銅冶煉大型底吹爐爐體檢修探索與轉(zhuǎn)爐操作優(yōu)化

梁高喜

（1.河南省黃金資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 三門峽 472000；2.河南中原黃金冶煉廠有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472000；3.河南省綜合利用工程技術(shù)研究中心，河南 三門峽 472000）

0 前言

富氧底吹熔池熔煉工藝具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、熔煉強(qiáng)度高、熱效率高、可實(shí)現(xiàn)自熱熔煉、易于操作、生產(chǎn)安全性高、不易產(chǎn)生泡沫渣等優(yōu)點(diǎn)，是目前火法銅冶煉最為先進(jìn)的技術(shù)之一[1]，近年來得到了較好的發(fā)展和推廣應(yīng)用。某冶煉廠于2015 年6 月投料試車，于2016 年9 月挖補(bǔ)氧槍區(qū)域耐火磚，然后又于2017 年9 月整體大修更換耐火磚，再于2019 年5 月挖補(bǔ)渣線區(qū)耐火磚。由于使用的底吹爐是目前世界上規(guī)格最大的底吹爐(Φ5.8 m×30 m)，沒有相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，導(dǎo)致出現(xiàn)一些沒有預(yù)料到的檢修問題。大修期間，通過統(tǒng)計(jì)不同區(qū)域耐火磚的侵蝕情況，分析氧槍壓力、爐溫等因素對(duì)爐體侵蝕的影響，探索出一套使大型底吹爐能夠合理運(yùn)行的參數(shù)，為底吹熔煉爐的持續(xù)改進(jìn)提供了一定的技術(shù)支持；同時(shí)，就轉(zhuǎn)爐操作中需要注意的問題進(jìn)行了介紹，并提出優(yōu)化措施，以確保底吹爐的安全運(yùn)行。

1 爐體侵蝕情況及解決方案

1.1 耐火磚使用情況

1.1.1 端墻區(qū)域

爐體端墻耐火磚使用了2 年3 個(gè)月，原始長(zhǎng)度為600 mm。檢修發(fā)現(xiàn)，渣口端墻外圈的耐火磚寬約1 m，磚長(zhǎng)為550 mm，沿圓心方向，耐火磚逐漸變短至500 mm；在圓心位置，耐火磚最短，為420 mm。渣口端墻耐火磚的平均長(zhǎng)度為465 mm，最短位置為北渣口周圍，此處的耐火磚長(zhǎng)350～380 mm，副燒嘴周圍的耐火磚長(zhǎng)350 mm。銅口端墻的耐火磚整體較為平整，外圈的耐火磚最長(zhǎng)為560 mm，沿端墻圓心方向，耐火磚逐漸變短至500 mm；在圓心位置，耐火磚最短為450 mm；西端墻的耐火磚平均長(zhǎng)度為520 mm。

由此可見，爐體端墻的耐火磚整體侵蝕情況并不嚴(yán)重，渣口區(qū)域的耐火磚燒蝕情況稍嚴(yán)重，整體運(yùn)行良好。

1.1.2 筒體區(qū)域

氧槍區(qū)域的耐火磚分為氧氣座磚和圍磚，其中座磚原長(zhǎng)550 mm，拆卸下來后檢測(cè)磚長(zhǎng)度為290～360 mm，可以在日常點(diǎn)檢過程中進(jìn)行熱態(tài)更換；氧槍區(qū)域的圍磚原長(zhǎng)425 mm，拆卸下來后檢測(cè)長(zhǎng)度為220～360 mm，平均磚長(zhǎng)為300 mm，如圖1 所示。

圖1 氧槍區(qū)域圍磚樣品

渣線區(qū)域的耐火磚普遍偏短，平均長(zhǎng)度為200 mm，如圖2 所示。

下料口煙氣沖刷區(qū)的耐火磚整體較短，長(zhǎng)度為170～210 mm，說明煙氣沖刷現(xiàn)象較為嚴(yán)重，如圖3所示。

圖2 渣線區(qū)域爐磚樣品

圖3 下料口區(qū)域爐磚樣品

由此可見，相較于其他部位，底吹熔煉爐的氧槍區(qū)域、渣線區(qū)域和下料口區(qū)域的耐火磚侵蝕情況較為嚴(yán)重，侵蝕速度較快。這些區(qū)域的耐火磚壽命決定了底吹爐的使用壽命。

1.2 降低耐火磚燒蝕程度的具體措施及效果

1.2.1 具體措施

1.2.1.1 控制氧氣壓力和空氣壓力

如果氧氣壓力和空氣壓力過低，容易造成熔體灌槍，堵塞槍頭，引起氧氣偏燒等問題，進(jìn)一步造成氧槍磚燒蝕；如果氧氣壓力和空氣壓力過高，會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)熔體劇烈翻滾，加速對(duì)爐襯的沖刷，所以高壓力也不可取。生產(chǎn)實(shí)踐中，一般控制氧氣壓力和空氣壓力在0.5～0.7 MPa。

1.2.1.2 控制爐溫、渣型和銅锍品位

爐溫過高會(huì)加速爐磚的侵蝕，所以在保證反應(yīng)和渣流動(dòng)性的前提下，應(yīng)盡可能降低爐溫。一般情況下，建議控制爐溫為1 150～1 180 ℃，最高不超過1 200 ℃。

底吹熔煉渣通常為FeO-SiO2二元渣系，對(duì)鉻鎂磚的侵蝕并不嚴(yán)重。通過控制合適的Fe/SiO2，一般為1.6～1.8，既可保證熔煉渣具有較好的流動(dòng)性，又可保證產(chǎn)生足夠的Fe3O4掛渣，保護(hù)爐襯。

銅锍品位的控制一般建議不超過75%，否則爐內(nèi)會(huì)發(fā)生部分銅锍吹煉反應(yīng)，產(chǎn)出的銅液流動(dòng)性極佳，極易堵塞氧槍，造成氧槍和氧槍磚燒蝕[2]。

1.2.1.3 制定合適的點(diǎn)檢制度

定期進(jìn)行轉(zhuǎn)爐點(diǎn)檢，檢查“蘑菇頭”生長(zhǎng)情況、氧槍燒損情況和氧槍磚燒損情況。保持氧槍處于良好的工作狀態(tài)，有助于延長(zhǎng)氧槍區(qū)域爐磚的使用壽命。氧槍磚可以定期進(jìn)行挖補(bǔ)熱換，當(dāng)氧槍磚燒蝕嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換，以保護(hù)該區(qū)域其他爐磚的使用。

1.2.2 實(shí)施效果

某冶煉廠的第一個(gè)爐期大約為2 年，由于試生產(chǎn)期間爐況控制存在較大問題，爐磚沖刷現(xiàn)象比較嚴(yán)重。第二個(gè)爐期(自2017 年11 月到2019 年5月)，底吹爐連續(xù)運(yùn)行了18 個(gè)月，大修時(shí)檢查測(cè)量氧槍磚長(zhǎng)度發(fā)現(xiàn)，采取上述措施后，爐磚侵蝕速度大幅減慢，最嚴(yán)重的侵蝕約80 mm(氧槍磚原長(zhǎng)550 mm)；渣線區(qū)侵蝕速度已經(jīng)由原來的每月18 mm降至每月9 mm，氧槍區(qū)域圍磚侵蝕速度由每月11 mm降到每月2 mm。

2 轉(zhuǎn)爐過程優(yōu)化

2.1 轉(zhuǎn)爐過程存在問題

底吹熔煉爐與其他熔煉爐型相比，最大的一個(gè)特點(diǎn)是開車和停車過程需要轉(zhuǎn)動(dòng)爐子，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°～75°，個(gè)別單排氧槍布局的底吹爐能轉(zhuǎn)動(dòng)90°。爐子每轉(zhuǎn)動(dòng)一次大約需要60 s，轉(zhuǎn)爐過程是現(xiàn)場(chǎng)狀況及爐況變化最大的時(shí)期，容易造成突發(fā)事故，如現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡化、尾氣超標(biāo)、結(jié)焦脫落卡住膜式壁、氧槍堵塞等問題。因此，控制好轉(zhuǎn)爐過程對(duì)爐子運(yùn)行安全和環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。

此外，某冶煉廠試生產(chǎn)期間，每次轉(zhuǎn)爐操作幾乎都會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)低空環(huán)境污染、尾氣粉塵和二氧化硫含量嚴(yán)重超標(biāo)。針對(duì)這種情況，通過研究轉(zhuǎn)爐過程中每處細(xì)節(jié)，并制定轉(zhuǎn)爐優(yōu)化措施，基本杜絕了轉(zhuǎn)爐過程中異常情況的出現(xiàn)。

2.2 轉(zhuǎn)爐優(yōu)化措施

2.2.1 氧槍壓力控制

在轉(zhuǎn)爐過程中，為防止氧槍倒灌或堵塞，氧槍的氧氣壓力和空氣壓力需要設(shè)定一個(gè)壓力下限。

根據(jù)液體壓強(qiáng)計(jì)算公式p=ρgh，熔體密度ρ取銅锍密度值5 000 kg/m3，熔體深度h取正?？傄好娓叨?.15 m，重力加速度g取9.8 N/kg，于是生產(chǎn)位爐體底部壓強(qiáng)p=5 000×9.8×2.15=105.35 kPa≈0.1 MPa。

計(jì)算結(jié)果表明，只要氧槍出口壓力高于0.1 MPa，即可防止氧槍倒灌。實(shí)際生產(chǎn)中，為了保證氧槍出口不接觸熔體，一般控制氧槍出口壓力不低于0.25 MPa，這樣既可以減少轉(zhuǎn)爐過程中的煙氣產(chǎn)生量，又可保障氧槍不被熔體堵塞或倒灌。

2.2.2 轉(zhuǎn)爐過程操作

轉(zhuǎn)爐過程操作分為轉(zhuǎn)入操作和轉(zhuǎn)出操作。

2.2.2.1 轉(zhuǎn)入操作控制

爐子轉(zhuǎn)入必須有計(jì)劃性地進(jìn)行操作。爐子轉(zhuǎn)入前，應(yīng)仔細(xì)檢查相關(guān)輔助系統(tǒng)，包括制酸系統(tǒng)、鍋爐和電收塵系統(tǒng)是否具備條件、上升煙道下部有沒有結(jié)焦塊卡膜式壁和爐口、氧槍試漏是否正常、環(huán)集系統(tǒng)閥門調(diào)整是否到位、爐前崗位工是否就位等。在爐子轉(zhuǎn)入過程中，應(yīng)嚴(yán)格按表1 控制氧槍壓力，同時(shí)環(huán)集煙氣蝶閥只打開副煙道閥門，才可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)入過程車間無煙氣逸散[3]。

表1 轉(zhuǎn)入過程爐子角度與氧槍壓力控制對(duì)照表

2.2.2.2 轉(zhuǎn)出操作控制

底吹爐轉(zhuǎn)出操作分為計(jì)劃轉(zhuǎn)出(計(jì)劃停爐)和突發(fā)緊急轉(zhuǎn)出(突發(fā)停爐)兩種情況。

1)計(jì)劃轉(zhuǎn)出一般是有計(jì)劃地進(jìn)行停爐檢修或處理一些突發(fā)情況，也分為一般情況和相對(duì)緊急情況，需要主控和作業(yè)長(zhǎng)根據(jù)具體情況進(jìn)行判斷。

接到轉(zhuǎn)出停爐指令后，應(yīng)做好以下準(zhǔn)備工作：提起下料斗、拉起爐口活動(dòng)門(一個(gè)安裝在膜式壁最下端用于清理結(jié)焦的裝置)清理結(jié)焦、調(diào)整指標(biāo)(一般包括適當(dāng)提溫、優(yōu)化渣型、降低總液面等)、堵上渣口銅口、適當(dāng)提高系統(tǒng)負(fù)壓等。待準(zhǔn)備工作落實(shí)到位后，主控下達(dá)轉(zhuǎn)出指令，并按表2 控制氧槍壓力，同時(shí)環(huán)集煙氣蝶閥只打開副煙道閥門，才可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)出過程車間無煙氣逸散[4]。

表2 轉(zhuǎn)出過程爐子角度與氧槍壓力控制對(duì)照表

2)突發(fā)緊急轉(zhuǎn)出是為了保護(hù)核心工藝設(shè)備安全，防止出現(xiàn)重大工藝設(shè)備事故或安全環(huán)保事故而進(jìn)行的必須在2 min 內(nèi)將爐子轉(zhuǎn)出的非正常操作。

一般情況下，如發(fā)生以下事故，需要執(zhí)行突發(fā)緊急轉(zhuǎn)出：一是底吹熔煉系統(tǒng)出現(xiàn)重大設(shè)備突發(fā)故障，如氧槍失壓、鍋爐斷水、鍋爐循環(huán)泵跳停無法啟動(dòng)、鍋爐爆管失壓、爐子放冰銅口水套燒漏放炮、高溫風(fēng)機(jī)跳停無法啟動(dòng)導(dǎo)致爐內(nèi)煙氣逸出、全廠停電或核心生產(chǎn)區(qū)域停電等；二是制酸系統(tǒng)突發(fā)故障，如水封抽空，凈化一級(jí)洗滌泵、干吸泵、HRS 泵、SO2風(fēng)機(jī)、環(huán)保風(fēng)機(jī)等設(shè)備跳停無法立即啟動(dòng)。

接到緊急轉(zhuǎn)爐指令后，離轉(zhuǎn)爐控制柜最近的崗位工、班長(zhǎng)或作業(yè)長(zhǎng)立即拉響轉(zhuǎn)爐控制柜前的警報(bào)，同時(shí)打開轉(zhuǎn)爐按鈕。主控在傳達(dá)緊急轉(zhuǎn)爐指令的同時(shí)立即調(diào)整氧槍壓力。

2.2.3 轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)優(yōu)化改造

除了在轉(zhuǎn)爐過程中加強(qiáng)管理控制外，為進(jìn)一步減少轉(zhuǎn)爐過程中冒煙現(xiàn)象的發(fā)生或避免引發(fā)其他設(shè)備故障，對(duì)爐子出煙口的銅水套及最下端膜式壁與爐殼的間距進(jìn)行了優(yōu)化改造。

2.2.3.1 改造爐子出煙口的銅水套

將銅水套改為內(nèi)襯不銹鋼銅水套，以提高水套強(qiáng)度和耐沖刷性能；同時(shí)優(yōu)化調(diào)整銅水套內(nèi)部冷卻水管的走向和出口布局，以增強(qiáng)冷卻效果和減少轉(zhuǎn)爐過程中因結(jié)焦脫落砸壞冷卻水管接頭的幾率。

2.2.3.2 調(diào)整膜式壁與爐殼的間距

將其中一塊膜式壁的高度縮短200 mm，即北側(cè)最下端膜式壁(轉(zhuǎn)爐過程中出煙口經(jīng)過此膜式壁)與爐殼的間距由原設(shè)計(jì)的350 mm 提高至550 mm，增大轉(zhuǎn)爐過程中煙氣經(jīng)過的上升煙道的截面積，使轉(zhuǎn)爐時(shí)大部分煙氣仍可通過余熱鍋爐電收塵進(jìn)入制酸系統(tǒng)，小部分進(jìn)入環(huán)集系統(tǒng)，尾氣指標(biāo)控制得到顯著改善。由于縮短了膜式壁，為防止生產(chǎn)位爐口與膜式壁的間隙過大，在爐子出煙口下側(cè)安裝了高度為300 mm 的銅水套，以確保爐子轉(zhuǎn)入后不存在間隙，防止冒煙情況的發(fā)生[5]。

3 結(jié)束語

底吹熔煉爐的氧槍區(qū)域、渣線區(qū)域和爐口區(qū)域的耐火磚壽命決定了爐子的使用壽命。氧氣壓力和空氣壓力、爐溫、銅锍品位等是影響爐體侵蝕速度的重要因素。生產(chǎn)實(shí)踐中，一般氧氣壓力和空氣壓力控制在0.5～0.7 MPa，爐溫控制在1 150～1 180 ℃，F(xiàn)e/SiO2控制為1.6～1.8，銅锍品位的控制一般建議不超過75%。采取上述措施后，爐磚的燒蝕速度大幅減慢。另外，進(jìn)行底吹爐轉(zhuǎn)爐作業(yè)前，要對(duì)爐體進(jìn)行安全檢查，確保轉(zhuǎn)爐過程中不會(huì)發(fā)生設(shè)備安全事故，同時(shí)為最大限度降低煙氣逸散，氧氣壓力和空氣壓力需隨轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化及時(shí)調(diào)整。