李 陽， 白 樺

(1.長沙電力職業(yè)技術(shù)學院， 湖南 長沙 410131； 2.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410011)

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設(shè)備及自動化

側(cè)吹爐優(yōu)化設(shè)計探討

李 陽1， 白 樺2

(1.長沙電力職業(yè)技術(shù)學院， 湖南 長沙 410131； 2.長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司， 湖南 長沙 410011)

側(cè)吹爐在我國有色冶煉行業(yè)應用愈來愈多，本文敘述了側(cè)吹爐的構(gòu)成，并對爐缸、銅水套、風口的設(shè)計進行了詳細介紹，對側(cè)吹爐優(yōu)化設(shè)計進行了探討。

側(cè)吹爐； 優(yōu)化設(shè)計； 風口； 爐缸

0 前言

側(cè)吹爐在我國有色冶煉行業(yè)的應用愈來愈多，在煉銅、煉鉛、煉錫、煉銻、煉紅土鎳礦、煙化鋅浸出渣等方面都已有工業(yè)化生產(chǎn)(如煉銅、煉鉛)或者工業(yè)化試驗(如煙化鋅浸出渣、煙化煉鉛爐渣、紅土鎳礦的熔煉、銻精礦的揮發(fā)熔煉)的實例?？梢圆榈降年P(guān)于側(cè)吹爐的專利不少，近幾年出版的介紹鉛鋅冶煉新技術(shù)方面的書籍中大多都有對側(cè)吹爐介紹的章節(jié)，而且，我國也有一批設(shè)計側(cè)吹爐的工程技術(shù)人員。然而，側(cè)吹爐的設(shè)計不同于其它一些在有色冶煉生產(chǎn)運行多年的傳統(tǒng)爐窯有設(shè)計手冊可查，本文總結(jié)了筆者側(cè)吹爐設(shè)計的經(jīng)驗體會。

側(cè)吹爐的基本構(gòu)成是建立在瓦紐科夫爐特征點之上的。瓦紐科夫爐是前蘇聯(lián)瓦紐科夫教授于1949年發(fā)明的一項技術(shù)，1977年實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的應用。瓦紐科夫爐有以下特征點：一是側(cè)吹，富氧空氣通過設(shè)置在爐身第一層銅水套上兩側(cè)的風口鼓入爐內(nèi)渣層；二是熔池熔煉，物料(精礦、熔劑等)從加料口直接加入到強烈攪拌的熔體中；三是銅水套的應用，瓦紐科夫爐爐身是由銅水套相圍而成；四是風口，風口是由帶有堵塞桿、鑄銅帶水冷風嘴頭構(gòu)成。

1 側(cè)吹爐構(gòu)成

側(cè)吹爐由爐缸，爐身下部銅水套、上部鋼水套或耐火材料砌體，爐頂水套，風口，鋼結(jié)構(gòu)骨架等主要部件構(gòu)成，見圖1。

1-鋼結(jié)構(gòu)骨架； 2-燒嘴； 3-沉降室； 4-爐頂水套； 5-耐火材料砌體； 6-銅水套； 7-風口； 8-爐缸 圖1 側(cè)吹爐示意圖

側(cè)吹爐的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鼓風爐相似，故筆者在敘述側(cè)吹爐某一構(gòu)件的設(shè)計時會與傳統(tǒng)鼓風爐相應部分進行比較。本文側(cè)重描述爐缸、銅水套、風口的設(shè)計理念，由于上部鋼水套、鋼結(jié)構(gòu)骨架、爐頂鋼水套等的設(shè)計比較常規(guī)化，文中不作描述。

1.1 爐缸

側(cè)吹爐爐缸由殼體、砌體構(gòu)成。

殼體由一定厚度的鋼板焊成箱形外殼(包括底鋼板)，殼體外用型鋼(多采用工字鋼)箍緊。殼體鋼板依據(jù)爐子大小在10～25 mm，不需要太厚，殼體的強度是靠殼體外的型鋼箍緊形式保證，太厚的鋼板既不便于制作加工，又不便于在生產(chǎn)使用過程中對爐缸的修復。筆者認為參照傳統(tǒng)鼓風爐的設(shè)計，乘以1.1～1.2的系數(shù)即可。

砌體一般由多層耐火材料構(gòu)成，爐缸底為反拱形。上層砌體多為鎂磚或鎂鉻磚，下層砌體由粘土磚砌筑。上層砌體、下層砌體厚度的選取，可參照《有色冶金爐設(shè)計手冊》中鼓風爐部分。

一些煉鉛側(cè)吹爐在實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)以下狀況：爐缸膨脹變形，砌體向上抬高，其發(fā)生都是在新爐投產(chǎn)不久，筆者認為鉛液滲入到爐缸砌體內(nèi)是主要原因。鼓風爐煉鉛，很少有新投產(chǎn)的爐子爐缸膨脹變形、砌體向上抬高的現(xiàn)象發(fā)生，這與兩種爐子熔煉時熔體對爐缸的影響略有不同有關(guān)。

側(cè)吹爐爐缸多設(shè)計有伸出于爐本體的沉降室，在沉降室設(shè)渣放出口和熔煉產(chǎn)物放出口。伸出于爐本體的沉降室起熔分作用，考慮到維持熱平衡，在沉降室頂部設(shè)燒嘴，也有設(shè)計者考慮在沉降室設(shè)置石墨電極。側(cè)吹爐熔煉過程是典型的熔池熔煉，是靠從風口鼓入的氣體將爐內(nèi)熔體強烈攪拌完成物料間的傳熱傳質(zhì)、各種化學反應的過程，所以側(cè)吹爐熔煉要求的風口風速相當大，煉鉛側(cè)吹爐風口風速設(shè)計值都在170 m/s以上。據(jù)有關(guān)資料報道，風口風速達到150 m/s以上時，對爐內(nèi)熔體的攪動范圍可達風口下約800 mm。我國目前用于煉鉛的側(cè)吹爐風口中心線到爐缸底的距離一般在950 mm以內(nèi)，故側(cè)吹爐生產(chǎn)時，爐缸內(nèi)的熔融金屬也受到一定的攪動。這可能就是側(cè)吹爐爐缸設(shè)引出于爐本體的沉降室，以及新爐有可能發(fā)生爐缸膨脹變形、砌體向上抬高的原因。

1.2 銅水套

爐身由2～3層銅水套構(gòu)成(多為3層銅水套)，下層帶風口的水套稱為風口型水套，不帶風口的水套稱為排列型水套。側(cè)墻每塊銅水套尺寸：寬600～750 mm，高1 250～1 400 mm，厚130 mm。

側(cè)吹爐風口水套是一塊水套上開一個風口。煉鉛、煉銅時，多數(shù)情況下風口數(shù)量是有余量的，實際生產(chǎn)中只用到三分之一或二分之一。

為了便于銅水套在生產(chǎn)運行過程中掛渣，采用在水套內(nèi)壁橫向開細溝槽的方法；也有采用在水套內(nèi)壁開較寬的溝槽，然后在溝槽內(nèi)嵌磚的。

開細溝槽形式水冷強度大，而嵌磚形式在實際生產(chǎn)運行過程中的使用效果沒有預期的好?？煞裼衅渌玫霓k法，既保證水套的壽命又可一定程度降低水冷強度，如：在銅水套內(nèi)壁焊密集拉釘，搗一層30～50 mm耐熱混凝土，鋼水套在這方面有很成功的應用實例。

設(shè)計者要注意的一點是：并不是側(cè)吹爐熔煉所有物料風口數(shù)都是夠的。筆者遇到過這樣一個設(shè)計案例：用側(cè)吹爐來處理銅鈷渣，氧濃60%。設(shè)計者按照處理量算出需要的側(cè)吹爐面積，按部就班的照常規(guī)思路對風口等進行設(shè)計。筆者在審定時發(fā)現(xiàn)設(shè)計的風口數(shù)不夠(或者說風口風速過大)，原因是煉這種銅鈷渣煤率很高，需要的風量很大。

用側(cè)吹爐熔煉低品位物料時(如紅土鎳礦、各種渣料)，往往煤率很高(因為這些低品位物料本身的熱值很低，而要求的熔煉溫度往往又很高)，也就是說需要的風量相對大，因此設(shè)計者需要對風口數(shù)量、風口內(nèi)徑進行計算，合理設(shè)置。

1.3 風口

風口由鑄銅帶冷卻水管的圓錐臺、堵塞桿、風管座構(gòu)成(見圖2)，風口內(nèi)徑φ30～40 mm。傳統(tǒng)鼓風爐風口內(nèi)徑一般φ60～100 mm，鉛鋅密閉鼓風爐的為φ100～150 mm。側(cè)吹爐的風口內(nèi)徑小源于以下兩個因素：一是側(cè)吹爐用富氧，有的熔煉氧濃達到70%～80%，鼓入爐內(nèi)的氣量比用空氣要少很多；二是側(cè)吹爐熔煉要求風口風速在150～180 m/s，遠大于鼓風爐的15～20 m/s(工況)。

1-圓錐臺； 2-風管座； 3-堵塞桿 圖2 側(cè)吹爐風口示意圖

這種鑄銅圓錐臺風口也是基本參照了瓦紐科夫爐的風口形式，與傳統(tǒng)的鼓風爐、鉛鋅密閉鼓風爐、煙化爐不一樣。

瓦紐科夫爐最初是用于煉銅，而在我國側(cè)吹爐已經(jīng)作為一種推廣爐型廣泛用于有色行業(yè)的多種物料熔煉。筆者了解到，并不是所有已投入生產(chǎn)運行的側(cè)吹爐風口使用情況都好，達到預期的壽命。應針對熔煉物料的特性，設(shè)計相應的風口，包括采用不同的材料、冷卻方式或者冷卻強度。

2 側(cè)吹爐優(yōu)化設(shè)計探討

2.1 風口

可否在爐缸內(nèi)完成熔煉金屬的沉降及與渣的分離，取消伸出于爐本體的沉降室。這要從改變風口操作個數(shù)以及風口內(nèi)徑著手。

降低風口風速(取70～100 m/s)，減小對爐內(nèi)風口以下熔體的攪動范圍，采用全風口使用模式，保證風口以上的熔體達到一定的攪動強度。

除了上述措施外，還可以考慮采用爐缸內(nèi)設(shè)儲液槽的方法。

2.2 爐缸的結(jié)構(gòu)

為避免爐缸膨脹變形、砌體向上抬高的現(xiàn)象發(fā)生，除了減少風口數(shù)量，降低風速對風口以下熔體的攪動外，還可對爐缸的結(jié)構(gòu)進行改進。

砌體仍由多層耐火材料組成，底不設(shè)反拱，為平底。工作層砌體(與金屬熔體相接觸層)為Z形磚組合式砌筑，砌筑時縱向、橫向都不預留膨脹縫。由于沒有膨脹縫，最大限度地減少了金屬熔體(尤其是鉛液)對砌體的滲透。Z形磚的搭接式砌筑可以保證不浮磚。由于沒有反拱，消除了砌體反拱熱膨脹時向上的分力。

為了解決砌體熱膨脹的影響，在砌體與殼體之間設(shè)置一定量的膨脹縫(理論值的50%～60%)，膨脹縫最好用壓縮比較大的保溫材料填充，不用石棉板等壓縮比較小的材料；另一個措施就是把爐缸殼體圍板設(shè)計成可滑動式。爐缸殼體的端板、側(cè)板與底板不焊接，端、側(cè)板之間也不焊接，當砌體膨脹力達到一定值時，可推動端板、側(cè)板向外位移。這種可滑動式設(shè)計不是靠外置彈簧來頂固，結(jié)構(gòu)簡單。由于不具備自動回位功能，在停爐后殼體鋼板回位需要人工用設(shè)備將其復位。

3 結(jié)語

隨著側(cè)吹爐的廣泛應用，如何提高側(cè)吹爐對不同種類熔煉物料的適應性是設(shè)計者應該考慮的問題，并且在側(cè)吹爐結(jié)構(gòu)、節(jié)能方面做進一步研究。

[1] 《有色冶金爐設(shè)計手冊》編委會.有色冶金爐設(shè)計手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

[2] 任鴻九等.有色金屬熔池熔煉[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

[3] 《鉛鋅冶金學》編委會. 鉛鋅冶金學[M].北京：科學出版社，2003.

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Discussion on design optimization of side blowing furnace

LI Yang, BAI Hua

The application of side blown furnace in China’s nonferrous smelting industry is increasing. This paper introduced the structure of side blown furnace, and the design of the hearth, copper water jacket, the tuyere in detail. The optimization design of side blown furnace was discussed.

side blowing furnace; optimization design; hearth; tuyere

李 陽(1964—)，女，湖南人，副教授，主要從事教學及課題項目的研發(fā)工作。

2014-- 08-- 27

2015-- 03-- 31

TF806.02

B

1672-- 6103(2015)04-- 0034-- 03