袁精華

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司,江西南昌 330031)

20世紀(jì)90年代之后,隨著改革開放的不斷深入,房地產(chǎn)行業(yè)需求大量釋放,而且投資盛行,我國(guó)銅需求量有了突飛猛進(jìn)的提升,閃速爐工藝順應(yīng)時(shí)代的要求,也得到了超常規(guī)發(fā)展,但隨著我國(guó)人口拐點(diǎn)的出現(xiàn),人口紅利將逐步消失,銅市場(chǎng)需求也趨于飽和,特別是隨著銅精礦雜質(zhì)含量不斷增多以及由于銅品位的波動(dòng),閃速爐工藝優(yōu)勢(shì)越來越難以為繼,同時(shí)近些年側(cè)吹爐工藝的發(fā)展對(duì)其構(gòu)成了較大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。因此,閃速爐亟需從低反應(yīng)塔熱負(fù)荷、低投料量的冶煉爐發(fā)展成為反應(yīng)塔熱強(qiáng)度在2 000 MJ/m3h 以上、投料量在230 t/h 以上的高強(qiáng)度冶煉設(shè)備。

本文從優(yōu)化設(shè)計(jì)反應(yīng)塔、沉淀池、上升煙道背風(fēng)面?zhèn)葔?、爐頂及耐火材料等關(guān)鍵部位來強(qiáng)化閃速爐的冶煉,達(dá)到高強(qiáng)度冶煉的目的。另外,為確保高強(qiáng)度冶煉狀態(tài)下的爐體安全,還重點(diǎn)考慮了爐底溫度監(jiān)控及冷卻原件漏水監(jiān)控。

1 閃速爐結(jié)構(gòu)及冶煉原理

閃速爐是一種強(qiáng)化冶煉設(shè)備,由中央噴嘴、反應(yīng)塔、沉淀池及上升煙道四個(gè)主要部分組成,見圖1。物料與富氧空氣通過中央噴嘴混合并高速地噴入反應(yīng)塔內(nèi),在高溫下迅速地進(jìn)行氧化脫硫、熔化、造渣等反應(yīng),形成的高溫熔體落入沉淀池中進(jìn)一步完成造渣過程,并分離成富集金屬和爐渣,產(chǎn)生的煙氣從上升煙道排出。

圖1 閃速爐總圖

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 反應(yīng)塔

2.1.1 反應(yīng)塔高度

反應(yīng)塔高度H1的選定實(shí)質(zhì)上是保證物料的反應(yīng)時(shí)間,防止下生料的重要參數(shù)。采用高投料量、高富氧濃度、高銅锍品位、高熱強(qiáng)度操作的閃速爐,相比傳統(tǒng)操作的閃速爐,反應(yīng)焦點(diǎn)上移,反應(yīng)塔高度可適當(dāng)縮短?？墒?如果投料量加大到230 t/h 以上,采用中央擴(kuò)散式精礦噴嘴的反應(yīng)塔高度應(yīng)適當(dāng)加長(zhǎng)[1]。原因有:①投料量加大后,工藝風(fēng)量、中央氧量、分散風(fēng)量需要相應(yīng)加大,這就導(dǎo)致工藝風(fēng)、中央氧、分散風(fēng)出口的速度都會(huì)加大,高速氣流勢(shì)必將燃燒的高溫?zé)煔庀聣?造成劇烈反應(yīng)區(qū)、高溫區(qū)下移;②投料量、工藝風(fēng)量、中央氧量、分散風(fēng)量加大后,從常溫到高溫需要吸收更多的熱量,將會(huì)引起感應(yīng)區(qū)最低溫度下降,這樣精礦著火延遲,反應(yīng)延緩,反應(yīng)塔內(nèi)劇烈反應(yīng)區(qū)下移,反應(yīng)區(qū)拉長(zhǎng);③投料量加大后,實(shí)際生產(chǎn)中很難實(shí)現(xiàn)均勻的布料,下料更易偏析,塔內(nèi)氣體與精礦顆?；旌暇鶆螂y度更大,著火延遲,精礦在塔內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間縮短。鑒于此,近些年設(shè)計(jì)的閃速爐反應(yīng)塔凈高都在7 m 以上,甚至接近8 m,以滿足高強(qiáng)度冶煉的需要。

2.1.2 反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)

高強(qiáng)度冶煉的閃速爐反應(yīng)塔內(nèi)的熱負(fù)荷較高,煙氣中熔體濃度更大,因此,高溫?zé)煔鈱?duì)反應(yīng)塔的沖刷更加劇烈,顯然,單靠使用水平銅水套,增加水平銅水套的層數(shù),減小水平銅水套的間距來冷卻保護(hù)耐火材料已無法達(dá)到目的。高強(qiáng)度冶煉狀態(tài)下需要對(duì)反應(yīng)塔內(nèi)耐火材料進(jìn)行立體冷卻,也就是說需要一種新型的反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)[2-3]:反應(yīng)塔筒體均由鑲耐火磚的鋸齒形水套組成。為方便今后冷修時(shí)耐火磚的砌筑,銅水套凹槽不是燕尾形,而是直槽,凸形齒也不是內(nèi)小外大,而為直齒,這樣的結(jié)構(gòu)有利于耐火磚的砌筑,但必需設(shè)計(jì)合適的凸形齒伸出長(zhǎng)度,以防止耐火磚掉落。反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)圖

2.2 沉淀池

2.2.1 沉淀池內(nèi)寬

表面上看,沉淀池內(nèi)寬B與沉淀池渣線面積有關(guān),以滿足沉淀池澄清及儲(chǔ)存功能,但是實(shí)際上,渣線面積大小可通過反應(yīng)塔與上升煙道的中心距L來確定,沉淀池內(nèi)寬的確定實(shí)質(zhì)上要考慮從反應(yīng)塔出來夾帶熔體的高溫?zé)煔獾臎_刷強(qiáng)度。如果反應(yīng)塔內(nèi)壁距沉淀池內(nèi)壁寬度過小,夾帶熔體的高溫?zé)煔鈩?shì)必對(duì)沉淀池內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)烈沖刷,沉淀池壽命也會(huì)大幅度縮減。常規(guī)冶煉狀態(tài)下,反應(yīng)塔內(nèi)壁距沉淀池內(nèi)壁寬度一般為850 mm 以下;在高強(qiáng)度冶煉狀態(tài)下,其寬度設(shè)計(jì)以1 000 mm 以上為宜,以減輕高溫?zé)煔鈱?duì)側(cè)墻的卷吸沖刷。因此,為滿足高強(qiáng)度冶煉的需要,沉淀池內(nèi)寬需要比常規(guī)冶煉的內(nèi)寬多出300 mm 以上。

2.2.2 沉淀池凈高

選擇沉淀池凈高H2本質(zhì)上是選擇煙氣的流速。過高的煙氣流速不光對(duì)沉淀池側(cè)墻造成強(qiáng)烈的沖刷。而且對(duì)沉淀池頂也帶來強(qiáng)烈的沖刷,常規(guī)冶煉狀態(tài)下,煙氣流速一般較大,甚至接近10 m/s 若其他條件不變,高強(qiáng)度冶煉狀態(tài)下應(yīng)適當(dāng)加大沉淀池凈高,使煙氣流速設(shè)計(jì)在6 m/s 以下,這樣既可減少煙氣的沖刷,又可降低煙塵發(fā)生率。

2.2.3 沉淀池氣流區(qū)結(jié)構(gòu)

常規(guī)冶煉狀態(tài)下,沉淀池氣流區(qū)一般采用水平水套夾2～4 層耐火磚的結(jié)構(gòu)形式,水平水套的層數(shù)為2～3 層。但處于高強(qiáng)度冶煉狀態(tài)下,這種結(jié)構(gòu)耐火磚消耗很快,特別是反應(yīng)塔下部的三面沉淀池側(cè)墻,運(yùn)行不到3年的時(shí)間,耐火磚殘存的長(zhǎng)度有的不足100 mm,有的地方甚至不足40 mm,致使外側(cè)鋼板發(fā)紅。上面提到的增加沉淀池內(nèi)寬以及加大沉淀池凈高都是為了減輕煙氣的沖刷,但這還不能適應(yīng)高強(qiáng)度冶煉狀態(tài)下的工作條件,與反應(yīng)塔一樣,需要采取立體冷卻的結(jié)構(gòu),也就是采用一種新型的沉淀池氣流結(jié)構(gòu)[4],實(shí)質(zhì)上是嵌入耐火磚的立式鋸齒形水套結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu),銅水套內(nèi)的槽與齒的形狀跟反應(yīng)塔一樣都是直形,方便冷修期間砌筑耐火磚。沉淀池氣流區(qū)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 沉淀池氣流區(qū)結(jié)構(gòu)圖

2.3 上升煙道背風(fēng)面?zhèn)葔?/h3>

常規(guī)冶煉狀態(tài)下,上升煙道背風(fēng)面?zhèn)葔]有設(shè)置水平水套;在高強(qiáng)度冶煉狀態(tài)下,從現(xiàn)場(chǎng)觀看,上升煙道背風(fēng)面鋼殼溫度很高,晚上可見暗紅,由于鋼殼是主要受力構(gòu)件,不得不在外側(cè)強(qiáng)制冷卻保護(hù)。針對(duì)此薄弱的部位,為適應(yīng)高強(qiáng)度冶煉的需要,上升煙道背風(fēng)面也應(yīng)設(shè)置水平水套。

2.4 爐頂

閃速爐爐頂分三部分:反應(yīng)塔頂、沉淀池頂和上升煙道頂。常規(guī)冶煉狀態(tài)下,各個(gè)頂部一般采用條形銅水套與耐火磚組合形式?？紤]到高強(qiáng)度冶煉狀態(tài)下工作環(huán)境的苛刻,為了與其他部位保持爐修周期的同步,采用嵌入耐火磚的臥式鋸齒形水套結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的銅水套內(nèi)槽形狀為燕尾形,可防止耐火磚脫落,另外,為了維修的方便,每一塊鋸齒形水套不宜過大。

2.5 耐火材料

由于高強(qiáng)度冶煉的閃速爐最為關(guān)鍵的措施是加強(qiáng)爐體冷卻,閃速爐基本上是“銅墻鐵壁”,耐火材料的選擇不再那么重要,采用昂貴的進(jìn)口耐火材料沒有必要。實(shí)際上,由于沖刷強(qiáng)烈,鑲?cè)脬~水套的耐火磚會(huì)很快地消耗掉,而是靠銅水套掛渣來工作的,掛渣起到了替代耐火材料的作用。

3 設(shè)計(jì)手段

3.1 Solidworks 三維設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用

高強(qiáng)度冶煉的閃速爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采用Solidworks三維設(shè)計(jì)能完美地表達(dá)設(shè)計(jì)構(gòu)想,清楚地把握爐體結(jié)構(gòu),去除不合理的部分,優(yōu)化整體設(shè)計(jì),及時(shí)發(fā)現(xiàn)碰撞與干涉,減少設(shè)計(jì)失誤,防止安裝返工。另外,三維圖因具有形象、直觀的特點(diǎn),設(shè)計(jì)人員與業(yè)主方、監(jiān)理方、施工方溝通更方便、快捷,能更好地傳達(dá)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路。

3.2 ANSYS 軟件的應(yīng)用

3.2.1 主框架結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

以往在設(shè)計(jì)爐體主框架的結(jié)構(gòu)及其立柱和橫梁尺寸時(shí),一般是采用手算,并參考以前類似項(xiàng)目,這樣容易缺乏經(jīng)濟(jì)性,精準(zhǔn)度也不高,而且說服力不夠強(qiáng)。因此,采用合適的計(jì)算軟件來計(jì)算主框架結(jié)構(gòu)受力是閃速爐技術(shù)發(fā)展的必然要求,能使閃速爐設(shè)計(jì)更加精細(xì)、準(zhǔn)確、高效、科學(xué)。ANSYS 有限元分析軟件可作為設(shè)計(jì)提升手段,能滿足高強(qiáng)度冶煉的閃速爐主框架受力計(jì)算的要求。

3.2.2 反應(yīng)塔仿真分析

建立反應(yīng)塔三維仿真模型,利用流體動(dòng)力學(xué)分析軟件ANSYS FLUENT 對(duì)反應(yīng)塔進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真研究[5-11],對(duì)反應(yīng)塔壁面溫度以及反應(yīng)塔內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算,得出反應(yīng)塔壁面溫度的分布情況以及反應(yīng)塔高度方向及圓周方向的掛渣厚度,用于指導(dǎo)銅水套冷卻強(qiáng)度、反應(yīng)塔高度及反應(yīng)塔直徑設(shè)計(jì)。

3.2.3 上升煙道仿真分析

建立上升煙道數(shù)學(xué)模型,利用流體動(dòng)力學(xué)分析軟件ANSYS FLUENT 對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真研究[12],對(duì)上升煙道內(nèi)殼溫度以及上升煙道出口溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算,用于指導(dǎo)上升煙道的設(shè)計(jì),特別是上升煙道的出口大小的設(shè)計(jì),使得高強(qiáng)度冶煉的閃速爐上升煙道出口煙氣速度控制在合理的范圍之內(nèi),并確保內(nèi)殼溫度低于所用鋼材的最高使用溫度,保證鋼板使用安全。

4 爐體監(jiān)控

4.1 爐底溫度

4.1.1 爐底結(jié)構(gòu)形式及溫度分布

一般情況下,爐底由半再結(jié)合鎂鉻磚、直接結(jié)合鎂鉻磚、高鋁磚、黏土磚和鋼板構(gòu)成。以銅陵金冠項(xiàng)目為例,沉淀池底各層耐火材料的材質(zhì)及厚度見表1。

表1 耐火材料的材質(zhì)及厚度

爐底的溫度分布不能直接測(cè)量得到,可以采用模擬仿真的手段計(jì)算得到。為計(jì)算方便,可將爐底簡(jiǎn)化為二維模型,在長(zhǎng)度方向選取某一截面,爐內(nèi)半再結(jié)合鎂鉻磚與熔體接觸面可視為恒溫邊界,爐底鋼板與外界接觸面作為自然對(duì)流邊界,建立的模型如圖4所示。

圖4 沉淀池底溫度計(jì)算模型

以銅锍與半再結(jié)合鎂鉻磚交界面為原點(diǎn),沉淀池底沿垂直方向的溫度變化如圖5所示。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫點(diǎn)安裝在直接結(jié)合鎂鉻磚與高鋁磚交界處,即距爐內(nèi)表面0.75 m 處,該點(diǎn)溫度為771 ℃,沉淀池底鋼板溫度為154 ℃。

圖5 沉淀池底溫度分布計(jì)算結(jié)果

實(shí)際上,爐子在生產(chǎn)過程中會(huì)有結(jié)底,特別是高強(qiáng)度冶煉狀態(tài)下,由于富氧濃度、銅锍品位較高,使得Fe3O4生成量較大。因此,在正常冶煉有結(jié)底存在的情況下,沉淀池底的溫度分布計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 結(jié)底厚度不同的計(jì)算結(jié)果

4.1.2 爐底溫升監(jiān)控

相比常規(guī)冶煉的閃速爐,高強(qiáng)度冶煉的閃速爐過熱程度更大,銅锍的溫度也更高,沉淀池底的溫度也相應(yīng)升高,特別是反應(yīng)塔下部的沉淀池爐底溫度。因此,為了沉淀池爐底的安全,設(shè)計(jì)時(shí)采用爐底風(fēng)冷結(jié)構(gòu),如果爐底溫度過高,可對(duì)爐底進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)冷卻。在閃速爐的實(shí)際操作時(shí),采用測(cè)溫?zé)犭娕急O(jiān)測(cè)爐底溫度的變化,對(duì)照表2 的計(jì)算結(jié)果,并結(jié)合檢尺的檢測(cè),保持爐底結(jié)底在200 mm 左右,既可確保爐底耐火磚處于安全的工作狀態(tài),又可防止?fàn)t底結(jié)底過高造成沉淀池存儲(chǔ)銅锍的容積減少,以及排渣時(shí)帶出銅。

4.2 冷卻元件漏水的監(jiān)控

隨著國(guó)家應(yīng)急管理部對(duì)安全生產(chǎn)要求越來越嚴(yán)格,加上高強(qiáng)度冶煉的閃速爐使用大量的銅水套,有必要對(duì)銅水套漏水的現(xiàn)象加以防控,以免發(fā)生重大生產(chǎn)安全事故。不僅需對(duì)各銅水套出水溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)、報(bào)警,還需對(duì)各冷卻元件進(jìn)、出水流量進(jìn)行監(jiān)測(cè),自動(dòng)對(duì)比進(jìn)、出水流量的差值與設(shè)定值,如超過限定值,則報(bào)警并快速切斷該冷卻元件回路的進(jìn)水,防止大量的水漏入爐內(nèi),確保爐體的安全。

5 結(jié)論

面對(duì)側(cè)吹爐工藝的發(fā)展,增強(qiáng)冶煉能力是閃速爐占領(lǐng)冶煉設(shè)備市場(chǎng)的重要途徑。本文從設(shè)計(jì)角度對(duì)強(qiáng)化閃速爐冶煉能力進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),具體包括以下幾方面。

1)改進(jìn)閃速爐結(jié)構(gòu)尺寸,以適應(yīng)強(qiáng)化冶煉的需要。適當(dāng)增加反應(yīng)塔凈高,以適應(yīng)高投料量;增加沉淀池內(nèi)寬和凈高,保證煙氣流速設(shè)計(jì)在6 m/s 以下,減緩高溫?zé)煔獾臎_刷及煙塵產(chǎn)生率。

2)爐體采用新型水套+耐火磚結(jié)構(gòu)。反應(yīng)塔筒體采用鋸齒形水套+ 耐火磚結(jié)構(gòu),以適應(yīng)煙氣的劇烈沖刷;沉淀池氣流區(qū)采用鋸齒形銅水套+耐火磚結(jié)構(gòu);上升煙道背風(fēng)面也應(yīng)設(shè)置水平水套;爐頂采用嵌入耐火磚的臥式鋸齒形水套結(jié)構(gòu),防止耐火磚脫落。

3)為確保高強(qiáng)度冶煉狀態(tài)下的爐體安全,還應(yīng)考慮爐底溫度監(jiān)控及冷卻原件漏水監(jiān)控。

優(yōu)化改進(jìn)后的閃速爐可以達(dá)到反應(yīng)塔熱強(qiáng)度2 000 MJ/m3h 以上、投料量230 t/h 以上的要求,而且運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠。