閃速爐爐體水系統(tǒng)設(shè)計與毛細(xì)管安裝技術(shù)探討

〔摘 要〕對閃速爐爐體水系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，分析了閃速爐爐體水系統(tǒng)主管的設(shè)計思路，指出了在閃速爐爐體水系統(tǒng)主管設(shè)計和集水箱布置過程中需要注意的要點(diǎn)。同時，對爐體水系統(tǒng)毛細(xì)管的材質(zhì)、安裝特點(diǎn)和管路設(shè)計進(jìn)行了分析，結(jié)合國內(nèi)外毛細(xì)管的安裝經(jīng)驗(yàn)，提出了閃速爐毛細(xì)管的安裝要點(diǎn)。

〔關(guān)鍵詞〕閃速爐;爐體水系統(tǒng);水系統(tǒng)主管;集水箱布置;毛細(xì)管

中圖分類號：TF811;TF806 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? 文章編號：1004-4345（2024）03-0030-04

Design of Water System for Flash Furnace （FF） and Discussion of Capillary

Tube Installation Technology

DING Peng

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract? This paper introduces the FF water system， analyzes the design concept of the main pipe of the FF water system， and points out the key points that need to be paid attention to in the design of the main pipe of the FF water system and the layout of the water collection tank. Meanwhile， the paper makes an analysis of the material， installation characteristics， and pipeline design of the capillary tube in the furnace water system. According to the installation experience of capillary tube at home and abroad， the paper proposes the installation key points of the capillary tube in the flash furnace.

Keywords? flash furnace; furnace water system; main pipe of water system; layout of water collection tank; capillary tube

收稿日期：2023-11-12

基金項(xiàng)目：江西省重大科技研發(fā)專項(xiàng)“揭榜掛帥”關(guān)鍵技術(shù)類項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：20223AAE01005）

作者簡介：丁鵬（1986—），男，高級工程師，主要從事有色冶金爐的設(shè)計工作。

閃速爐具有處理能力大、綜合能耗低、環(huán)境污染少、SO2濃度高，利于制酸、自動化程度高、擴(kuò)產(chǎn)、挖潛容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，已成為世界上主流的銅冶煉工藝[1-3]。20世紀(jì)80年代以來，新建閃速爐和舊閃速爐的改造，基本走上了“四高”的發(fā)展路線，即高生產(chǎn)強(qiáng)度、高冰銅品位、高富氧濃度以及由此產(chǎn)生的高熱強(qiáng)度[4-6]。

隨著冶煉強(qiáng)度的增加，物料對閃速爐爐體的沖刷和侵蝕也同步加劇。為保護(hù)爐體，延長爐壽，最直接有效的方式是增強(qiáng)爐體的冷卻強(qiáng)度，主要方法有：1）擴(kuò)大銅水套的布置范圍;2）加大單個供回水點(diǎn)的循環(huán)水量;3）減少銅水套間的串聯(lián)，增加供回水點(diǎn)數(shù)。閃速爐爐體水系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定地運(yùn)行，對維持閃速爐的熱平衡，保障閃速爐的安全生產(chǎn)和作業(yè)率，延長爐內(nèi)銅水套的使用壽命都起到了積極的作用。本文擬針對閃速爐爐體水系統(tǒng)設(shè)計思路，分析在閃速爐爐體水系統(tǒng)主管設(shè)計和集水箱布置過程中需要注意的問題，同時對爐體水系統(tǒng)毛細(xì)管的材質(zhì)簡單、安裝特點(diǎn)和管路設(shè)計進(jìn)行分析，并結(jié)合國內(nèi)外毛細(xì)管的安裝經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)閃速爐毛細(xì)管的安裝要點(diǎn)。

1?? 閃速爐爐體水系統(tǒng)簡介

閃速爐作為高強(qiáng)冶煉設(shè)備，爐內(nèi)溫度較高，反應(yīng)塔內(nèi)溫度為1 450～1 550 ℃，沉淀池和上升煙道內(nèi)溫度為1 250～1 350 ℃，為保證閃速爐的正常生產(chǎn)及使用壽命，閃速爐內(nèi)設(shè)置了爐體水系統(tǒng)，旨在將冷卻循環(huán)水供水管中的冷水通入銅水套中，通過換熱帶走熱量，從而維持爐內(nèi)熱平衡并對爐體銅水套形成保護(hù)。冷水在銅水套內(nèi)經(jīng)過換熱后變成熱水，再返回冷卻循環(huán)水排水管中，通過冷卻塔冷卻后成為循環(huán)水供水管中的冷水，進(jìn)入銅水套換熱，并如此循環(huán)往復(fù)。

閃速爐爐體水系統(tǒng)由主管、支管、集水箱和毛細(xì)管組成。由主廠房供水主管接入的冷卻水經(jīng)由主管、支管、集水箱、毛細(xì)管進(jìn)入爐體銅水套進(jìn)行熱交換，再依次由毛細(xì)管、支管、排水主管排出。

2?? 爐體水系統(tǒng)主管設(shè)計及集水箱布置

2.1? 閃速爐爐體水系統(tǒng)主管設(shè)計

爐體水系統(tǒng)主管指從主廠房內(nèi)供回水主管接口至爐體各集水箱上供回水管接口間的管路。水系統(tǒng)主管的設(shè)計首先需要確定供回水點(diǎn)位。閃速爐爐體主要由精礦/水銅噴嘴、反應(yīng)塔、沉淀池、上升煙道爐體框架等組成。反應(yīng)塔、沉淀池、上升煙道中均設(shè)有銅水套。其中，沉淀池中的用水點(diǎn)數(shù)量最多，在沉淀池四周及頂部均設(shè)有銅水套;反應(yīng)塔中的用水點(diǎn)比沉淀池稍少，但反應(yīng)塔內(nèi)銅水箱的設(shè)置更為密集，反應(yīng)塔頂部和筒體基本被銅水套包裹;上升煙道中的用水點(diǎn)相對較少，一般在上升煙道與沉淀池的連接處、上升煙道兩側(cè)及頂部設(shè)有部分銅水套。精礦/冰銅噴嘴為專利產(chǎn)品，內(nèi)含銅質(zhì)部件，需要設(shè)置若干供回水點(diǎn)，因此安裝過程中將這些供回水點(diǎn)與反應(yīng)塔頂部銅水套的供回水點(diǎn)一并考慮，在集水箱上為其預(yù)留供回水點(diǎn)位。

在設(shè)計過程中，需要將主供水管分為3組供水管路，根據(jù)用水量的不同，計算其對應(yīng)的供水管徑，使其分別對反應(yīng)塔、沉淀池、上升煙道中的用水點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)供水。從3組單獨(dú)的供水管路中，分別引供水主管、支管與對應(yīng)的集水箱供水接口連接，從而組成爐體水系統(tǒng)的供水主管管路。爐體水系統(tǒng)的回水主管不需要對不同區(qū)域的回水進(jìn)行區(qū)分，每個集水箱的排水支管匯入統(tǒng)一的排水主管中即可。在回水管路的排水方向，需要按規(guī)定設(shè)置一定的坡度以利于排水，同時在容易積汽的地方需設(shè)置排汽管。

閃速爐爐體用水點(diǎn)數(shù)量比較多，且水套分布高差較大，集水箱通常分兩層設(shè)置，一層設(shè)置在沉淀池頂部周邊的廠房平臺，另一層設(shè)置在反應(yīng)塔頂部周邊的廠房平臺。圖1為某閃速爐爐體水系統(tǒng)主管設(shè)計與集水箱布置示意。

2.2? 集水箱布置

在爐體水系統(tǒng)主管的設(shè)計過程中，不同區(qū)域所屬集水箱在每層平臺布置的數(shù)量和定位是一個不容忽視的設(shè)計要點(diǎn)。因?yàn)槊繉蛹涞臄?shù)量和定位一旦確定，供回水主管的走向以及集水箱和銅水套間毛細(xì)管的大致走向就基本確定了。在確定集水箱數(shù)量和定位過程中，有以下幾點(diǎn)需要注意：1）根據(jù)反應(yīng)塔、沉淀池、上升煙道中銅水套的數(shù)量以及水套間的水管連接方式，確定反應(yīng)塔、沉淀池、上升煙道各自需要的供回水點(diǎn)數(shù)量。2）根據(jù)反應(yīng)塔、沉淀池、上升煙道中銅水套需要的供回水點(diǎn)數(shù)量，確定各自需要的集水箱數(shù)量和規(guī)格。3）按照分區(qū)域以及就近連接的原則，結(jié)合平臺四周的工藝配置情況，綜合考慮各集水箱與銅水套間的毛細(xì)管連接關(guān)系及大致走向。4）集水箱不宜布置在廠房平臺的外邊緣，同時為方便后續(xù)毛細(xì)管的安裝，集水箱在爐體四周布置時，其看水方向宜面向爐體方向。

3?? 閃速爐爐體毛細(xì)管設(shè)計與安裝

毛細(xì)管指從集水箱上給水支管至爐體銅水套進(jìn)水接口以及爐體銅水套回水接口至集水箱內(nèi)的管路。毛細(xì)管數(shù)量大，以某40萬t生產(chǎn)規(guī)模的“雙閃”冶煉廠為例，其閃速熔煉爐中有約850個供回水點(diǎn)，閃速吹煉爐有約660個供回水點(diǎn)。因此，設(shè)計時需要統(tǒng)籌兼顧、化繁為簡。一般是以集水箱為單位，先成排走管至爐前，再將毛細(xì)管分至各自對應(yīng)的銅水套附近，最后通過金屬軟管與銅水套接口連接。

3.1? 毛細(xì)管管道材質(zhì)

閃速爐爐體毛細(xì)管管道的材質(zhì)通常采用鍍鋅鋼管、不銹鋼管和銅管。其中，鍍鋅鋼管造價最低，但由于其采用螺紋連接，長期運(yùn)行過程中螺紋連接處存在漏水的隱患，所以目前較少使用。銅管的導(dǎo)熱性最好，且銅管間采用焊接，漏水少;與不銹鋼管相比，更容易煨彎。但銅管一次性投資過大，較少有冶煉廠采用。不銹鋼管管道間也是采用焊接連接，在長期運(yùn)行過程中漏水少，可靠性高。因此，目前大多數(shù)冶煉廠的爐體毛細(xì)管選用不銹鋼材質(zhì)。

3.2? 典型的毛細(xì)管路設(shè)計

毛細(xì)管路作為爐體循環(huán)水在集水箱與銅水套間流動換熱的通道，一旦發(fā)生漏水事故，須立即停爐進(jìn)行檢修，因此其安全穩(wěn)定地運(yùn)行對于閃速爐的正常生產(chǎn)而言非常關(guān)鍵。在毛細(xì)管管路的設(shè)計過程中，應(yīng)重視管路中鋼管與其他管道組件間的配合，盡量采用焊接的方式，并控制焊縫數(shù)量。圖2為某閃速爐毛細(xì)管路連接圖示意。

為了方便金屬軟管安裝和檢修，管路中的金屬軟管接口建議采用松套式內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu);同時根據(jù)需要，還可以在毛細(xì)管路中設(shè)置流量計。

3.3? 毛細(xì)管安裝特點(diǎn)

毛細(xì)管的安裝有以下幾個特點(diǎn)：1）安裝工作量大。毛細(xì)管管路不僅包含鋼管，還有活接頭、彎頭、三通等管件，以及閥門、金屬軟管、毛細(xì)管支撐架等。鋼管與鋼管間需要焊接，鋼管與管件間也需要焊接，同時在安裝過程中還需要對鋼管進(jìn)行煨彎處理以配合安裝，因此毛細(xì)管的安裝工作量極大，占熔爐主廠房中所有管道安裝工作量的70%～80%。2）安裝難度大。在閃速爐四周，不僅有毛細(xì)管，還有供回水主管、支管以及環(huán)集煙管、助燃風(fēng)管、天然氣管、氧氣管等工藝管道。相對于其他管道，毛細(xì)管的管徑較小，一般規(guī)格為DN25。在安裝過程中，毛細(xì)管需要避開這些大管道或者從大管道的間隙中穿過，安裝空間較小。同時，在毛細(xì)管的連接過程中，還需要避讓敷設(shè)路徑前方的廠房立柱以及橫梁、爐體立柱以及橫梁等。因此，存在大量的管道煨彎工作，制作和安裝難度較大。3）安裝要求高。一個銅水套的供回水點(diǎn)有2個毛細(xì)管管路，即一個供水管路和一個回水管路，每一個供回水管路與銅水套都是一一對應(yīng)的。在安裝過程中，這2條管路需要上下敷設(shè)整齊并方便識別，以便某根毛細(xì)管漏水時，能夠快速地將其找出。毛細(xì)管安裝完成后，為確保其嚴(yán)密性，需要逐根進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

3.4? 閃速爐爐體毛細(xì)管安裝要點(diǎn)

毛細(xì)管應(yīng)在規(guī)劃的區(qū)域內(nèi)整齊、有規(guī)律地進(jìn)行敷設(shè)，按照區(qū)域就近接管。走管盡可能朝一個方向，避免左右交錯導(dǎo)致走管混亂;空間不夠時可考慮上下分層走管，管路敷設(shè)前方遇到障礙時應(yīng)提前彎管進(jìn)行避讓。同一排的毛細(xì)管和上下層毛細(xì)管間采用槽鋼固定，并保證一定的間距，方便焊接及后續(xù)檢修。根據(jù)閃速爐爐體各區(qū)域水套設(shè)置特點(diǎn)及周邊構(gòu)件的情況，結(jié)合國內(nèi)外毛細(xì)管安裝經(jīng)驗(yàn)，不同區(qū)域毛細(xì)管的安裝要點(diǎn)如下。

1）反應(yīng)塔頂部。反應(yīng)塔頂一般采用全銅水套結(jié)構(gòu)，塔頂設(shè)有燒嘴口和清理口?；诖?，反應(yīng)塔頂毛細(xì)管安裝時應(yīng)注意：（1）為方便管道的敷設(shè)和后續(xù)檢修，建議將毛細(xì)管敷設(shè)在爐體框架的上方，后續(xù)再在此處增設(shè)一個架高的平臺，見圖3。（2）在豎向毛細(xì)管的敷設(shè)過程中，宜貼近爐體框架上的橫梁邊緣從上往下安裝，同時在配管過程中，預(yù)留出燒嘴、清理口的操作空間。

2）反應(yīng)塔筒體。反應(yīng)塔筒體為圓柱體結(jié)構(gòu)，高6 000～7 500 mm，筒體四周均設(shè)有銅水套組成，一般中上部區(qū)域?yàn)樗剿祝虏繀^(qū)域?yàn)镋型水套。基于反應(yīng)塔筒體水套的布置以及周邊構(gòu)件的情況，反應(yīng)塔筒體毛細(xì)管安裝時應(yīng)注意：（1）建議毛細(xì)管從筒體1/4圓或者1/8圓位置處，從上至下分兩層集中走管，并在筒體上部的清理口處預(yù)留出足夠的操作空間。（2）毛細(xì)管在高度方向上應(yīng)盡量貼近爐體框架中相關(guān)區(qū)域的梁底及梁邊緣布置，給后續(xù)的點(diǎn)檢和維修留足空間。圖4為某閃速爐反應(yīng)塔筒體銅水套毛細(xì)管敷設(shè)。

3）沉淀池側(cè)墻。沉淀池側(cè)墻水套的下部為垂直水套，上部為3～4層條形水套，水套的外端與側(cè)護(hù)板貼合，護(hù)板又與立柱貼合。沉淀池側(cè)墻上部一般還設(shè)置有燒嘴口和觀察口，部分立柱頂部設(shè)有渦卷彈簧?；诖顺恋沓貍?cè)墻毛細(xì)管安裝時應(yīng)注意：（1）沉淀池側(cè)墻毛細(xì)管敷設(shè)過程中，需考慮預(yù)留渦卷彈簧后續(xù)調(diào)節(jié)所需空間，以及燒嘴口和觀察口的操作空間;（2）當(dāng)毛細(xì)管快敷設(shè)到爐前時，根據(jù)各區(qū)域水套使用的供水點(diǎn)數(shù)量情況，將毛細(xì)管沿爐體立柱外側(cè)翼緣板區(qū)域向下敷設(shè)，毛細(xì)管與立柱外側(cè)翼緣板之間的間隙控制在100 mm左右。圖5為某閃速爐沉淀池側(cè)墻銅水套毛細(xì)管敷設(shè)。

4?? 結(jié)語

隨著閃速爐冶煉強(qiáng)度的增加，閃速爐銅水套的布置范圍在不斷擴(kuò)大，供回水點(diǎn)數(shù)以及單個供回水點(diǎn)的循環(huán)水量也在不斷增大。確保閃速爐爐體水系統(tǒng)長期、安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，對于維持閃速爐熱平衡、保障閃速爐的生產(chǎn)安全、提高作業(yè)率，以及延長銅水套的使用壽命，起著重要的作用。本文結(jié)合國內(nèi)外設(shè)計施工經(jīng)驗(yàn)，對閃速爐爐體水系統(tǒng)主管和毛細(xì)管的設(shè)計思路、安裝特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，為國內(nèi)新建閃速爐項(xiàng)目或改造閃速爐爐體水系統(tǒng)項(xiàng)目的設(shè)計與安裝提供參考。

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