新型旋浮吹煉爐的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李 棟

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038）

0 引言

2015年投產(chǎn)的河南中原黃金冶煉廠整體搬遷升級(jí)改造工程,以銅作為載體富集金、銀等貴金屬,即冶煉常說的“造锍捕金”,設(shè)計(jì)年處理含銅及貴金屬原料150萬t,分兩期實(shí)現(xiàn),其火法冶煉工藝創(chuàng)新性地選擇了底吹熔煉、旋浮吹煉、回轉(zhuǎn)陽極精煉的組合形式,其中旋浮吹煉系因采用了祥光銅業(yè)的“旋浮吹煉噴嘴”[1]及工藝包而得名。旋浮吹煉技術(shù)的核心設(shè)備是一臺(tái)“旋浮吹煉爐”及“旋浮吹煉噴嘴”,經(jīng)詳細(xì)計(jì)算及模擬,旋浮吹煉爐核心部件反應(yīng)塔的設(shè)計(jì)規(guī)格為Φ4.5 m×6.2 m。經(jīng)過近70年的傳承與沉淀,中國恩菲在有色冶金爐的設(shè)計(jì)方面享譽(yù)海內(nèi)外,業(yè)主方為了使該技術(shù)能夠一次性地成功投用,選擇了“旋浮吹煉噴嘴”的擁有者——祥光銅業(yè)和有色冶金爐設(shè)計(jì)的強(qiáng)者——中國恩菲,共同完成該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。旋浮吹煉爐爐體由中國恩菲進(jìn)行設(shè)計(jì),針對(duì)該冶煉技術(shù)的特點(diǎn),中國恩菲結(jié)合銅冶煉技術(shù)與裝備的前沿發(fā)展,基于自身對(duì)冶金爐的技術(shù)沉淀和擁有的核心專長,優(yōu)化、創(chuàng)新設(shè)計(jì)了該項(xiàng)目的旋浮吹煉爐。本文介紹了旋浮吹煉爐的設(shè)計(jì)特點(diǎn),以及旋浮吹煉爐的生產(chǎn)應(yīng)用情況。

1 旋浮吹煉爐設(shè)計(jì)

1.1 旋浮吹煉工藝

Φ4.5 m×6.2 m旋浮吹煉爐用于將前段底吹熔煉爐產(chǎn)出的高品位銅锍吹煉成粗銅。旋浮吹煉爐由反應(yīng)塔、沉淀池和上升煙道組成。磨碎烘干后的銅锍及造渣熔劑通過安裝在反應(yīng)塔頂?shù)男〈禑拠娮靽娙敕磻?yīng)塔中,在鼓入富氧空氣的脈動(dòng)旋流作用下,物料和富氧空氣在高溫反應(yīng)塔內(nèi)充分混合,多次碰撞發(fā)生快速劇烈的反應(yīng),生成金屬銅及氧化鐵、磁性鐵、氧化亞銅等[2]。落入沉淀池內(nèi)通過交互反應(yīng),完成造渣、造銅并澄清分離；粗銅由銅口放入陽極爐精煉；爐渣由渣口放出,?；笤俜祷氐状等蹮挔t。煙氣經(jīng)上升煙道進(jìn)入余熱鍋爐回收余熱,經(jīng)降溫除塵后送制酸系統(tǒng)。

粗銅為液態(tài)金屬,粘度小、具有滲透性強(qiáng)的特點(diǎn)。吹煉采用了鐵酸鈣、鐵酸銅渣型,該渣型的特點(diǎn)是對(duì)鎂質(zhì)耐火材料具有很強(qiáng)的腐蝕性,在過熱溫度較高時(shí),爐渣粘度大幅度降低,極易發(fā)生滲漏。

1.2 旋浮吹煉爐設(shè)計(jì)難點(diǎn)

(1)解決反應(yīng)塔持續(xù)高溫、高熱強(qiáng)度及爐渣對(duì)耐火材料沖刷侵蝕的問題。

(2)解決反應(yīng)塔下部的沉淀池由于交互反應(yīng),耐火材料壽命短的問題。

(3)爐體結(jié)構(gòu)上要解決防止粗銅滲漏的問題。

因此爐體的設(shè)計(jì)必須能適應(yīng)它的工作條件,滿足冶煉工藝的要求,才能夠安全生產(chǎn),長周期連續(xù)運(yùn)行。

1.3 旋浮吹煉爐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

圖1為Φ4.5 m×6.2 m旋浮吹煉爐簡(jiǎn)圖；圖2為Φ4.5 m×6.2 m旋浮吹煉爐三維圖。Φ4.5 m×6.2 m旋浮吹煉爐爐體具有如下顯著特點(diǎn)。

圖1 Φ4.5 m×6.2 m旋浮吹煉爐簡(jiǎn)圖

圖2 Φ4.5 m×6.2 m旋浮吹煉爐三維圖

1.3.1 反應(yīng)塔

吹煉過程的主要反應(yīng)都在反應(yīng)塔內(nèi)進(jìn)行。由于采用了旋浮噴嘴,物料與富氧空氣的混合更為迅速、均勻,反應(yīng)塔內(nèi)溫度高且分布均勻、整體熱強(qiáng)度大,再加上爐料和氣流沖刷,為保證其壽命,除采用優(yōu)質(zhì)鎂鉻磚砌筑外,反應(yīng)塔還采用了特殊設(shè)計(jì)的全水套包覆結(jié)構(gòu)。

反應(yīng)塔為豎式圓筒形,內(nèi)徑4.5 m,內(nèi)高6.2 m。反應(yīng)塔頂設(shè)置吊掛鑲磚銅水套,水套內(nèi)面帶楔形槽,楔形槽內(nèi)鑲掛耐火磚,加大冷卻強(qiáng)度的同時(shí),解決了吊掛磚鉤容易被漏料腐蝕的問題。塔身最上部設(shè)置有特殊設(shè)計(jì)的倒T形水套,解決了通常此處冷卻強(qiáng)度不夠的難題。塔身中上部為多層環(huán)形結(jié)構(gòu)聯(lián)接而成,每層有獨(dú)立的特殊設(shè)計(jì)的“E”形銅水套,這些水套共用整體的支撐鋼結(jié)構(gòu),“E”形水套齒內(nèi)鑲砌耐火磚,冷卻效果更為立體。反應(yīng)塔下部是沖刷最為嚴(yán)重的區(qū)域,采用高度約1.8 m的吊掛齒形水套,齒形水套齒內(nèi)鑲砌耐火磚,受煙氣沖刷的半圈齒形水套在下部表面噴涂了耐磨、耐高溫合金,增加了此區(qū)域齒形水套的抗沖刷磨損的能力。反應(yīng)塔所有冷卻水套固定結(jié)構(gòu)牢靠、不易變形。

反應(yīng)塔在確定了整體水套方案的前提下,通過模擬分析計(jì)算,以上所有的水套應(yīng)采用熱導(dǎo)率高的純銅水套,反應(yīng)塔水套形狀復(fù)雜,考慮實(shí)用以及經(jīng)濟(jì)性因素,最終設(shè)計(jì)采用純銅鑄造水套。

全水套反應(yīng)塔的創(chuàng)新設(shè)計(jì)以及這些新型水冷元件的開發(fā),提高了冷卻效果,保證了爐襯的壽命,能夠滿足旋浮吹煉技術(shù)強(qiáng)化冶煉的要求。

反應(yīng)塔采用單獨(dú)支撐結(jié)構(gòu),支撐結(jié)構(gòu)位于塔身上部,獨(dú)立于爐體的其它結(jié)構(gòu),塔身處于懸吊狀態(tài),一方面可以向下自由膨脹,同時(shí)吸收安裝偏差；另一方面旋浮噴嘴產(chǎn)生的動(dòng)載荷由反應(yīng)塔支撐單獨(dú)吸收,不會(huì)傳遞給爐體的其它部分。

1.3.2 上升煙道結(jié)構(gòu)

上升煙道為長方形結(jié)構(gòu),由兩側(cè)墻、端墻、喉口部斜墻、上升煙道頂和出煙口裝置構(gòu)成。長方形的斷面結(jié)構(gòu),一方面砌筑施工方便,另一方面清理粘結(jié)比較容易。

上升煙道采用上部獨(dú)立懸吊的結(jié)構(gòu)形式,整個(gè)上升煙道重量由吊桿吊在承重梁上。與整體配置相結(jié)合,煙道的出口方向與整個(gè)爐體煙氣的走向一致,保證煙氣流通順暢,能夠緩解煙氣的沖刷。

兩側(cè)墻、端墻下部是齒形水套,用以抵抗煙氣進(jìn)入上升煙道時(shí)的沖刷,上部設(shè)有若干層平水套,在冷卻墻磚的同時(shí)還能起到一定的托磚作用。

上升煙道頂為耐火澆注料整體澆注結(jié)構(gòu),采用鋼板夾持銅水套梁做骨架,整澆上升煙道頂,對(duì)煙氣的密封性比吊掛磚結(jié)構(gòu)大大增強(qiáng)。同時(shí)特殊的煙道頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得煙道頂只能背向出煙口側(cè)膨脹,不會(huì)對(duì)余熱鍋爐側(cè)產(chǎn)生影響。

上升煙道的出煙口裝置由門形水套、人字形水套和1塊蓋板水套以及其固定裝置構(gòu)成,水套本身經(jīng)特殊設(shè)計(jì),冷卻效果好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,壽命長,易于維護(hù),方便清理出煙口附近的粘結(jié)物。岀煙口水套要承受煙氣、煙塵的沖刷,要經(jīng)受經(jīng)常清理粘結(jié)物的機(jī)械沖擊,工作條件十分惡劣,所以除采用了合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以外,還選擇了致密度更高、強(qiáng)度和韌性更好、更耐沖刷的軋制紫銅板鉆孔水套。

考慮到檢修、維護(hù),上升煙道頂設(shè)計(jì)了副煙道,側(cè)墻則設(shè)計(jì)了若干人孔門和觀察孔,觀察孔還可以作為清理結(jié)焦的燃燒器孔使用。

1.3.3 沉淀池

沉淀池渣線長度～19 m,渣線寬度～5.5 m,熔池深度0.95 m,上部爐膛高度0.9 m,爐底厚度0.76 m。沉淀池采用了整體彈性骨架結(jié)合倒梯形斜爐墻的結(jié)構(gòu)。

沉淀池爐墻仍采用向外傾斜10度的斜爐墻,這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,有利于磚體的膨脹,解決了直墻爐襯向內(nèi)傾倒、爐襯貼不緊冷卻元件影響水套冷卻效果這兩個(gè)關(guān)鍵問題,使?fàn)t襯壽命大大延長。爐體骨架的整體彈性結(jié)構(gòu),可保持爐體各階段耐火材料襯里在橫豎方向的壓力,確保耐火磚之間接縫緊密,從而最大限度減少了熔體的浸入,保證了爐體的完整性,有效延長了爐體使用壽命[3-5]。

(1)骨架結(jié)構(gòu)

整體彈性骨架結(jié)構(gòu)由底梁、立柱、上下夾持梁、拉桿、彈簧組成,下層底梁和上層弧形底梁只承受沉淀池及熔體的重量,單獨(dú)設(shè)計(jì)直通的縱向拉桿和橫向拉桿,承受爐體的夾緊力。拉桿通過整根的夾持梁夾緊立柱,夾持梁達(dá)到了平衡和保持爐體同步膨脹的作用。在開爐和運(yùn)行過程中,通過計(jì)算對(duì)彈簧進(jìn)行調(diào)節(jié),保證骨架對(duì)磚體的夾緊力在合理的范圍內(nèi),既能保證磚體的均勻擠緊狀態(tài),又能保證磚體不會(huì)受力過大,控制爐體能夠均勻膨脹。上下夾持梁、底梁和拉桿之間分工明確、功能不重疊。

整體彈性骨架中的關(guān)鍵部件是彈簧,所有彈簧均采用特殊設(shè)計(jì)的截錐蝸卷彈簧,具有特殊的性能曲線,可滿足爐體夾緊力及夾緊力計(jì)量要求。

(2)水冷結(jié)構(gòu)

沉淀池用于承載反應(yīng)塔落下的熔體,進(jìn)一步完成反應(yīng)并沉降分離熔體。沉淀池爐墻容易受高溫熔體的沖刷腐蝕,尤其是反應(yīng)塔下方的沉淀池側(cè)墻和端墻則更為嚴(yán)重,因此在爐墻渣線以上全部采用特殊設(shè)計(jì)的“E”水套冷卻,“E”形水套不僅冷卻強(qiáng)度大,而且可承托磚體,即使在耐火磚因沖刷腐蝕嚴(yán)重而全部脫落的情況下,也可以靠E形水套齒間的掛渣來保護(hù)爐體結(jié)構(gòu),維持爐體的正常生產(chǎn)。

渣線及以下熔池部分,由于粗銅容易與純銅水套起化學(xué)反應(yīng),因此整圈采用銅鋼復(fù)合水套冷卻,銅鋼復(fù)合水套由2層鋼板、1層銅板復(fù)合而成,靠爐內(nèi)側(cè)為耐熱不銹鋼,中間為銅板,靠爐殼側(cè)為普碳鋼,銑出的水路朝向爐外。圖3為該水套的實(shí)物照片。銅鋼復(fù)合水套靠爐內(nèi)側(cè)的耐熱不銹鋼層可以有效地抵御滲透到此的粗銅侵蝕,并使其凝固。銅鋼復(fù)合水套緊貼爐殼,向下延伸到爐底板并直接由爐底板支撐,不僅冷卻了爐底工作層磚,還冷卻了爐底安全層磚,確保了拱腳薄弱環(huán)節(jié)的安全。銅鋼復(fù)合水套互相之間采用了凹凸榫卯的搭接設(shè)計(jì),避免了由水套之間預(yù)留安裝間隙所帶來的熔體滲漏的隱患,實(shí)現(xiàn)了對(duì)熔池區(qū)域爐墻耐火磚的全冷卻保護(hù)；同時(shí),水套的搭接設(shè)計(jì)考慮了立水套安裝及拆卸的便利性。

圖3 銅鋼復(fù)合水套實(shí)物照片

銅鋼復(fù)合水套,其銅和鋼的復(fù)合面采用的是爆破復(fù)合技術(shù),復(fù)合后交界面呈現(xiàn)相互咬合的鋸齒狀,結(jié)合強(qiáng)度高,且結(jié)合異常緊密,所以銅鋼復(fù)合水套的導(dǎo)熱性能和機(jī)械強(qiáng)度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鑲嵌式銅鋼水套。鑲嵌式銅鋼水套為銅水套熱面開槽,將加工好的不銹鋼條插入槽內(nèi),由于加工預(yù)留間隙的存在,這種水套銅鋼結(jié)合疏松、冷卻效果差、安全性能差、使用壽命短。

在反應(yīng)塔和上升煙道之間的沉淀池爐頂采用了拱頂結(jié)構(gòu),拱頂間隔布置吊掛銅水套梁,水套梁之間是吊掛磚,吊掛銅水套起冷卻吊掛磚的作用,冷卻強(qiáng)度好,并防止磚的軸向移動(dòng)。從反應(yīng)塔過來的煙氣流至拱頂時(shí),由于截面積的增大會(huì)有一定的減速,這有利于煙塵的降低,同時(shí)拱頂對(duì)于煙氣的密封性來說也比較好。沉淀池爐頂中,反應(yīng)塔周圍和上升煙道周圍設(shè)置了一定的平頂區(qū)域,采用吊掛鑲磚銅水套,楔形槽內(nèi)鑲掛耐火磚,以防止煙氣對(duì)這兩個(gè)區(qū)域的沖刷而損壞。

(3)爐底冷卻

為了防止粗銅滲漏,弧形的爐底板下利用與上層底梁之間的間隙設(shè)計(jì)了通風(fēng)夾套,采用了強(qiáng)制鼓風(fēng)冷卻。

設(shè)3臺(tái)額定風(fēng)量為8萬m3/h的鼓風(fēng)機(jī),兩開一備,對(duì)爐底強(qiáng)制鼓風(fēng)冷卻。實(shí)踐證明,相對(duì)于吸風(fēng)冷卻來說,鼓風(fēng)冷卻效率高、風(fēng)道不積灰、穩(wěn)定性好、安全性高。

1.3.4 冷卻水系統(tǒng)

為滿足強(qiáng)化冶煉的工藝要求,旋浮吹煉爐爐體設(shè)計(jì)了大量的水套,銅水套共362塊,進(jìn)出水點(diǎn)約472個(gè)。水套的大量使用,潛藏有斷水、漏水,甚至發(fā)生重大事故的危險(xiǎn),所以必須配套可靠完整的供水、檢測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)。

為保證供水安全,設(shè)置了兩套獨(dú)立的供水系統(tǒng),但共用同一回水系統(tǒng),兩系統(tǒng)冷水泵互為備用。爐體排出的冷卻回水自流到熱水池,經(jīng)熱水泵加壓送到冷卻塔進(jìn)行冷卻。冷水自流到冷水池,經(jīng)冷水泵加壓到主廠房屋頂保安水箱,由保安水箱自流供給各爐體水套使用。保安水箱可存儲(chǔ)約10 min的爐體保安水量。同樣為保證爐體供水安全,設(shè)冷、熱水柴油機(jī)保安水泵各2臺(tái),事故時(shí)可保證爐體80%的循環(huán)用水量。

銅水套的出水管路設(shè)有水溫檢測(cè),通過檢測(cè)出水溫度的變化,可了解該區(qū)域冷卻強(qiáng)度的變化,進(jìn)而判斷耐火材料的侵蝕情況,在必要時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.3.5 耐火材料

旋浮吹煉爐磚體由RHI設(shè)計(jì),ENFI轉(zhuǎn)化。耐材進(jìn)口部分主要包括:爐底工作層、四面爐墻、反應(yīng)塔筒身,其他部分全部采用國產(chǎn)磚。

1.3.6 其他技術(shù)

旋浮吹煉爐爐體設(shè)計(jì)中還采用了一些加強(qiáng)對(duì)爐體的膨脹和受力進(jìn)行監(jiān)控的自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)。

(1)在爐體周圍安裝了能夠連續(xù)檢測(cè)爐體膨脹的儀器,實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)控,大大降低了人工測(cè)量爐體膨脹的工作量和誤差,提高了數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性；

(2)對(duì)部分彈簧加裝長度檢測(cè)顯示器,減少了開爐初期頻繁調(diào)整彈簧階段人工測(cè)量的工作強(qiáng)度和誤差。

2 旋浮吹煉爐投產(chǎn)運(yùn)行情況

2.1 首爐期運(yùn)行情況

2015年7月15 日旋浮吹煉爐開始烘爐,8月22日投料,次日順利產(chǎn)出吹煉渣和粗銅,并于當(dāng)日達(dá)到冰銅投料量45 t/h的設(shè)計(jì)指標(biāo)。2017年10月二期工程開始,設(shè)計(jì)冰銅投料量為75 t/h。旋浮吹煉爐首爐期運(yùn)行了26個(gè)月,因二期工程對(duì)接主動(dòng)停爐檢修。

檢修時(shí)發(fā)現(xiàn),反應(yīng)塔內(nèi)部的磚體雖然已經(jīng)所剩無幾,但是掛渣層非常穩(wěn)定,并且所有的水套也完好無損。因此決定,本次檢修不更換反應(yīng)塔內(nèi)部的任何耐火材料。沉淀池爐體膨脹控制良好,爐體橫向兩側(cè)合計(jì)膨脹～20 mm,爐體縱向兩端合計(jì)膨脹～40 mm。若非粗銅口配置的調(diào)整需要,爐底工作層磚甚至都可以不更換。圖4為檢修時(shí)拍攝的吹煉爐爐體掛渣照片和反應(yīng)塔周邊爐頂燕尾槽水套掛渣照片,顯示爐襯侵蝕平衡,掛渣穩(wěn)定。

圖4 檢修時(shí)拍攝的吹煉爐爐體掛渣照片和反應(yīng)塔周邊爐頂燕尾槽水套掛渣照片

2.2 第二爐期運(yùn)行情況

停爐檢修期間對(duì)旋浮吹煉爐爐體結(jié)構(gòu)的改動(dòng)不多,主要有如下幾點(diǎn):

(1)1#放銅口放棄使用；

(2)2#放銅口改為放空口；

(3)3#、4#、6#、7#放銅口高度降低100 mm；

(4)5#放空口改為正常放銅口,與3#、4#、6#、7#高度相同；

(5)在上升煙道端墻上新增一個(gè)8#放銅口,與3#、4#、6#、7#高度相同。

二期工程投入運(yùn)行之后,旋浮吹煉爐也同時(shí)進(jìn)入了第二爐期,至今又安全、穩(wěn)定運(yùn)行超過三年,冰銅處理量穩(wěn)定維持在～75 t/h。表1為旋浮吹煉爐一期與二期的典型運(yùn)行數(shù)據(jù)。

表1 旋浮吹煉爐一期與二期的典型運(yùn)行數(shù)據(jù)

3 總結(jié)

旋浮吹煉爐是中國恩菲總結(jié)綜合幾十年大型冶金爐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一臺(tái)冶金爐,這臺(tái)吹煉爐也是國內(nèi)首座采用國內(nèi)技術(shù)、完全自主設(shè)計(jì)、全部國內(nèi)制造的旋浮吹煉爐,具有結(jié)構(gòu)合理、布置緊湊、操作方便、維護(hù)量小、作業(yè)率高等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用先進(jìn)的整體彈性結(jié)構(gòu)和合理的水冷技術(shù),加上相匹配的磚體,完全適應(yīng)了旋浮吹煉工藝的特點(diǎn),成為安全、穩(wěn)定、高效、長壽的吹煉爐。

對(duì)旋浮吹煉爐設(shè)計(jì)成功點(diǎn)歸納如下:

(1)反應(yīng)塔是旋浮吹煉爐最為關(guān)鍵的部件,也是旋浮吹煉爐的標(biāo)志性部件,從開爐至今已經(jīng)滿五年時(shí)間,反應(yīng)塔一直在安全穩(wěn)定地運(yùn)行著。實(shí)踐證明,全水套包覆反應(yīng)塔的設(shè)計(jì)是非常成功的,確保了反應(yīng)塔的壽命,是旋浮吹煉爐設(shè)計(jì)的主要成功點(diǎn)之一。

(2)整體彈性骨架結(jié)構(gòu)合理,保證了爐體各部位的夾緊力,使得爐體膨脹均勻、可控,確保了爐壽命,是旋浮吹煉爐設(shè)計(jì)的主要成功點(diǎn)之二。

(3)爐底兩臺(tái)額定風(fēng)量為8萬m3/h的鼓風(fēng)機(jī),開爐初期的頻率只需開到15 Hz,即可滿足爐底冷卻的需要,冷卻風(fēng)溫升～90℃,爐底板控制最高溫度～240℃。實(shí)踐證明,相對(duì)于吸風(fēng)冷卻來說,爐底鼓風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,冷卻效率高,爐底溫度穩(wěn)定、可控,確保了爐底壽命,是旋浮吹煉爐設(shè)計(jì)的主要成功點(diǎn)之三。

旋浮吹煉爐的設(shè)計(jì)成功,使得該爐順利建成并一次投產(chǎn)成功,順利達(dá)產(chǎn)甚至超產(chǎn),運(yùn)行安全、穩(wěn)定且長壽,為企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。實(shí)踐證明,該旋浮吹煉爐的設(shè)計(jì)是成功的。