劉安明

(金隆銅業(yè)有限公司，安徽銅陵 244000)

金隆閃速爐高熱負荷生產(chǎn)實踐

劉安明

(金隆銅業(yè)有限公司，安徽銅陵 244000)

隨著閃速爐投料量的不斷增加，金隆公司閃速爐在增料過程中出現(xiàn)反應生料多、爐體損壞嚴重等一系列問題，通過采取參數(shù)優(yōu)化、爐體改造及操作控制等方式進行解決，使金隆閃速爐爐成功穩(wěn)定運行在高熱負荷狀態(tài)下，本文著重分析問題形成的主要原因并描述采取的應對措施的同時，通過對歷年生產(chǎn)與能耗進行對比，闡述了閃速爐高熱負荷條件下生產(chǎn)節(jié)能降耗方面存在的顯著優(yōu)勢，為閃速爐生產(chǎn)技術進一步向集約化和節(jié)能降耗方向發(fā)展提供參考。

閃速爐;精礦噴嘴;反應偏析;爐體改造;高熱負荷;節(jié)能降耗

1 概述

金隆公司自1997年投產(chǎn)，原設計生產(chǎn)能力為年產(chǎn)10萬t礦銅，閃速爐為?5.0m×7m。為了適應年產(chǎn)35萬t礦銅的生產(chǎn)能力，2005年3-4月間對閃速爐進行冷修及升級改造。提高了爐體冷卻能力，采用13層水套冷卻結(jié)構(gòu)。但受原反應塔空間限制，閃速爐反應塔很難大幅度擴大，在拆除原弧形H梁的情況下，反應塔直徑僅能達到5.53m，原反應塔為拱頂結(jié)構(gòu)改為平頂?shù)鯍旖Y(jié)構(gòu)后，塔高僅為6.68m，反應塔空間160.36m3。按當時市場原料狀況設計，設計原料成分如表1所示，干礦裝入量174tph，達到年產(chǎn)35萬t銅的產(chǎn)能。反應塔的正常熱負荷為1840MJ/h.m3，最大熱負荷為2160 MJ/h.m3，較當時設計最高熱負荷最高的Birla冶煉廠(2275MJ/h.m3)略低。

由于國際市場原料的變化，原料S/Cu不斷增加，雜質(zhì)成分不斷增加，尤其進入2009年情況更為嚴重，導致閃速爐反應熱負荷急劇增加，大大超過設計指標，尤其2009年9月份S/Cu達到1.26，熱負荷在線運行數(shù)據(jù)達到為2302 MJ/h.m3，達到金隆歷史最高水平。這給生產(chǎn)帶來一系列困難，但經(jīng)過參數(shù)的調(diào)整和設備的改進，生產(chǎn)趨于穩(wěn)定，2009年順利完成35萬t的生產(chǎn)目標，本文簡要介紹金隆公司在高熱負荷生產(chǎn)控制中所作的工作及取得的效果。

表1 設計精礦成分表Table 1 Designer concentrate element

2 閃速爐35萬t改造完成后，生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題及對策

2.1 有效反應空間不足、閃速爐生料現(xiàn)象嚴重

新精礦噴嘴投運后，與原精礦噴嘴相比，存在反應塔壁高溫區(qū)域明顯下移，溫度分布不均勻，煙灰發(fā)生率高，有明顯的下生料現(xiàn)象等問題，造成操作困難。而且隨著投料量的提高，尤其是投料量增加到155t/h以上時，生料現(xiàn)象有進一步惡化趨勢。導致這些問題的主要原因如下:

(1)閃速爐熔煉的特點是精礦的迅速反應，反應一般在2～3s內(nèi)完成，實際反應速度可能更快，但精礦反應需要具備一定的條件，主要是合適的溫度、精礦和氧氣的充分混合［1］。因此，精礦從精礦噴嘴噴出后，必須要等到條件具備后才能進行反應，在投料量達到162t/h以上時，送風氧濃在68%情況下，工藝風量在40000Nm3/h左右，計算平均風速達到2.5～3m/s，通過綜合工況數(shù)值仿真計算反應塔底截面煙氣平均氣流速度為5.6m/s［1］，煙氣平均速度大，精礦在反應塔內(nèi)停留時間過短。

金隆35萬t改造過程中，反應塔由拱頂改平頂，反應塔高度由7m降低至6.68m，進一步減少煙氣在反應塔內(nèi)停留時間，相應的精礦顆粒在反應塔內(nèi)停留時間也更短，造成反應時間不足。

(2)在低投料量時，反應塔需要補充熱量，反應塔設有3只氧油燒嘴，成120°均布，在燒嘴燃燒的情況下，會在精礦噴嘴下方一定位置形成高溫焦點區(qū)，有利于精礦的盡快反應。高投料量下，閃速爐自熱熔煉，燒嘴停燒，反應塔內(nèi)高溫區(qū)域下移，造成反應塔內(nèi)熔煉過程精礦粒子著火延遲，激烈反應區(qū)下移，因此導致反應塔有效反應區(qū)域減小。

(3)閃速熔煉是一種懸浮熔煉技術，精礦反應的性能主要取決于工藝風和干礦的混合狀況，這是由噴嘴的結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)決定的，精礦噴嘴設計主要是通過調(diào)節(jié)分布風量來調(diào)節(jié)精礦預期的分數(shù)濃度，實際上工藝風對精礦的分散作用也至關重要，高投料量生產(chǎn)狀態(tài)下，氧濃的增加，風礦比大幅度減小，工藝風對精礦的攪動能力下降，分散、混合性能降低，精礦和工藝風不能迅速有效的混合，一方面氣、粒不能及時混合，使反應延遲，另一方面不能完全有效混合、反應欠佳，造成精礦不能完全反應，容易下生料的原因。因此優(yōu)化噴嘴作業(yè)參數(shù)，優(yōu)化氣、?；旌鲜歉纳崎W速熔煉技術經(jīng)濟指標的關鍵。

基于以上幾三點原因，精礦粒子在反應塔內(nèi)反應不完全，尤其是在高投料量下，極易出現(xiàn)下生料、煙塵率高等生產(chǎn)異常的情況。而這些問題隨著投料量的不斷增加，情況表現(xiàn)得更加突出和嚴重。

根據(jù)金隆以前操作實踐，提高工藝風出口速度，降低分布風量，提高中央氧量，使精礦反應向反應塔中心適度集中，同時控制反應速度，充分利用反應塔空間，拉長反應區(qū)，避免精礦在噴嘴下方局部集中反應，以保護爐體，降低煙塵發(fā)生率［2］。但在高投料量條件下，熔煉有效空間偏小，噴嘴參數(shù)需要進行調(diào)整，生產(chǎn)實踐中，主要對以下參數(shù)進行調(diào)整:

(1)工藝風速度降低。我們發(fā)現(xiàn)當工藝風速度由120m/s逐步降低至90m/s后，精礦反應狀況得到改善，而一旦高于100m/s立即會出現(xiàn)生料，因此目前基本保持在90m/s進行操作。

(2)分散風量應該增大，雖然分散風無法降低精礦顆粒的下降速度，但增加其橫向速度后，加強了精礦與工藝風的混合，改變了顆粒運行軌跡，有利于增加顆粒與工藝風混合，增加反應時間。

表2 目前精礦噴嘴的典型作業(yè)參數(shù)表Table 2 Parameter of the concentrate burner

2.2 反應塔反應偏析問題

隨著新精礦噴嘴的投用，發(fā)現(xiàn)反應塔溫度除存在明顯的高溫區(qū)域下移外，還存在反應塔周向上的溫度明顯不均勻現(xiàn)象，因為溫度不均勻，爐體局部高溫發(fā)紅損壞現(xiàn)象頻繁發(fā)生，為此公司和中南大學一起組織進行了下料管道及噴嘴冷態(tài)模型的合作研究，對下料系統(tǒng)進行模擬實驗研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在精礦進入噴嘴的入口平面上，物料的偏析現(xiàn)象非常嚴重，在如圖1所示的陰影區(qū)域集中了70%的物料量［3］。進一步造成工藝風與精礦的混合不均勻。反應塔內(nèi)精礦反應不均，造成部分精礦過反應，部分欠反應;過反應的精礦生成大量的Fe3O4和Cu2O，爐渣的性質(zhì)惡化，渣含銅升高;欠氧化的精礦造成煙塵率升高，煙塵性質(zhì)惡化而造成鍋爐粘結(jié)的問題［4］。

圖1 精礦下料偏析分布圖(箭頭方向為下料方向)Fig 1Segregation range of concentrate

造成以上物料分布不均的原因主要是35萬t改造設計時由于空間的原因，精礦下料管到噴嘴偏移角度過大，精礦和煙灰通過下料管進入精礦噴嘴，試驗中發(fā)現(xiàn)精礦的貼壁現(xiàn)象明顯，而不是想象的彈性碰撞［3］，精礦經(jīng)過下料管如2所示以一定速度沖向噴嘴翅片后，形成了這種明顯的下料周向不均勻現(xiàn)象。

清楚了以上原因以后，采用在分布器的精礦入口平面上，在分布器翅片上焊接了精礦導流板，并通過幾次角度調(diào)整，基本解決了這一問題。反應塔壁周向上溫度已經(jīng)趨于平均。

2.3 沉淀池損壞嚴重

2.3.1 爐體損壞情況

閃速爐冷修對反應塔進行較為徹底的改造，增加了冷卻能力，但沉淀池冷卻能力增加較少，側(cè)墻和頂?shù)膾煸^少，尤其是反應塔下側(cè)墻和出口處很少有掛渣，在逐步增料過程中，發(fā)現(xiàn)爐體出現(xiàn)一系列問題，主要如下:

(1)沉淀池南北兩側(cè)(反應塔下方)的大修挖補時新砌耐火磚已消耗的相當嚴重，薄處僅50mm左右，最薄處僅20mm，基本無磚，三層水平水套均裸露明顯。

(2)側(cè)墻頂至沉淀池第三層水平水套間的耐火下面的4層蓋磚基本沒有。

圖2 沉淀池腐蝕區(qū)域示意圖Fig2 Corrosion area of settler of the furnace

(3)反應塔下的沉淀池頂“三角區(qū)”掛渣很少，磚體溫度較高;反應塔與沉淀池連接部南側(cè)發(fā)紅嚴重，磚也已消耗殆盡。

(4)沉淀池頂冷卻元件損壞嚴重:目前H梁已關閉銅管26根，占總數(shù)的45%，1根H梁水槽漏水已作廢。漏水區(qū)域集中于反應塔出口及南側(cè)。

2.3.2 爐體損壞主要原因分析

(1)2009年在FF裝入量162t/h時，在反應塔下面第四層水平水套位置處開孔，對反應塔內(nèi)煙氣溫度進行測量，測量溫度為1658℃，大大高于預期值，明顯高于設計值。而且隨著FF裝入量提高，該處塔壁溫度已經(jīng)從平均100℃上升為160℃，爐內(nèi)實際溫度應該上升更多，從這一層往下塔壁溫度更高，因此生產(chǎn)實際熱負荷超出設計值是爐體損壞主要原因。

(2)改造后的反應塔加大后，將原來內(nèi)圈H梁取消，而沉淀池寬度未變，以至兩者間距過小，反應塔下方是氣流回旋區(qū)，高溫煙氣和熔體直接沖刷側(cè)墻，等同于此處的沉淀池側(cè)墻成為反應塔的一個部分。反應塔周圍沉淀池及三角區(qū)承受的熱負荷與煙氣沖刷比冷修前大幅度上升，是該區(qū)域耐火磚損耗的主要原因。

(3)為增加沉淀池的冰銅儲存能力，將閃速爐渣口抬高100mm［5］，這一方面減小了沉淀池煙氣區(qū)空間，增加了煙氣流速，煙氣沖刷增加，H梁掛渣難度增加。同時熔體液面距H梁底部表面距離減小，熱輻射強度增大，是導致沉淀池頂耐火材料損壞及冷卻元件漏水頻繁的主要原因。

(4)冷修改造期間，沉淀池頂采取基本保留的方式，耐火材料未更換，有11根H梁進行了保留，沉淀池側(cè)墻增加了水平水套進行冷卻，但煙氣區(qū)未進行改動。

2.3.3 主要應對措施

(1)爐體改造。

①2008年3月份我們利用12天的大修時間，在熱態(tài)下更換了反應塔下沉淀池頂“三角區(qū)”的吊掛磚，并安裝了吊掛銅水套，以加強冷卻，促進掛渣的形成，保護“H”形梁;同時更換了沉淀池頂最前部的一段吊掛頂(該部位燒損最為嚴重)。其中反應塔出口2根矩形H梁已在兩端采用水套保護，但中間部分無法保護。

②2009年在反應塔壁鋼殼上焊接鋼板，做成水套，加強反應塔的冷卻。

③在2010年大修時間，在熱態(tài)下改造反應塔下部三角區(qū)及出口區(qū)域冷卻元件，改為吊掛水套形式，同時對沉淀池側(cè)墻傾斜水套進行更換。以增加沉淀池損壞最嚴重區(qū)域的冷卻能力，保護爐體，同時在硫酸系統(tǒng)進一步改造后，為閃速爐進一步提高投料量創(chuàng)造條件。

(2)增加冷料處理。

根據(jù)需要，對公司渣包殼進行磨碎處理，由于渣包殼中含有較多的Fe3O4，在熔化過程和還原過程中會大量吸收熱量，會有效降低爐體熱負荷。同時增加渣精礦的處理量量，降低爐體熱負荷。

(3)操作控制。

①爐內(nèi)溫度的均勻控制，尤其避免頻繁停料，升降料嚴格控制幅度和間隔時間，絕對避免爐內(nèi)溫度的大起大落。保護好爐頂耐火磚，杜絕掉磚現(xiàn)象的發(fā)生。

②穩(wěn)定均衡生產(chǎn)，保持沉淀池熱負荷的穩(wěn)定，保持負壓操作，加強爐體散熱。

③精礦配料的均衡控制，避免出現(xiàn)急劇大幅度熱負荷變化，長期計劃與短期計劃配合，動態(tài)跟蹤原料采購計劃，并根據(jù)配料月度計劃情況提前進行爐體溫度預警與控制。

與設備改進，閃速爐塔壁溫度及沉淀池溫度趨于平均，因此雖然整體熱負荷呈上升趨勢，但爐體仍然基本保持較好，保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定。

歷年日均干礦處理量如圖3所示。

圖3 閃速爐日均處理量趨勢圖Fig 3 Trend of daily average concentrate handling capacity

3 高熱負荷生產(chǎn)實際

3.1 金隆投產(chǎn)以來干礦處理量趨勢

金隆自1998年正式投產(chǎn)以來閃速爐生產(chǎn)從年產(chǎn)10萬t開始，通過不斷的挖潛改造，精礦處理量不斷增加，經(jīng)過15萬t、21萬t、最終達到目前35萬t處理能力。日均干礦處理量由1000D.t/D提高到最高3907D.t/D。其中單日最高干礦處理量達到4080t/h。

3.2 金隆35萬t改造完成后閃速爐生產(chǎn)狀況

冷修后閃速爐干礦裝入量由改造前的最高90t/ h提高至120t/h，并于2007年2月后逐步提高到155t/h，2008年提高到165t/h，2009年后提高到170t/h。但由于熱負荷嚴重超過設計能力，同時硫酸系統(tǒng)存在能力不足的情況，因此2009年投料量控制170t/h以下穩(wěn)定運行。

2009年實際Cu27.89%、S31.37%，自2009年6月份以后，閃速爐長期運行于2000 MJ/h.m3熱負荷以上，而且經(jīng)過不斷的調(diào)整，8月份以后閃速爐生產(chǎn)穩(wěn)定運行，順利完成2009年生產(chǎn)任務。圖4為2009年全年生產(chǎn)實際Cu、S品位及S/Cu變化趨勢圖。圖5為2009年日均投料量變化趨勢圖。其中160t/h投料量下，表3為不同S/Cu情況下的在線實際運行熱負荷數(shù)據(jù)。

表3 典型在線運行熱負荷數(shù)據(jù)Table 3Typcle thermal load running online

圖4 2009年精礦配料成分趨勢(藍色為S/Cu、黃色為S品位、紅色為Cu品位)Fig 4 Trend of element content in mixed concentrate in 2009

圖5 2009年日均投料量趨勢圖Fig 5 Daily feedrate in 2009

3.3 主要技術指標狀況

表4為金隆公司2010年閃速爐主要技術指標，從指標看，各項指標相對穩(wěn)定，生產(chǎn)也趨于正常，目前定期進行鍋爐結(jié)塊停爐清理外，基本能穩(wěn)定運行，作業(yè)率較高。標志者金隆閃速爐35萬t改造工程完全達到設計指標，超過設計生產(chǎn)能力。為進一步挖掘轉(zhuǎn)爐處理能力，冰銅品位目前一般控制在57%～60%之間，根據(jù)原料狀況及生產(chǎn)平衡進行調(diào)整。

表4 2010年閃速爐主要技術經(jīng)濟指標Table 4 Technical and economic indicators of flash furnace in 2010

圖6將金隆閃速爐歷年日均精礦處理量與所處理精礦平均單耗進行對比，通過對歷年日均精礦處理量與能耗對比趨勢圖可以看出，隨著日均干礦處理量的增加，閃速爐單位綜合能耗大幅度降低，顯示出高投料量、高熱負荷條件下組織生產(chǎn)具有在節(jié)能方面具有顯著的優(yōu)勢，充分體現(xiàn)集約化生產(chǎn)的的好處，為創(chuàng)建綠色企業(yè)創(chuàng)造條件，同時大幅度降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

圖6 歷年閃速爐日均干礦處理量與歷年閃速爐干礦單位能耗圖(已折算為標煤)Fig 6 Trend of daily handling capacity and unite energy consumer of dry-charge in past years in JINLONG.

3.4 目前存在的制約生產(chǎn)的主要問題

雖然目前閃速爐生產(chǎn)整體趨于穩(wěn)定，各項技術經(jīng)濟指標也趨于好轉(zhuǎn)，但目前生產(chǎn)中仍然存在著一系列問題，困擾著正常生產(chǎn)，影響了閃速爐作業(yè)率，主要問題如下:

(1)鍋爐粘結(jié)問題，主要是輻射部凝渣管粘結(jié)嚴重，目前改造的空氣炮振打效果仍需檢驗。

(2)渣含銅偏高，目前精礦雜質(zhì)含量上升等因素影響，目前電爐渣含銅波動較大，整體偏高，尤其2009年平均達到1%，今年有所好轉(zhuǎn)，但仍偏高，需進一步努力。

(3)SO3發(fā)生率波動，因廢酸處理按SO3發(fā)生率2%發(fā)生率進行設計，而目前生產(chǎn)中，在鍋爐鹽化風機開啟時，廢酸濃度明顯超過設計值，廢酸負荷過大，存在影響主工藝的隱患。

4 結(jié)語

高熱負荷、高投料量、高富氧濃度、高品位是閃速熔煉的發(fā)展趨勢，對于生產(chǎn)的集約化和節(jié)能降耗有很大的促進作用。同世界其它產(chǎn)量超過30萬t的閃速冶煉廠相比，金隆閃速爐的反應塔最小、單位體積的熔煉量最高、同時沉淀池冷卻強度較低，因此要達到35萬t的產(chǎn)能，技術和管理水平必須達到不斷提高，因此公司針對實際生產(chǎn)情況，進行一系列技術和生產(chǎn)改進，保障生產(chǎn)穩(wěn)定順行，保證了公司2009年生產(chǎn)任務的完成，同時也標志金隆公司達到了35萬t設計生產(chǎn)能力。同時，伴隨著投料量的提高，閃速爐能耗僅相當于改造前的1/2，大幅度降低了冶煉成本，為閃速爐熔煉提高競爭能力奠定基礎。

［1］彭容秋.銅冶金［M］.中南大學出版社，2004:29-30.

［2］宋修明.金隆閃速爐精礦噴嘴的優(yōu)化［J］.中國有色冶金，2005，(1):12-14.

［3］閃速爐預分散下料偏析模型實驗的研究［J］.有色冶金設計與研究，2010，(1):14.

［4］謝鍇，梅熾，等.銅閃速爐懸浮熔煉反應過程機理的研究［J］.銅業(yè)工程，2007，(3):13-17.

［5］金隆35萬t改造初步設計.南昌有色設計研究院.

Running Practice of High Thermal Load in JinLong Flash Furnace

LIU An-ming

(Jinlong Copper Co.，Ltd.，Tongling，Anhui，China 244000)

Along with the increasing feed rate of flash furnace，a series of problems occurred such as too much feedback raw concentrate，furnace lining eroded and so on.Through optimizing the parameter and reforming structure of the furnace and operating control to solve these troubles，the furnace can running successful and stability under high heat loading.In this article，the key causes to these troubles and solving methods are describes and analyzed in details.Through comparing energy consumption in past years，the evidence advantages of running under high thermal load are expatiated in this article.It can be a reference for flash smelter technology to further intensification production and energy saving and consumption reducing.

flash furnace;concentrate burner;reaction asymmetry;furnace reform;high thermal load;energy saving and consumption reducing

TF806

B

1009-3842(2011)01-0038-05

2010-12-30

劉安明(1970-)，男，山東商河人，工程師，現(xiàn)金隆銅業(yè)有限公司從事生產(chǎn)技術工作，E-mail:337699722@qq.com