高強度冶煉閃速爐優(yōu)化設(shè)計對策

　　[摘要]近些年側(cè)吹爐工藝的發(fā)展對閃速爐構(gòu)成了較大的競爭壓力，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)塔熱強度在2000MJ/m3h以上、投料量在230t/h以上的高強度冶煉設(shè)備。本文從設(shè)計角度對強化閃速爐冶煉能力進行了優(yōu)化改進，具體包括以下幾方面:適當(dāng)增加反應(yīng)塔凈高，以適應(yīng)高投料量的需要;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;增加沉淀池內(nèi)寬和凈高，保證煙氣流速設(shè)計在6m/s以下，減緩高溫?zé)煔獾臎_刷及煙塵發(fā)生率;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。另外，為確保高強度冶煉狀態(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)化改進后的閃速爐可以達到預(yù)期的冶煉強度，而且運行平穩(wěn)、安全可靠。

　　[關(guān)鍵詞]閃速爐;冶煉強度;熱強度;投料量;反應(yīng)塔;沉淀池;銅水套;耐火材料

　　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，我國銅需求量有了突飛猛進的提升，閃速爐工藝順應(yīng)時代的要求，也得到了超常規(guī)發(fā)展，但隨著我國人口拐點的出現(xiàn)，人口紅利將逐步消失，銅市場需求也趨于飽和，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，閃速爐工藝優(yōu)勢越來越難以為繼，同時近些年側(cè)吹爐工藝的發(fā)展對其構(gòu)成了較大的競爭壓力。

　　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)塔熱強度在2000MJ/m3h以上、投料量在230t/h以上的高強度冶煉設(shè)備。本文從優(yōu)化設(shè)計反應(yīng)塔、沉淀池、上升煙道背風(fēng)面?zhèn)葔Αt頂及耐火材料等關(guān)鍵部位來強化閃速爐的冶煉，達到高強度冶煉的目的。另外，為確保高強度冶煉狀態(tài)下的爐體安全，還重點考慮了爐底溫度監(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主要部分組成。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。

　　2優(yōu)化設(shè)計要點

　　2.1反應(yīng)塔

　　2.1.1反應(yīng)塔高度

　　反應(yīng)塔高度H1的選定實質(zhì)上是保證物料的反應(yīng)時間，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、高熱強度操作的閃速爐，相比傳統(tǒng)操作的閃速爐，反應(yīng)焦點上移，反應(yīng)塔高度可適當(dāng)縮短�？墒�，如果投料量加大到230t/h以上，采用中央擴散式精礦噴嘴的反應(yīng)塔高度應(yīng)適當(dāng)加長[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)出口的速度都會加大，高速氣流勢必將燃燒的高溫?zé)煔庀聣�，造成劇烈反�?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;③投料量加大后，實際生產(chǎn)中很難實現(xiàn)均勻的布料，下料更易偏析，塔內(nèi)氣體與精礦顆粒混合均勻難度更大，著火延遲，精礦在塔內(nèi)的反應(yīng)時間縮短。鑒于此，近些年設(shè)計的閃速爐反應(yīng)塔凈高都在7m以上，甚至接近8m，以滿足高強度冶煉的需要。

　　2.1.2反應(yīng)塔結(jié)構(gòu)

　　高強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Ψ磻?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耐火材料已無法達到目的。高強度冶煉狀態(tài)下需要對反應(yīng)塔內(nèi)耐火材料進行立體冷卻，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)計合適的凸形齒伸出長度，以防止耐火磚掉落。

　　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存功能，但是實際上，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)煔鈩荼貙Τ恋沓貎?nèi)壁產(chǎn)生強烈沖刷，沉淀池壽命也會大幅度縮減。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850mm以下;在高強度冶煉狀態(tài)下，其寬度設(shè)計以1000mm以上為宜，以減輕高溫?zé)煔鈱?cè)墻的卷吸沖刷。因此，為滿足高強度冶煉的需要，沉淀池內(nèi)寬需要比常規(guī)冶煉的內(nèi)寬多出300mm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沉淀池側(cè)墻造成強烈的沖刷。而且對沉淀池頂也帶來強烈的沖刷，常規(guī)冶煉狀態(tài)下，煙氣流速一般較大，甚至接近10m/s若其他條件不變，高強度冶煉狀態(tài)下應(yīng)適當(dāng)加大沉淀池凈高，使煙氣流速設(shè)計在6m/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，運行不到3年的時間，耐火磚殘存的長度有的不足100mm，有的地方甚至不足40mm，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。

　　2.3上升煙道背風(fēng)面?zhèn)葔?/p>

　　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;在高強度冶煉狀態(tài)下，從現(xiàn)場觀看，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)強制冷卻保護。針對此薄弱的部位，為適應(yīng)高強度冶煉的需要，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，各個頂部一般采用條形銅水套與耐火磚組合形式。考慮到高強度冶煉狀態(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耐火材料由于高強度冶煉的閃速爐最為關(guān)鍵的措施是加強爐體冷卻，閃速爐基本上是“銅墻鐵壁”，耐火材料的選擇不再那么重要，采用昂貴的進口耐火材料沒有必要。實際上，由于沖刷強烈，鑲?cè)脬~水套的耐火磚會很快地消耗掉，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)計手段

　　3.1Solidworks三維設(shè)計軟件的應(yīng)用

　　高強度冶煉的閃速爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用Solidworks三維設(shè)計能完美地表達設(shè)計構(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，及時發(fā)現(xiàn)碰撞與干涉，減少設(shè)計失誤，防止安裝返工。另外，三維圖因具有形象、直觀的特點，設(shè)計人員與業(yè)主方、監(jiān)理方、施工方溝通更方便、快捷，能更好地傳達設(shè)計者的設(shè)計思路。

　　3.2ANSYS軟件的應(yīng)用

　　3.2.1主框架結(jié)構(gòu)受力計算以往在設(shè)計爐體主框架的結(jié)構(gòu)及其立柱和橫梁尺寸時，一般是采用手算，并參考以前類似項目，這樣容易缺乏經(jīng)濟性，精準(zhǔn)度也不高，而且說服力不夠強。因此，采用合適的計算軟件來計算主框架結(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)計提升手段，能滿足高強度冶煉的閃速爐主框架受力計算的要求。

　　3.2.2反應(yīng)塔仿真分析建立反應(yīng)塔三維仿真模型，利用流體動力學(xué)分析軟件ANSYSFLUENT對反應(yīng)塔進行數(shù)學(xué)仿真研究[5-11]，對反應(yīng)塔壁面溫度以及反應(yīng)塔內(nèi)的溫度場和速度場進行分析計算，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)銅水套冷卻強度、反應(yīng)塔高度及反應(yīng)塔直徑設(shè)計。

　　3.2.3上升煙道仿真分析建立上升煙道數(shù)學(xué)模型，利用流體動力學(xué)分析軟件ANSYSFLUENT對其進行數(shù)學(xué)仿真研究[12]，對上升煙道內(nèi)殼溫度以及上升煙道出口溫度場和速度場進行分析計算，用于指導(dǎo)上升煙道的設(shè)計，特別是上升煙道的出口大小的設(shè)計，使得高強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。以銅陵金冠項目為例。爐底的溫度分布不能直接測量得到，可以采用模擬仿真的手段計算得到。為計算方便，可將爐底簡化為二維模型，在長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流邊界。

　　以銅锍與半再結(jié)合鎂鉻磚交界面為原點，沉淀池底沿垂直方向的溫度變化。現(xiàn)場測溫點安裝在直接結(jié)合鎂鉻磚與高鋁磚交界處，即距爐內(nèi)表面0.75m處，該點溫度為771℃，沉淀池底鋼板溫度為154℃。實際上，爐子在生產(chǎn)過程中會有結(jié)底，特別是高強度冶煉狀態(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)底存在的情況下計算相應(yīng)的結(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)計時采用爐底風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，如果爐底溫度過高，可對爐底進行強制通風(fēng)冷卻。在閃速爐的實際操作時，采用測溫?zé)犭娕急O(jiān)測爐底溫度的變化，對照表2的計算結(jié)果，并結(jié)合檢尺的檢測，保持爐底結(jié)底在200mm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銅锍的容積減少，以及排渣時帶出銅。

　　4.2冷卻元件漏水的監(jiān)控隨著國家應(yīng)急管理部對安全生產(chǎn)要求越來越嚴(yán)格，加上高強度冶煉的閃速爐使用大量的銅水套，有必要對銅水套漏水的現(xiàn)象加以防控，以免發(fā)生重大生產(chǎn)安全事故。不僅需對各銅水套出水溫度進行監(jiān)測、報警，還需對各冷卻元件進、出水流量進行監(jiān)測，自動對比進、出水流量的差值與設(shè)定值，如超過限定值，則報警并快速切斷該冷卻元件回路的進水，防止大量的水漏入爐內(nèi)，確保爐體的安全。

　　5結(jié)論

　　面對側(cè)吹爐工藝的發(fā)展，增強冶煉能力是閃速爐占領(lǐng)冶煉設(shè)備市場的重要途徑。本文從設(shè)計角度對強化閃速爐冶煉能力進行了優(yōu)化改進，具體包括以下幾方面。1)改進閃速爐結(jié)構(gòu)尺寸，以適應(yīng)強化冶煉的需要。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)計在6m/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)化改進后的閃速爐可以達到反應(yīng)塔熱強度2000MJ/m3h以上、投料量230t/h以上的要求，而且運行平穩(wěn)、安全可靠。

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　　作者：袁精華

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