銅锍多槍頂吹連續(xù)吹煉爐設計與展望

崔大韡

（中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038）

1 設計背景

在火法銅冶煉中,約80%的銅锍吹煉采用已有百年歷史的PS轉爐。近些年來,為解決PS轉爐吹煉存在的低空污染、間斷作業(yè)、爐襯壽命短、送風時率低、煙氣二氧化硫波動大不利于制酸等問題,用于取代PS轉爐的粗銅連續(xù)吹煉工藝有了較快的發(fā)展。2017年由中國恩菲設計的首臺多槍頂吹連續(xù)吹煉爐在煙臺建成投產,這是中國恩菲與煙臺國潤銅業(yè)有限公司合作的“富氧側吹熔煉+多槍頂吹連續(xù)吹煉+火法陽極精煉”熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅生產工藝的關鍵設備。

多槍頂吹連續(xù)吹煉爐(簡稱多槍頂吹爐),是中國恩菲依托多年來在銅锍連續(xù)吹煉方面積累的成功經驗,結合高品位銅锍連續(xù)吹煉工藝特點,開發(fā)的擁有自主知識產權的新爐型。為滿足熱態(tài)銅锍連續(xù)吹煉的技術要求及生產特點,多槍頂吹爐在爐體結構形式、爐身冷卻設計、頂吹噴槍結構等方面,均有較多創(chuàng)新。

2 多槍頂吹爐概況

熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅產生工藝中,富氧側吹爐、多槍頂吹連續(xù)吹煉爐、陽極精煉爐為由高至低階梯配置。富氧側吹熔煉爐產出的高品位液態(tài)銅锍,直接流入多槍頂吹連續(xù)吹煉爐,多槍頂吹連續(xù)吹煉爐產出的液態(tài)粗銅直接流入陽極精煉爐。這種配置不但占地小、投資省,而且更環(huán)保、節(jié)能。

位于中間的多槍頂吹爐為臥式矩形爐體,銅锍通過溜槽從端墻的熱料進口加入,粗銅從另一側端墻底部的虹吸口排出。吹煉渣由側墻上的渣口排出。富氧風通過多支爐頂伸入的頂吹槍噴入爐內,對熔池進行攪動并完成吹煉。熔劑、殘極等物料,通過位于爐頂?shù)募恿峡诩尤?。吹煉煙氣從爐頂?shù)某鰺熆谂懦?經上升煙道進入余熱鍋爐。

多槍頂吹爐為矩形爐體,爐體截面為倒梯形,爐墻向外傾斜,爐體結構示意如圖1所示。多槍頂吹爐主要由骨架、爐殼、水套、爐襯、爐頂、頂吹噴槍等部分組成。根據(jù)冶煉需要,設有冷料加入口、熱料加入口、排渣口、放銅口、出煙口等結構。根據(jù)工藝條件及多槍頂吹的爐型特點,確定多槍頂吹爐爐渣線位置面積約40 m2,爐膛具體尺寸為:渣線寬度約5 m,渣線長度約8 m,爐膛高約3.6 m。

圖1 多槍頂吹爐示意圖

3 多槍頂吹爐結構特點

3.1 整體彈性骨架

多槍頂吹爐爐體中爐殼周圍的圍梁、立柱、橫梁、拉桿、彈簧等鋼結構,組成了一個柔性的爐身夾持系統(tǒng),稱之為整體彈性骨架。位于拉桿兩端的彈簧,通過交錯的橫梁、立柱,將彈簧力施加到爐殼、磚體上,合理的彈簧受力能有效的平衡磚體膨脹力,維持爐身穩(wěn)定。在爐體升溫過程中,整體彈性骨架可以限制并跟隨磚體膨脹；當爐體降溫(或停爐)時,它又可以夾持并跟隨磚體一同收縮。這種“柔性”骨架系統(tǒng),有效的解決了固定骨架爐型中,爐體內(爐襯耐材)、外(骨架爐殼)膨脹不同步,受力不勻的問題。這種結構在中國恩菲設計的其它爐型(電爐、閃速爐)中,已有了較多應用,有的爐體壽命可達10年以上。這種爐體骨架具有結構穩(wěn)定、壽命長、易于大型化的特點。

3.2 多種水套組合的立體水冷設計

近年來,冶金爐窯的水冷技術得到了快速的發(fā)展和應用。利用高效換熱的水冷元件,對爐襯進行保護,使爐襯不再被不斷的侵蝕,并能形成穩(wěn)定的渣殼,以達到延長爐襯壽命的目標。

多槍頂吹爐在設計時,考慮到爐內熱負荷大、熱強度高,爐襯受到高溫熔體劇烈的沖刷和侵蝕,也同樣加強了冷卻結構的設計,在爐體的多個關鍵位置采用了水套進行冷卻。

對爐體熔池部分,采用薄爐襯強水冷的設計思路,爐墻磚平均只有約400 mm厚,均設有銅水套對其進行冷卻。具體方案為,在爐墻受侵蝕嚴重的渣線高度,采用了冷卻能力強的異形銅水套。渣線以下的熔池部分,設計了立水套進行冷卻。為保護銅水套不被粗銅侵蝕,立水套采用了復合鋼板銅水套,以提高安全性。在爐頂、噴槍附近平頂區(qū)域、以及爐頂梁等關鍵部位,也采用了銅水套進行冷卻。

3.3 進料口與排放口

多槍頂吹爐設有一個熱料進口和一個冷料進口。熱料進口在爐體端墻上部,熔煉爐產出的熱銅锍通過溜槽流入,為保護爐墻開口附近的磚體,熱料進口周邊設有銅水套。冷料進口設在爐頂,殘極片(或冷雜料)可以從冷料口加入,冷料口設有銅水套,以保證使用壽命；冷料口可以配置專用的殘極加料裝置,殘極片加入效率高,且操作過程密封性好,可大大改善操作環(huán)境。

多槍頂吹爐設有一個排渣口和一個放銅口。出渣口設置在側墻,溢流出渣,可根據(jù)冶煉需要調整爐內渣面高度,操作簡單,易維護。放銅口設置于熱料進口對面的端墻上,采用虹吸放粗銅,粗銅經由殼體內的虹吸通道放出,通過溜槽連續(xù)地流入固定式陽極爐。虹吸放銅液面穩(wěn)定,操作簡單便捷,壽命長。

3.4 多槍頂吹爐噴槍設計

多槍頂吹爐在爐頂中部共有6個噴槍位(兩排,每排3個),最多可以插6根噴槍,實際生產時,一般使用4～5根。噴槍將富氧空氣高速吹入熔體,并對其進行攪動,以完成吹煉過程。

多槍頂吹爐所使用的噴槍,是由中國恩菲自主設計,擁有自主知識產權的新型噴槍。它是一種懸浮于液面上噴吹,非水冷自耗式噴槍。其結構主要包括:卷揚機構、滑輪機構、固定管、滑動管、旋轉機構和噴吹管等部件組成。該噴槍具有如下特點:

(1)噴槍是自耗式的,可以根據(jù)消耗情況不斷補充噴吹管,保證噴槍頭部的噴吹距離,確保噴吹效果。

(2)噴槍是旋轉噴槍,噴吹管可以在旋轉機構的驅動下旋轉。其優(yōu)點是可以預防噴槍與爐蓋的粘結,同時在噴槍頭部燒損不均勻的情況下,也能夠保持吹入的工藝風更均勻,不易偏吹。

(3)噴槍上下移動時靠套管(固定管和滑動管)間的配合實現(xiàn)密封,不帶沉重、累贅的軟管,整體結構簡單。噴吹管與滑動管之間有圓周方向的滑動配合。

(4)噴吹管的補充操作簡單便捷,因為有多支噴槍,單支槍的補充或檢修,并不需要整體停風,不影響爐子的整體生產效率。

4 總結與展望

煙臺國潤的多槍頂吹爐自2017年底檢修投產后,已安全穩(wěn)定運行三年多,爐體結構穩(wěn)定,工藝指標都已達到甚至超過了設計要求。目前多槍頂吹爐處理銅锍品位72%～75%,處理量19～20 t/h,粗銅品位98.5%～99.2%,粗銅含硫0.3%以下,爐渣含銅12%～15%。

多槍頂吹爐銅锍吹煉具有以下優(yōu)勢:

(1)連續(xù)操作:多槍連續(xù)頂吹爐采用連續(xù)進料、連續(xù)送風的多噴槍非浸沒式操作,換槍過程不影響正常生產,作業(yè)時率提高；同時也能實現(xiàn)連續(xù)出銅,操作簡單,操作人員勞動強度低。

(2)自動化程度高:多槍頂吹連續(xù)吹煉爐整體密閉,爐況調整和監(jiān)控完全依靠DCS控制系統(tǒng),根據(jù)不斷積累的操作數(shù)據(jù),可實現(xiàn)操作管理的自動化、智能化。

(3)環(huán)保好:多槍頂吹連續(xù)吹煉爐為固定式爐型,爐體與煙道完全密封,爐體漏風率在5%左右,加之其連續(xù)操作的特性,煙氣成分波動小,制酸生產穩(wěn)定。同時,多槍頂吹爐所產粗銅經流槽直接進入精煉爐,無包子倒運過程,并且對流槽進行密閉保溫及環(huán)集處理；由于入爐銅锍品位高,多槍頂吹爐產出渣量小,煙氣易收集、散逸少。

(4)爐壽高:整體彈性骨架的矩形爐體、多種水套的立體水設計,使得多槍頂吹爐爐體結構穩(wěn)定,從目前的使用情況判斷,爐體壽命可達5～10年。

(5)適應性強、易于實現(xiàn)大型化:從爐體結構和噴槍設計來看,多槍頂吹爐提高處理能力實現(xiàn)大型化的難度并不大?，F(xiàn)有規(guī)格的多槍頂吹爐能適用于年產10～12萬噸礦銅的冶煉工藝,中國恩菲已經展開了年產能20萬噸、30萬噸礦銅的多槍頂吹爐的研發(fā)和設計工作,以適應單套系統(tǒng)大型化的需求。

多槍頂吹爐的成功設計應用,標志著中國恩菲在銅冶煉工藝上的又一次成功,無論是對現(xiàn)有銅冶煉廠的PS轉爐改造,還是新建銅冶煉項目,多槍頂吹爐及其連續(xù)吹煉工藝,都有廣闊的應用前景。