頂磚設(shè)計(jì)增加相當(dāng)大的難度。

從2007年試生產(chǎn)至2010年?duì)t頂磚是耐火材料廠給選擇的磚型，磚型尺寸根本不是按照冶金爐規(guī)范要求設(shè)計(jì)的；砌筑時(shí)無(wú)法達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，用灰口厚度調(diào)節(jié)圓度。爐頂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差，生產(chǎn)運(yùn)行1個(gè)月?tīng)t頂磚就逐步變形。造成石墨電極操作上下不暢通。針對(duì)爐頂磚在生產(chǎn)運(yùn)行中存在的問(wèn)題，2010年將爐頂磚型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)后的爐頂所有孔洞滿(mǎn)足工藝操作要求；每塊磚砌筑的灰口縫厚度≤2 mm，達(dá)到削球體砌筑的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。砌筑灰漿采用磷酸石墨灰漿，結(jié)合力好，600℃達(dá)到陶瓷結(jié)合，爐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到提高。

爐頂采用高鋁異型磚，理化指標(biāo)達(dá)到國(guó)標(biāo)GB2988中的LZ-75。爐頂厚度350 mm，爐頂1～3環(huán)處搗制70 mm厚低水泥澆注料，以防爐內(nèi)煙氣從此處溢出（見(jiàn)圖1）。其他位置沒(méi)有任何保溫層，散熱損失極大，電耗增多。設(shè)保溫層工藝認(rèn)為夾層有液體鋅生成，會(huì)有電弧產(chǎn)生，對(duì)爐頂探渣操作有安全隱患。目前爐頂更換4～5月就有局部變形的現(xiàn)象。爐頂局部向上位移100～150 mm，爐頂結(jié)構(gòu)變形，爐頂磚疏松，給生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。三臺(tái)礦熱電爐因爐頂變形造成非計(jì)劃停爐每年都有1～2次。所以分析好爐頂變形的原因?qū)μ岣叩V熱電爐的運(yùn)轉(zhuǎn)率、降低噸鋅電耗、安全生產(chǎn)操作具有重要意義。

1 爐頂變形的原因分析

1.1 外購(gòu)材料腐蝕豎罐

從2014年開(kāi)始，鋅粉礦熱電爐均采用外購(gòu)焙砂做原料。外購(gòu)焙砂用氧化鋅塵制粒，經(jīng)回轉(zhuǎn)窯焙燒形成的焙砂。經(jīng)公司檢測(cè)中心元素分析含氟0.31%～0.08%；氯0.34%～0.3%；如配入鋅浮渣含氟、氯在4%～5%；兩種元素皆與爐頂磚中的SiO2在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。SiO2和原料中的碳粉在高溫下反應(yīng)生成粗硅[1]：

SiO2+2C=Si（粗）+2CO

粗硅和氯氣在高溫條件下反應(yīng)生成氯化硅

Si（粗）+Cl2=SiCl2

氣態(tài)氟化氫與二氧化硅在高溫條件下反應(yīng)生成四氟化硅

4HF+SiO2=SiF4+2H2O

氟、氯兩種元素在高溫下對(duì)所有耐火材料都有強(qiáng)烈的腐蝕作用，國(guó)內(nèi)煉鋅廠都有這樣的經(jīng)歷。

（1）葫蘆島鋅廠浸出渣通過(guò)揮發(fā)窯焙燒富集氧化鋅塵含氟0.38%～0.74%；氯0.052%～0.076%送到制團(tuán)加入豎罐煉鋅中的罐內(nèi)，引發(fā)罐體局部變薄，運(yùn)轉(zhuǎn)不到半年中修。上延部114 mm厚粘土磚65 mm厚冷凝器蓋板，傾斜部蓋板不足1個(gè)月頻繁更換。造成生產(chǎn)非常被動(dòng)，經(jīng)濟(jì)損失超千萬(wàn)。

（2）陜西東嶺豎罐煉鋅廠也出現(xiàn)過(guò)以上現(xiàn)象。

（3）云南昆明萬(wàn)通公司豎罐煉鋅從伊朗買(mǎi)焙砂加入罐內(nèi)，一個(gè)月豎罐大面積腐蝕。中修周期由18個(gè)月降到2個(gè)月。生產(chǎn)半年損失3 000多萬(wàn)元。

1.2 爐頂鋼結(jié)構(gòu)旋腳梁受熱變形

鋅粉礦熱電爐從2007年2月試運(yùn)行至今9年，爐頂鋼結(jié)構(gòu)旋腳梁受爐內(nèi)高溫氣體的影響已不在同一水平面上，最大水平誤差40～50 mm，這樣會(huì)給砌筑后的爐頂磚造成受力不均。

1.3爐頂設(shè)置工藝孔影響爐頂強(qiáng)度

工藝要求設(shè)置7個(gè)孔洞，對(duì)爐頂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有一定的影響，爐頂散熱損失最少提高20%。

1.4 爐內(nèi)壓力增加易造成重大生產(chǎn)事故

生產(chǎn)過(guò)程中爐內(nèi)氣體為正壓，應(yīng)控制在50～400 Pa。因加料不均，鋅浮渣加入量過(guò)多，爐內(nèi)產(chǎn)生泡沫渣，喉口不暢通等都會(huì)使?fàn)t內(nèi)壓力瞬間超過(guò)控制指標(biāo)，達(dá)到2 000 Pa以上，也就是0.02 kg/cm2，1 m2面積的爐頂從爐內(nèi)向上給力200 kgf；尤其對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行7～9月的爐頂，厚度在120～160 mm，從爐內(nèi)向上給力（沖爐）很容易使?fàn)t頂局部變形，爐頂變形后爐頂磚松動(dòng)，爐頂整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱，很容易塌落，造成重大生產(chǎn)事故。

2 爐頂結(jié)構(gòu)局部變形的解決措施

（1）爐頂檢修時(shí)，對(duì)基礎(chǔ)條件盡最大努力向標(biāo)準(zhǔn)靠攏；旋腳梁要調(diào)平，底部托板變形嚴(yán)重應(yīng)更換。

（2）爐頂異型磚設(shè)計(jì)的幾何尺寸要精確、合理、便于砌筑。爐頂磚砌筑要求非常嚴(yán)格，從爐頂中心線(xiàn)的確定，至拱高尺寸的放置，電極孔磚位置的擺放，拱胎制作安裝都具有一定的專(zhuān)業(yè)技術(shù)含量。爐頂磚砌筑灰口縫厚度要求不大于1.5～2 mm，并要求灰漿飽滿(mǎn)不允許有蜂窩孔洞。砌筑前要預(yù)安裝15～20塊；鎖磚時(shí)要用大錘敲入。所以爐頂磚的砌筑質(zhì)量?jī)?yōu)劣對(duì)爐頂變形起重要作用。

（3）爐頂局部變形與工藝操作有十分密切的關(guān)系。操作時(shí)應(yīng)均勻的配料、加料；杜絕往爐內(nèi)加鋅浮渣。在爐體運(yùn)行4個(gè)月后，爐頂磚厚度250 mm。操作重點(diǎn)應(yīng)放在喉口清掃中，讓喉口暢通無(wú)阻。截面直徑不能小于Φ500 mm，減少?zèng)_爐的機(jī)率。在爐頂磚腐蝕變薄的情況下才能安全運(yùn)行。

（4）生產(chǎn)四個(gè)月后，爐內(nèi)渣線(xiàn)磚厚度在15～20 mm，這時(shí)只能掛渣生產(chǎn)。渣線(xiàn)磚附近溫度在1 200℃[2]低于還原反應(yīng)區(qū)溫度1 350～1 450℃；當(dāng)爐料加到爐內(nèi)因渣線(xiàn)磚附近溫度低引發(fā)爐料堆積，使?fàn)t內(nèi)體積縮小，促使?fàn)t內(nèi)氣體壓力增大，導(dǎo)致沖爐。另外爐頂控制溫度應(yīng)遵循設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的操作溫度1 100～1 180℃；2014年?duì)t頂操作溫度改為1 200～1 250℃；氣體體積增大，爐內(nèi)壓力增加，對(duì)爐頂局部變形起推動(dòng)作用和不良影響。所以發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)堆料應(yīng)積極組織操作人員及時(shí)處理，爐頂操作溫度不能隨意更改。

（5）增加爐頂磚厚度是解決爐頂局部變形，減少爐頂散熱損失。降低噸鋅電耗的最佳措施見(jiàn)表1，選擇兩種爐頂磚厚度在生產(chǎn)運(yùn)行周期中腐蝕速度0.78 mm/d為標(biāo)準(zhǔn)爐頂磚厚度變化情況：

繼續(xù)使用目前的外購(gòu)焙砂只能將爐頂磚加厚70 mm，也就是爐頂磚厚度從350 mm改為420 mm；這樣爐頂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高20%；從表1可以看出，當(dāng)爐頂磚腐蝕速度0.78 mm/d；420 mm厚的爐頂磚生產(chǎn)運(yùn)行7個(gè)月時(shí)爐頂結(jié)構(gòu)才開(kāi)始逐步變形，帶病生產(chǎn)1～2個(gè)月，改進(jìn)前帶病生產(chǎn)4～5個(gè)月，對(duì)安全生產(chǎn)十分不利。

表1 改進(jìn)前后爐頂磚厚度變化情況（mm）

（6）改進(jìn)前爐頂磚厚度350 mm，計(jì)算爐頂散熱損失：

鋅粉礦熱電爐操作條件：

1）煙氣溫度：1 100～1 180℃

2）煙氣出口溫度：940～960℃

3）根據(jù)操作條件確定爐膛溫度：

式中：t—爐膛的平均溫度，℃

t1—煙氣的平均溫度，℃

t2—煙氣出口平均溫度，℃

4）根據(jù)爐膛的平均溫度確定爐頂內(nèi)壁溫度t1= 1 000℃

鋅粉礦熱電爐爐頂散熱損失計(jì)算：

溫度分布：

根據(jù)圖2溫度場(chǎng)分布確定爐頂內(nèi)壁溫度t1= 1 000℃；

空氣溫度t3=60℃（實(shí)測(cè)）；設(shè)爐頂表面溫度t2= 360℃

導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算：

高鋁磚導(dǎo)熱系數(shù)λ

綜合傳熱系數(shù)計(jì)算[3-4]：

（1）α對(duì)=5.3+3.6W60=5.3+3.6×2=12.5×4.187 kJ/

圖2 溫度場(chǎng)分布示意圖

式中：α對(duì)—空氣對(duì)流給熱系數(shù)，kJ/（m2·h·℃）

W60—60℃時(shí)空氣的流速，m/s

α輻—輻射傳熱系數(shù)，kJ/（m2·h·℃）

ε—爐頂外表面黑度，在流動(dòng)的空氣中，流速W60=2 m/s時(shí)，ε=0.227

T外—爐頂外表的絕對(duì)溫度，K

T空—流動(dòng)空氣的絕對(duì)溫度，K

α—綜合傳熱系數(shù)，kJ/（m2·h·℃）

爐體熱流量計(jì)算：

其中，Q表示爐頂傳熱的熱流量，kJ/（m2·h）。

驗(yàn)算爐頂外表面溫度：

t2=t3+Q=60+5 310×0.056=357℃

計(jì)算出的爐頂外表面溫度與假設(shè)相等。利用同樣的方法計(jì)算出420 mm厚爐頂熱流量（計(jì)算過(guò)程略）及主要計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 改進(jìn)前后主要計(jì)算數(shù)據(jù)變化情況

3 爐頂散熱面積計(jì)算

S=2πRh=2×3.14×5.178×0.694=22.567 m2

4 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

（1）當(dāng)爐頂高鋁異型磚350 mm時(shí)散熱量

Q1=α（t2-t3）=17.969×（360-60）=5 391×4.18 kJ/（m2·h）

（2）當(dāng)爐頂高鋁異形磚420 mm時(shí)散熱量

Q2=α（t2-t3）=16.48×（320-40）=4 614×4.18 kJ/（m2·h）

式中：空氣溫度t3=40℃（實(shí)測(cè)）。

（3）爐頂磚增加70 mm散熱損失減少量

Q=S（Q1-Q2）=22.567×（5 391-4 614）×4.18 kJ/（m2·h）=17 534×4.18 kJ/h

隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增長(zhǎng)，爐頂磚逐步變薄，熱阻越來(lái)越小，熱量損失隨之提高。另外爐頂操作孔洞多，密封結(jié)構(gòu)差，爐內(nèi)煙氣正壓運(yùn)行，熱量損失至少要超出計(jì)算的30%，則：

Q=1.3×17 534×4.18=22 974×4.18 kJ/h

（4）經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算

按每年3臺(tái)爐計(jì)算；設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率82%（計(jì)300天）；1 kW·h=3 595 kJ；電費(fèi)單價(jià)按0.48元/kW·h計(jì)，則可知經(jīng)濟(jì)效益A值為：

5 結(jié)語(yǔ)

鋅粉礦熱電爐爐頂運(yùn)行3～4個(gè)月局部變形，造成爐頂磚松動(dòng)，350 mm的爐頂磚因煙氣腐蝕厚度減到250 mm，腐蝕速度0.78 mm/d，爐頂減薄后，爐頂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，是引發(fā)爐頂局部變形的主要原因，給生產(chǎn)操作帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。采取了在入爐焙砂條件不變的情況下，增加爐頂磚厚度是解決爐頂局部變形、減少爐頂散熱損失的最佳措施。同時(shí)也改善爐頂探渣時(shí)的操作環(huán)境，降低噸鋅電耗。3臺(tái)電爐年創(chuàng)效益27萬(wàn)元。

[1]王立元.淺析鋅粉礦熱電爐生產(chǎn)中的幾個(gè)問(wèn)題[J].工業(yè)爐,2009,31（2）：22-24.

[2]王振嶺.電爐煉鋅[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2006.

[3]何英介.工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1984.

[4]有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2007.

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Analysis and Improvement Measures of Roof Structure in Zinc Powder Ore Heat Furnace

LIN Zhifu
（Bayannaoer Zijin Non-Ferrous Metal Co.,Ltd,Bayannaoer 015543,China）

The main causes of roof structure local deformation in the production of zinc powder ore heatfurnace are analyzed,and the improvement measures are putforward.The implementation plays an important role for safety production ofarc furnace.At the same time,the roof heat loss before and after improvementis calculated in detail,which provide scientific basis for calculating the economic benefit.

roofstructure;chlorine;calcine;heattransfer

TF806.7

B

1001-6988（2016）06-0049-04

2016-07-29

林志富（1984—），男，工程師，長(zhǎng)期從事有色金屬冶煉工藝、設(shè)備管理相關(guān)工作.