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3969/j.issn.1007-7545.2018.02.005 闪速炉炉体结构的发展 董广刚 (阳谷祥光铜业有限公司,山东阳谷 252327) 摘要:闪速炼铜 四高 尤其是高热负荷的发展趋势对炉体结构提出了新的要求.结合当前国内闪速炉发展状况及祥光铜业实际,介绍了闪速炉体结构的发展过程、冷却元件的布局方式,并对今后的发展做了展望. 关键词:闪速炼铜;

炉体结构;

发展过程;

冷却元件 中图分类号:TF811 文献标志码:A 文章编号:1007-7545(2018)02-0000-00 Discussion on Development of Flash Furnace Structure DONG Guang-gang (Xiangguang Copper Co., Ltd, Yanggu 252327, Shandong, China) Abstract: Four high of copper flash smelting, especially the development trend of high heat load, call for new requirements on furnace structure. Development of flash furnace structure and structure layout of furnace cooling element were introduced with combination of current domestic flash furnace and practice of Xiangguang Copper. The development of flash furnace structure in future is prospected. Keywords:copper flash smelting;

furnace structure;

development process;

cooling element 闪速熔炼工艺自1949年问世以来,经过不断发展,不仅可以用作铜、镍、铅精矿的熔炼,而且可以用作冰铜的吹炼.单台闪速炉的产能也由最初的几万吨,达到了现在的50万t粗铜.闪速炉的炉体有两种,一种是Inco闪速炉,另一种是奥托泰闪速炉(见图1),其中后者应用最为广泛.至今闪速炉炉体的主体结构没有太大变化,主要分三部分,粒子与反应空气(富氧空气)在空间反应的炉膛――反应塔;

用于熔体沉降分离和进行造渣及交互反应的熔池――沉淀池;

用于反应后将富含SO2的高温烟气排出的炉体――上升烟道. 图1 奥图泰闪速炉体结构简图 Fig.1 Diagram of furnace structure of Outotec Flash Furnace 20世纪80年代以后新建的闪速炉及旧闪速炉的改造基本上走着共同的 四高 道路,即高生产能力、高铜锍品位、高富氧浓度及高热强度[1].高热强度客观上对提高炉体寿命不利.为了解决这一问题,除了优化精矿(冰铜)喷嘴,改善反应状况,减少冲刷外,更多、更合理的冷却元件被应用于炉体,同时各种耐火材料的配置根据不同区域受热强度、熔体性质、气流冲刷程度等因素合理布局. 祥光铜业(以下简称祥光)是中国第一家采用双闪技术的冶炼厂,2007年建成投产,通过自主创新,发明了旋浮冶炼新技术和新喷嘴,使产能由20万t提升到50万t,一举成为当今世界单系统产能最大的铜冶炼厂.为了适用新技术,在炉体方面也做了大量改进工作,有力的保障了生产稳定、环保和高效性. 收稿日期:2017-11-10 作者简介:董广刚(1982-),男,山东东阿人,工程硕士,工程师.

1 反应塔 1.1 反应塔筒体 早期的反应塔筒体采用钢结构支撑,后来逐渐发展为整体悬挂结构[2],筒体与沉淀池顶脱开,可以自由向下膨胀. 1.2 反应塔塔顶 最初的反应塔顶是用楔形砖砌成的拱顶,后来有吊挂成球顶的,目前比较流行的是平顶.祥光最初熔、吹炼炉均为平顶结构,用375 mm厚镁铬砖砌成,喷嘴方形水套周围到反应塔顶周边全部是吊挂砖,随着投料量的加大,一方面烟气喘流对塔顶的冲刷日趋严重;

另一方面高热强度下,吊挂砖得不到有效冷却,一般3至6个月塔顶局部砖就会消耗殆尽,被迫更换,耗费大量人力物力.二期投产后,将熔、吹炼反应塔顶改为吊挂水套结构[3](见图2),反应塔顶得到了强制冷却,由于熔、吹炼反应得到的熔体不同,吹炼炉吊挂水套的烟气面要做相应处理. 图2 反应塔顶吊挂水套结构 Fig.2 Suspend water jacket of reaction tower top 1.3 反应塔塔壁 反应塔原料与氧气发生反应的场所,塔中心温度很高,塔壁要经受高温烟气和高温熔体的冲刷,几乎没有任何单纯的耐火材料可以承受.奥托泰最初的闪速炉塔壁采用耐火材料堆砌,厚度达1 m,但寿命不足2个月.为了提高炉体寿命,在优化耐火材料的同时,各冶炼厂不断改进反应塔结构,利用水的比热大的性质,采用水冷却系统. 炉体冷却系统经历了喷淋冷却和立体冷却.水冷却系统主要采用立体冷却系统,由水冷铜管和铜水套两种,目前使用最多的是铜水套.反应塔壁水套的层数由最初的4层增加到了现在的十几层.祥光的熔炼炉反应塔布置了16层水平水套,吹炼炉布置了13层水平水套,两层水平水套之间的距离在300~400 mm,越往下越小.随着冶炼强度的加大,反应塔下方两层水平水套之间的耐火砖仍然会冲刷严重,导致水套发红甚至烧毁,现在不少冶炼厂的最下层水套(不包含连接部)已经改成了立面水套即 F 型水套(又叫E形或锯齿形,见图3),把几层独立中间带有耐火砖层的水平水套改为整体冷却水套,冷却强度得到加强,提高了冷却效果. 图3 F型水套 Fig.3 F-type water jacket 1.4 反应塔与沉淀池连接部 受烟气流向影响,闪速炉反应塔与沉淀池连接部、沉淀池与上升烟道连接部是最容易受到高温火焰和烟气冲刷的部位.最初的连接部是将楔形砖固定在钢结构上吊挂起来,形成喇叭状,耐火砖很容易损坏.后来发展为使用带有翅片的铜管为支架,浇筑捣打耐火材料的结构,取得了不错的效果.随后该部位发展为L形水套和T形水套的结构.目前使用最多的是F形水套结构.

2 沉淀池 闪速炉的沉淀池承接来自反应塔的高温熔体和高温烟气,是完成气液、气固、液液分离的场所.高温熔体在沉淀池内汇集,进行渣、锍的沉降分离,同时要完成大部分的造渣反应,携尘烟气也能在沉淀池内得到净化,因此,安全性能是沉淀池的关键,储存铜锍的能力、渣的滞留时间是设计沉淀池的重要参数,同时还要兼顾考虑烟尘的沉降.分为沉淀池底、沉淀池侧墙、沉淀池顶三大部分. 2.1 沉淀池底 通常沉淀池底是在混凝土框架或钢结构框架上采用耐火砖和不定型耐火料砌筑而成,其架空的高度视受铜、受渣等后续工序的要求而异.为防止漏炉事故和减少热量的损失,闪速熔炼炉的沉淀池底都比较厚,分为工作层、保护层(永久层)和保温层(隔热层),见图4a.为防止耐火砖浮起而造成事故,炉底是由楔形耐火砖砌筑,在宽度方向上形成反拱形,早期的沉淀池底还在耐火砖的下面用不定型耐火料或耐火水泥预制成反拱.由于铁与氧的亲和力大于铜于氧的亲和力,在熔炼过程中,铁容易被过氧化形成高熔点(1

597 ℃)的Fe3O4,而其密度(5.18 t/m3)又与冰铜密度(4.2~5.6 t/m3)接近,很容易在炉底的耐火砖上析出凝结,形成炉结保护层,而耐火砖基本上不会消耗,因此,闪速熔炼炉的炉底又被称为 永久炉底 . 吹炼炉炉底与熔炼炉有所不同,通常吹炼炉采取是强制通风冷却结构,炉底仅砌筑两层砖,即工作层和保护层.炉底钢壳为夹层结构,通过吸风机吸入炉体周围冷风对炉底进行强制冷却.为了使炉底的稳定性增强,反应塔下方的炉底也采用反拱形结构(见图4b). 图4 熔炼炉炉底(a)和吹炼炉炉底(b)结构图 Fig.4 Diagram of furnace bottom of smelting furnace (a) and converting furnace (b) 2.2 沉淀池侧墙 沉淀池侧墙有倾斜结构和竖直结构两种.倾斜结构以日本设计为代表,由下向上向外扩张,倾斜角通常为10°,防止炉墙砖向内倒塌;

竖直结构以欧美为代表,是由耐火材料、冷却元件、炉壳及外部的钢结构组成的矩形框,目前采用 双闪 工艺的炉体均为竖直结构. 按功能区分,沉淀池可以分为烟气区和熔池区两大部分[4].位于反应塔正下方的烟气区侧墙的耐火材料很容易被消耗,各冶炼厂采用耐火砖的外侧预埋带翅片的水冷铜管进行冷却,后逐步改为耐火砖中插入水平铜水套,在后来的改进中,采用水套冷却.祥光采用三层水平水套,其他冶炼厂有采用更多层水平水套的,或直接采用 E 形竖直水套. 在熔池区,耐火材料最容易损耗的是渣线区,尤其是位于反应塔正下方,反应塔下来的高温熔体在此聚合,聚合的结果必将促使各物质间的交互反应.如熔剂(SiO2)与FeO要进行造渣反应,这是一个放热反应,必定会损伤耐火砖;

如过氧化物(Cu2O、Fe3O4等)与FeS要进行还原反应,反应的产物(SO2)溢出时就会产生 熔体柱 效应而搅动熔体对耐火砖形成冲刷.为保护渣线区的耐火砖,避免泄漏事故的发生,闪速炉问世不久,各冶炼厂便根据外壳的垂直或倾斜而分别在这区域设置垂直水套或倾斜水套.为防止耐火砖熔损和炉体膨胀变形而引起熔体泄漏,水套间采用 凹凸 台的咬合方式,在沉淀池的四角(90°直角弯),垂直的水套间还用螺栓紧固.闪速吹炼炉多采用钙基渣,渣线区的耐火材料很快被侵蚀,为了不使铜液直接接触铜水套,竖直水套采用嵌钢或堆焊耐热钢的结构. 关于闪速吹炼炉排放口的位置问题.目前闪速吹炼炉液面控制有两种模式,一是高铜面,一是低铜面.低铜面是基于铜面不应高于拱脚砖的高度,因为随着吹炼炉渣线区域耐火材料的侵蚀,渣线以下部分也会慢慢被熔体侵蚀、浮起,熔体会直接接触到竖直水套,为了不使粗铜接触竖直水套,而采取低铜面控制,同时低铜面控制时由于炉内熔体少,便于冷态开炉.高铜面控制是基于控制渣线不下移,减少对渣线以下部位耐火材料的侵蚀.高铜面控制要求竖直水套的结构有所变化,当渣线部位的耐火材料损耗后,水套能够控制渣线以下部位的耐火材料不被浮起,同时即使停炉检修也最好不要放低铜面,防止渣面下移对耐火材料的侵蚀. 2.3 沉淀池顶 沉淀池顶分平顶和拱顶两种,目前大多采用平顶吊挂结构,一般根据区域受冲刷程度不同,布置吊挂砖、吊挂水套等(早期还有H型梁).冶炼烟气进入沉淀池后,在熔体上方空间向后移动,沉淀池顶部是主要接触面,受到的烟气冲刷相当严重,消耗量大.尤其是反应塔出口的三角区部位. 祥光熔炼炉三角区采用吊挂条形水套夹吊挂砖的布局方式(见图5a),设想能够通过吊挂水套来冷却保护吊挂砖.事实上,仅靠几块吊挂水套无法对该区域进行有效冷却,随着生产进行,水套中间的砖就会被消耗,水套就暴露在烟气中,发生过几次因水套暴露造成水套被烧毁漏水的事故.另外,该区域空间狭小,更换吊挂砖及其困难.后来将该区域及易损区域吊挂砖及条形水套拆除,更换成吊挂平板水套(图5b),实现了吊挂水套烟气区的整体性,有效延长了水套使用寿命,同时减少了该区域吊挂砖更换频次,减少了漏烟,提高作业率,改善环境. 祥光吹炼炉三角区采用的吊挂平水套结构,为了防止烟气冲刷,烟气侧采用嵌砖结构. (a)吊挂水套夹吊挂砖结构;

(b)吊挂平水套结构 图5 不同结构形式的沉淀池顶 Fig.5 Top of settling pond with different structure

3 上升烟道 上升烟道一般有两种结构,一种为倾斜状,一种为竖直状[5],关于两种结构对烟尘粘接的影响还有待验证.祥光熔、吹炼均采用竖直结构,熔炼炉两层水套,吹炼炉13层水套,最下方与沉淀池连接部为倒F形水套.上升烟道与锅炉连接部均由10块水套拼成的门框状结构. 上升烟道顶部为吊挂砖结构,中心的事故烟道口最初采用耐火材料预制件结构,受烟气冲刷及烟气路线切换等因素影响很容易损坏,后改为方形水套结构. 为较好控制上升烟道开口处的粘接,在上升烟道顶部和侧面增加烧嘴孔,安装天然气烧嘴.

4 结论及展望 随着闪速炉产能的提高,投料量加大,热负荷不断提高,当前的耐火材料已经无法长期承受高温烟气的冲刷,烟气区炉体结构如沉淀池顶、沉淀池侧墙开始由原来水套夹耐火砖模式,逐渐向全水套模式发展,其他区域的冷却元件也明显增加,炉体冷却得到加强. 大量增加冷却元件后对生产的稳定性提出更高要求,由于冷却强度是按照高负荷作业设计,冷却水会能够带走大量热量,低负荷运行时,需要对冷却水量及时调整,否则会造成烟气温度降低,增加对后续设备的腐蚀;

同时对水套的制造商和炉体的点检操作提出了更高要求,一方面,水套制造工艺对水套的制作要更加细致,杜绝铜管与水套之........