劉濤，黃文華

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

隨著熔池熔煉工藝的發(fā)展，目前側(cè)吹爐已成熟廣泛地應(yīng)用在高鉛渣還原、銅精礦冶煉和其他一些原料的處理領(lǐng)域，并逐漸擴(kuò)展到錫冶煉、銻冶煉、垃圾焚燒、廢固處理及尾渣提鐵等領(lǐng)域[1]。特別是在銅冶煉領(lǐng)域，側(cè)吹熔池熔煉工藝占據(jù)國(guó)內(nèi)銅冶煉的新增產(chǎn)能的60%以上。如2016年投產(chǎn)的浙江和鼎銅業(yè)有限公司二期技改項(xiàng)目、2019年5月投產(chǎn)的赤峰云銅有色金屬有限公司環(huán)保升級(jí)搬遷改造項(xiàng)目、2019年4月投產(chǎn)的廣西南國(guó)銅業(yè)有限責(zé)任公司150 kt/a銅冶煉工程設(shè)計(jì)等項(xiàng)目。為了適應(yīng)越來(lái)越高的處理量，側(cè)吹爐不斷朝著大型化發(fā)展，側(cè)吹熔煉爐的結(jié)構(gòu)及熔煉技術(shù)也在不斷改進(jìn)。本文針對(duì)側(cè)吹爐在實(shí)際運(yùn)行中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了探討及分析，在操作和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出了針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)措施。

1 側(cè)吹工藝介紹

目前，我國(guó)選用的富氧側(cè)吹熔煉工藝是在瓦紐科夫熔煉的基礎(chǔ)上發(fā)展改進(jìn)而來(lái)的。該工藝原理如下：通過(guò)一次風(fēng)口將富氧空氣高速吹入熔體內(nèi)部，引起風(fēng)口周圍的熔體攪拌。同時(shí)，高溫下氣體急劇膨脹，在極短的時(shí)間內(nèi)形成一定的高壓，并向四周急劇擴(kuò)散、沖出液面夾帶物料形成噴濺，引起熔體上下翻騰，形成鼓泡層。當(dāng)銅精礦由爐頂加料口加入到熔池鼓泡層后，會(huì)發(fā)生劇烈的氣—固—液三相反應(yīng)。生成的銅锍和熔渣，因?yàn)楸戎夭町悓?shí)現(xiàn)沉淀分離，從而得到富集金屬的銅锍和爐渣，并分別從銅锍口和渣口放出[2]。

銅锍根據(jù)后續(xù)工藝的需要，產(chǎn)出不同品位的冰銅，間斷或連續(xù)地排放。目前，與側(cè)吹熔煉配合的工藝主要有兩種：1）“側(cè)吹熔煉+轉(zhuǎn)爐吹煉+陽(yáng)極精煉”工藝，如在康西銅業(yè)、和鼎銅業(yè)等項(xiàng)目中采用。該工藝是指?jìng)?cè)吹熔煉后，將冰銅放入包子內(nèi)送入轉(zhuǎn)爐吹煉，后續(xù)接陽(yáng)極精煉[3]。2）“側(cè)吹熔煉+連續(xù)造銅+陽(yáng)極精煉”工藝，如在赤峰云銅、廣西南國(guó)等項(xiàng)目中采用。該工藝側(cè)吹熔煉后，熱態(tài)冰銅通過(guò)溜槽直接流入連續(xù)造渣爐，白冰銅再流入連續(xù)造銅爐，最后通過(guò)溜槽直接將粗銅送入陽(yáng)極爐進(jìn)行陽(yáng)極精煉。

2 側(cè)吹熔煉爐爐體結(jié)構(gòu)

側(cè)吹熔煉爐是一種固定式長(zhǎng)方形爐型，由銅水套和耐火材料組合而成，如圖1所示。

圖1 側(cè)吹爐結(jié)構(gòu)示意

爐體自下而上分為爐缸、爐身和爐頂。爐身又分為熔池區(qū)和再燃燒區(qū)，其兩側(cè)裝有一次風(fēng)口（下風(fēng)口）和二次風(fēng)口（上風(fēng)口）。爐料經(jīng)加料皮帶由頂部加料口加入側(cè)吹爐，進(jìn)入爐中的混合物料匯集于渣層中，在一次風(fēng)（富氧空氣）的攪拌和高溫作用下完成造锍造渣反應(yīng)，并在爐缸下部完成渣和锍的分離。二次風(fēng)口送入低壓空氣，使單體硫及一氧化碳充分燃燒。

2.1 爐缸

爐缸由耐火磚砌筑而成，由內(nèi)向外分別為電熔再結(jié)合鎂鉻磚、鎂鉻磚和黏土磚。爐缸內(nèi)設(shè)置銅水套，對(duì)渣線區(qū)易損耐火磚進(jìn)行保護(hù)，提高爐缸的使用壽命[4]。爐缸兩端分別設(shè)置放銅口和放渣口，冰銅通過(guò)虹吸排放，熔煉渣通過(guò)溢流排放。為避免爐結(jié)封堵事故口，在靠近放銅口和放渣口兩端均設(shè)置有事故排空口，且事故排空口呈一高一低布置。

2.2 爐身

爐身由熔體區(qū)和煙氣區(qū)組成。熔體區(qū)的工況最為惡劣，要承受高溫熔體的沖刷及噴濺物的化學(xué)侵蝕，需要較強(qiáng)的冷卻強(qiáng)度，因此在該區(qū)域采用銅水套結(jié)構(gòu)，通過(guò)水套熱面形成的掛渣層保護(hù)水套。銅水套利用螺栓固定在框架上形成整體，然后通過(guò)拉桿與爐體鋼結(jié)構(gòu)框架梁相連。爐身煙氣區(qū)由于存在少量熔體的噴濺和腐蝕，因此在局部區(qū)域采用平板水套對(duì)耐火材料進(jìn)行保護(hù)。另外，在高度方向分層設(shè)置了托磚板，防止耐火磚侵蝕后整體傾倒。

2.3 煙道

目前的煙道結(jié)構(gòu)主要有砌磚煙道和膜式壁煙道兩種形式。與絕熱砌磚煙道相比，膜式壁煙道冷卻強(qiáng)度大，內(nèi)側(cè)易黏結(jié)粉料、噴濺物及煙塵等。隨著時(shí)間的推移，黏結(jié)物越積越厚，噴濺物及煙塵將以水冷壁處掛渣為根基，慢慢沿著膜式壁煙道向上生長(zhǎng)。隨著掛渣厚度增加，煙氣凈空面積縮小，煙氣流速將加快，不僅增加了煙氣阻力導(dǎo)致負(fù)壓控制困難，同時(shí)也會(huì)降低鍋爐的換熱效果。惡劣情況下，過(guò)重的黏結(jié)物在重力作用下落入爐內(nèi)，對(duì)爐內(nèi)熔體產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致熔體從渣口噴出，存在安全事故隱患。而絕熱砌磚煙道不存在這些缺點(diǎn)，因?yàn)榻^熱煙道采用耐火磚砌筑，保溫性能好，煙道內(nèi)部的黏結(jié)物在到達(dá)一定厚度后將會(huì)穩(wěn)定不再增長(zhǎng)。

3 爐體結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題及解決措施

隨著側(cè)吹熔池熔煉工藝的廣泛應(yīng)用，為了提高產(chǎn)能，富氧濃度不斷提高。在高投料量下，爐體的熱負(fù)荷越來(lái)越高，爐況也愈來(lái)愈惡劣。側(cè)吹爐，作為側(cè)吹熔池熔煉工藝的核心設(shè)備，其一次風(fēng)富氧濃度由最初設(shè)計(jì)的氧氣體積分?jǐn)?shù)為50%，提高到現(xiàn)在的85%，爐床能力也由45 t/(m2·d)提高到85 t/（m2·d）及以上。這對(duì)側(cè)吹爐的設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求。

目前，側(cè)吹爐生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題主要包括熱損失偏高，二次風(fēng)口處結(jié)瘤、煙道與鍋爐接口處結(jié)瘤，排放速度有限導(dǎo)致緊急排空困難以及爐體保溫困難。

3.1 熱損失偏高

與懸浮熔煉法不同，側(cè)吹爐屬于熔池熔煉設(shè)備。爐料由爐頂?shù)募恿峡诩尤氲綘t內(nèi)，在落入到熔池前，與爐內(nèi)高溫?zé)釤煔獬浞诌M(jìn)行熱交換，并發(fā)生分解反應(yīng)。富氧空氣通過(guò)一次風(fēng)口鼓入熔池內(nèi)，攪拌熔體的同時(shí)，與熔池中渣冰銅乳狀熔體發(fā)生反應(yīng)，主要反應(yīng)如下：

由于絕大部分反應(yīng)發(fā)生在熔池中，因此大量的熱量集中在風(fēng)口附近，且由于工藝風(fēng)的鼓入，風(fēng)口附近熔池劇烈湍動(dòng)，加劇了渣的沖刷侵蝕性。為了保證風(fēng)口區(qū)的使用壽命，在設(shè)計(jì)時(shí)通常采用銅水套結(jié)構(gòu)。銅水套內(nèi)側(cè)直接與熱渣接觸，熱損失高，為了達(dá)到熱平衡，必須在配料時(shí)加入3%～5%的煤。為了降低煤的消耗量，在保證銅水套安全運(yùn)行的同時(shí)，降低水套帶走的熱損失，即降低冷卻強(qiáng)度，對(duì)爐身的銅水套做部分改進(jìn)，如圖2所示。原設(shè)計(jì)銅水套熱面設(shè)計(jì)成鋸齒狀用于掛渣，現(xiàn)設(shè)計(jì)為鑲磚銅水套，鑲磚不僅可以保護(hù)銅水套避免直接接觸高溫熔體，提高水套使用壽命，還可以大幅降低熱損失，降低煤率。

圖2 改進(jìn)前、后銅水套對(duì)比

3.2 二次風(fēng)口處結(jié)瘤

在側(cè)吹爐生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)爐體上部特別是二次風(fēng)口附近出現(xiàn)結(jié)瘤，如不及時(shí)處理，可能會(huì)導(dǎo)致煙氣通道變小影響煙氣流通，或由于結(jié)瘤持續(xù)增大最后落入熔池中造成“涌渣”的情況。爐體上部結(jié)瘤的主要原因是側(cè)吹爐為防止單體硫產(chǎn)生在爐體上部加入了二次風(fēng)。由于二次風(fēng)溫度較低，在二次風(fēng)風(fēng)口處形成一個(gè)低溫區(qū)域，熔融狀態(tài)的噴濺物或被汽化的金屬離子在低溫區(qū)域被冷卻、黏結(jié)并逐步增大。同時(shí)爐料中細(xì)小顆粒在下落過(guò)程中，被煙氣夾帶，碰撞到最初形成的爐結(jié)上，從而不斷增厚。為防止結(jié)瘤的產(chǎn)生，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將二次風(fēng)口移到爐頂處，抬高二次風(fēng)風(fēng)口的高度，防止噴濺物的黏接。同時(shí)，可以嘗試提高二次風(fēng)的富氧濃度，從而提高二次風(fēng)區(qū)域溫度，避免局部低溫。

3.3 煙道與鍋爐接口處結(jié)瘤

由于靠煙道側(cè)的加料口離煙道太近，在負(fù)壓作用下未等精礦發(fā)生反應(yīng)就會(huì)被卷吸到煙氣中。熔融態(tài)的噴濺物和未反應(yīng)的精礦，在重力作用下，極易在煙道與鍋爐接口處的水平段沉積形成結(jié)瘤。隨著時(shí)間的推移，結(jié)瘤日益嚴(yán)重，可能會(huì)堵塞煙道出口。因此在進(jìn)行煙道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免設(shè)計(jì)斜坡段結(jié)構(gòu)，同時(shí)減少鍋爐接口處的水平段，同時(shí)在煙道出口處置燒嘴，用于清理結(jié)瘤。

3.4 排放速度有限導(dǎo)致緊急排空困難

爐缸為熔體的儲(chǔ)存區(qū)，冰銅和爐渣在爐缸內(nèi)澄清分層。然而在緊急停爐時(shí)，由于排空口只有1個(gè)，排放速度有限。熔體在排放過(guò)程中，隨著熔體溫度慢慢降低，熔體流動(dòng)性也會(huì)變差。若熔體溫度過(guò)低，將導(dǎo)致熔體難以排出，這種情況對(duì)于爐床面積較大的側(cè)吹爐而言尤其明顯。因此，對(duì)于陰極銅年產(chǎn)能30萬(wàn)t及以上的大型側(cè)吹爐，事故排空口應(yīng)設(shè)置2個(gè)，靠渣口和銅口的側(cè)墻處各設(shè)置1個(gè)。

3.5 爐體保溫問(wèn)題

側(cè)吹爐是一個(gè)反應(yīng)容器，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)（比如上料皮帶故障、熱引風(fēng)機(jī)故障、二氧化硫風(fēng)機(jī)故障、鍋爐漏水、氧氣站故障等），需要長(zhǎng)時(shí)間停爐。若此時(shí)盲目排空熔體，將導(dǎo)致爐體溫度變化劇烈，影響耐火材料壽命；且再次開爐前，還要消耗大量人力和時(shí)間去清理未排空的熔體。因此，對(duì)于側(cè)吹爐故障要進(jìn)行區(qū)分處理，若短時(shí)停爐，可采用熱保溫的方式停爐。對(duì)于小型側(cè)吹爐，通過(guò)在熔體表層灑粉煤的方式可以保溫約1 d左右，但是該方法對(duì)于大型側(cè)吹爐不太適用。為此，本文從設(shè)計(jì)角度對(duì)煙道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加事故煙道和煙道閘板，同時(shí)對(duì)操作工藝進(jìn)行優(yōu)化。若需要熱停爐保溫，須先將煙道閘板放下，打開事故煙道（見圖3），再降低渣面，從一次風(fēng)口鼓入天然氣補(bǔ)熱，燃燒的煙氣通過(guò)事故煙道后進(jìn)入環(huán)集系統(tǒng)。

圖3 煙道和鍋爐接口處

3.6 耐火材料的損耗

要保證側(cè)吹爐爐體穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，耐火材料的合理選型是重要的環(huán)節(jié)。特別是隨著生產(chǎn)負(fù)荷的提高，使得熱負(fù)荷增加，耐火材料的工作條件也更為苛刻。在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)側(cè)吹爐各部位耐火材料的工作環(huán)境，分析耐火材料的損耗原因，針對(duì)性的進(jìn)行耐火材料配置。

爐缸為冰銅沉降區(qū)和熔體儲(chǔ)存區(qū)，應(yīng)盡量減少該部位的熱損失，因此爐缸區(qū)為耐火磚砌筑而成。爐缸墻體的耐火材料選擇由內(nèi)至外分別為工作層半再結(jié)合鎂鉻磚，保溫層黏土磚和隔熱層纖維板。爐底耐火材料的選擇由內(nèi)至外分別為工作層半再結(jié)合鎂鉻磚，防滲層搗打料，保溫層黏土磚組成。為了防止?fàn)t底漏銅，爐底耐火磚采用反拱結(jié)構(gòu)。爐頂煙氣區(qū)為煙氣的流通通道，主要用于煙氣的導(dǎo)流，由耐火材料砌筑而成，耐火材料材質(zhì)為半再結(jié)合鎂鉻磚。通過(guò)運(yùn)行實(shí)踐，爐體連續(xù)運(yùn)行1年左右，爐底耐火磚由于存在Fe3O4的爐結(jié)，爐底保存完好；爐墻冰銅區(qū)的耐火磚侵蝕較小，而渣線區(qū)的爐墻耐火磚，被侵蝕約150 mm。分析其原因是熔煉渣的侵蝕和渣線的波動(dòng)沖刷導(dǎo)致的，因此建議在爐缸的渣線區(qū)應(yīng)選用抗沖刷性和抗侵蝕性強(qiáng)的電熔再結(jié)合鎂鉻磚，如圖4所示。電熔再結(jié)合鎂鉻磚由于制磚原料較純，耐火材料晶粒之間為直接接觸，且隨著Cr2O3含量增加，晶間尖晶石增多，直接結(jié)合率增大，在抗侵蝕、抗沖刷方面比半再結(jié)合鎂鉻磚更好。爐頂煙氣區(qū)耐火磚在高溫?zé)煔獾臎_刷下較為嚴(yán)重，損耗約200 mm左右。熔池在工藝風(fēng)的攪拌下劇烈湍動(dòng)，形成大量小液滴，并卷吸到煙氣中，更加劇了煙氣區(qū)耐火材料的沖刷。為了保證爐墻的穩(wěn)定性，在爐頂煙氣區(qū)增加水平水套（即每隔3～4塊耐火磚，設(shè)置1層水平水套），提高耐火磚區(qū)域的冷卻強(qiáng)度，在耐火磚表面形成掛渣，提高耐火磚使用壽命。

圖4 優(yōu)化前、后側(cè)吹爐耐火材料配置

4 總結(jié)

綜上所述，隨著側(cè)吹熔池熔煉工藝的廣泛應(yīng)用，側(cè)吹爐不斷朝著大型化發(fā)展，同時(shí)側(cè)吹熔煉爐的結(jié)構(gòu)及熔煉技術(shù)也在不斷改進(jìn)。作為核心設(shè)備的側(cè)吹爐，其運(yùn)行的可靠性與實(shí)際操作和爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均密切相關(guān)。本文對(duì)側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)和側(cè)吹爐的爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了說(shuō)明，并重點(diǎn)振對(duì)側(cè)吹爐在實(shí)際運(yùn)行中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了論述，在操作和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出了針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)措施。