富氧側(cè)吹還原爐非正常停爐原因分析及對策

趙 律， 朱 軍， 王正民， 郭立慶， 張 磊

(1.漢中鋅業(yè)有限責(zé)任公司， 陜西 勉縣 724204； 2.西安建筑科技大學(xué)， 陜西 西安 710000)

0 前言

某公司原有一套年產(chǎn)8萬t粗鉛的氧氣底吹焙煉—鼓風(fēng)爐還原煉鉛生產(chǎn)線[1]，現(xiàn)改為氧氣底吹爐+富氧側(cè)吹還原爐+煙化爐的“三連爐”生產(chǎn)工藝。氧氣底吹爐成為處理鉛精礦、含鉛雜料及鋅浸出鉛銀渣混合料的“脫硫熔化爐”，不再產(chǎn)粗鉛，產(chǎn)生的熱態(tài)高鉛渣經(jīng)溜槽送入富氧側(cè)吹還原爐(以下簡稱“側(cè)吹爐”)產(chǎn)鉛[2]。側(cè)吹爐產(chǎn)出的熱渣，經(jīng)吊包送入煙化爐揮發(fā)回收Zn、Pb等有價金屬，終渣水淬后送水泥廠作添加劑，形成了一條具有鉛鋅互補(bǔ)行業(yè)特色的綠色冶煉工藝。

該公司側(cè)吹爐與河南濟(jì)源萬洋公司[3]和湖南水口山八廠[4]一樣，均采用“中聯(lián)爐”設(shè)計(jì)方案[5]，但因底吹爐初始配料結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)出的高鉛渣渣型及熔煉溫度區(qū)間有所區(qū)別。建成投產(chǎn)以來，共發(fā)生多次非正常停爐，經(jīng)組織技術(shù)人員攻關(guān)，有針對性地實(shí)施了多項(xiàng)設(shè)計(jì)改進(jìn)和操作優(yōu)化。自2018年1月底大修后開爐至今，生產(chǎn)運(yùn)行良好，爐況穩(wěn)定，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)步明顯，取得了良好的生產(chǎn)效益。

1 側(cè)吹爐概況

側(cè)吹爐爐體分為爐缸和爐身兩個部分，爐缸為鋼殼內(nèi)襯鋁鉻磚、鎂鉻磚及鎂鉻澆注料層鑄型，爐缸上部爐身依次為平板鋼水套、一層風(fēng)口銅水套、二層銅水套、三層鋼水套、四層鋼水套及收口頂板銅水套，再往上為串聚鋼結(jié)構(gòu)托直升煙道水冷壁四面，后接余熱鍋爐、表冷收塵、布袋收塵，煙氣進(jìn)脫硫工序處理后排空。側(cè)吹爐結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[6]。

圖1 側(cè)吹爐結(jié)構(gòu)示意圖

側(cè)吹爐熔煉目的是將底吹爐產(chǎn)出的熱態(tài)高鉛渣中鉛的氧化物還原成金屬鉛，并且使鋅盡可能保留在爐渣中以提高熔煉綜合效益。其基本原理：側(cè)吹爐屬于強(qiáng)化熔池熔煉，熱態(tài)高鉛渣經(jīng)進(jìn)渣溜槽進(jìn)入側(cè)吹爐，電子秤計(jì)量的煤粒和石灰石從側(cè)吹爐頂部料口加入，富氧空氣則從兩側(cè)風(fēng)口吹入引起熔體攪動，與加入的煤粒發(fā)生交替的氧化及還原反應(yīng)，釋放出大量熱能使還原反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行下去，生成的鉛滴聚集于爐缸下層經(jīng)出鉛虹吸道虹吸放出。

煤燃燒為側(cè)吹爐進(jìn)行的還原過程補(bǔ)充了必要的熱能。這必要的熱能用于將底吹爐所產(chǎn)熱態(tài)高鉛渣從1 050 ℃提高到1 300 ℃，補(bǔ)償側(cè)吹爐發(fā)生的各項(xiàng)熱損失，煤的另一作用是起還原劑的作用。

爐內(nèi)主要反應(yīng)如下[7]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

同時，高鉛渣等入爐物料中含有的其它高價態(tài)雜質(zhì)金屬(如鐵、鋅、銻、砷、等)的氧化物也進(jìn)行不同程度的還原。爐內(nèi)氧化- 還原氣氛通過調(diào)節(jié)一二次鼓風(fēng)量、富氧量和粒煤量等參數(shù)控制氧碳比來實(shí)現(xiàn)。利用CaO與SiO2結(jié)合能力遠(yuǎn)大于PbO的特點(diǎn)，同步加入石灰石粒，用于降低渣鉛指標(biāo)和調(diào)整爐渣Fe-C aO- SiO2渣型。

2 非正常停爐原因分析

由于側(cè)吹爐爐缸結(jié)構(gòu)的特殊性，僅能進(jìn)行數(shù)小時的短期計(jì)劃性熱停爐，超過>3.5 h會打不開風(fēng)口，伴隨渣層凍結(jié)“死爐”。該爐自建成投產(chǎn)以來，因各種原因造成多次非計(jì)劃性停爐?？偨Y(jié)分析歷次停爐的原因有爐缸結(jié)層、水套部分燒損、噴爐、爐缸底部耐材燒損漏鉛、承接串連鋼梁燒損等，既有人為操作因素，也有設(shè)計(jì)缺陷因素。

2.1 爐缸嚴(yán)重結(jié)層

正常生產(chǎn)情況下，底吹爐熱態(tài)高鉛渣進(jìn)入側(cè)吹爐爐內(nèi)即開始發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生的鉛液滴不斷聚集增大，在重力作用下突破鼓風(fēng)攪動層，匯集沉于爐缸底部[8]。隨著進(jìn)渣時間推移，鉛液又經(jīng)與爐缸底部相通的虹吸道涌出虹吸口，通過溜槽進(jìn)入鋼模，冷卻變成粗鉛包。

生產(chǎn)中出現(xiàn)了爐渣下降過多沉于爐缸及爐缸鉛溫過低，引發(fā)爐缸結(jié)層現(xiàn)象，使得爐缸有效容積越來越小，如果發(fā)現(xiàn)和調(diào)整不及時，生產(chǎn)將無法繼續(xù)正常運(yùn)行，最終被迫停爐對爐缸進(jìn)行清掏及修補(bǔ)作業(yè)。

導(dǎo)致爐渣沉缸的原因：底吹爐單次入側(cè)吹爐熔渣量大，側(cè)吹爐出鉛過多，造成渣層下移，爐渣逐漸從四周往中間產(chǎn)生結(jié)層現(xiàn)象。導(dǎo)致爐缸鉛溫過低的原因：底吹爐配料品位低且每爐處理量小，使得側(cè)吹爐產(chǎn)鉛量小，爐缸鉛液循環(huán)量小，鉛溫逐漸降低。

2.2 水套部分燒損

側(cè)吹爐風(fēng)口上鉛造成一層銅水套風(fēng)口上部出現(xiàn)不同程度燒損，導(dǎo)致側(cè)吹爐被迫放底鉛停爐。分析其可能原因有：進(jìn)渣過程中液態(tài)還原鉛產(chǎn)出，若出鉛虹吸道不通暢或爐內(nèi)結(jié)層沒有及時發(fā)現(xiàn)并處理，將導(dǎo)致爐缸鉛液面上漲加上風(fēng)口附近強(qiáng)烈的攪動，鉛金屬與混合氣中氧氣發(fā)生劇烈氧化放熱反應(yīng)，對銅水套內(nèi)壁形成快速侵蝕作用，進(jìn)而產(chǎn)生燒損。

2.3 噴爐事故

底吹爐產(chǎn)出的熱態(tài)高鉛渣進(jìn)入側(cè)吹爐過程中，側(cè)吹爐爐內(nèi)出現(xiàn)熔池液面明顯上漲，不時伴有熔渣從進(jìn)渣口、三次風(fēng)口等處飛濺出來，嚴(yán)重時爐內(nèi)液面迅速上漲，大量熔渣從進(jìn)渣口、三次風(fēng)口快速溢出發(fā)生噴爐事故，只能停爐處理。

分析其可能原因有：一是底吹爐氧料比過大或延遲放渣等原因，導(dǎo)致熱態(tài)高鉛渣含F(xiàn)e3O4過多，或者渣溫過低(一般低于980 ℃)，都有可能引發(fā)側(cè)吹爐噴爐；二是側(cè)吹爐本身工藝控制不當(dāng)，如氧碳比失調(diào)、混合氣量不合適，也可能使?fàn)t內(nèi)氣氛惡化而引發(fā)噴爐。

2.4 承接串聯(lián)鋼梁燒損

從側(cè)吹爐原爐身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上看，承接串聯(lián)鋼梁采用耐熱鋼制作，主要是對四層鋼水套上下起到縱向支撐作用，其內(nèi)側(cè)排布有單頁耐火磚和耐材覆蓋層。但生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，由于膨脹系數(shù)不同及結(jié)構(gòu)的原因耐材極易掉落，失去耐材保護(hù)的鋼梁發(fā)生變形和內(nèi)側(cè)部分燒損，最后只有停爐更換。分析其可能原因有：四層鋼水套對應(yīng)內(nèi)部空間正處于二次燃燒區(qū)域，最高溫度高達(dá)1 200 ℃，遠(yuǎn)高于鋼梁的耐熱溫度，加之其內(nèi)外受熱不均，導(dǎo)致串聯(lián)鋼梁變形燒損。

2.5 爐缸底部耐材漏鉛

從爐缸外鋼殼靠出鉛虹吸道附近的排氣孔發(fā)現(xiàn)滲鉛，由此判斷爐缸底部耐材損傷漏鉛。分析其可能原因有：一是高溫鉛液對耐材的侵蝕變薄，滲透作用造成；二是因每爐生產(chǎn)的出鉛量不平穩(wěn)，出鉛虹吸道不暢經(jīng)常性需要用鋼釬清通虹吸道，造成耐材的機(jī)械損傷；三是因操作不當(dāng)造成出鉛虹吸道沉渣，需用點(diǎn)燃氧管伸入虹吸道燒渣以通暢出鉛通道，“燒氧”對爐底耐材損傷尤為嚴(yán)重。

3 實(shí)施對策

根據(jù)該公司生產(chǎn)過程出現(xiàn)的多次非正常停爐事件產(chǎn)生的原因分析，主要從爐缸砌筑等部分設(shè)備變更設(shè)計(jì)、爐前操作、工藝控制等方面進(jìn)行了有針對性的改進(jìn)。

3.1 確定爐前操作要點(diǎn)

為防止?fàn)t內(nèi)嚴(yán)重結(jié)層和水套燒損等情況的發(fā)生，該公司總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，確定了爐前操作的三個要點(diǎn)：一是嚴(yán)密監(jiān)控出鉛虹吸口情況。底吹爐、還原爐盡量做到均衡協(xié)調(diào)生產(chǎn)，根據(jù)底吹爐每爐放渣量估算出鉛量，調(diào)整鉛壩確保出鉛量平穩(wěn)。側(cè)吹爐每爐放渣結(jié)束后，測量出鉛虹吸口下降高度是否穩(wěn)定在爐底設(shè)計(jì)特征標(biāo)高內(nèi)，目前該公司控制在(12±2) cm。在側(cè)吹爐進(jìn)渣或放渣過程虹吸道出鉛口鉛面在相應(yīng)時段上漲或回落高度異常，應(yīng)立刻查明原因，如出現(xiàn)底吹爐放出渣量小、鉛品位發(fā)生變化，側(cè)吹爐渣口燒的小、渣粘、渣流量小等非正常原因，應(yīng)立刻停止進(jìn)渣或放渣作業(yè)從進(jìn)渣口燒氧進(jìn)行處理。二是監(jiān)控好一層各片銅水套水溫并及時清理風(fēng)口，如遇出口水溫大于60 ℃，須盡快調(diào)大進(jìn)水量并排查原因，必要時從風(fēng)口進(jìn)行探渣看探桿是否帶鉛，如有應(yīng)加大出鉛量適當(dāng)降低2～3個氧濃。三是人工用探渣桿不定期從進(jìn)渣口探測爐內(nèi)結(jié)層或黏渣情況。如遇明顯阻力可視為爐內(nèi)有結(jié)層或黏渣，需通過適當(dāng)延長升溫時間提溫化渣，必要時中控可調(diào)整升溫制度，適當(dāng)提高氧濃、給煤量。

3.2 優(yōu)化工藝操作方法

為提高側(cè)吹爐爐況的穩(wěn)定性，該公司技術(shù)人員從工藝操作方法上進(jìn)行了優(yōu)化，主要做法有：一是根據(jù)底吹爐產(chǎn)出的熱態(tài)高鉛渣渣型、渣溫、流動性等爐渣特性，做好側(cè)吹爐工藝操作應(yīng)對。若底吹爐產(chǎn)出“低溫”黏渣，側(cè)吹爐需提高氧碳比，加快提溫速度；若底吹爐產(chǎn)出“過氧”渣，側(cè)吹爐則需降低氧碳比，并控制好爐內(nèi)一次風(fēng)壓，防止?fàn)t內(nèi)液面迅速上漲而形成噴渣。二是優(yōu)化作業(yè)制度。側(cè)吹爐每爐120 min作業(yè)周期可分為進(jìn)渣段、還原段、升溫段和放渣段，一般時間分配分別為30、35、40和15 min。實(shí)際生產(chǎn)中，通常縮短進(jìn)渣和放渣時間，為還原和升溫兩段爭取更充裕的時間。進(jìn)渣及還原段時間根據(jù)底吹爐投料量、品位做微調(diào)，升溫時間根據(jù)爐況適當(dāng)調(diào)整，必要時可適當(dāng)延長或縮短升溫時間，以滿足2小時一爐作業(yè)周期。若底吹爐產(chǎn)出熱態(tài)高鉛渣的含鉛高，應(yīng)延長還原段作業(yè)時間3～5 min；若側(cè)吹爐爐內(nèi)有結(jié)層，應(yīng)延長升溫段5～10 min。三是適當(dāng)調(diào)整氧濃和總風(fēng)量。如遇到高鉛渣含鉛品位高，出鉛量增大的情況，需適當(dāng)調(diào)整氧濃和延長還原段時間。如遇還原煤含固定碳偏低(正常應(yīng)大于78%)，應(yīng)提高氧濃來以提升還原和升溫速度。另外，合適的一次風(fēng)量可以緩和爐內(nèi)攪動狀況，還可降低側(cè)吹爐煙灰產(chǎn)出率。目前將總風(fēng)量3 200 m3/h降低到3 000 m3/h，也可以滿足工藝要求。

3.3 串聯(lián)工字鋼梁改成串聯(lián)鋼梁水套

根據(jù)爐身串聯(lián)工字鋼梁燒損的實(shí)際情況，經(jīng)該公司與設(shè)計(jì)廠家溝通，在停爐期間，變更設(shè)計(jì)改成串聯(lián)鋼梁水套結(jié)構(gòu)，并將循環(huán)水及監(jiān)控并入原有的水套水循環(huán)DCS系統(tǒng)。通過生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，改進(jìn)后的串聯(lián)鋼梁水套運(yùn)行效果良好，既滿足了爐身支持需要，也大大提高了使用壽命。

3.4 爐缸砌筑改整體鑄型

爐缸原設(shè)計(jì)采用耐火磚鋪底、鎂鉻磚砌筑爐底坡、鎂鉻澆鑄料填縫和加厚成型的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。存在施工復(fù)雜、技術(shù)難度大和成本較高等問題，經(jīng)與河南中特耐火材料廠家技術(shù)人員溝通，學(xué)習(xí)水口山八廠的做法[7]，采用耐火磚鋪底筑爐底坡及爐缸圍墻，鋁鉻渣搗打料整體鑄型，再使用鋁鉻質(zhì)磚沿爐缸四周砌筑壓力墻，同時將原出鉛虹吸道緩坡上升改為斜向直道，直道的爐缸底部鑲嵌鎂鉻磚加以保護(hù)，使燒氧管可直達(dá)爐缸內(nèi)部。

通過爐缸整體鑄型和出鉛虹吸道改造，大大減少了人工通搗出鉛虹吸道次數(shù)，爐缸四點(diǎn)監(jiān)測溫度穩(wěn)定在400～500 ℃，運(yùn)行效果良好。

4 小結(jié)

通過對某公司側(cè)吹爐生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，分析了爐缸結(jié)層、水套燒損、噴爐事故、承接串聯(lián)鋼梁燒損和爐缸漏鉛等因素導(dǎo)致幾次非正常停爐的原因，并根據(jù)技術(shù)人員攻關(guān)和實(shí)踐探索，提出并實(shí)施了相關(guān)對策。自2018年1月大修運(yùn)行至今，該公司側(cè)吹爐連續(xù)運(yùn)行爐況控制穩(wěn)定，與大修前相比，噸渣還原煤單耗從110 kg降低到85 kg，側(cè)吹爐煙灰產(chǎn)出率從16%降低到13%，取得了明顯的生產(chǎn)效果。