SCR銅桿生產(chǎn)線豎爐系統(tǒng)故障分析及優(yōu)化改進

張鵬飛， 張偉旗

(江西銅業(yè)集團銅材有限公司， 江西 貴溪 335424)

江銅分別于2003年、2006年引進了兩條SCR連鑄連軋銅桿生產(chǎn)線[1]，其熔銅速率分別為35、25 t/h，產(chǎn)品為Φ8 mm銅桿，其設(shè)計產(chǎn)能達37萬t/a，是國內(nèi)最大的銅桿加工基地之一。SCR豎爐屬于典型連續(xù)式高溫熔銅設(shè)備[2]，作為生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，其運行的正常與否，不僅直接影響到生產(chǎn)線的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，且會造成較大的安全環(huán)保事故，經(jīng)濟損失較大，特別是目前兩條生產(chǎn)線已運行多年，設(shè)備故障率較高，如豎爐磚體脫落、燒損、外殼發(fā)紅、爐齡短等問題已成為制約生產(chǎn)的技術(shù)“瓶頸”。因此，針對豎爐系統(tǒng)故障進行分析及優(yōu)化改進，提升其運行的高效穩(wěn)定性，延長爐齡，降本增效，勢在必行。

1 現(xiàn)狀分析

現(xiàn)以SCR4500豎爐系統(tǒng)為例。其僅是在SCR3000豎爐系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計增加了爐體高度、新增了4個燒嘴等，但其熔銅速率、爐況穩(wěn)定性等尚未得到有效驗證。SCR4500豎爐結(jié)構(gòu)設(shè)計剖面圖，如圖1所示。其結(jié)構(gòu)設(shè)計呈圓筒形，由內(nèi)到外依次為耐火層、保溫層、鋼制外殼，其中耐火層由碳化硅及其搗打料磚砌筑而成；保溫層設(shè)有高鋁保溫磚層、28#輕質(zhì)料層；鋼制外殼由高強度鍋爐鋼制作。為了提高裝料作業(yè)率，實現(xiàn)快速裝爐操作，其加料口設(shè)在爐頂。投產(chǎn)后，由于生產(chǎn)過程中片面地追求豎爐的熔銅速率，致使其投料頻率、燃氣消耗量遠高于設(shè)計需求，豎爐爐齡也難以達到設(shè)計要求。

1.耐火磚 2.保溫磚 3.輕質(zhì)填充料 4.鋼制外殼圖1 SCR4500豎爐結(jié)構(gòu)設(shè)計剖面圖

該公司兩條SCR銅桿生產(chǎn)線原設(shè)計使用LPG液化石油氣，但由于LPG含焦油量大、價格波動大、維護保養(yǎng)費用高，且易燃易爆，排放氮氧化物高，具麻醉性，安全隱患較大，易污染環(huán)境等。對此，該公司于2015年成功實施了LPG改用CNG燃氣加熱優(yōu)化設(shè)計及改造。即使天然氣已改造成功，但因天然氣燃值比LPG更低，需增大風壓方可達到同等的燃燒效果，導致豎爐爐體損傷快，對豎爐系統(tǒng)的要求更加苛刻。

況且，豎爐熔煉過程中，其燃燒機理繁瑣，運行工況變化多端，特別是影響銅桿品質(zhì)的因素多且復雜，一旦操作調(diào)整不當、維護保養(yǎng)不及時，將造成生產(chǎn)不穩(wěn)定；加之該豎爐系統(tǒng)使用期限已久，作業(yè)環(huán)境惡劣且要求較高，致使豎爐故障率居高不下，如掉磚、磚體或溜槽表面剝蝕、燒嘴處積冷銅、爐體升高等現(xiàn)象時有發(fā)生，曾多次造成生產(chǎn)提前中斷、停爐、修爐，導致該系統(tǒng)產(chǎn)能低，嚴重影響銅桿產(chǎn)品質(zhì)量，且成本能耗居高不下。

2 豎爐系統(tǒng)故障分析及優(yōu)化改進

2.1 豎爐磚體脫落

豎爐由不同規(guī)格的爐磚砌筑而成，形成一定厚度的磚縫，其耐火層與銅原料、火焰直接接觸，作業(yè)環(huán)境較惡劣，該故障以其頂部鎖磚為主。2016年12月、2017年7月，SCR4500、SCR3000生產(chǎn)線分別發(fā)生過爐頂鎖磚脫落現(xiàn)象，導致爐磚堵塞出銅口，幸被發(fā)現(xiàn)及時，未造成銅水倒灌引發(fā)重大事故，當即安排停爐檢修10天，嚴重制約了產(chǎn)能的發(fā)揮。其故障主因是：(1)銅磚變形嚴重，銅磚面低于耐火磚表面，使下落的電銅板直接刮擦耐火磚；(2)SCR3000爐頂選用229×114×78 mm小尺寸鎖磚，磚縫過多，易脫落；(3)投料不及時，常使爐內(nèi)銅原料高度低于銅磚，投料時電銅撞擊上部鎖磚，導致磚體松動。

必須嚴格制定銅磚更換周期標準，以確保銅磚體充分發(fā)揮防護功能。整體更換銅磚后，在生產(chǎn)過程中，必須實時監(jiān)控銅磚溫度；整體更換爐頂14層鎖磚時，可選用459×229×78 mm大鎖磚替代原229×114×78 mm小尺寸鎖磚砌筑，將上部鎖磚由原14層改為2層，盡可能減少磚縫數(shù)；為了增強爐體強度，要將澆筑料填充滿磚與爐殼之間的間隙；必須規(guī)范投料作業(yè)標準，對投料不及時者，予以考核；在豎爐爐口處，可新增爐料液位報警裝置，能提示操作人員及時投料，從而及時避免發(fā)生豎爐燒空等現(xiàn)象。

2.2 耐火層表面開裂、剝蝕

燒空豎爐后檢查爐體，發(fā)現(xiàn)爐磚表面開裂，而耐火層表面剝蝕現(xiàn)象通常在開爐后18個月產(chǎn)生龜裂，30個月后易產(chǎn)生大塊狀的剝離，以爐體第50～65層之間的耐火層最嚴重，導致豎爐爐齡大幅縮短。50～70層爐磚開裂、表面剝蝕圖，如圖2所示。

為查找耐火磚失效原因，應(yīng)每半年燒空豎爐一次進行排查。要按照各層爐磚失效的先后順序，排查爐磚材料、作業(yè)環(huán)境、砌筑質(zhì)量等，不難發(fā)現(xiàn)同一豎爐使用材料、砌筑質(zhì)量、氣氛保護等條件基本相同，僅作業(yè)溫度從下至上由高到低衰減。通過預(yù)埋熱電偶、燒空豎爐手持紅外測溫儀測溫，可發(fā)現(xiàn)豎爐作業(yè)溫度與龜裂時間有一定的聯(lián)系，表明作業(yè)溫度是該類爐磚加速失效的主因，且950～1 100 ℃對碳化硅材料的氧化損傷最大。

圖2 50～70層爐磚開裂、表面剝蝕

表1 豎爐作業(yè)溫度與龜裂時間趨勢表

分析高溫氧化腐蝕形式如下列方程式所示，碳化硅材料氧化后產(chǎn)生二氧化硅，而二氧化硅的組織結(jié)構(gòu)相較于碳化硅更大，導致材料體積增長，裂隙度增加，使爐磚由表至里逐漸開裂，進而產(chǎn)生大塊狀剝落。

SiC+bondphase+2O2↑→SiO2+CO2↑

為提升豎爐的高效穩(wěn)定性及爐齡，應(yīng)針對碳化硅材料的特性，制訂相應(yīng)的CO值控制、火力升降技術(shù)規(guī)范；停爐時，豎爐內(nèi)部仍堆積有大量高溫銅板(900～1 000 ℃)，且無保護氣氛，此時抗氧化性最弱，必須制訂豎爐停爐技術(shù)規(guī)范，針對停爐時的吹風時間、強度等工藝進行管控，縮短冷爐時爐磚在高氧化溫度區(qū)間的駐留時間；豎爐修筑時，應(yīng)把控好砌筑質(zhì)量，盡量避免使用加工磚，需保證砌筑磚縫厚度小于1.6 mm，以增加爐體強度，同時使用穩(wěn)定性更高的氮化硅材料，以減少材料對溫度的敏感性。

2.3 燒嘴處“發(fā)紅”

生產(chǎn)過程中，燒嘴區(qū)域“發(fā)紅”時溫度高達550 ℃，較其它區(qū)域高出約350 ℃，易導致燒嘴水套損壞、固定螺桿斷裂失效，甚至使噴嘴外套強度降低，產(chǎn)生漏氣、水套漏水現(xiàn)象，能源浪費嚴重，安全事故隱患較大[3]。燒嘴處“發(fā)紅”現(xiàn)象，如圖3所示。燒嘴處“發(fā)紅”時，需及時使用風管對燒嘴處進行冷卻、降溫，嚴重時則應(yīng)停爐更換燒嘴水套、噴嘴及墊片等，以保障正常作業(yè)。豎爐燒嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計特殊且復雜是該區(qū)域溫度過高“發(fā)紅”的主因。由于豎爐燒嘴區(qū)域無保溫層，保溫性能差，但該部位直接與炙熱的火焰接觸，溫度相對較高，需采用整體式碳化硅型磚與內(nèi)置燒嘴管的方式進行砌筑。

圖3 燒嘴處“發(fā)紅”

為進一步降低豎爐燒嘴區(qū)域的溫度，提高燒嘴水套、燒嘴管等部件的使用穩(wěn)定性及使用壽命，應(yīng)針對燒嘴區(qū)域使用材料、砌筑規(guī)范及燒嘴管口徑等方面進行優(yōu)化。砌筑磚體、澆筑澆注料時，必須嚴格把關(guān)，并優(yōu)化磚塊結(jié)構(gòu)，盡可能少用加工磚，僅一個燒嘴可減少磚縫長度達0.8 m，以增加爐體強度；澆筑型磚處99 #澆注料時，首次采用振動棒搗打澆筑料，可減少澆筑體的內(nèi)部氣孔、組織疏松，而鋪設(shè)28#輕質(zhì)料時，也增設(shè)氣錘壓實環(huán)節(jié)，能提升爐體強度和保溫性能；可將燒嘴管管口由“直筒”型結(jié)構(gòu)改進為“喇叭”口，即根據(jù)火焰的發(fā)散模型，將燒嘴管入口到出口管徑改進為由小到大漸變的形式，以減弱熾熱的火焰對管壁的熱輻射；改進燒嘴型磚結(jié)構(gòu)設(shè)計，其非接觸火焰面使用輕質(zhì)保溫料燒結(jié)而成，能大幅提升型磚的保溫性能。新設(shè)計燒嘴型磚，如圖4所示，白色側(cè)系輕質(zhì)保溫料燒結(jié)而成。優(yōu)化設(shè)計后，燒嘴處再無“發(fā)紅”現(xiàn)象，SCR3000/4500豎爐燒嘴區(qū)域溫度顯著降低，且穩(wěn)定在240～320 ℃范圍之內(nèi)，可全部撤除現(xiàn)場豎爐區(qū)域的所有風管和冷卻風機。

圖4 新設(shè)計燒嘴型磚

2.4 爐體膨脹“長高”

豎爐作業(yè)溫度達1 000 ℃以上，且因生產(chǎn)線的特殊性，生產(chǎn)過程中需停爐更換系統(tǒng)、進行設(shè)備檢修等，導致豎爐需頻繁經(jīng)歷冷熱交替的降溫、升溫過程，久而久之豎爐會產(chǎn)生膨脹“長高”現(xiàn)象。特別是在豎爐使用周期的末期，爐體裂縫滲入“冷銅”“長高”后無法恢復，易造成豎爐產(chǎn)生傾斜，膨脹節(jié)處螺桿崩斷，加料口高于投料小車平臺，導致發(fā)生無法投料、卡料或卡斗等問題，豎爐爐齡縮短，嚴重制約了生產(chǎn)的順行。

該故障的主因是砌磚磚縫過大、爐體溫度不均、預(yù)留膨脹縫過小等。其主要措施有：(1)因爐殼有變形，修爐前必須對爐殼進行校正，同時使用激光定位儀重新測量爐體的中心點，從而保證各噴嘴的適宜角度，提升爐體受熱的均勻度；(2)砌爐過程中，要嚴格監(jiān)管砌縫，采用砌一層驗一層的方式，保障砌筑質(zhì)量；(3)加強對膨脹節(jié)的跟蹤，開爐后，每次停爐要測量膨脹節(jié)間隙，檢查螺桿是否崩裂，螺桿過于繃緊時，應(yīng)逐步擰松螺帽，保證各點受力均勻，確保螺桿不斷裂，進而避免爐體傾斜；(4)優(yōu)化爐磚砌筑方式，將爐體膨脹縫的間隙由原87 mm增至130 mm，可使膨脹行程增加，避免爐體“長高”后銅磚層與加料口高度抬升，避免因此而產(chǎn)生的卡斗、卡料問題[4]。

2.5 上溜槽燒損

上溜槽是連接豎爐與后續(xù)系統(tǒng)的重要部件，至關(guān)重要。其采用全封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計和加熱，該鋼溝槽由鋼板焊接而成，內(nèi)襯99#澆注料，經(jīng)一次性澆注燒結(jié)成整體。其作業(yè)量大且作業(yè)環(huán)境惡劣，因其直接與豎爐出銅口相連接，豎爐內(nèi)部的高溫、高壓氧化性火焰直接輻射上溜槽內(nèi)壁，但上溜槽常采用99#澆注料整體澆灌而成，耐火性能較差，內(nèi)壁易產(chǎn)生氧化、剝落、開裂等現(xiàn)象，銅液渣量大，報廢率高，其使用壽命僅3個月，生產(chǎn)成本高。

通過現(xiàn)場跟蹤，上溜槽材料耐火性差、作業(yè)環(huán)境惡劣是導致其使用壽命短的主因。需改善其高溫耐腐蝕性能，可將上溜槽由整體99#澆筑料澆灌式改進為使用“U”型碳化硅型磚砌筑，“U”型碳化硅型磚與鋼殼的間隙采用28#輕質(zhì)保溫料澆注，可大幅提升上溜槽的耐火性能，顯著改善爐口連接部位燒蝕現(xiàn)象。但使用碳化硅材料砌筑后，仍存在保溫性能下降、上溜槽變形量大等新問題，必須加強對上溜槽使用的過程監(jiān)控。應(yīng)及時焊接加固開裂法蘭，更換斷裂螺桿，以避免發(fā)生停爐事故。碳化硅溜槽，如圖5所示。

圖5 碳化硅溜槽

3 結(jié)語

生產(chǎn)實踐表明，針對SCR銅桿生產(chǎn)線豎爐系統(tǒng)故障進行分析及優(yōu)化改進是成功的。優(yōu)化改進后，該系統(tǒng)熔銅速率高，故障率低，爐況穩(wěn)定性好，社會經(jīng)濟效益顯著。

(1)豎爐熔銅速率高。該系統(tǒng)故障少，有效作業(yè)率高，可實現(xiàn)豎爐熔煉的高效能。

(2)銅桿一、二級品率高。銅液渣況良好，可保證連續(xù)供給連鑄連軋澆注機的銅液質(zhì)量合格穩(wěn)定，銅桿產(chǎn)品夾雜、斷線等缺陷少，質(zhì)量投訴少。

(3)豎爐爐齡長。目前，SCR3000豎爐使用30個月仍未產(chǎn)生磚體剝裂、掉磚，豎爐長高、傾斜等問題，豎爐損耗小，安全可靠性高。

(4)上溜槽使用壽命長。其平均使用壽命已由3個月提升至12個月以上。優(yōu)化改進后，其在線更換難度小，可大量節(jié)省人工更換溜槽的投入。

(5)成本能耗低。2017年修爐以來，天然氣噸銅能耗下降了1.2 m3，能源利用率高。

(6)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境改善明顯。爐口不堵塞，安全隱患小，無重大生產(chǎn)、安全事故發(fā)生。

因豎爐爐體修筑周期未到，部分優(yōu)化改進方案未實施，如選用氮化硅材質(zhì)耐火磚、重新設(shè)計燒嘴型磚等，待以上方案全部實施后，必將實現(xiàn)SCR豎爐的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。