鎳閃速熔煉系統(tǒng)單噴嘴配套國產(chǎn)風(fēng)機在富氧工藝風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

林 泉， 姜德權(quán)， 賈宏杰， 張海龍， 魏改英

(金川集團股份有限公司， 甘肅 金昌 737100)

0 引言

金川集團有限公司是采、選、冶、化配套的大型有色冶金、化工聯(lián)合企業(yè)，生產(chǎn)鎳、銅、鈷、稀貴金屬等金屬產(chǎn)品，硫酸、燒堿、液氯、鹽酸、亞硫酸鈉等化工產(chǎn)品以及有色金屬深加工產(chǎn)品，鎳和鉑族金屬產(chǎn)量占中國90%以上，是中國最大的鎳鈷生產(chǎn)基地，被譽為中國的“鎳都”。

目前，金川集團有限公司擁有兩大鎳生產(chǎn)系統(tǒng)，分別是鎳閃速爐熔煉系統(tǒng)和富氧頂吹鎳熔煉系統(tǒng)。作為亞洲第一、世界第五的金川鎳閃速熔煉系統(tǒng)，自1992年10月建成投產(chǎn)以來，累計產(chǎn)出高鎳锍含鎳量66萬t，為推動金川集團公司持續(xù)跨越式發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但是，經(jīng)過近二十年長周期高負(fù)荷的運行，在閃速爐爐體、各附屬系統(tǒng)及技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)等方面，均暴露出爐體變形嚴(yán)重、高銅锍品位控制困難、閃速爐渣貧化能力不足，配套的干燥系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)等能力不足的問題，無法適應(yīng)閃速爐生產(chǎn)能力擴大的要求[1]。

精礦噴嘴在鎳閃速熔煉生產(chǎn)中起著關(guān)鍵的作用，它的工作狀況對整個鎳閃速熔煉爐的工作狀況起著至關(guān)重要的作用，對鎳閃速煉熔煉系統(tǒng)的生產(chǎn)能力、銅锍品位的控制、富氧工藝風(fēng)中氧的利用率等都會產(chǎn)生重大影響。原鎳閃速熔煉爐的反應(yīng)塔配置4個精礦噴嘴，入爐強化摻混的物料和風(fēng)量分配平衡難以控制，導(dǎo)致了爐內(nèi)反應(yīng)不完全、對原料的適應(yīng)性差、煙塵產(chǎn)率高和煙氣量大(富氧濃度無法提高)等問題。

閃速熔煉技術(shù)采用富氧強化熔煉，是目前銅、鎳冶煉工藝中技術(shù)成熟、環(huán)保良好、裝備先進(jìn)、單一設(shè)備產(chǎn)量大的一種先進(jìn)冶煉技術(shù)[2]，具有生產(chǎn)設(shè)備密閉性能好，自動化水平高[3]的特點。經(jīng)過多次技術(shù)論證，在最近一次冷修中，將鎳閃速熔煉爐的四個精礦噴嘴改為了單噴嘴工藝，并通過鎳閃速熔煉系統(tǒng)冷修解決了諸多技術(shù)難題。

1 鎳閃速熔煉爐精礦單噴嘴概況

鎳閃速熔煉爐的精礦單噴嘴是由芬蘭Outotec公司專門為高固體加料量設(shè)計、生產(chǎn)的，它是一個高強度中心噴射分配型單精礦噴嘴，具有靈活控制、調(diào)節(jié)工藝風(fēng)的流量、流速和物料量的功能，適用于閃速熔煉爐(FSF)。

1.1 精礦單噴嘴的構(gòu)成及物料噴射效果

Outotec精礦噴嘴的主要結(jié)構(gòu)由7個主要部件組成，見圖1。

1-中央噴槍； 2-分料器； 3-進(jìn)料盒(CJD部件)； 4-中心噴射分料器(CJD)； 5-風(fēng)箱； 6-鳥巢水套； 7-環(huán)繞水套圖1 精礦單噴嘴結(jié)構(gòu)圖

金川鎳閃速熔煉爐采用了精礦單噴嘴，根據(jù)大量的流場計算模擬，通過試生產(chǎn)并結(jié)合精礦粒子燃燒模型，調(diào)整了單噴嘴的各主要參數(shù)，特別是富氧工藝風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)壓和富氧濃度，最終得到了最佳物料噴射及熔化效果，見圖2。

圖2 精礦噴嘴物料噴射效果圖

1.2 富氧工藝風(fēng)技術(shù)參數(shù)

精礦主要助燃?xì)怏w是富氧工藝風(fēng)，在鎳閃速熔煉爐的反應(yīng)塔中，固體精礦與富氧工藝風(fēng)充分均勻混合，燃燒熔化。

鎳閃速熔煉爐的精礦單噴嘴富氧工藝風(fēng)技術(shù)參數(shù)見表1。

2 噴嘴改造前后配套風(fēng)機選擇對比

在鎳閃速熔煉爐系統(tǒng)的生產(chǎn)過程中，富氧空氣是由氧氣與風(fēng)機鼓出空氣混合而成的。風(fēng)機在富氧空氣生產(chǎn)中起著關(guān)鍵作用，通過靈活調(diào)節(jié)工藝風(fēng)流量、流速，可以提高反應(yīng)風(fēng)中氧的利用率，滿足鎳閃速熔煉爐的工作需求。

2.1 原鎳閃速熔煉爐精礦四噴嘴配套風(fēng)機選擇

原鎳閃速熔煉爐精礦四噴嘴富氧工藝風(fēng)主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 鎳閃速熔煉爐的精礦單噴嘴富氧工藝風(fēng)技術(shù)參數(shù)

表2 原鎳閃速熔煉爐的精礦四噴嘴富氧工藝風(fēng)主要技術(shù)參數(shù)

風(fēng)機選用重慶九鑫礦山設(shè)備有限公司的9- 19No16型號通風(fēng)機，9- 19No16型號通風(fēng)機主要性能參數(shù)見表3。原鎳閃速熔煉系統(tǒng)中的富氧工藝風(fēng)系統(tǒng)配置見圖3。

表3 9- 19No16型號通風(fēng)機主要技術(shù)參數(shù)

1-離心式通風(fēng)機； 2-入口過濾器； 3-入口氣動調(diào)節(jié)閥； 4-電動閥； 5-混氧器； 6-精礦四噴嘴； 7-鎳閃速熔煉爐； 8-氧氣調(diào)節(jié)閥圖3 原富氧工藝風(fēng)供風(fēng)示意

2.2 鎳閃速熔煉爐精礦單噴嘴配套風(fēng)機選擇

鎳閃速熔煉系統(tǒng)冷修選用1400 SI BB24型號離心式高壓鼓風(fēng)機作為單噴嘴配套富氧工藝風(fēng)風(fēng)機。1400 SI BB24型號離心式高壓鼓風(fēng)機主要性能參數(shù)見表4，鎳閃速熔煉系統(tǒng)中的富氧工藝風(fēng)系統(tǒng)配置見圖4。

表4 1400 SI BB24型號離心式高壓鼓風(fēng)機主要技術(shù)參數(shù)

1-離心式高壓鼓風(fēng)機； 2-入口過濾器； 3-入口氣動調(diào)節(jié)閥； 4-氣動放空閥； 5-放散消音器； 6-檢測柜； 7-混氧器； 8-精礦單噴嘴； 9-鎳閃速熔煉爐； 10-氧氣調(diào)節(jié)閥圖4 富氧工藝風(fēng)供風(fēng)示意

2.3 1400 SI BB24離心式高壓鼓風(fēng)機概述

1400 SI BB24型號離心式鼓風(fēng)機主要由電動機、轉(zhuǎn)子組件、機殼、密封組件、軸承、潤滑裝置、配電柜以及其他輔助零部件等組成。

1)轉(zhuǎn)子組件。轉(zhuǎn)子組件是鼓風(fēng)機的主要部件，它是由葉輪、主軸、主軸密封組件、聯(lián)軸器等部件組成。其中葉輪是鼓風(fēng)機中最主要的部件，其全部零件均由優(yōu)質(zhì)鋼制成，葉輪由輪盤、輪蓋和葉片焊接而成。再通過加熱退火爐，對焊接后的葉輪均作整體退火處理，以消除葉輪的焊接殘余應(yīng)力。離心式高壓鼓風(fēng)機消除葉輪組焊后的殘余應(yīng)力，對保證風(fēng)機的可靠、平穩(wěn)運行非常重要，可以防止在風(fēng)機運轉(zhuǎn)過程中，由于葉輪殘余應(yīng)力逐漸釋放，引起的葉輪變形，以及使風(fēng)機產(chǎn)生的振動甚至破壞。其主要作用是使通過葉輪后的氣體壓力增大、速度升高。

2)密封組件。密封組件的作用是為了防止鼓風(fēng)機在運行時潤滑油泄漏及灰塵、水分等進(jìn)入軸承。離心式高壓鼓風(fēng)機軸端的密封采用了先進(jìn)的浮動軸封結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)在風(fēng)機運行時，能自動調(diào)節(jié)定位，消除了風(fēng)機運行時機殼受熱膨脹和安裝引起的軸封與主軸不同心而引起的軸封磨損，大大地提高了軸封的密封性能，延長了軸封的使用壽命，降低了氣體的泄漏。

3)軸承。滑動軸承是支持轉(zhuǎn)子、保證轉(zhuǎn)子能平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組件部件。

4)檢測柜。離心式高壓鼓風(fēng)機配套檢測柜對風(fēng)機軸承溫度、電機軸承溫度、定子溫度及振動進(jìn)行檢測,當(dāng)溫度達(dá)到65 ℃,振動達(dá)到5.6 mm/S時發(fā)出聲光報警,溫度達(dá)80 ℃,振動達(dá)到6.3 mm/S時會與主電機聯(lián)鎖停機。電機電流及功率以4～20 mA信號可送入DCS,在DCS系統(tǒng)顯示風(fēng)機運行參數(shù),同時保護(hù)信號聯(lián)鎖停機。

3 風(fēng)機在運行中出現(xiàn)的問題及解決方案

鎳閃速熔煉爐生產(chǎn)過程中，由1400SJBB24型號離心式高壓鼓風(fēng)機提供的空氣在混氧裝置中與氧氣混合成富氧工藝風(fēng)，經(jīng)精礦噴嘴進(jìn)入閃速爐中，與精礦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

鼓風(fēng)機通過電機驅(qū)動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),將空氣從軸向吸入高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，空氣被吸入后變成徑向流動并被加速,然后進(jìn)入擴壓器，又因改變流動方向而減速。擴壓器將高速旋轉(zhuǎn)的氣流所具有的動能轉(zhuǎn)化為壓力能(勢能)，使風(fēng)機出口保持穩(wěn)定的流量和壓力。

3.1 振動及解決方案

離心式高壓鼓風(fēng)機啟動后，逐漸增加管路進(jìn)口氣動閥門開度，達(dá)到正常工況，但其振動速度均方根值在4.0～5.6 mm/s，無法長時間運行，被迫停車檢修，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子加工質(zhì)量差，焊逢焊接高低不平，存在氣孔夾渣焊接缺陷，沒有進(jìn)行轉(zhuǎn)子動平衡檢測，這是國產(chǎn)離心式高壓鼓風(fēng)機的主要缺陷。

轉(zhuǎn)子不平衡是指一個旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量軸線(慣量軸線)與實際的旋轉(zhuǎn)軸線不重合。通俗的講，轉(zhuǎn)子的不平衡是指轉(zhuǎn)子的重量分布不均勻。造成轉(zhuǎn)子不平衡的因素很多，例如：轉(zhuǎn)子材質(zhì)的不均勻性，聯(lián)軸器的不平衡、鍵槽不對稱，轉(zhuǎn)子加工誤差，轉(zhuǎn)子在運動過程中產(chǎn)生的腐蝕、磨損及熱變形等。這些因素造成的不平衡量一般都是隨機的，無法進(jìn)行計算，需要通過重力試驗(靜平衡)，和旋轉(zhuǎn)試驗(動平衡)來測定和校正，使它降低到允許的范圍內(nèi)[4]。

通過工藝平衡法對轉(zhuǎn)子組件進(jìn)行動平衡測定和校正，使它的剩余不平衡量在許用不平衡量的規(guī)定范圍內(nèi)，滿足轉(zhuǎn)子在動態(tài)情況使用。此校正解決了因為離心式高壓鼓風(fēng)機本體轉(zhuǎn)子組件不平衡，在風(fēng)機運行中產(chǎn)生的振動問題。

3.2 漏油及解決方案

離心式高壓鼓風(fēng)機軸承座采用強制稀油潤滑方式，保證了軸承運行的可靠性，延長了軸承的使用壽命。軸承座采用了獨特的迷宮和梳齒復(fù)合密封結(jié)構(gòu)，可保證正常使用時，軸承座不漏油。但是在風(fēng)機試運行時，發(fā)現(xiàn)軸承座漏油嚴(yán)重，不僅是采用了獨特的迷宮和梳齒復(fù)合密封結(jié)構(gòu)的軸密封處出現(xiàn)明顯的向外滲油，而且軸承座底部也漏油。

在現(xiàn)場對風(fēng)機進(jìn)行解體，發(fā)現(xiàn)離心式高壓鼓風(fēng)機軸的加工精度達(dá)不到滑動軸承的使用標(biāo)準(zhǔn)，通過現(xiàn)場研磨，更換復(fù)合密封結(jié)構(gòu)的軸密封，初步解決了滑動軸承座軸端向外明顯漏油的問題，但是沒有徹底解決。

由于軸承座底在鑄造時存在著明顯的裂紋，強制循環(huán)的潤滑油通過裂紋漏出，通過更換軸承座底部，漏油問題得到解決。

3.3 喘振及解決方案

在鎳閃速熔煉爐生產(chǎn)過程中，DCS控制系統(tǒng)根據(jù)投料量來調(diào)節(jié)精礦噴嘴的富氧工藝風(fēng)的流量和氧濃度。但是，由于提供工藝風(fēng)的離心式高壓鼓風(fēng)機自身缺少防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在流量壓力大范圍波動情況下極易發(fā)生喘振，這也是國產(chǎn)離心式高壓鼓風(fēng)機的一個主要缺陷。

離心式高壓鼓風(fēng)機自身缺少調(diào)節(jié)系統(tǒng)，只有通過檢測柜對風(fēng)機軸承溫度、電機軸承溫度、定子溫度及振動進(jìn)行檢測。當(dāng)溫度達(dá)到65 ℃,振動達(dá)到5.6 mm/S時發(fā)出聲光報警；溫度達(dá)80 ℃,振動達(dá)到6.3 mm/S時會與主電機聯(lián)鎖停機。電機電流及功率以4～20 mA信號送入DCS控制系統(tǒng),在DCS控制系統(tǒng)上顯示風(fēng)機運行參數(shù),同時保護(hù)信號聯(lián)鎖停機。對離心式高壓鼓風(fēng)機而言，在流量壓力大范圍波動情況下極易發(fā)生喘振，喘振一旦發(fā)生，會進(jìn)一步使壓力、流量大幅度波動，破壞工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使風(fēng)機葉片強烈振動，葉輪應(yīng)力大大增加，機組發(fā)生強烈振動，以致?lián)p壞軸承和密封件，造成嚴(yán)重的事故。

離心式高壓鼓風(fēng)機自身缺少防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)，試運行時，多次出現(xiàn)風(fēng)機喘振。

鎳閃速熔煉系統(tǒng)冷修關(guān)鍵部分的單噴嘴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制點多，連鎖復(fù)雜，對控制系統(tǒng)要求高，其通過DCS軟硬件及連鎖部分組態(tài)，實現(xiàn)了單噴嘴控制部分的氧氣調(diào)節(jié)連鎖、停料連鎖、富氧風(fēng)排放速度控制中央氧切斷閥連鎖、中央氧流量連鎖、冷卻風(fēng)切斷閥連鎖、分散風(fēng)流量連鎖、中央油流量連鎖、加料設(shè)備啟動順序連鎖等主要連鎖控制。通過在供風(fēng)系統(tǒng)中設(shè)置入口氣動蝶閥和放空閥、中央控制室操作人員手動輸入投料量、DCS控制系統(tǒng)自動計算出富氧工藝風(fēng)的流量和氧濃度、通過DCS控制系統(tǒng)中的加料設(shè)備啟動順序連鎖控制、調(diào)節(jié)入口氣動蝶閥和放空閥的開度等幾項措施，完成防喘振控制調(diào)節(jié)。

3.4 實際生產(chǎn)中的風(fēng)機選擇

鎳閃速爐系統(tǒng)冷修引進(jìn)Autotec公司精礦單噴嘴技術(shù)及設(shè)備，該設(shè)備自動化程度高，反應(yīng)塔風(fēng)速可實現(xiàn)60～130 m/s的自動調(diào)節(jié)。針對反應(yīng)塔塔壁掛渣情況，調(diào)節(jié)分散風(fēng)與富氧工藝風(fēng)之間的分散角度為5～9°，這樣，既能保證塔壁掛渣的均勻，又可以控制入爐物料在反應(yīng)塔空間的反應(yīng)完全程度。投料量在50～130 t/h的范圍內(nèi)可調(diào)，生產(chǎn)組織靈活，試生產(chǎn)僅用一周的時間就使鎳閃速爐實現(xiàn)了80 t/h的設(shè)計生產(chǎn)能力，一個月時間精礦處理能力就達(dá)到了100 t/h。但是，1400 SI BB24型號離心式鼓風(fēng)機的振動、滲油、喘振等問題直接影響著鎳閃速爐系統(tǒng)的生產(chǎn)，9- 19No16型號離心式通風(fēng)機被迫投入使用。同時，根據(jù)精礦單噴嘴的大量流場計算模擬，通過試生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)單噴嘴風(fēng)壓調(diào)整入口壓力為10 kPa(g)左右時可以使用，滿足精礦噴嘴物料噴射及熔化效果。

鎳閃速熔煉系統(tǒng)中的富氧工藝風(fēng)系統(tǒng)配置見圖5。

1-離心式高壓鼓風(fēng)機； 2-入口過濾器； 3-入口氣動調(diào)節(jié)閥； 4-氣動放空閥； 5-放散消音器； 6-稀油潤滑站； 7-混氧器； 8-精礦噴嘴； 9-鎳閃速熔煉爐； 10-氧氣調(diào)節(jié)閥； 11-離心式通風(fēng)機圖5 富氧工藝風(fēng)系統(tǒng)配置

1400 SI BB24型號離心式鼓風(fēng)機配套主電機功率為630 kW，而9- 19No16型號離心式通風(fēng)機配套主電機功率為300 kW。在滿足精礦噴嘴物料噴射及熔化效果的工藝風(fēng)風(fēng)壓、風(fēng)量前提下，從設(shè)備節(jié)能方面考慮，選擇9- 19No16型號離心式通風(fēng)機作為單噴嘴配套富氧工藝風(fēng)的主風(fēng)機，1400 SI BB24型號離心式鼓風(fēng)機作為備用風(fēng)機，每年節(jié)約耗電約300萬kW·h。

4 結(jié)論

在鎳閃速爐系統(tǒng)冷修后的試生產(chǎn)期間，鎳閃速爐系統(tǒng)采用單噴嘴是冷修的關(guān)鍵部分，通過DCS軟硬件及連鎖部分組態(tài)，實現(xiàn)了單噴嘴控制部分氧氣調(diào)節(jié)連鎖、停料連鎖、富氧風(fēng)排放速度控制中央氧切斷閥連鎖、中央氧流量連鎖、冷卻風(fēng)切斷閥連鎖、分散風(fēng)流量連鎖、中央油流量連鎖、加料設(shè)備啟動順序連鎖等多項主要連鎖控制，滿足精礦處理能力低、中、高負(fù)荷(100 t/h及以上)狀態(tài)下的長期穩(wěn)定生產(chǎn)。無論是國產(chǎn)的9- 19No16型號離心式通風(fēng)機，還是國產(chǎn)的1400 SI BB24型號離心式鼓風(fēng)機，通過在富氧工藝風(fēng)系統(tǒng)中設(shè)置入口氣動蝶閥和放空閥,中央控制室操作人員手動輸入投料量,DCS控制系統(tǒng)自動計算出富氧工藝風(fēng)的流量和氧濃度,采用DCS控制系統(tǒng)中的加料設(shè)備啟動順序連鎖控制,調(diào)節(jié)入口氣動蝶閥和放空閥的開度等措施，完成防喘振控制調(diào)節(jié)。并通過控制調(diào)節(jié)單噴嘴配套富氧工藝風(fēng)的流量、流速，提高了反應(yīng)風(fēng)中氧的利用率。改造后，鎳閃速爐實現(xiàn)了超高強度冶煉[5]，使整個鎳閃速爐熔煉爐的化料狀況達(dá)到最佳效果。