煙化爐銅鋼復(fù)合水套的開發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐

張殿彬，蔡 歡，趙紅梅，張得偉，王文杰

（1云南馳宏資源綜合利用有限公司，云南 655011；2云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655000）

煙化爐吹煉作業(yè)是將酸浸渣、還原爐渣和熔劑等加入煙化爐進(jìn)行煙化吹煉。煙化爐是由爐底、一、二、三層水套組成的冶金爐窯，其吹煉的原料主要為鉛還原渣和鋅浸出渣。采用熱渣開爐時(shí)，需先從熱料口加入鉛還原渣，再逐步加入鋅浸出渣，在此過程中，高溫熔體自上而下進(jìn)入煙化爐，不可避免會對爐底水套造成強(qiáng)烈的沖擊；此外，在正常的生產(chǎn)過程中，從加完冷料至達(dá)到最佳吹煉溫度間的溫差，通常在400℃～500℃之間，致使?fàn)t底水套長期處于熱脹冷縮的不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，煙化爐爐底水套變形、腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致水套使用壽命較短，煙化爐作業(yè)率降低。

目前，煙化爐大多用內(nèi)襯高溫耐火材料的鋼結(jié)構(gòu)水套，其傳熱性和抗變形能力都不及純銅水套；但采用純銅水套又存在耐磨性和剛性不夠、變形后無法修復(fù)、造價(jià)過高等問題。公開的一種連續(xù)煙化爐隔墻銅水套[1]，包括銅平板體和預(yù)埋于其內(nèi)的雙層直通式銅管，銅平板體的底部開設(shè)有渣流通道、所有與熔體接觸的工作面上布置有突臺，突臺之間用耐火搗打料填充平整。每層銅管內(nèi)的冷卻水分別快速冷卻銅平板體兩側(cè)的熔體，提高冷卻效率，使銅水套的兩側(cè)均能經(jīng)受高溫熔體的強(qiáng)烈沖刷，滿足連續(xù)煙化工藝的要求。銅平板體側(cè)面的突臺提高了銅水套的換熱效率，銅水套底部渣流通道工作面上的突臺提高了掛渣覆蓋率。突臺的設(shè)置還有利于本水套與其它水套結(jié)合處的拼裝。突臺之間采用耐火搗打料填充，可以使熔渣與銅水套工作面的結(jié)合性更強(qiáng)，掛渣粘結(jié)得更牢固。公開的一種煙化爐雙層水冷爐底水套[2]，由原來的一層水套設(shè)置成雙層水套結(jié)構(gòu)，煙化爐主體水套設(shè)立在兩層水套之上，實(shí)現(xiàn)了煙化爐爐底的雙層保護(hù)，延長了水套使用壽命至10～12個(gè)月，使?fàn)t底水套的更換周期與年度設(shè)備大檢修同步，一定程度上提高了經(jīng)濟(jì)效益，但是水套使用壽命依然偏短，制約煙化爐作業(yè)率，增大檢修成本?，F(xiàn)已公開的一種爐窯水冷壁[3]和一種鋼銅鋼組合式復(fù)合冶煉爐冷卻壁[4]，雖然采用的是雙層或者三層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，但其結(jié)構(gòu)及水冷方式多應(yīng)用于高爐，不能完全適用于煙化爐爐底水套的工況條件。

某公司此次改造的煙化爐2004年投產(chǎn)，投產(chǎn)時(shí)所使用的20G鋼質(zhì)箱式水套，水套內(nèi)板為平板式，使用壽命平均只有3個(gè)月左右。通過多次試驗(yàn)改造，將水套材質(zhì)由20G改為15CrMo、水套內(nèi)板由平板改為波紋板，水套內(nèi)表面設(shè)計(jì)掛渣釘，內(nèi)板提前澆灌鋼纖維耐火澆注料等。水套使用壽命使有所提高，15CrMo波紋鋼水套使用壽命提高到5個(gè)月，但還是無法很好的滿足生產(chǎn)要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014至2016年期間，1#煙化爐平均每年檢修更換水套用時(shí)508小時(shí)，約22天，材料施工費(fèi)用約136萬元，煙化爐水套平均使用壽命僅4個(gè)月，再加上每年停爐配合關(guān)聯(lián)工段設(shè)備檢修，以及發(fā)生非計(jì)劃停爐等，煙化爐實(shí)際作業(yè)率僅在88%左右。為提升煙化爐水套使用壽命，提高煙化爐作業(yè)率，開展了提升煙化爐水套壽命的研究、實(shí)驗(yàn)與技術(shù)改造，研究成果以期達(dá)到延長水套使用壽命，提高煙化爐作業(yè)率的目的。

1 銅鋼復(fù)合材料制備技術(shù)

爆炸復(fù)合法、軋制復(fù)合法及擴(kuò)散復(fù)合法是最常應(yīng)用的幾種制備方法。其中，爆炸復(fù)合法是指利用在待復(fù)合金屬上的炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的超強(qiáng)沖擊力，使得兩金屬板在瞬間產(chǎn)生高速碰撞，暴露出的新鮮干凈金屬表面形成了直接接觸結(jié)合形成復(fù)合材料的工藝,其示意圖如圖1所示。

圖1 爆炸復(fù)合示意圖

銅/鋼金屬復(fù)合材料是將銅和鋼兩種金屬材料利用其各自的性能優(yōu)勢進(jìn)行分層組合而形成的一類金屬材料。材料經(jīng)過復(fù)合后可以克服兩種金屬各自的缺點(diǎn)，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，復(fù)合后的特殊性能延長部件的使用壽命，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。銅具有優(yōu)異的延伸性和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，然而，銅的強(qiáng)度較低，使用時(shí)易變形，其價(jià)格昂貴。鋼材的價(jià)格低且強(qiáng)度高，與銅復(fù)合后可以充分發(fā)揮銅的使用特性，且強(qiáng)度大幅提高，銅/鋼復(fù)合材料具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 煙化爐銅鋼復(fù)合水套的研究與應(yīng)用

2.1 煙化爐銅鋼復(fù)合爐底水套的研究

本研究旨在開發(fā)一種耐沖擊、耐腐蝕、傳熱性強(qiáng)、冷卻能力強(qiáng)且造價(jià)低的雙層水冷式煙化爐銅鋼復(fù)合爐底水套，有效延長煙化爐爐底水套使用壽命，提高煙化爐作業(yè)率，同時(shí)有效控制制造費(fèi)用，針對煙化爐從開爐到正常生產(chǎn)過程中存在的對爐底沖擊嚴(yán)重、溫度周期性波動(dòng)大等問題，具有較高的實(shí)用性。

雙層水冷式煙化爐銅鋼復(fù)合爐底水套包括耐磨層、傳熱層、傳熱層冷卻水通道、傳熱層冷卻水進(jìn)出水管、水道蓋、背覆層、加強(qiáng)筋、背覆層冷卻水通道、背覆層冷卻水進(jìn)出水管，耐磨層、傳熱層、背覆層由上至下依次安裝，傳熱層下表面設(shè)有的凹槽為冷卻水通道，并附有水道蓋，水道蓋與傳熱層冷卻水進(jìn)出水管設(shè)置在同一側(cè)，背覆層為箱體，其內(nèi)設(shè)置的加強(qiáng)筋形成冷卻水通道，背覆層冷卻水進(jìn)出水管設(shè)置在傳熱層冷卻水進(jìn)出水管的對側(cè)。

耐磨層厚度與水套受沖刷的程度有關(guān)，厚度為0～8mm；傳熱層厚度為70mm～90mm，冷卻水通道為20mm～30mm深的凹槽，水道蓋厚度為20mm；背覆層為厚度170mm～200mm的箱體，加強(qiáng)筋厚度為40mm；耐磨層為0Cr18Ni9不銹鋼，傳熱層為T2銅，背覆層為Q235B鋼，圖2為爐底銅鋼復(fù)合水套的主視剖視圖；圖3為爐底銅鋼復(fù)合水套的俯視圖。圖4為煙化爐爐底銅鋼復(fù)合水套實(shí)物圖。

圖2 爐底銅鋼復(fù)合水套的主視剖視圖

圖3 爐底銅鋼復(fù)合水套的俯視圖

圖4 煙化爐爐底銅鋼復(fù)合水套實(shí)物圖

該雙層水冷式煙化爐銅鋼復(fù)合爐底水套，具有較高的實(shí)用性，可有效增加工作效率，具體優(yōu)點(diǎn)如下所述。

（1）在開爐時(shí)熱渣直接沖擊到的爐底水套上設(shè)一層不銹鋼耐磨層，增強(qiáng)水套耐磨性，延長爐底水套使用壽命；

（2）采用水冷銅層作為傳熱層，傳熱效果更好；

（3）采用水冷鋼質(zhì)箱體作為背覆層，水套剛性大大提高，同時(shí)減少了純銅的使用量，降低了制造費(fèi)用；

（4）采用雙層水冷結(jié)構(gòu)，在水套性能較好時(shí)，可僅通銅層冷卻水或鋼層冷卻水；在水套使用一段時(shí)間性能有所下降后，可同時(shí)通入銅層冷卻水和鋼層冷卻水；甚至在水套使用相當(dāng)長時(shí)間導(dǎo)致銅層受損漏水后，也可以暫時(shí)僅用鋼層水冷，為煙化爐計(jì)劃停爐爭取時(shí)間，降低安全隱患。

2.2 煙化爐爐體銅鋼復(fù)合水套的研究

銅鋼復(fù)合水套制作流程為：預(yù)先采用機(jī)加工的方式在銅板上加工出冷卻水流道，再將銅板與鋼板進(jìn)行爆炸復(fù)合，形成一側(cè)銅板一側(cè)鋼板中間冷卻水套結(jié)構(gòu)，銅板側(cè)與熔渣接觸。在銅鋼復(fù)合水套內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)燕尾槽，燕尾槽結(jié)構(gòu)有利于熔渣掛渣，在水套表面形成一層渣皮，對水套起到保護(hù)作用。銅鋼復(fù)合水套外側(cè)是鋼板，兩塊水套之間密封采用電弧焊密封及連接，并用連接耳進(jìn)行連接加固，爐體整體用腰箍進(jìn)行加固。圖5、圖6所示分別為煙化爐銅鋼復(fù)合水套成品圖和水套冷卻水通道。

圖5 銅鋼復(fù)合水套成品

圖6 冷卻水通道

2.3 煙化爐銅鋼復(fù)合水套的應(yīng)用

2018年，某公司開展煙化爐銅鋼復(fù)合水套研究項(xiàng)目。銅鋼復(fù)合水套設(shè)計(jì)時(shí)參考現(xiàn)有鋼水套尺寸，對部分水套外形尺寸進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，其中將二層后端部水套由2塊改為3塊，改造后尺寸與二層側(cè)水套相同，實(shí)現(xiàn)了兩者之間的通用。圖7所示為煙化爐銅鋼水套三維圖。

圖7 煙化爐銅鋼水套三維圖

將兩臺煙化爐的鋼質(zhì)水套全部替換為銅鋼復(fù)合水套，包含爐底、一層、二層、三層渣口、冷料口、熱料口水套，單臺56塊，兩臺煙化爐共計(jì)112塊。

鋼材和銅材的導(dǎo)熱率不一樣，受熱面積相同的情況下，所需的冷卻水量是不一樣的，為確保技改后銅鋼復(fù)合水套能夠得到合理冷卻，就必須提高循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻能力，本項(xiàng)目對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)也進(jìn)行了改造，具體改造內(nèi)容：拆除現(xiàn)有熱水泵、冷水泵后，更換上2臺1600m3/h熱水泵和3臺1100m3/h冷水泵；鋪設(shè)DN400給水管道至煙化爐，重新鋪設(shè)DN600自然回水管，并將消防水接入給水管應(yīng)急；拆除原有冷卻塔，更換上2臺750m3/h閉式冷卻塔；各水泵閥門開關(guān)啟停遠(yuǎn)程控制，信號引入煙化爐主控室，各水泵閥門之間相互連鎖，應(yīng)對各種突發(fā)事故。

2018年底，完成了煙化爐銅鋼復(fù)合水套的組裝，將兩臺煙化爐鋼水套全部替換為銅鋼復(fù)合水套，同時(shí)對配套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行了改造。項(xiàng)目完成后，緊接著對銅鋼復(fù)合水套的應(yīng)用進(jìn)行了一些列探索，將水套冷卻水主管流量調(diào)整為1780m3/h左右（單臺890m3/h），水套進(jìn)水溫度45℃，回水溫度52℃，溫差在6℃～9℃。圖8所示為銅鋼復(fù)合水套安裝。

圖8 所示為銅鋼復(fù)合水套安裝

截止到2021年7月，銅鋼復(fù)合水套已累計(jì)使用了31個(gè)月，銅鋼復(fù)合水套本體幾乎無變形，外觀良好；水套內(nèi)壁燕尾槽掛渣能力非常強(qiáng)，刮渣均勻且厚度為2cm～5cm，對水套內(nèi)壁起到了很好的保護(hù)作用；水套內(nèi)外表面均未發(fā)現(xiàn)開裂，冷水套流道內(nèi)無明顯結(jié)垢，水套縫未曾發(fā)生過跑渣的情況。圖9所示為銅鋼復(fù)合水套使用情況。

圖9 銅鋼復(fù)合水套使用情況

銅鋼復(fù)合水套兼具了銅水套和鋼水套的優(yōu)點(diǎn)，抵抗變形、破壞的能力非常強(qiáng)，外部可進(jìn)行焊接密封避免跑渣，煙化爐自銅鋼復(fù)合水套改造后，水套未發(fā)生變形、開裂、通孔等情形而導(dǎo)致停爐。

煙化爐改銅鋼復(fù)合水套后，煙化爐作業(yè)率和渣物料處理量等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)大幅提升，煙化爐作業(yè)率由88.48%提高到97.48%，渣物料處理量由95541t/a提高到134044t/a，水淬渣含鋅由2.8%降至2.37%，含銀由153.58g/t降至41.23g/t，煙塵含硫由6.5%降至4.88%，為煙化爐高效生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的保障。

3 結(jié)論

（1）煙化爐銅鋼復(fù)合爐底水套爆炸復(fù)合法制備，包括鋼質(zhì)耐磨層，銅材傳熱層和冷卻水通道，兼具銅、鋼優(yōu)異性能；

（2）煙化爐銅鋼復(fù)合爐體水套內(nèi)側(cè)為銅層，外層為鋼板，內(nèi)設(shè)冷卻水通道，水套之間采用焊接密封，外加螺栓緊固。

（3）煙化爐銅鋼復(fù)合水套應(yīng)用之后，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)大幅提高，煙化爐作業(yè)率由88.48%提高到97.48%，渣物料處理量由95541t/a提高到134044t/a，水淬渣含鋅由2.8%降至2.37%，含銀由153.58g/t降至41.23g/t，煙塵含硫由6.5%降至4.88%。