馮 欣 摘譯

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

現(xiàn)代閃速熔煉冷卻系統(tǒng)

馮 欣 摘譯

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

60多年前首次推出的閃速熔煉技術(shù)，現(xiàn)已成為硫化銅、硫化鎳熔煉的領(lǐng)先技術(shù)。閃速熔煉技術(shù)的優(yōu)勢，即能效高、環(huán)境友好、在線作業(yè)率高、貴金屬回收效率高，在應(yīng)用初期就已十分明顯，很快在全世界范圍得到認(rèn)可。閃速熔煉技術(shù)在多年的發(fā)展史中積累了很多寶貴經(jīng)驗，持續(xù)不斷的研發(fā)工作保證了閃速熔煉技術(shù)的領(lǐng)先性。目前閃速熔煉技術(shù)已成為最先進(jìn)、最佳的熔煉方式。

對閃速熔煉技術(shù)持續(xù)不斷研發(fā)的一個實(shí)例就是通過實(shí)際工業(yè)運(yùn)行和理論評估對工藝中的冷卻要求有了更好地理解。超過10年的爐齡要求已逐漸提高了爐子的冷卻量。除了強(qiáng)化冷卻設(shè)備的研發(fā)，現(xiàn)代模擬和建模工具的應(yīng)用伴隨著基礎(chǔ)背景知識的增加，使設(shè)計速度更快、更精確。結(jié)合工藝知識的深化，在過去的幾十年里，我們對爐況的認(rèn)識有了顯著提高。在實(shí)際作業(yè)中，通過增加設(shè)備和采用現(xiàn)代化工藝控制系統(tǒng)使我們獲得了很多有關(guān)爐子整體和工藝條件的有價值信息。本文將概述與冷卻設(shè)計有關(guān)的閃速爐的一些基本原理，同時還描述了應(yīng)對各種挑戰(zhàn)而研發(fā)的現(xiàn)代化工具和設(shè)備。

閃速熔煉；冷卻系統(tǒng)；爐齡；耐蝕性；改進(jìn)

1 概述

60多年前，Outotec（奧圖泰）在芬蘭哈爾亞瓦爾塔（Harjavalta）冶煉廠首次引入了閃速熔煉技術(shù)，由于該技術(shù)本身固有的能效高、環(huán)保等特性，作為一種可靠的銅、鎳生產(chǎn)方法，很快便在全世界范圍得到了認(rèn)可。多年來，多項改進(jìn)和新技術(shù)應(yīng)用于全世界多個閃速爐作業(yè)中，閃速熔煉現(xiàn)在已取得領(lǐng)先地位，成為世界第一的原生銅熔煉技術(shù)。閃速熔煉一個非常重要的特色是爐齡長，據(jù)報導(dǎo)可長達(dá)15年，這在行業(yè)中無可匹敵。從歷史上看，如此長的爐齡是不可能實(shí)現(xiàn)的，在過去的幾十年里，多項結(jié)構(gòu)上和操作上的改變應(yīng)用于閃速熔煉技術(shù)中。對爐況的認(rèn)識有了顯著提高，在線分析獲得了有關(guān)爐子的整體連續(xù)信息。現(xiàn)代化模擬和建模工具的采用有助于更好地了解復(fù)雜的高溫作業(yè)，例如帶有后續(xù)煙氣處理的閃速熔煉工藝生產(chǎn)線。

閃速熔煉爐釋放的熱量中約有10%被視為熱損失，這部分熱量大部分在冷卻水中排出，其中約有10%～20%最后以加熱周圍空氣而損失。包括爐子中的冷卻元件在內(nèi)，爐膛也是通過強(qiáng)制空氣冷卻方式進(jìn)行冷卻。典型的能量平衡見圖1。爐子冷卻的目的是為了延長爐齡，保證爐子在工作環(huán)境下的整體性和安全性。冷卻系統(tǒng)的另一個作用是可協(xié)助監(jiān)測工藝條件。我們越是了解工藝和冷卻之間的相互作用，越能實(shí)現(xiàn)更好的工藝控制和安全。

圖1 新改造的閃速熔煉爐的能量分布示例

不同閃速熔煉爐的一次冷卻系統(tǒng)都包含水槽、泵、熱交換器、管道、聯(lián)管箱和返回儲槽的排放系統(tǒng)。一次冷卻水經(jīng)二次冷卻系統(tǒng)冷卻，熱量要么傳遞至冷卻塔，要么直接傳遞至自然水域，如大海或河流。如果是后一種情況，可避免冷卻塔的投資成本。持續(xù)的研發(fā)工作目的是為更好地了解爐子不同部位的冷卻要求，本文總結(jié)了在正確選擇冷卻設(shè)計參數(shù)和設(shè)備時的一些基本原理。

2 冷卻元件的老化機(jī)理

閃速熔煉爐苛刻的作業(yè)環(huán)境容易引起嚴(yán)重老化，縮短冷卻元件的壽命。這些老化包括各種腐蝕過程，即高溫腐蝕、潮濕腐蝕和侵蝕。它們不是獨(dú)立存在的，而是共同作用，彼此加強(qiáng)。

從廣義上來講，高溫腐蝕可定義為在硫化物和其它污染物氧化反應(yīng)的聯(lián)合作用下，金屬表面在高溫下的加速腐蝕。這些污染物也可能在金屬熔劑上形成熔鹽，破壞或阻礙正常的氧化物保護(hù)層[1，2]。潮濕腐蝕包含兩種腐蝕機(jī)理：因水冷凝造成的潮濕腐蝕和因硫酸冷凝造成的潮濕腐蝕。前一種只與冷卻元件的冷面相關(guān)，后者在一些情況下也可能發(fā)生在熱面。當(dāng)爐子煙氣中攜帶的固體顆粒撞擊在材料表面上時發(fā)生侵蝕作用。由于這樣的沖擊，要么材料本身，要么保護(hù)性氧化層被除去，使材料暴露于腐蝕條件下[3]。

3 腐蝕環(huán)境下的閃速熔煉爐

由于高溫沖擊和化學(xué)腐蝕，閃速熔煉爐處于一個侵蝕性的環(huán)境。閃速熔煉爐內(nèi)促進(jìn)老化的主要因素包括：高熱負(fù)荷、固體精礦流、氣流和化學(xué)環(huán)境（即SO2）。

對于一個特定的閃速熔煉爐來說，施加于冷卻元件上的熱負(fù)荷量取決于元件的位置。如今，熱負(fù)荷可通過數(shù)學(xué)模型可靠確定，并通過測量冷卻水進(jìn)行驗證。建模可對冷卻元件幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以確保元件溫度分布理想。一般來說，在反應(yīng)塔里，位置最低的元件承受最高的熱負(fù)荷。這就是在此位置的元件特別容易老化的原因。此外，如果工藝操作不穩(wěn)定，可能發(fā)生飛濺和熱應(yīng)變，這會導(dǎo)致保護(hù)性爐結(jié)剝離，而對冷卻元件的耐用年限產(chǎn)生不利影響。圖2示意性地說明了反應(yīng)塔內(nèi)的狀態(tài)，雖然元件面對的最高和最低的絕對熱通量值因不同作業(yè)而有所不同，但總的趨勢如圖2所示。

圖2 閃速熔煉爐反應(yīng)塔區(qū)域典型的熱通量和粒子流分布

精礦燒嘴分流錐將空氣和精礦均勻分散，且限定在反應(yīng)塔的中部區(qū)域。理想狀態(tài)是向下移動的顆粒不與反應(yīng)塔的塔壁相接觸。如果發(fā)生了接觸，則將造成嚴(yán)重的蝕損，因為高速硬顆粒將嚴(yán)重破壞保護(hù)性爐結(jié)和軟銅。當(dāng)精礦燒嘴臟了，情況則完全不同。有可能出現(xiàn)未反應(yīng)的顆粒進(jìn)入到向上的回流中，對反應(yīng)塔壁造成侵蝕。

現(xiàn)今爐子的反應(yīng)塔冷卻設(shè)計是基于世界各地冶煉廠的長期生產(chǎn)經(jīng)驗和熱負(fù)荷建模。反應(yīng)塔下部的設(shè)計非常關(guān)鍵，因為它受到工藝條件中懸浮物和湍流的影響最大。平均來看，與冷卻水相關(guān)的熱損失有40%～50%源自反應(yīng)塔，熱負(fù)荷峰值在這一相對較小的表面積上有時會非常高。因此，在設(shè)計反應(yīng)塔下部時需要特別注意。第一個現(xiàn)代化設(shè)計的E型反應(yīng)塔過渡冷卻元件（圖3，左側(cè)）在1999年完成安裝，由于其強(qiáng)化的冷卻能力和經(jīng)過改進(jìn)的堵漏技術(shù)（形成防腐冶金結(jié)合，而并非過去的螺紋設(shè)計），迄今未出現(xiàn)任何故障。E型反應(yīng)塔的最長壽命現(xiàn)在為10年，與過去的設(shè)計相比已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。

圖3 預(yù)組裝的E型（左側(cè)）反應(yīng)塔冷卻元件和BIC型頂部冷卻元件（右側(cè)）

近期另一個改進(jìn)之處是BIC（即在耐火磚中加入銅）（圖3，右側(cè)）冷卻元件的應(yīng)用，它最初用于爐頂冷卻的設(shè)計?，F(xiàn)在的設(shè)計已將水平凸緣冷卻元件（會形成腐蝕產(chǎn)物堆積）替換為BIC形式的冷卻設(shè)計。BIC設(shè)計自2001年以來已應(yīng)用于沉降槽和上升煙道的頂部，在直壁上的試用始于2005年，是在最苛刻的閃速爐爐況下進(jìn)行的，取得了圓滿成功。通過這些試用，爐子的冷卻設(shè)計再次得到改進(jìn)。

氣流的特性以及沉降槽和反應(yīng)塔的尺寸決定了腐蝕最嚴(yán)重的位置。用計算流體力學(xué)來進(jìn)行建模、預(yù)測和優(yōu)化，最終通過氣流抑制腐蝕的趨勢。奧圖泰使用液流和傳熱建模已有很多年了，通過與大學(xué)的合作并采用商業(yè)化的CFD軟件，現(xiàn)已開發(fā)出銅精礦、鎳精礦、冰銅的燃燒模型。有關(guān)這些開發(fā)工作的細(xì)節(jié)已在之前的出版物中進(jìn)行過詳述，見參考文獻(xiàn)[10-12]。

主要的化學(xué)負(fù)荷是升溫與含硫氣體的聯(lián)合作用。除非出現(xiàn)嚴(yán)重的過熱，氧化的影響很輕微。一些雜質(zhì)(如鹵素)可能會對耐蝕性產(chǎn)生負(fù)面影響[4]。

4 腐蝕機(jī)理、影響因素和改進(jìn)耐蝕性的方法

熱力學(xué)計算方法在評估銅的高溫反應(yīng)時非常重要。研究表明，溫度為銅冷卻元件熱面溫度時，硫酸銅（CuSO4）處于穩(wěn)定相，試驗觀察也證實(shí)了這一點(diǎn)。硫化物的形成需要的氧氣壓力很低，因此，硫化物只會在爐結(jié)相對較厚時形成，這就解釋了硫化銅為什么未在耐火材料內(nèi)和閃速爐爐結(jié)內(nèi)發(fā)現(xiàn)。盡管金屬氧化物和硫酸鹽有它們自己的熱力學(xué)穩(wěn)定區(qū)，但實(shí)際上它們共存也很常見。如果保持類似的化學(xué)環(huán)境，溫度最高的地方腐蝕速度最快。

金屬與硫的高溫反應(yīng)要比金屬與氧的反應(yīng)更快[5]。含硫環(huán)境下反應(yīng)速度較高的主要原因是在硫化物中擴(kuò)散一般要比在相應(yīng)的氧化物中擴(kuò)散快得多，反過來說這與硫化物化學(xué)計量偏差相當(dāng)高直接有關(guān)，且歸因于相應(yīng)的晶格缺陷密度高。

當(dāng)材料損失是基于氧化/硫化速度來進(jìn)行評估時，應(yīng)注意如果爐垢被定期剝離，則該方法并不合理。換句話說，如果剝落、熱開裂或侵蝕去掉了表面層使新生銅暴露于腐蝕性環(huán)境下，反應(yīng)速度將加快。通過鋼襯(steel inserts)或硬度較高的涂層可以提高銅的耐侵蝕性。

熱力學(xué)平衡圖表明如果存在合適的組分[6]，有可能形成液相。這種情況下，腐蝕速度會大幅加快。有些情況下，銅冷卻原件暴露于爐渣、冰銅或粗銅。原則上，爐渣與冷卻元件是不起化學(xué)作用的，但對覆蓋其上的耐火材料卻有腐蝕性。尤其是粗銅爐中的耐火材料很容易因粗銅中的溶解氧而造成損耗。這也可以通過圖4所示含氧、含硫的銅在MgO-Cr2O3耐火材料上濕潤來解釋[7]。一般來說，＜90°的角被認(rèn)為是毛細(xì)滲透的極限。尤其是在陽極爐和傳統(tǒng)的帶風(fēng)口吹煉爐中可以觀察到該現(xiàn)象。

相反，冰銅、鎳锍或粗銅非常易與銅起反應(yīng)，它們可以溶解銅和氧（即銅和其保護(hù)性氧化層），形成非常易腐蝕的環(huán)境。這就是為什麼實(shí)際上完全不允許冰銅或粗銅與冷卻元件接觸（排放口處元件除外，它們被視為易損件）。防止接觸的方法一般是在銅冷卻元件表面使用鋼襯來實(shí)現(xiàn)。

為了設(shè)計出能承受熔融粗銅接觸的冷卻元件，奧圖泰已經(jīng)進(jìn)行了多次建模和試驗。通過廣泛的研究，現(xiàn)已研發(fā)出適合的合金和設(shè)計。SIC（即在鋼中加入銅）冷卻元件便是這項研究的成果，已成功應(yīng)用于最新閃速吹煉和直接煉粗銅爐中（圖5）。

圖4 銅中的溶解氧、硫?qū)︽V鉻磚和熔融銅之間接觸角的影響

圖5 SIC冷卻設(shè)計在直接煉粗銅工藝貧化爐上的應(yīng)用

與爐子的其它區(qū)域相比，沉降槽爐壁的熱負(fù)荷一般為中等。典型的就是穩(wěn)定的冰銅或粗銅凝固層可以保護(hù)沉降槽爐壁下部區(qū)域熱負(fù)荷免于波動。此外，冰銅和粗銅的高熱量可能會引起熔體泄漏，這部分熱量必須提取以便于冰銅和粗銅的固化。還會有其它麻煩，因為粗銅必須避免直接與銅冷卻元件接觸（原因已在前面章節(jié)中解釋過）。

此外，爐渣區(qū)域的情況則不同，因為爐渣很脆，無法在冷卻元件表面形成持久的保護(hù)層。當(dāng)渣塊塌陷，冷卻元件將因為直接輻射而暴露于高熱負(fù)荷下。根據(jù)耐火磚的損耗，爐渣區(qū)域侵蝕性最強(qiáng)，由于熔池液面上下波動，以及耐火材料溶解于液態(tài)金屬熔池而發(fā)生腐蝕，同時還會出現(xiàn)馬拉高尼（Marangoni）效應(yīng)；在金屬渣和渣氣界面層，由于熔體密度不同，熔體流速比正常值要快。尤其在還原條件下，發(fā)現(xiàn)鎂鉻耐火材料中的MgO溶于鐵橄欖石型爐渣中。由于熱開裂（導(dǎo)致爐垢崩落）引起耐火磚表面的破裂以及熔體本身的移動進(jìn)一步強(qiáng)化了MgO的溶解。

為了滿足粗銅熔煉的嚴(yán)格要求和復(fù)雜條件，奧托泰克已開發(fā)出新穎的設(shè)計，對元件整體性進(jìn)行了改進(jìn)，在元件中加入鋼襯并結(jié)合耐火材料的預(yù)安裝，示例參見圖6。

圖6 左—沉降槽熔池區(qū)域與粗銅接觸的SIC元件右—沉降槽壁的新穎設(shè)計，改進(jìn)了冷卻元件和耐火材料襯里之間的接觸，目的是縮短安裝時間，加強(qiáng)保護(hù)性襯里的穩(wěn)定性

當(dāng)冷卻元件的表面溫度低于酸的露點(diǎn)時會發(fā)生因酸冷凝造成的潮濕腐蝕。在該環(huán)境下硫酸的露點(diǎn)一般為150～250°C，此溫度范圍很接近冷卻元件的表面溫度[8]。露點(diǎn)取決于SO3含量和水分含量[9]。

潮濕腐蝕可能會因侵蝕而發(fā)生。隨著銅材被侵蝕掉，冷卻通道變得越來越靠近元件的表面。結(jié)果是冷卻元件的表面溫度也相應(yīng)地下降，直到達(dá)到酸冷凝的露點(diǎn)。接著發(fā)生潮濕腐蝕快速蝕損。對于引起冷卻元件和鋼結(jié)構(gòu)老化的不同腐蝕機(jī)理，一個典型的例子就是爐子上升煙道和熱回收鍋爐之間的連接區(qū)域。上升煙道和余熱鍋爐（WHB）之間的連接被視為一個難點(diǎn)區(qū)域，出現(xiàn)的問題通常與要求苛刻的作業(yè)環(huán)境有關(guān)：

·逸散氣體—腐蝕問題；

·連接區(qū)域頂部的高熱負(fù)荷；

·除/爆破爐結(jié)對機(jī)械的耐力要求。

這種高溫、高侵蝕和化學(xué)負(fù)荷區(qū)域的不同腐蝕機(jī)理見圖7，描述如下。

圖7 引起爐子上升煙道與熱回收鍋爐之間冷卻元件和結(jié)構(gòu)老化的不同腐蝕機(jī)理

當(dāng)冷卻元件的表面溫度升至～600°C以上時會發(fā)生氣相熱腐蝕（硫化和氧化）。腐蝕速度隨著銅的氧化層的老化而加快，氧化層的老化源于氣流中的顆粒侵蝕和溫度的升高或波動：

·氣流中的顆粒侵蝕取決于氣流速度和撞擊角度，材料的選擇對此會有所幫助，如擁有低撞擊角度的脆性材料和擁有垂直撞擊角度的韌性材料；

·侵蝕在冷卻元件表面形成蝕孔，腐蝕在此進(jìn)一步發(fā)展；

·當(dāng)銅的厚度減薄時，表面溫度低致酸可能會在其表面上冷凝(SO2→SO3→H2SO4)，漏冷風(fēng)使其風(fēng)險增大。

奧圖泰主要通過以下幾方面相結(jié)合，找到對環(huán)境要求苛刻的解決方法：設(shè)計緊密連接以防止漏風(fēng)；膨脹節(jié)、鋼結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)材料的謹(jǐn)慎選擇和設(shè)計；通過鋼襯或涂層提高元件耐蝕性以防老化（圖8）。

圖8 上升煙道和余熱鍋爐連接處的奧圖泰設(shè)計（上部）爆炸焊接在冷卻元件防腐涂層上的新應(yīng)用（下部）

5 爐子的整體性及通過冷卻進(jìn)行監(jiān)測

有幾種不同的方法可用來監(jiān)控、測量以及從冷卻回路/元件收集信息。為了提高安全性并優(yōu)化爐子的操作，需要得到爐況的在線數(shù)據(jù)。冷卻系統(tǒng)、儀表、DCS和數(shù)據(jù)管理將為爐子操作人員提供有關(guān)工藝狀態(tài)和局部狀況的有用信息。

一次冷卻系統(tǒng)的設(shè)計方案既可以選擇采用最常用的開放系統(tǒng)，也可采用最新的封閉系統(tǒng)。與開放系統(tǒng)相比較，封閉系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：在封閉系統(tǒng)中，補(bǔ)充水的水量相對較小，更為經(jīng)濟(jì)，出現(xiàn)泄漏時容易被發(fā)現(xiàn)，水質(zhì)也相對更好。由于壓力較高水的沸點(diǎn)變高，在保證安全條件下溫差（ΔT）會較大，需要的冷卻水減少（泵送能力減?。?。此外，較高的溫度意味著熱量較高，未來這些熱量更容易利用，利用率也更高（吸收泵、區(qū)域加熱/制冷）。

在水的回路中測量冷卻水流量和溫度可提供潛在的有關(guān)泄漏、元件蝕損、故障信息。盡管如此，每個回路中用于收集大量信息的儀表非常昂貴，鑒于此，又開發(fā)出了新式聯(lián)管箱見圖9。這種新式聯(lián)管箱配有流量、溫度和壓力測量裝置。所有回水管都設(shè)有三通閥，所有水流全都引入測量回路中。每個聯(lián)管箱只要一個測量裝置，投資和維護(hù)成本可維持在合理的水平。

圖9 新的冷卻聯(lián)管箱設(shè)計示例

每小時大約能獲取1～3次各個回路的信息，取決于每個聯(lián)管箱中的回路數(shù)量。這個頻率對于后續(xù)的封閉工藝已經(jīng)足夠。當(dāng)工藝狀況穩(wěn)定時，對于測量順序也可進(jìn)行編程，比如每班進(jìn)行一輪測量，可大大減少維護(hù)工作和費(fèi)用。此外，也可以連續(xù)測量某個關(guān)鍵回路或隔一個回路進(jìn)行測量（一般每個元件中有兩個回路通過）。

在這些測量信息基礎(chǔ)上繪制的在線熱通量圖可輔助后續(xù)工藝。例如，反應(yīng)塔熱通量剖面圖的變化表明了燃燒的變化（如精礦燒嘴的結(jié)垢），以便在反應(yīng)塔壁出現(xiàn)蝕損之前采取校正措施。

數(shù)據(jù)利用示例見圖10。水流看上去比較均勻，但熱通量呈傾斜狀，這表明有結(jié)垢或錯誤的燒嘴調(diào)整。

圖10 利用聯(lián)管箱數(shù)據(jù)示例

6 總結(jié)和結(jié)論

對銅、鎳閃速熔煉工藝條件的不斷了解，讓我們對爐子的冷卻要求有了更好的認(rèn)識。現(xiàn)代計算方法，如熱力學(xué)和CFD程序，結(jié)合奧托泰克開發(fā)的模型，為快速評估和解決實(shí)際工藝設(shè)計問題提供了有價值的工具。奧圖泰扎實(shí)的基本背景及工藝知識使其冷卻解決方案在全球范圍都得到了認(rèn)可。

奧圖泰為銅、鎳爐的現(xiàn)代化冷卻系統(tǒng)引入了幾項新的應(yīng)用。這些新方法包括：結(jié)合不同工藝、爐子不同位置所處的各種環(huán)境所定制的整體一次、二次冷卻設(shè)計，作業(yè)期間監(jiān)控工藝、爐子整體和元件工況的方法。

現(xiàn)在對閃速爐爐齡的要求已超過10年，正因如此才激勵我們努力研發(fā)、不斷改進(jìn)閃速熔煉工藝的安全性、整體性、材料、成本、環(huán)境以及冷卻效率。

蘇平校

Abstract:This paper will gave an overview of some of the fundamental principles of the flash furnaces when considering cooling design and description of modern tools and equipment developed to meet these challenges.

Key words:flash smelting;cooling system;furnace age;corrosion;resistance;improvement

Modern flash smelting cooling systems

Translated selectively by FENG Xin

TF806.2

B

1672-6103（2011）01-0001-06

馮 欣(1981—)，男，四川南充人，恩菲公司海外業(yè)務(wù)部翻譯。

2010-10-25