馮雙杰

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 10038)

?

側(cè)吹熔融還原爐的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

馮雙杰

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 10038)

簡(jiǎn)述了側(cè)吹熔融還原爐的生產(chǎn)概況，介紹了還原爐主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，列舉了還原爐的生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)了還原爐的特點(diǎn)。

液態(tài)高鉛渣; 直接還原; 側(cè)吹熔融還原爐; 富氧; 熔池熔煉

目前，硫化鉛精礦的直接熔煉工藝，大體分為兩類(lèi)：一類(lèi)是閃速熔煉，如基夫賽特法；一類(lèi)是熔池熔煉，如QSL法、水口山法、奧斯麥特法、艾薩法和卡爾多爐法。其中，QSL法、基夫賽特法為兩室一步煉鉛法；卡爾多法為兩周期一步煉鉛法；水口山法、艾薩法都是兩步煉鉛法，首先是在爐內(nèi)進(jìn)行氧化熔煉，生產(chǎn)部分粗鉛和液態(tài)高鉛渣，高鉛渣鑄成塊配入焦炭加入鼓風(fēng)爐進(jìn)行還原熔煉產(chǎn)出粗鉛和終渣[1]。

鼓風(fēng)爐還原解決了煙塵率高和終渣含鉛高的問(wèn)題，卻未能利用高鉛渣的熱焓，高鉛渣鑄塊所損失的物理熱約占鼓風(fēng)爐能耗的15%左右；且高鉛渣鑄塊需使用鑄渣機(jī)，增大了設(shè)備投資和動(dòng)力消耗、增加了占地面積；鼓風(fēng)爐還原還需要使用價(jià)格昂貴的塊狀冶金焦炭作為還原劑，焦率達(dá)13%～17%。因此，開(kāi)發(fā)液態(tài)高鉛渣直接還原技術(shù)取代現(xiàn)有鼓風(fēng)爐，是當(dāng)今粗鉛冶煉領(lǐng)域一項(xiàng)重要技術(shù)發(fā)展。目前高鉛渣直接還原技術(shù)主要有底吹還原法、底吹電熱還原法和側(cè)吹還原法。本文主要介紹 ENFI研發(fā)的高鉛渣側(cè)吹熔融還原爐的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 側(cè)吹熔融還原爐概況

2008年為開(kāi)發(fā)高鉛渣直接還原技術(shù)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)8 m2的側(cè)吹爐，2009年進(jìn)行了試驗(yàn)，并取得了成功，高鉛渣含鉛40%～45%的條件下，終渣含鉛<2%。在試驗(yàn)中和之后進(jìn)行了一些改進(jìn)，主要有：原設(shè)計(jì)采用的是粉煤噴槍?zhuān)髞?lái)改為了噴吹焦?fàn)t煤氣，為保證爐壽，吹煉段爐襯增加了銅水套冷卻，為滿(mǎn)足產(chǎn)能要求，將長(zhǎng)方形爐的一端延長(zhǎng)為半圓形，爐膛斷面由8 m2增加到了～13 m2，試驗(yàn)爐轉(zhuǎn)為了生產(chǎn)爐。

側(cè)吹熔融還原爐為周期性操作，一個(gè)周期約2個(gè)小時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)需要完成進(jìn)料——噴吹還原——放渣操作，產(chǎn)出的粗鉛定期放出。

熔融態(tài)的高鉛渣定期從熔化爐放出經(jīng)溜槽直接流入側(cè)吹還原爐，熔劑和還原劑(主要是塊煤)經(jīng)加料皮帶從冷料口加入側(cè)吹還原爐，在爐子兩側(cè)噴槍噴入可燃?xì)怏w(煤氣、天然氣)和富氧空氣，在熔體內(nèi)進(jìn)行浸沒(méi)式燃燒，噴吹的能量使熔池產(chǎn)生強(qiáng)烈攪拌，熔融的高鉛渣和熔劑、還原劑被迅速混合，完成一系列的傳熱傳質(zhì)和氧化鉛的還原反應(yīng)過(guò)程，生成粗鉛和終渣，反應(yīng)產(chǎn)生的鉛滴相互碰撞、長(zhǎng)大、下沉進(jìn)入噴槍以下的相對(duì)安靜區(qū)，達(dá)到一定深度時(shí)從虹吸口放出，爐渣在達(dá)到還原終點(diǎn)后從放渣口放出。

參照試驗(yàn)爐取得的成果，結(jié)合工程需要，近期設(shè)計(jì)了兩臺(tái)18 m2熔融還原爐，均于2013年投產(chǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2 側(cè)吹熔融還原爐的設(shè)計(jì)

側(cè)吹熔融還原爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要部件有：基礎(chǔ)、鋼結(jié)構(gòu)、水套冷卻系統(tǒng)、噴槍、磚體等。

圖1 側(cè)吹熔融還原爐結(jié)構(gòu)圖

2.1 爐底基礎(chǔ)

爐底基礎(chǔ)承載著整個(gè)爐子以及熔體的重量，因此需要有足夠的強(qiáng)度；另外，由于鉛的熔點(diǎn)比較低，爐底需要考慮通風(fēng)冷卻，一旦有鉛液滲漏到爐底時(shí)能夠凝固，避免發(fā)生漏爐事故。側(cè)吹熔融還原爐的爐底基礎(chǔ)是在土建基礎(chǔ)上采用抗壓強(qiáng)度較高的耐火磚砌筑成一定高度的獨(dú)立磚墩，爐底板直接放于磚墩上。磚墩基礎(chǔ)既能支撐整個(gè)爐子，又留有爐底的冷卻空間。這種基礎(chǔ)簡(jiǎn)單、可靠，缺點(diǎn)是受爐體熱脹冷縮和震動(dòng)的影響，磚墩易開(kāi)裂損壞，新的設(shè)計(jì)改為耐火澆注料整澆的與土建基礎(chǔ)一體的條狀基礎(chǔ)。要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，該爐標(biāo)高很高，土建基礎(chǔ)也高，土建基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要避免與爐內(nèi)噴吹擾動(dòng)共振，防止整爐的震動(dòng)。

2.2 爐體鋼結(jié)構(gòu)

側(cè)吹熔融還原爐的鋼結(jié)構(gòu)包括爐殼、外圍骨架以及爐殼表面的筋板。爐體鋼結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受爐體自重、熔體重量、以及磚體的膨脹力。由于側(cè)吹爐內(nèi)熔體的攪動(dòng)比較劇烈，會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)力，容易造成爐體晃動(dòng)，外圍骨架的整體性、抗擾性以及與土建基礎(chǔ)連接要充分考慮，盡量減少爐體的晃動(dòng)。

2.3 水套冷卻系統(tǒng)

側(cè)吹熔融還原爐為周期性操作，爐內(nèi)熔池溫度高而且波動(dòng)大，單靠耐火材料很難保證爐體壽命，而水冷技術(shù)的應(yīng)用則是提高爐壽的有效措施。爐內(nèi)各部分的溫度不同，工況條件不同，需要的冷卻強(qiáng)度也不相同，因而需要設(shè)計(jì)不同的水冷元件。

熔池區(qū)的工況條件最為惡劣，要承受高溫熔體攪動(dòng)以及噴濺物的化學(xué)侵蝕和反復(fù)沖刷，需要較強(qiáng)的冷卻效果，因此在該區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)了特殊的銅水套對(duì)耐火材料進(jìn)行冷卻，通過(guò)合理的水冷強(qiáng)度能夠使耐火材料熱面形成穩(wěn)定的掛渣層，從而保護(hù)耐火材料。氣相區(qū)只是煙氣通過(guò)，沒(méi)有熔體的沖刷和侵蝕，耐火材料的壽命相對(duì)較長(zhǎng)，不需要那么強(qiáng)的冷卻強(qiáng)度。設(shè)計(jì)了腔式鋼水套，對(duì)耐火材料進(jìn)行冷卻，同時(shí)由于鋼水套的存在，爐子外部溫度不高，也創(chuàng)造一個(gè)舒適的工作環(huán)境。

2.4 耐火材料

爐底工作層耐火磚應(yīng)具有抗高溫熔體的沖刷、侵蝕、滲透性能，要考慮放鉛時(shí)的溫度波動(dòng)，采用含鉻20%的半再結(jié)合鎂鉻磚。

熔池區(qū)耐材蝕損機(jī)理主要是金屬 Pb以及附帶的Cu、Zn等其它金屬沿工作面滲透到耐火磚內(nèi)部堵塞原磚顯氣孔使耐火磚變的非常致密，由于金屬的導(dǎo)熱性能及線(xiàn)膨脹變化與原耐火磚差別非常大，因此，冶煉過(guò)程中的溫度波動(dòng)造成結(jié)構(gòu)剝落。同時(shí)，SiO2—Fe2O3—CaO系熔渣也會(huì)對(duì)耐材造成熔蝕，所以采用含鉻20%的電熔再結(jié)合鎂鉻磚。

上部爐膛耐材蝕損機(jī)理主要是在高溫、還原氣氛條件下，磚內(nèi)部的FeOn被還原為單質(zhì)Fe，此還原反應(yīng)改變了原磚內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致耐火磚變疏松，此部位的耐火磚鐵含量要低。同時(shí)，SiO2、FeO、CaO等噴濺的熔渣會(huì)對(duì)耐材造成一定的侵蝕，考慮到耐材的熱震穩(wěn)定性能，采用含鉻12%的半再結(jié)合鎂鉻磚。

2.5 噴槍

噴槍是側(cè)吹熔融還原爐的核心，向爐內(nèi)輸送燃料和富氧空氣，向爐內(nèi)提供還原反應(yīng)所需熱量的同時(shí)攪動(dòng)熔體。通過(guò)計(jì)算選擇合理的氣體噴出速度和噴槍間距，在為爐內(nèi)的熔池熔煉提供較好的反應(yīng)條件的同時(shí)又要延長(zhǎng)噴槍區(qū)耐火材料的壽命，同時(shí)延長(zhǎng)噴槍的使用壽命。

3 側(cè)吹熔融還原爐的應(yīng)用

目前，該側(cè)吹熔融還原爐作為液態(tài)高鉛渣直接還原的主要冶煉方法之一已成功用于多個(gè)廠(chǎng)家，與底吹爐或頂吹爐配合實(shí)現(xiàn)了鉛精礦的氧化熔煉和富鉛渣直接還原冶煉工藝。該工藝流程短，操作簡(jiǎn)單，節(jié)能降耗效果明顯，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 側(cè)吹熔融還原爐主要技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)論

側(cè)吹熔融還原爐以其操作的靈活性，分別實(shí)現(xiàn)了與底吹爐和頂吹爐的結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)了熱態(tài)高鉛渣的直接還原作業(yè)，綜合起來(lái)有如下特點(diǎn)：

(1) 該側(cè)吹爐為固定式爐型，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噴槍壽命長(zhǎng)，能有效提高生產(chǎn)率。

(2) 噴槍可以噴吹焦?fàn)t煤氣、發(fā)生爐煤氣、天然氣等，同時(shí)噴吹富氧空氣助燃，大大減少了煙氣量，后續(xù)煙氣處理系統(tǒng)規(guī)模小，減少了投資。

(3) 爐子煙氣出口直接與余熱鍋爐連接，尺寸大，煙氣流速低，有利于煙塵的沉降，大大降低了煙塵率。

(4) 熔池區(qū)采用銅水套冷卻耐火磚的結(jié)構(gòu)形式，爐襯壽命提高，與銅水套直接掛渣的形式相比，一方面提高了使用銅水套的安全性，另一方面減少了冷卻水帶走的熱量，有利于節(jié)能。

[1] 李棟．高鉛渣直接還原爐的研發(fā)設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)有色冶金，2012，(1)：35-37.

[2] 李小兵，李元香等．萬(wàn)洋”三連爐”直接煉鉛法的生產(chǎn)實(shí)踐[J]．中國(guó)有色冶金，2011,(6)：13-16.

[3] 張和平．底吹還原爐的設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)有色冶金，2012,(1)：38-39.

Design of side-blown melting reduction furnace and its application

FENG Shuang-jie

This paper describes the production profile of side-blown melting reduction furnace, introduces the construct design of main components, lists the practice and summarizes the characteristics of the reduction furnace.

liquid lead-rich slag; direct reduction; side-blown melting reduction furnace; oxygen-enriched; bath smelting

馮雙杰(1982—)，男，河南長(zhǎng)葛人，工程師，碩士，從事有色冶金工業(yè)爐設(shè)計(jì)工作。

2014-- 07-- 17

TF812; TF806

B

1672-- 6103(2015)03-- 0019-- 03