提高銅熔煉底吹爐壽命的探討

高紅霞

(中條山有色金屬集團(tuán)有限公司垣曲冶煉廠， 山西 垣曲 043700)

富氧底吹熔煉是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熔池熔煉技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外銅冶煉的生產(chǎn)實(shí)踐中取得了成功應(yīng)用。該熔煉技術(shù)具有熔化速度快，對(duì)爐料適應(yīng)性強(qiáng)，熔煉過程可以達(dá)到少加或不添加任何熔劑和燃料，基本實(shí)現(xiàn)完全自熱熔煉。熔煉過程能耗較低，自動(dòng)化程度高，操作方便，SO2濃度高，有利于制酸，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件好。主要設(shè)備是富氧底吹熔煉爐，北方銅業(yè)垣曲冶煉廠2014年技改新建一座φ4.8×20 m的富氧底吹熔煉爐，年處理精礦量50萬t。爐壽命是衡量底吹爐生產(chǎn)水平的重要指標(biāo)，一直受到各生產(chǎn)廠家的重點(diǎn)關(guān)注，通過4年的生產(chǎn)實(shí)踐，確定了影響底吹爐壽命的關(guān)鍵因素，摸索了一些提高爐壽命的措施，與大家共同探討。

1 底吹爐基本情況

1.1 底吹爐結(jié)構(gòu)

富氧底吹熔煉爐是一座可以轉(zhuǎn)動(dòng)的臥式圓筒形爐子，通過熔池下部的噴槍將富氧空氣吹入熔池，使熔池處于強(qiáng)烈的攪拌狀態(tài)。爐料從爐子頂部加入到熔池表面，被迅速卷入攪拌的熔體中，形成良好的傳熱和傳質(zhì)條件，氧化反應(yīng)釋放出大量的熱量，使?fàn)t料很快熔化，生成銅锍和爐渣。銅锍由側(cè)墻放锍口放出送轉(zhuǎn)爐吹煉，渣從端墻渣口放出。煙氣由上部的排煙口排出，進(jìn)入余熱鍋爐經(jīng)降溫除塵后送硫酸車間制酸。

底吹爐主要由爐體、傳動(dòng)部分、托輪裝置、氧槍、各部水冷水套等組成。爐體包括爐殼、爐襯、進(jìn)料口、煙氣出口、氧槍口、燒嘴口、渣口、冰銅口等。爐殼采用厚度為70 mm材質(zhì)為Q345R鋼板焊接而成，底吹爐爐襯采用380 mm厚的優(yōu)質(zhì)鎂鉻磚砌筑，在銅锍口、渣口以及煙氣出口處等易損壞部位設(shè)置水套保護(hù)，保證其使用壽命。氧槍口區(qū)的磚體結(jié)構(gòu)是特殊設(shè)計(jì)的，磚的材質(zhì)和性能更好，可以延長(zhǎng)氧槍壽命和槍口區(qū)磚體的壽命。底吹爐爐體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

氧槍是底吹熔煉爐至關(guān)重要的部件。根據(jù)底吹爐處理能力，一般設(shè)置一定數(shù)量的氧槍，氧槍的基本結(jié)構(gòu)為雙層套管，內(nèi)管向爐內(nèi)輸送氧氣，外管通壓縮空氣，主要用以冷卻保護(hù)氧槍。氧槍的噴槍管是自耗式的，當(dāng)氧槍的前段腐蝕、燒損到一定長(zhǎng)度就必須更換噴槍管。

底吹熔煉爐是一種強(qiáng)化冶煉設(shè)備，爐體受高溫熔體與氣流的機(jī)械沖刷和化學(xué)侵蝕，工作條件惡劣，合理地采用水冷技術(shù)是保證底吹爐壽命致關(guān)重要的因素。在銅锍口、渣口、加料口以及煙氣出口處采用銅水套冷卻，保護(hù)該部位減少銅锍、熔煉渣和煙氣對(duì)耐火磚的沖刷，延長(zhǎng)耐火材料的使用壽命。

圖1 底吹爐結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 底吹爐壽命的現(xiàn)狀

底吹爐壽命是衡量熔煉爐生產(chǎn)水平的重要指標(biāo)，雖然在設(shè)計(jì)時(shí)采用了較多保護(hù)耐火材料的措施，但由于富氧底吹爐屬于強(qiáng)化冶煉設(shè)備，富氧濃度70%～75%，熔煉溫度在1 150～1 250 ℃之間，氧槍中氧氣和空氣壓力為0.4～0.7 MPa,爐內(nèi)熔體在壓縮氣流的攪動(dòng)下,爐體受高溫熔體與氣流的機(jī)械沖刷和化學(xué)侵蝕，工作條件惡劣。

根據(jù)目前各使用銅底吹爐廠家壽命，一般1～1.5年進(jìn)行一次停爐挖修，3～5年一次大修。垣曲冶煉廠從2014年2月份投產(chǎn)以來，底吹爐使用周期分別為14個(gè)月、11個(gè)月、10個(gè)月(大修)。對(duì)每次挖修爐磚的使用情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，爐襯各處損壞的嚴(yán)重程度不同，爐襯損壞最嚴(yán)重的部位是氧槍區(qū)和渣線區(qū)，其次是出煙口、渣口、加料口以及放銅口，爐頂和爐端墻損壞較輕。

表1 底吹爐各部位耐火磚厚度的使用情況統(tǒng)計(jì)表 mm

2 影響爐壽命的因素

2.1 機(jī)械力的作用

主要是指高溫熔體對(duì)爐襯的沖刷磨損和清理更換氧槍不當(dāng)對(duì)爐襯所造成的損壞。

氧氣底吹熔煉熔池的運(yùn)動(dòng)是由氧槍噴入氧氣和其他氣體的結(jié)果。當(dāng)氣體射流由氧槍噴出后，沿射流的縱軸向熔池面伸展，氣體到達(dá)熔池面時(shí)便逸出，熔池則再向下流動(dòng)形成回流，形成熔池熔液不斷循環(huán)流動(dòng)。氣泡膨脹、上升過程和流體環(huán)流對(duì)爐壁造成的沖刷，使?fàn)t襯遭到損壞。這些情況與氧氣和空氣進(jìn)入熔體的壓力有關(guān)，氣體壓力越大，這種機(jī)械力的作用對(duì)渣線區(qū)和氧槍區(qū)耐火材料的沖刷更明顯。

底吹熔煉生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，氧槍與氧槍磚相互依存，互為保護(hù)。在氧氣通道的外圍高速流過隋性氣體或空氣，不僅能強(qiáng)化冷卻氧槍，而且在流出氧槍口之后，在氧氣外圍有一層隋性氣體或空氣遮護(hù)，阻隔氧氣和熔液直接接觸，從而對(duì)氧槍起保護(hù)作用，使之蝕損緩慢，延長(zhǎng)使用壽命。用于煉銅的氧槍，操作條件合適時(shí)，熔煉過程中在氧槍出口周圍生成結(jié)瘤，習(xí)慣上稱為“蘑菇頭”，蘑菇頭使氧槍端頭及其四周耐火磚與熔液隔開，更有效地保護(hù)了氧槍及其四周耐火磚，大大延長(zhǎng)了氧槍和氧槍磚的使用壽命。如果氧槍噴出氣體的壓力和槍結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的“氣泡后座”現(xiàn)象，氣泡敲打和沖擊爐底，成為損壞爐底的重要原因。嚴(yán)重的噴濺，造成熔池振蕩現(xiàn)象，甚至氣流射穿熔池，嚴(yán)重?fù)p壞渣線區(qū)的耐火材料。

2.2 熱應(yīng)力的作用

(1)溫度變化。底吹爐正常作業(yè)一般運(yùn)行3～5天，需要轉(zhuǎn)爐清理氧槍和其他附屬設(shè)施，或故障轉(zhuǎn)爐停風(fēng)，在供風(fēng)和停風(fēng)時(shí)爐內(nèi)溫度變化較大，從而引起耐火材料掉片和剝落。由于溫度的劇烈變化，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。耐火材料尤其是含Cr2O3高的耐火材料，抗熱振性較差，會(huì)造成被熔體浸入的耐火磚前部100 mm左右爆裂或斷磚現(xiàn)象。由于底吹爐不是每年大修，在局部挖修時(shí)，對(duì)于底吹爐降溫，需要緩慢自然冷卻，如果采用吹風(fēng)強(qiáng)制冷卻，影響下一個(gè)周期的爐壽命。

(2)銅锍品位。硫化亞鐵造渣反應(yīng)是放熱反應(yīng)，保證熔煉反應(yīng)需要的熱量，硫化亞鐵造渣化學(xué)反應(yīng)是：

當(dāng)提高銅锍品位時(shí)，會(huì)造成熔體溫度升高，熔體溫度越高，機(jī)械力、熱應(yīng)力和化學(xué)侵蝕三種力作用對(duì)爐襯的損害越嚴(yán)重。

“老大爺您好！”楊力生向老人家問候了一聲。老人點(diǎn)頭向他還禮：“嗯，你好?！闭f著，讓他坐在辦公桌前的凳子上，老人給他倒上了一杯水，然后自己也坐好，便問：“小伙子來找我有什么事？”

從生產(chǎn)實(shí)踐也可以得到驗(yàn)證，底吹爐在第一個(gè)生產(chǎn)周期，銅锍品位58%左右，爐壽命達(dá)到14個(gè)月，2015年6月調(diào)整底吹爐銅锍品位為70%，后兩個(gè)生產(chǎn)周期的爐壽命大幅降低，尤其是渣線區(qū)和氧槍區(qū)的耐火磚沖刷腐蝕比較明顯。當(dāng)銅锍品位高于75%時(shí)，渣線區(qū)的耐火材料腐蝕加劇，兩家同類企業(yè)底吹爐就出現(xiàn)了渣線區(qū)跑銅的事故，分析主要原因就是銅锍品位控制過高。當(dāng)銅锍品位達(dá)到78%以上時(shí)，有金屬銅生成，在清理氧槍時(shí)可以發(fā)現(xiàn)明銅。金屬銅粘度很小，能順著耐火磚的氣孔滲透到磚體內(nèi)部，使方鎂石晶體、鉻礦晶粒間的距離增大，從而使耐火磚結(jié)構(gòu)疏松，加劇耐火材料的燒損。

2.3 化學(xué)侵蝕

化學(xué)侵蝕主要是爐渣熔體的侵蝕。富氧底吹爐熔煉產(chǎn)出的爐渣為二元渣型，即硅鐵渣，主要成分為鐵橄欖石(2FeO.SiO2)，它對(duì)耐火磚中的方鎂石和鉻礦侵蝕嚴(yán)重，它不僅從耐火磚的顆粒表面進(jìn)行溶解，而且鐵的氧化物能使方鎂石和鉻鐵礦晶粒飽和，并能形成固熔體，造成Mg—Cr磚的化學(xué)破損，大幅度地降低了耐火材料性能。溫度愈高，MgO在爐渣中溶解度愈大。在同一溫度下，渣中SiO2含量增大，MgO在渣中的溶解度總的趨勢(shì)是升高的，這說明高溫下含SiO2高的爐渣對(duì)鎂質(zhì)耐火材料侵蝕嚴(yán)重。因此，生產(chǎn)中嚴(yán)格控制爐溫和熔煉渣的Fe/SiO2。

2.4 其他影響因素

銅锍口、渣口、加料口以及煙氣出口處采用銅水套，保護(hù)該部位耐火磚的沖刷，但是當(dāng)水套結(jié)構(gòu)不合理，在銅锍、熔煉渣、入爐物料和高溫?zé)煔獾臎_刷磨損下，水套出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，造成局部耐火磚損壞，從而影響整爐壽命。2015年和2016年出現(xiàn)出煙口水套漏水，水套停水后，在高溫?zé)煔獾臎_刷下，煙口水套和爐口底座短時(shí)間內(nèi)均被燒損，爐口磚缺少了水套的保護(hù)，徑向爐口磚出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，影響正常生產(chǎn)。

3 提高爐壽命的措施

3.1 提高耐火磚、砌爐和烤爐質(zhì)量，制定氧槍磚更換制度

3.1.1 提高耐火磚質(zhì)量

在渣線和氧槍容易損壞的部位砌優(yōu)質(zhì)鎂鉻磚有較好的抗損壞效果。耐火材料的選擇有以下要求：耐火度高，高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，熱穩(wěn)定性好，抗渣能力強(qiáng)，高溫體積穩(wěn)定，外形尺寸規(guī)整、公差小。目前市場(chǎng)上優(yōu)質(zhì)的鎂鉻質(zhì)耐火材料能滿足以上要求。

3.1.2 提高耐火磚、砌爐和烤爐質(zhì)量

底吹爐砌爐要求采用專業(yè)砌筑隊(duì)伍，嚴(yán)格按照要求對(duì)于前后相鄰磚和上下相鄰磚層的磚縫應(yīng)交錯(cuò)，并放置膨脹紙消除耐火材料升溫膨脹裕量。氧槍磚熱換挖補(bǔ)時(shí)，要保護(hù)好圍磚，避免因拆除氧槍磚而損壞到圍磚。

3.1.3 制定氧槍磚更換制度

氧槍區(qū)和渣線區(qū)耐火磚的壽命就是爐壽命，氧槍磚可以定期挖補(bǔ)熱換，起到保護(hù)氧槍區(qū)耐火磚的壽命。建立氧槍磚測(cè)厚臺(tái)帳，定期測(cè)量氧槍磚厚度，當(dāng)氧槍磚長(zhǎng)度小于320 mm時(shí)，及時(shí)熱換氧槍磚。定期更換渣口磚。

3.2 嚴(yán)格控制工藝條件

穩(wěn)定銅锍品位在70%～73%，控制渣型Fe/SiO2在1.6～2.0之間。當(dāng)發(fā)現(xiàn)銅锍品位超過74%，及時(shí)調(diào)節(jié)配料和工藝參數(shù)，在4 h內(nèi)將品位降下來。穩(wěn)定銅锍品位，重點(diǎn)加強(qiáng)自產(chǎn)精礦、各種外購精礦和渣精礦的配比，建立配比函數(shù)關(guān)系，穩(wěn)定入爐精礦的S/Cu。建立入爐物料配料的函數(shù)模型，確保生產(chǎn)的銅锍品位穩(wěn)定，排渣順暢。

控制銅锍溫度在1 150～1 170 ℃，渣溫在1 150～1 160 ℃，采用紅外線測(cè)量?jī)x測(cè)量，每天用熱電偶校檢一次，當(dāng)溫度高時(shí)，通過調(diào)整氧料比，分批加入冷料；當(dāng)熔體溫度偏低時(shí)，排渣困難，需要及時(shí)調(diào)高氧料比，適當(dāng)增加粉煤的用量，控制冷料的加入量。

3.3 改進(jìn)優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)

(1)適當(dāng)增大氧槍通風(fēng)面積，減少氧槍數(shù)量。目前底吹爐氧槍使用型號(hào)有φ55、φ60和φ70，根據(jù)底吹爐處理能力，將φ55氧槍更改為φ60，減小氧槍

的風(fēng)壓和氧壓；將12支減少為10支， 2支可以作為備用，同時(shí)加強(qiáng)氧槍質(zhì)量管理，嚴(yán)格按照技術(shù)要求驗(yàn)收氧槍。

(2)對(duì)爐口水套更改為銅鋼復(fù)合材質(zhì)，延長(zhǎng)爐口水套使用壽命。

(3)加強(qiáng)直升煙道和余熱鍋爐堵漏，為電收塵創(chuàng)造條件，減少底吹爐轉(zhuǎn)爐次數(shù)，提高底吹爐作業(yè)率，避免因電收塵問題影響底吹爐使用周期。

3.4 嚴(yán)格生產(chǎn)操作措施

(1)根據(jù)氧槍進(jìn)風(fēng)量和壓力，定期將底吹爐轉(zhuǎn)出檢查清理氧槍，及時(shí)更換槍芯，適時(shí)將槍皮適度打入，保護(hù)氧槍磚不被燒損。

(2)建立底吹爐爐體各測(cè)溫點(diǎn)監(jiān)測(cè)臺(tái)帳，發(fā)生測(cè)點(diǎn)溫度異常，及時(shí)分析排查原因，防止出現(xiàn)意外燒損情況。

(3)保證余熱鍋爐出口負(fù)壓運(yùn)行，減少爐口結(jié)焦；清爐口結(jié)焦用BROOK時(shí)，防止損傷爐口水套。

(4)燒銅口作業(yè)時(shí)，專人監(jiān)護(hù)，防止燒損銅口大水套。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中影響底吹爐壽命因素進(jìn)行分析，確定了提高爐壽命的措施，生產(chǎn)中嚴(yán)格底吹爐作業(yè)和檢查制度，控制合理的銅锍品位、熔煉渣型、熔體溫度等工藝參數(shù)，制定氧槍磚檢查和更換制度，保證爐體附件水套和氧槍質(zhì)量，提高重要部位耐火材料質(zhì)量和砌磚技術(shù)，并嚴(yán)格烤爐制度，從而達(dá)到提高爐壽命的目的。

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