張和平

（河南豫光金鉛集團有限責任公司，河南 濟源 454650）

底吹還原噴槍的試驗研究

張和平

（河南豫光金鉛集團有限責任公司，河南 濟源 454650）

詳細介紹了底吹還原噴槍的通氣方式、進氣壓力、通氣流量、氣體通道規(guī)格以及其選用的原理和使用效果。

底吹還原噴槍；通氣方式；進氣壓力；通氣流量；氣體通道

1 概述

河南豫光金鉛股份有限公司開發(fā)并已申請專利（ZL200720152994.4）的“用于液態(tài)高鉛渣還原的底吹熔池還原爐”，其核心技術設備還原爐需要配備一種連續(xù)向爐內(nèi)提供熱量、對爐料進行攪拌、有利于還原反應進行的還原噴槍。由于該還原爐屬于新型鉛冶煉裝置，因此其還原噴槍也需要開發(fā)。目前國內(nèi)已應用于鉛冶煉工業(yè)生產(chǎn)的氧氣底吹用氧槍可作為參考，但該類氧槍通入的是氧氣、氮氣和水，不能滿足還原爐的要求，而且氣量、氣壓等也不適于還原爐。QSL爐還原段所用的噴槍是向爐內(nèi)噴入氧氣、氮氣、水、壓縮空氣及粉煤，雖能滿足還原爐需要，但通入的氣體種類多、噴槍結構復雜、不易操作，而且還需要從國外引進，費用昂貴。河南豫光金鉛集團有限責任公司在液態(tài)高鉛渣還原底吹熔池還原爐的試驗過程中，對底吹還原噴槍的通氣方式、通氣流量、天然氣通道的規(guī)格及進氣壓力進行了試驗研究。

2 底吹還原噴槍的試驗研究

2.1 底吹還原噴槍的通氣方式

QSL爐還原段所用噴槍向爐內(nèi)噴入的物質有氧氣、氮氣、水、壓縮空氣和粉煤五種，噴槍的氣體通道從內(nèi)到外分為3層，內(nèi)層氣體通道通入的是粉煤和壓縮空氣，中間層氣體通道通入的是氧氣，外層氣體通道通入的是氮氣和水。

底吹熔池還原爐開始試驗時，所用的還原噴槍就是借鑒QSL爐還原段噴槍的通氣方式，外層氣體通道通入氮氣，中間層氣體通道通入氧氣，內(nèi)層氣體通道通入還原性氣體天然氣。這種通氣方式的還原噴槍，在試驗過程中存在的主要問題是使用壽命短，長時六、七天，短時僅兩、三天，如此短的壽命，無法進行工業(yè)化生產(chǎn)。

對還原噴槍使用壽命短的原因進行分析，認為通過還原噴槍向爐內(nèi)噴入的天然氣、壓縮空氣和粉煤與氧氣的反應差別很大，天然氣燃燒的熱值遠遠大于粉煤，而且使用的天然氣純度高，粉煤和壓縮空氣混合后，粉煤的濃度不可能太高，因此，爐內(nèi)天然氣與氧氣反應的程度比壓縮空氣和粉煤與氧氣反應劇烈很多，天然氣與氧氣劇烈反應對噴槍產(chǎn)生的燒損非常嚴重，造成噴槍使用壽命短。

此后又嘗試了另一種進氣方式，外層氣體通道還是通入氮氣，中間層氣體通道改為通入還原性氣體天然氣，內(nèi)層氣體通道通入氧氣，然而噴槍的使用壽命無明顯延長。

以上兩種通氣方式的共性是天然氣和氧氣從噴槍出來后在氮氣隔開的區(qū)域迅速燃燒，造成槍頭周圍局部高溫。如果不通氮氣，天然氣和氧氣可能更多地與熔體反應，天然氣還可能發(fā)生裂解吸熱反應，槍頭的局部高溫可能減弱?；谏鲜龇治?，取消了外層氮氣道通，改只通天然氣和氧氣兩種氣體。噴槍的氣體通道從內(nèi)到外分兩層，內(nèi)層通入的是氧氣，外層通入的是天然氣。

改進后，試驗取得了令人非常滿意的結果，噴槍能夠使用15 d以上。將其用在5萬t還原爐，使用壽命達到30 d。噴槍使用壽命的延長，為液態(tài)高鉛渣直接還原試驗成功及工業(yè)化生產(chǎn)打下了堅實的基礎。

這種噴槍氣體進氣方式看上去非常簡單，但實際上是長時間試驗研究的結果，同時也是一種認識的突破。底吹熔煉氧槍和QSL爐還原段所用噴槍的外層氣體通道通入的是氮氣和水，以往人們認為：在氧氣噴嘴氧氣通道外圍高速流過的惰性氣體或空氣，不僅能強化冷卻噴嘴，而且在噴嘴之后，氧氣外圍有一層惰性氣體或空氣遮護，阻隔氧氣與熔體直接接觸，從而對噴嘴起保護作用，使之蝕損緩慢，使用壽命延長。由于這種保護作用是有限的，于是人們根據(jù)噴嘴結瘤的機理，采取對氧氣噴嘴強化冷卻措施，包括增加冷卻氣體流量，在冷卻氣體中加水等，制造結瘤的條件，生成結瘤即蘑菇頭。蘑菇頭使噴嘴端頭及其四周耐火磚與熔體隔開，更有效地保護了噴嘴及其四周耐火磚，大大延長了氧氣噴嘴使用壽命。試驗證明，天然氣不僅可作為還原性氣體，而且也可作為一種保護性氣體，對噴槍起到保護作用。

2.2 底吹還原噴槍的進氣壓力

底吹還原噴槍的進氣壓力與氧氣底吹熔池氧槍有相同之處，也有不同。相同的是都應有一個最低的進氣壓力，不同的是底吹還原噴槍的進氣壓力應盡量降低。對底吹氣流與金屬熔池之間相互作用的研究，業(yè)界人士已達成這樣的共識：即底吹氣體的流出行為是兩種基本狀態(tài)，一是“氣泡”噴出，二是“射流”噴出，兩者的分界是出口氣流馬赫數(shù)約為1。當出口氣流馬赫數(shù)小于1時，氣流呈氣泡形式流出噴嘴，將引起噴嘴出口壓力脈動，易造成熔體倒灌堵塞噴嘴，噴嘴及周圍耐火磚蝕損加快。當出口氣流馬赫數(shù)等于或無限接近1時，氣流呈氣柱深入熔池一定高度才被斷成氣泡，熔池熔體壓力變化傳播不進噴口，噴槍內(nèi)的氣體流動穩(wěn)定，噴嘴及周圍耐火磚蝕損緩慢。李運洲進行了高壓模擬實驗［1］，實驗在水深500 mm、噴嘴直徑10 mm、底吹的條件下進行，試驗發(fā)現(xiàn)噴吹氣體的壓力超過0.4 MPa后，噴嘴端部不再形成氣泡和氣泡帶，而是形成接近于噴嘴直徑的柱狀射流深入水池，在氣流束的頂部氣液交混形成穩(wěn)定的氣泡帶。因此氣體從噴嘴流出“射流”狀態(tài)應保證噴吹氣體壓力有一個最低壓力。

底吹熔煉熔池噴入氧氣和其他氣體的過程為：氣體射流由噴嘴噴出后，沿射流的縱軸向熔池面伸展，這時射流四周的熔體沿射流束的徑向流來。射流帶動熔體向上運動，熔體衰減射流的能量，減緩射流的運動，互相運動的同時發(fā)生物理化學反應，射流則逐漸擴大。但主射流仍保持著“氣柱”或“氣舍”的形狀，直到達到一定高度方在主射流的頂部發(fā)生氣液交混，形成氣泡帶向熔池面伸展。氣體到達熔池面時逸出，熔體則再向下流動形成回流，使熔池熔體不斷循環(huán)流動。由于通過還原噴槍進入還原爐的為高純度天然氣和氧氣，這兩種氣體會在主射流的頂部發(fā)生氣液交混時劇烈反應，放出大量的熱，同時天然氣也可能發(fā)生裂解反應，由于生成物的體積大于反應物的體積，爐料中的氣體體積急劇膨脹，從而造成高溫爐料噴濺到噴槍上方的耐火材料上，對耐火材料進行沖刷，耐火材料損壞較快。試驗時中發(fā)現(xiàn)，爐內(nèi)噴槍上方的耐火材料損壞非常嚴重，為此，在試驗過程中，盡量降低進氣壓力，以便主射流的頂部上面有足夠厚的爐料，反應因氣體體積急劇膨脹產(chǎn)生的噴濺物通過爐料的距離足夠長，盡量減弱高溫噴濺物對耐火材料的沖刷。通過試驗得到的還原噴槍合適進氣壓力為0.4～0.7 MPa。

2.3 底吹還原噴槍的通氣流量

噴槍的流量與通氣的截面積、噴槍入口處氣體壓力、氣體溫度、通道表面光潔度、通道長短等因素有關。在光滑銅管內(nèi)通氣體，噴槍的氣體流量與入口處氣體的壓力成正比，與通氣的截面積也成正比。對于還原噴槍為多個截面長方形的通氣通道是否合適，用噴槍做了大量的試驗，得出以下結論：1對于一種規(guī)格通氣截面且通氣面積一定的噴槍，氣體入口壓力在0.3 MPa以上，通氣流量與氣體入口壓力近似成正比關系。2噴槍通氣流量與通氣截面積的關系，不是簡單的正比關系，只是隨通氣面積增加而增加；噴槍通氣流量還與通道的截面尺寸、通道數(shù)量、加工精度及安裝等有關系。從試驗中得到噴槍通氣流量與進氣壓力和通氣截面面積之間的關系，以此為指導設計底吹還原噴槍。

2.4 底吹還原噴槍的氣體通道

通過試驗摸索出還原噴槍的合理進氣通道尺寸，氣體通道尤其是天然氣應采用多個細小溝槽結構，保證氣體能夠呈多個細小氣束，這些氣束以極高的速度噴入熔體，一方面有利于天然氣燃燒熱和裂解反應物傳遞、擴散，避免引起爐料劇烈噴濺；另一方面有利于在較低的進氣壓力下避免熔體堵塞氣體通道，影響噴槍的使用壽命。

3 結語

底吹還原噴槍采用通天然氣和氧氣的通氣方式，在國內(nèi)有色行業(yè)尚無先例。試驗證明：還原噴槍能夠滿足還原爐的供氣要求，外層通天然氣能夠起到保護噴槍的作用，噴槍的使用壽命在30 d以上。還原噴槍在結構、材質、進氣壓力、流量、加工精度等方面，還有進一步優(yōu)化的空間。該技術可以推廣應用在銅及其他金屬熔煉上。

[1]李運洲.鋼鐵.1980，（3）：1-3.

Abstract:The gas supply style,inlet pressure,gas supply flow rate,gas channel specification,selection principle and usage effect on lance of bottom-blown reduction furnace are introduced in detail.

Key words:lance of bottom-blown reduction furnace;gas supply style;inlet pressure;gas supply flow rate;gas channel

Experimental research of lance of bottom-blown reduction furnace

ZHANG He-ping

TF812.031.1

B

1672-6103（2011）02-0030-02

張和平（1967—），男，河南濟源人，畢業(yè)于洛陽工學院，工程師。

2010-08-04