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3969/j.issn.1007-7545.2018.02.006 祥光铜业竖炉连续熔铜高负荷生产实践 布乃祥,张太正,贾贵堂 (阳谷祥光铜业有限公司,山东阳谷 252327) 摘要:介绍了祥光铜业竖炉连续熔铜生产工艺,通过对竖炉炉体结构和竖炉溜槽的改进,以及对燃烧系统参数的优化,增加了电解残极和大块固体冷态物料的处理量,提高了竖炉的作业率和产品质量,实现了竖炉连续高负荷生产. 关键词:竖炉;

电解残极;

作业率;

碳化硅砖;

燃气比 中图分类号:TF811 文献标志码:A 文章编号:1007-7545(2018)02-0000-00 Practice of High Load Process for Continuous Copper Smelting with Shaft Furnace in Xiangguang Copper BU Nai-xiang, ZHANG Tai-zheng, JIA Gui-tang (Xiangguang Copper Co., Ltd, Yanggu 252327, Shandong, China) Abstract:Practice of high load process for continuous copper smelting with Shaft Furnace in Xiangguang Copper was introduced. Processing capacity of electrolytic residual pole and block solid cold material is enhanced by structure improvement of furnace body and chute, and parameter optimization of combustion system. Working rate and product quality of Shaft Furnace are improved. Continuous high load production of Shaft Furnace is realized. Key words:Shaft Furnace;

electrolytic residual pole;

working rate;

silicon carbide brick;

fuel gas ratio 燃气竖炉是美国ASARCO公司在20世纪60年代开发研制的铜熔炼设备,具有熔化能力大、产品质量稳定、节约能源等优点,在铜加工行业得到越来越广泛的应用[1].阳谷祥光铜业采用闪速吹炼工艺,专门设置了阿萨柯型竖炉,在竖炉后续工艺配置了保温炉作为储存设备,采用竖炉――保温炉化铜技术[2].电解车间返回的残极和阳极炉浇铸时产生的不合格阳极板等大块冷态物料,加入竖炉后在还原气氛下熔化,铜水通过溜槽流入回转式保温炉中进行存储、升温、保温,达到浇铸位后,无需还原就可以直接浇铸成阳极板.

1 竖炉的结构 竖炉主要由竖炉本体、加料口、加料系统、水冷烟道及烟囱组成(见图1).为避免加料过程中炉料撞击炉体,在上部筒体的上端设置了一圈高1.52 m、通过4个螺栓固定在钢壳上的防撞铜块,在防撞铜块与钢壳之间设置了一圈风管,风管上部开设了24个直径20 mm的小孔,可以通风对防撞铜块进行冷却(见图2).目前,祥光铜业在下部筒体上安装了A(下层)、B(上层)两排烧嘴,A、B排分别装有

7、8个烧嘴,并且在下部筒体的下段设置了出铜口,熔化后熔体从出铜口经过溜槽流入保温炉. 竖炉加料系统由卷扬机、提升料斗、导轨组成. 收稿日期:2017-11-10 作者简介:布乃祥(1982-),男,山东聊城人,工程师. 图1 竖炉总装图 Fig.1 Sketch map of Shaft Furnace 图2 防撞铜块及风管的安装 Fig.2 Installation of crashproof copper-block and air hose

2 工艺原理 竖炉用于熔化处理电解车间返回的残极和阳极炉浇铸时产生的不合格阳极板,熔化后的铜液从出铜口经过溜槽流入保温炉进行存储、升温、保温,达到浇铸位后再与阳极炉共用一台双包双圆盘定量浇铸机进行阳极浇铸.大块冷料由炉顶水冷加料口通过加料系统加入炉膛,形成料柱.烧嘴喷出的高温火焰直接与炉内的残极板接触,料柱底部的残极板到达熔点后熔化,形成液滴落入炉底.由于设计的竖炉底部无熔池,落入炉底的液滴直接顺着倾斜的炉底从出铜口流出,经过溜槽流入保温炉内.随着底部料柱的熔化,料柱不断下落,及时利用加料系统进行加料,形成竖炉连续熔化作业.同时,炉体下部烧嘴处产生的高温气流经过料柱的间隙向上运动,将大部分热量传递给正在下落的残极板,提高了热量的利用率. 2.1 内衬结构 竖炉炉体为垂直圆筒形,炉壳由钢板焊接而成,炉衬从外到内依次为钢板、硅酸铝耐火纤维板、粘土砖、碳化硅砖. 竖炉正常作业时,下部炉膛内的温度高达1

350 ℃,因此竖炉工作层选用的耐火材料首先应该具有很高的耐火度.并且,工作层与熔融铜液直接接触,所以需要严格控制工作层耐火材料的有害杂质含量.鉴于此,在对镁铬砖和碳化硅砖两种耐火材料各方面性能充分对比后,最终选择碳化硅砖作为工作层.碳化硅砖具有良好的耐磨性、抗热震性、抗金属溶液侵蚀的能力和优异的耐酸性或碱性熔渣,并且碳化硅砖比镁铬砖的结构致密,使铜溶液渗入量少,可以减少铜的损失. 由于紧靠工作层的材料不直接接触铜熔液,因此选用性价比较高的粘土砖就能满足工作要求.紧贴粘土砖要选用具有导热系数小、重量轻、安装施工方便的轻质粘土质填料,以提高竖炉炉体的保温性能.同时紧贴炉壳设置了硅酸铝耐火纤维板,主要是减少炉壳的热量损失,防止炉壳钢板温度过高,保护炉壳[3]. 烧嘴区域耐火材料受到铜水冲刷损耗较为严重,生产过程中经常因为烧嘴区域过渡砖损耗脱落导致烧嘴发红,严重时烧嘴砖也会脱落,进而被迫停炉进行检修,降低了竖炉作业率.根据生产实践,决定将炉底以上的过渡砖的宽度增加一倍,取消了里层的粘土砖,经过改进后,铜液再冲刷到原来厚度时也不会使烧嘴砖脱落,增加了竖炉正常作业时间,降低了停炉检修频次. 竖炉内温度的高低变化、炉内压力的正负波动、炉内气氛及热负荷等方面严重影响着炉内耐火砖的使用寿命,为此,熔炼车间加强了对员工的技术知识和现场操作培训,提高员工的工艺操作技能,确保竖炉各项技术指标在控制范围内.同时,每次竖炉停炉检修砌筑好炉体后,必须严格按照升温曲线进行升温烘炉,严格限制进料量,避免一次进料量过大导致炉温波动大. 2.2 竖炉烧嘴 为了提供熔化电解残极的热源,在竖炉炉体下部安装了A(下层)、B(上层)两排烧嘴,A、B排分别装有

7、8个烧嘴,并相互错开.A、B两排烧嘴的安装角度均为向下倾斜9.5°,其中A排烧嘴离放铜口由远到近安装高度越来越低.并且每个烧嘴都是单独进行供风与供气,分别安装流量计,互不干扰,针对炉内物料的分布可以分别调节烧嘴的燃气比,控制物料熔化速度. 祥光铜业采用的保温炉没有氧化还原系统,为了保证产品质量必须控制好铜液中的氧含量,因此就要保持竖炉内为还原气氛.可以通过连续控制烧嘴的燃气比,从而控制炉内燃烧气氛为微还原气氛,降低铜液中氧含量.同时,通过调节烧嘴的燃气比可以控制炉内残极熔化速度,实现高负荷生产.经过在实际生产中不断摸索,得到竖炉烧嘴的最佳燃气比为1U10.1,此时能很好地控制炉内为微还原气氛,有效地降低了铜液中的氧含量,提高了产品质量. 2.3 竖炉溜槽改进 竖炉熔化后的铜液温度为1 130~1

160 ℃,并且铜液需要经过长约10 m的溜槽才能流入保温炉,为了保持铜液在溜槽中的温度,在溜槽盖板上设置了11个低压烧嘴来提供热量.以前竖炉溜槽盖的连接形式采用的是对接方式,这样溜槽盖与溜槽盖之间就会存在较大的间隙,虽然采用耐火料进行密封,但是耐火料被烘干后还是会存在一定的缝隙,出现蹿火现象,使大量的热量流失,造成能源浪费.并且溜槽盖上的烧嘴孔处于溜槽盖的边缘位置,一个溜槽盖上留有半个烧嘴孔,由两个溜槽盖对接形成一个烧嘴孔,这又增加了烧嘴孔处的间隙,进而导致天然气热量不能够充分地被利用. 对此,祥光铜业科研人员对竖炉溜槽盖形状尺寸进行了重新设计,连接形式由原来的对接方式改为搭接方式,将溜槽盖上的烧嘴孔由原来的边缘位置改到中间位置,减小了溜槽盖之间存在的间隙,并且在溜槽盖两端预埋加强筋用来提高溜槽盖的整体强度(见图3).同时,将竖炉溜槽烧嘴由原来的11个减少为9个,并且能够满足热量的供给,使溜槽烧嘴天然气消耗量由原来的180~220 m3/h降低到150~160 m3/h,实现节能降耗.控制溜槽烧嘴燃烧风量,始终保持溜槽内为还原气氛,保证铜液与外界空气处于隔绝状态. 图3 竖炉溜槽 Fig.3 Chute of Shaft Furnace 2.4 竖炉作业率 祥光铜业自2015年5月对竖炉进行整体拆除以来,以及对竖炉生产工艺加以改进实施,竖炉作业率大幅提高,每次检修后的平均作业时间由原来的53.1 d延长到75.9 d,每次停炉检修时间由原来的4.6 d降低到4 d(见表1).竖炉生产工艺改进实施后浇铸生产的阳极板由原来的4

669 t/月增加至5

727 t/月,竖炉吨铜单耗由原来的40~45 m3/t降低到25~30 m3/t(标态). 表1 竖炉检修记录表 Table

1 Maintenance record of Shaft Furnace 停炉熄火日期 开炉作业日期 检修天数 作业天数 2014-08-15 2014-08-19 3.9 50.8 2014-10-07 2014-10-11 4.0 49.6 2014-12-02 2014-12-07 5.7 51.5 2015-01-30 2015-02-04 4.8 54.0 2015-04-05 2015-04-09 4.7 59.4 2015-05-24 2015-06-24 31.3 44.5 2015-09-12 2015-09-17 4.8 69.3 2015-11/-19 2015-11-23 4.5 71.2 2016-05-21 2016-05-25 3.9 73.2 2016-08-07 2016-08-10 3.2 76.5 2017-02-13 2017-02-17 3.2 83.1 2017-05-10 2017-05-14 4.3 82.3 2.5 保温炉 由于设计的阿萨柯型竖炉能力仅为40 t/h,不能满足双圆盘浇铸机的要求(110 t/h),需要设置保温炉对熔融铜液进行存储、升温、保温,再经过双圆盘定量浇铸机进行阳极浇铸.祥光铜业对保温炉加料口进行了改进,将原来的簸箕型加料口改成了半圆管型,避免了保温炉每次加满料后竖炉都要停炉,实现了竖炉在保温炉浇铸的同时可以继续化铜作业[2].减少了竖炉停炉次数,降低了因竖炉停炉而引起的炉内温度变化对炉内耐火材料的损坏,同时也减少了竖炉溜槽、放铜溜槽、中间包、浇铸包的烘烤次数,耐火材料的吨铜单耗由原来的约0.68 kg降低到约0.26 kg,实现了节能降耗. 祥光铜业开始设计的保温炉燃烧系统是由燃烧风与天然气进行燃烧来提供热源,由于空气中79%的氮气以高温烟气的形式带走大量的热,造成能源浪费,天然气消耗量约为400~460 m3/h(标态,下同).针对这一问题,经过攻关总结,决定采用稀氧烧嘴系统(DOC_JL烧嘴),天然气的消耗量降至140~160 m3/h,保温炉吨铜单耗由原来的28~35 m3/t降低到15~18 m3/t,实现了能源节约.经过不断的生产实践摸索后,确定稀氧烧嘴最佳氧燃比为1.5(J0.

9、L0.6)U1,控制保温炉内为还原气氛,可有效降低铜液中的氧含量,提高浇铸阳极板质量.

3 结论 1)将竖炉炉底以上过渡砖的宽度增加一倍,取消了里层的粘土砖.当铜液再冲刷到原来厚度时也不会使烧嘴砖脱落,延长了竖炉正常作业时间,降低了停炉检修频次. 2)确定竖炉烧嘴的最佳燃气比为1U10.1,能很好控制炉内为微还原气氛,有效降低了铜液中的氧含量,提高了产品质量. 3)竖炉溜槽盖形状尺寸进行了重新设计,连接形式由原来的对接方式改为搭接方式,同时,将竖炉溜槽烧嘴由原来的11个减少为9个,使溜槽烧嘴天然气消耗量由原来的180~220 m3/h降低到150~160 m3/h. 4)竖炉生产工艺改进实施后,浇铸生产的阳极板由原来的4

669 t/月增加至5

727 t/月,竖炉吨铜单耗由原来的40~45 m3/t降低到25~30 m3/t. 5)保温炉采用稀氧烧嘴系统,保温炉吨铜单耗由原来的28~35 m3/t降低到15~18 m3/t,确定稀氧烧嘴最佳氧燃比为1.5(J0.

9、L0.6)U1,控制保温炉内为还原气氛,有效地降低了铜液中的氧含量,提高了产品质量. 参考文献 [1] 张玉杰. 浅析燃气竖炉在我国铜加工行业的应用前景[J]. 有色金属加工,2005,34(6):18-20. [2] 禚响亮,祁茂刚,戴曦. 竖炉――保温炉连续化铜工艺生产应用实践[J]. 中国有色冶金,2014,41(6):35-37. [3] 袁精华. 熔铜炉设计[J]. 有色设备,2007(3):19-23. ................