頂吹爐爐膛空間變化與冶煉產(chǎn)能優(yōu)化探究

〔摘 要〕以云南某錫冶煉廠煉錫頂吹沉沒熔煉爐為例，在介紹頂吹沉沒熔煉爐生產(chǎn)工藝及結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，研究了爐膛空間與冶煉產(chǎn)能之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，頂吹沉沒熔煉爐實(shí)際冶煉能力與熔池橫截面積成非線性正相關(guān)關(guān)系；與爐墻耐火材料剩余厚度成非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系?；谘芯拷Y(jié)論，提出了有效發(fā)揮頂吹沉沒熔煉爐冶煉能力與有效延長耐火材料使用壽命的對策措施。

〔關(guān)鍵詞〕頂吹沉沒熔煉爐；爐襯；爐膛空間；冶煉能力

中圖分類號：TF811;TF062 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1004-4345（2023）01-0008-03

Study on Change of Furnace Hearth Space of Top-blown Furnace

and Smelting Capacity Optimization

SONG Xingcheng

（Yunnan Tin Group （Holding） Co.， Ltd.， Kunming， Yunnan 650200， China）

Abstract ?Taking the top-blown submerged tin smelting furnace of a tin smelter in Yunnan as an example， the paper has a study of the relationship between furnace hearth space and smelting capacity on the basis of introducing the production process and structural characteristics of the top-blown submerged smelting furnace. It is found that the actual smelting capacity of the top-blown submerged smelting furnace has a nonlinear positive correlation with the cross-sectional area of the molten bath， and has a nonlinear negative correlation with the remaining thickness of the refractory of the furnace wall. According to the study results， the paper puts forward the countermeasures to effectively develop the smelting capacity of the top-blown submerged smelting furnace and effectively extend the service life of refractory materials.

Keywords ?top-blown submerged smelting furnace; furnace lining; furnace hearth space; smelting capacity

近30年來，頂吹沉沒熔煉技術(shù)有了長足發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，已經(jīng)在全球多個國家多種金屬（錫、銅、鉛、鋅、鎳等）的冶煉工藝中有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，成為有色金屬冶金行業(yè)一項(xiàng)重要的冶金工藝技術(shù)。

生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，頂吹沉沒熔煉爐通常為內(nèi)襯耐火材料爐襯的冶金爐。爐中新砌筑爐襯后，有效爐膛空間大小確定。然而，隨著爐子的運(yùn)行，爐襯發(fā)生消耗減損，逐步變薄，爐膛空間隨之逐步變大，從而導(dǎo)致爐床面積變大，有效熔煉空間變大，冶煉產(chǎn)能也會隨之變大。本文擬結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，分析和探索頂吹沉沒熔煉爐耐火材料爐襯變化規(guī)律，及其與爐膛有效熔煉空間變化的關(guān)系，進(jìn)而研究這些變化規(guī)律與頂吹沉沒熔煉爐冶煉產(chǎn)能變化的關(guān)系。上述研究的成果，有望在冶金工廠設(shè)計(jì)階段指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員配置相對充裕的燃料系統(tǒng)、物料加入系統(tǒng)、噴槍風(fēng)系統(tǒng)、富氧系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)等，為生產(chǎn)提效創(chuàng)造條件。同時，在生產(chǎn)組織和運(yùn)維過程中，研究成果還可以指導(dǎo)工廠做好精益化生產(chǎn)，有效利用逐漸增大的爐膛空間和爐床面積，提高頂吹沉沒熔煉爐冶煉產(chǎn)能，降低能耗和生產(chǎn)成本，延長耐火材料使用壽命，保障冶金工廠長周期、高效、穩(wěn)定地生產(chǎn)。

1 ? 爐膛空間與冶煉產(chǎn)能的關(guān)系

1.1 ?頂吹沉沒熔煉爐生產(chǎn)工藝及結(jié)構(gòu)特征

頂吹沉沒熔煉爐生產(chǎn)工藝系統(tǒng)一般由頂吹沉沒熔煉爐主系統(tǒng)及配套輔助系統(tǒng)等組成。頂吹沉沒熔煉爐主系統(tǒng)包括爐體系統(tǒng)、噴槍系統(tǒng)和爐前爐渣及金屬排放系統(tǒng)等。配套輔助系統(tǒng)主要包括：燃料系統(tǒng)（如磨煤設(shè)施及粉煤供應(yīng)系統(tǒng)、爐頂粉煤倉及粉煤計(jì)量給出系統(tǒng)等）、物料加入系統(tǒng)（如配料電子皮帶秤、物料混料及運(yùn)輸系統(tǒng)等）、噴槍風(fēng)系統(tǒng)及富氧系統(tǒng)（如鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、氧氣站以及相應(yīng)的流體計(jì)量及調(diào)節(jié)系統(tǒng)等）、余熱回收系統(tǒng)（如余熱鍋爐及余熱發(fā)電系統(tǒng)等）、尾氣處理系統(tǒng)（如收塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)及制酸系統(tǒng)等）。頂吹沉沒熔煉爐生產(chǎn)工藝系統(tǒng)如圖1所示。

頂吹沉沒熔煉爐通常是外殼為整體焊接的有冷卻系統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)爐殼，內(nèi)襯耐火材料的爐型。其主要熔煉空間為圓柱形，爐子的高度、大小與熔煉工廠的產(chǎn)能設(shè)計(jì)、熔煉金屬物料類別有關(guān)。一般而言，熔煉產(chǎn)能越大，爐子的內(nèi)徑設(shè)計(jì)得越大；熔煉強(qiáng)度越大，內(nèi)襯耐火材料的厚度也越厚。當(dāng)爐襯新砌筑完成時，耐火材料的尺寸完好、規(guī)整，有效爐膛空間確定，如圖2（a）所示。隨著爐子的運(yùn)行，爐襯會消耗、減損，逐步變薄，爐膛空間隨之逐步變大，如圖2（b）所示。

1.2 ?有效爐膛截面積與爐襯厚度的關(guān)系

頂吹沉沒熔煉爐熔池段有效爐膛截面積與爐襯厚度的關(guān)系計(jì)算公式如下：

F = （?+ d - δ）2×π

式中：F為有效爐膛面積，單位為m2；？覫為新爐膛內(nèi)徑，單位為m；d 為新爐襯單側(cè)厚度，單位為m；δ為剩余爐襯單側(cè)厚度，單位為m；π為圓周率；新筑的爐襯d=δ。

從上式中可以看出，有效爐膛面積與剩余爐襯厚度的平方呈負(fù)相關(guān)關(guān)系：剩余爐襯厚度δ值越大，有效爐膛面積越??；反之，剩余爐襯厚度δ值越小，有效爐膛面積越大。因此，隨著爐子的運(yùn)行，爐襯經(jīng)過消耗減損變薄后，爐膛空間會變大，爐床面積、爐子實(shí)際的有效熔煉空間也隨之變大。

在實(shí)際生產(chǎn)中，爐襯耐火材料越新，消耗減損的速度越快。當(dāng)耐火材料損耗到新爐襯的約一半以后，損耗速度明顯減慢，且越到后期，爐襯耐火材料的損耗速率越低。

以云南某冶煉廠內(nèi)徑為5 m的錫冶煉頂吹沉沒熔煉爐為例，該爐新砌筑爐襯時，熔池段單側(cè)爐墻爐襯厚度為620 mm。利用設(shè)置在爐墻上的耐火材料厚度監(jiān)測孔對爐襯厚度進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)從新爐襯開始，爐襯厚度每減薄0.1 m，對應(yīng)的爐子耐火材料到該厚度所使用的時間占整個耐火材料使用時間的百分?jǐn)?shù)（以下稱為爐壽百分?jǐn)?shù)）分別為8%、22%、38%、61%、82%、100%。按照公式（1）計(jì)算，得到的該部分爐襯厚度減薄程度與熔池段爐膛有效橫截面積的關(guān)系見表1。

1.3 ?爐膛空間與冶煉產(chǎn)能的關(guān)系

冶煉反應(yīng)涉及傳質(zhì)和傳熱過程，一般同時存在氣—液、固—液、氣—固等多相反應(yīng)。在單位反應(yīng)空間冶煉強(qiáng)度一定的情況下，反應(yīng)空間越大，冶煉能力就越大。對于頂吹沉沒熔煉爐而言，其主要冶煉反應(yīng)是在攪動的熔池內(nèi)完成的。由于其熔池段是圓柱形爐體，高度不會發(fā)生變化，而爐墻耐火材料爐襯的厚度會因消耗而逐步變薄，直接引起熔池段爐膛的有效橫截面積發(fā)生變化，使熔池段爐膛的空間變大，進(jìn)而使冶煉能力也隨之變大。

理論上，在熔池高度不變，單位反應(yīng)空間冶煉強(qiáng)度一定的情況下，冶煉能力與頂吹沉沒熔煉爐熔池段橫截面積成正比，即：

W=S×h×Q×t

式中：W為冶煉能力，單位為t；S為熔池橫截面積，單位為m2；h為熔池高度，單位為m；Q為單位熔煉強(qiáng)度，單位為t/（m3·h）；t為冶煉時間，單位為h。

按照上述公式，以新爐襯冶煉能力為100%計(jì)算，表1中頂吹沉沒熔煉爐耐火材料爐襯剩余厚度與冶煉能力的關(guān)系見表2。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮到盡可能延長爐壽，實(shí)現(xiàn)長周期穩(wěn)定高效生產(chǎn)等因素，可以認(rèn)為：頂吹沉沒熔煉爐實(shí)際冶煉能力與熔池橫截面積成非線性正相關(guān)關(guān)系；與爐墻耐火材料剩余厚度成非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。在整個爐壽的前期和中期，由于爐況和公共輔助能力較好，實(shí)際冶煉能力等于理論計(jì)算值；在爐壽的后期，隨著耐火材料變薄，熔池橫截面積增大，爐況和公共輔助能力逐步變差，考慮到延長爐壽及安全等因素，實(shí)際冶煉能力小于理論計(jì)算值。

2 ? 利用爐膛空間變大提高產(chǎn)能的措施

針對熔池橫截面積會逐步擴(kuò)大、冶煉產(chǎn)能會隨之逐步增加的規(guī)律和特點(diǎn)，某冶煉廠提出了以下幾方面優(yōu)化措施，有效利用頂吹沉沒熔煉爐爐膛空間變大的過程提高了該廠的冶煉產(chǎn)能。

2.1 ?項(xiàng)目產(chǎn)能規(guī)劃時適當(dāng)留有余地

在項(xiàng)目立項(xiàng)產(chǎn)能規(guī)劃時，考慮到頂吹沉沒熔煉爐爐膛空間變化的情況，該廠以整個耐火材料爐襯使用周期的產(chǎn)能平均數(shù)為基數(shù)進(jìn)行測算，并適當(dāng)留有余地進(jìn)行規(guī)劃，使得在生產(chǎn)過程中適當(dāng)?shù)爻霎a(chǎn)能也符合相關(guān)要求。

2.2 ?輔助配套設(shè)施適當(dāng)預(yù)留富余能力

在冶金工廠設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者對頂吹沉沒熔煉爐的輔助配套設(shè)施也適當(dāng)?shù)仡A(yù)留了一定的富余能力，以便為生產(chǎn)過程中，適當(dāng)?shù)靥岣弋a(chǎn)量創(chuàng)造條件。

預(yù)留富余能力的主要輔助配套設(shè)施有：1）頂吹沉沒熔煉爐燃料系統(tǒng)，如磨煤設(shè)施及粉煤供應(yīng)系統(tǒng)、爐頂粉煤倉及粉煤計(jì)量給出系統(tǒng)等；2）物料加入系統(tǒng)，如配料電子皮帶秤、物料混料及運(yùn)輸系統(tǒng)等；3）噴槍風(fēng)及富氧系統(tǒng)，如鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、氧氣站以及相應(yīng)的流體計(jì)量和調(diào)節(jié)系統(tǒng)等；4）尾氣處理系統(tǒng)，如余熱鍋爐系統(tǒng)、收塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、制酸系統(tǒng)等。這些輔助配套系統(tǒng)的能力按照正常產(chǎn)能的20%～30%進(jìn)行預(yù)留。但并不是所有設(shè)施都需要冗余，如鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和氧氣供應(yīng)系統(tǒng)就可以進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，重點(diǎn)考慮多預(yù)留氧氣系統(tǒng)的能力。

2.3 ?在生產(chǎn)組織過程中逐步增加冶煉產(chǎn)能

在生產(chǎn)組織和運(yùn)維過程中，要做好精益化生產(chǎn)工作，即有效利用逐漸增大的爐膛空間和爐床面積，提高頂吹沉沒熔煉爐冶煉產(chǎn)能，降低單耗和單位生產(chǎn)成本。一般可以通過適當(dāng)?shù)卦黾痈谎鯘舛鹊姆绞教岣弋a(chǎn)能，這樣對供風(fēng)系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)的影響也較小。

同時，在整套耐火材料爐襯壽命期內(nèi)，要科學(xué)管控延長耐火材料使用壽命與提高產(chǎn)能的關(guān)系，保障冶金工廠能夠長周期、優(yōu)質(zhì)、高效、穩(wěn)定地生產(chǎn)。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，一般在頂吹沉沒熔煉爐每個爐期耐火材料使用的前期和中期，也就是剩余爐襯厚度為新爐襯厚度的三分之一之前的階段，可根據(jù)測量的爐膛空間大小，以當(dāng)時實(shí)際爐膛空間計(jì)算產(chǎn)能的100%冶煉能力組織生產(chǎn)。比如，當(dāng)剩余爐襯厚度為新爐襯厚度的二分之一時，計(jì)算產(chǎn)能為新爐襯產(chǎn)能的125.44%，實(shí)際生產(chǎn)就以新爐襯產(chǎn)能的125.44%來組織。而在耐火材料使用的后期，也就是剩余爐襯厚度為新爐襯厚度的三分之一之后的階段，則應(yīng)適當(dāng)控制產(chǎn)能提升，以有效保護(hù)剩余的耐火材料爐襯，延長爐壽。比如，當(dāng)剩余爐襯厚度為新爐襯厚度的五分之一時，計(jì)算產(chǎn)能為新爐襯產(chǎn)能的143.81%，實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)能應(yīng)控制在新爐襯產(chǎn)能的130%左右，這樣既能有效地延長爐壽，也能發(fā)揮爐膛空間增大的優(yōu)勢，起到提高產(chǎn)能的作用，預(yù)留的輔助配套設(shè)施也能較好地適應(yīng)產(chǎn)能提升的要求。

3 ? 結(jié)論

綜上所述，頂吹沉沒熔煉爐隨著生產(chǎn)的運(yùn)行，耐火材料爐襯會因消耗減損而逐步變薄，爐膛空間隨之逐步變大。有效熔煉空間的擴(kuò)大，能在一定程度上提升冶煉產(chǎn)能。研究表明，冶煉能力與熔池橫截面積成非線性正相關(guān)關(guān)系，與爐墻耐火材料剩余厚度成非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

基于此，冶煉廠應(yīng)當(dāng)有效地利用頂吹沉沒熔煉爐隨著生產(chǎn)運(yùn)行爐膛空間變大的情況，組織精益化生產(chǎn)，提高冶煉產(chǎn)能，有效降低單位生產(chǎn)作業(yè)成本。與此同時，還需要科學(xué)、有效地管控爐襯的使用壽命，既能提高產(chǎn)能，又有效地保護(hù)耐火材料，延長爐襯的使用壽命，實(shí)現(xiàn)冶煉工廠長周期、安全、高效、穩(wěn)定的生產(chǎn)。

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