李建平

（云南銅業(yè)股份有限公司西南銅業(yè)分公司，云南 昆明 650102）

目前我國(guó)鋼鐵行業(yè)普遍采用制粒－鼓風(fēng)－礦熱－熔煉技術(shù)，由于其技術(shù)水平較低，其生產(chǎn)過程中的主要問題有：①產(chǎn)品價(jià)格高，能耗高，平均每升重940公斤；②環(huán)境問題：因高爐煙氣量大，SO2含量較少，同時(shí)存在大量的漏風(fēng)現(xiàn)象，使制酸廠不能滿足實(shí)際的要求。該礦全硫利用率只有68%，且SO2濃度較高；③在投入22年后，公司的年產(chǎn)率只有5×104噸，還沒有達(dá)到原來的6×104t的規(guī)模，無法滿足我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，公司整體技術(shù)水平、設(shè)備水平相比較于國(guó)際國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的差距日益增大。目前，我國(guó)的電爐生產(chǎn)面臨著高能耗、高環(huán)保、高效率、高效率、高效率、高技術(shù)、高自動(dòng)化、高勞動(dòng)生產(chǎn)率的生產(chǎn)技術(shù)。澳大利亞MIMPT公司的Isa冶煉技術(shù)是一項(xiàng)非常先進(jìn)、非常成熟的技術(shù)。

1 艾薩爐工作機(jī)理概述

1.1 工藝流程

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外銅冶金技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的全面剖析，結(jié)合公司原材料狀況和生產(chǎn)工藝不匹配的現(xiàn)狀，介紹了艾薩爐的煉銅工藝，并進(jìn)行了工藝技術(shù)的改進(jìn)。本工藝的設(shè)計(jì)產(chǎn)能為125000t，以圓盤為原料，以破碎煤粉+柴油為原料，采用電爐沉淀法。該工藝的物料分配形式為抓斗式和倉(cāng)型，物料分配系統(tǒng)由DCS控制。經(jīng)喂料盤將原料經(jīng)喂料帶送入精礦槽，再經(jīng)電動(dòng)輸送帶送入制粒器，加工成8mm～10mm的球形顆粒，再拋出造粒器。經(jīng)處理后的物料（銅精礦、熔劑）由多條輸送帶收集至主要輸送帶，再由艾薩爐的爐頂送入熔化槽，再由富氧氣體注入熔爐中。排出的冰銅粉和熔渣加入原來2#礦熱爐的貧化爐內(nèi)，進(jìn)行了一次凈化，將冰銅熔渣與艾薩爐渣相結(jié)合，將磁鐵還原，并生成了一種含硫的煙塵。艾薩爐的結(jié)構(gòu)原理見圖1。

圖1 艾薩爐構(gòu)造結(jié)構(gòu)示意圖

艾薩熔化是一種頂吹型的熔池冶煉設(shè)備。本發(fā)明采用垂直圓柱狀結(jié)構(gòu)，由頂部注入原料，由頂部注入的氣體或氧氣氣體由頂部中央的浸沒噴槍送入爐槽，噴射壓力在0.1MPa左右，在1170℃～1200℃之間劇烈地?cái)嚢?。材料迅速進(jìn)入熔體，熔化，形成銅屑和熔渣。需要補(bǔ)充的燃料，例如用破碎的煤炭，可以和原料一起添加到爐子里；若使用粉煤、燃油或煤氣，則可用噴槍將其噴射到爐膛內(nèi)。

艾薩烤箱通常為豎直式筒式，采用鋼板焊制，其上端的鋼板厚約25mm，而在熔池區(qū)內(nèi)，則采用40mm厚的鋼板，在熔化區(qū)域內(nèi)設(shè)有加固框。通常情況下，爐身上都會(huì)有一定的傾斜角度，以避開中央噴槍，并設(shè)有排氣口。

提升式煙囪的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于確保通風(fēng)暢通，避免阻塞，易于清理。它的結(jié)構(gòu)形式有斜坡和豎直坡兩種：斜坡煙管的傾角在70°以上，可以將煙道中的渣滓自動(dòng)回流到高爐，但缺點(diǎn)是煙道會(huì)形成粘連，難以清洗；豎向管道的內(nèi)部溫度很低，膠合劑易于脫落，易于清洗。

在銅冶煉過程中，主要控制著熔池溫度、銅的味道和廢渣中的磁鐵礦。鐵水中Fe3O4是一種氧氣的載體，但當(dāng)它的含鐵量太大時(shí)，它就會(huì)形成氣泡，從而引起爐噴事故，因?yàn)樗驠e3O4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過15%，通常是8%。艾薩爐中銅锍的品位為40%～65%，可通過空氣冶煉或富氧法冶煉，含氧量可達(dá)到60%以上。

1.2 工藝特點(diǎn)

艾薩是一種采用浸入富氧頂吹法進(jìn)行冶煉的工藝，艾薩的爐身采用垂直圓柱狀，內(nèi)部采用耐火襯墊。將噴槍從爐頂中央插入，使噴槍浸泡在熔渣的內(nèi)部，燃料、空氣和氧氣由噴槍注入熔爐中。熔劑、銅精礦石等由頂部供料孔中添加，由于噴射槍噴射出的高速度空氣使熔池發(fā)生劇烈的攪拌，物料在高溫和高湍動(dòng)條件下熔融，發(fā)生激烈的物理和化學(xué)反應(yīng)。

艾撒點(diǎn)加熱爐具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積較少的特點(diǎn)；爐身沒有通風(fēng)口，由頂端的噴槍提供空氣，可更換使用，使用簡(jiǎn)單；對(duì)原料的需求較低，原料含水量可達(dá)到9%，且顆粒尺寸不大，采用粉煤渣作冶煉燃油；在一定的條件下，可以調(diào)節(jié)富氧區(qū)的富氧量，從而可以提高富氧區(qū)的含氧量。

1.3 存在問題

首先，沒有足夠的使用時(shí)間。艾薩噴炮是艾薩加熱爐的關(guān)鍵部件，它的作用是將反應(yīng)氣流和煤粉的燃油以較快的速度向熔池內(nèi)噴射，使得熔池在猛烈的紊流中流動(dòng)，從而為原料的反應(yīng)提供有利的環(huán)境。在噴槍進(jìn)入到熔池時(shí)，由于噴頭附近的熔渣會(huì)被反應(yīng)氣流不斷地降溫并凝固，從而在噴嘴上產(chǎn)生一種保護(hù)性的渣膜，從而減少了噴槍頭上的化學(xué)腐蝕。

其次，內(nèi)膽使用時(shí)間較少。在生產(chǎn)前期，由于原料體系工作的不穩(wěn)定，導(dǎo)致了熔體溫度的變化，以及缺乏熟練的工作人員，導(dǎo)致了噴嘴經(jīng)常被替換。高爐運(yùn)行不平穩(wěn)，內(nèi)壁磨損和腐蝕很厲害。熔化過程中，熔化過程中的高溫度和激烈的攪動(dòng)，使熔池中的耐火物料受到更多的沖擊。除了沖蝕以外，熔渣的酸性也會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的化學(xué)侵蝕。

再次，配比體系不穩(wěn)。在生產(chǎn)過程中，如何確保原材料組成的穩(wěn)定性是生產(chǎn)過程中的一個(gè)關(guān)鍵問題。倉(cāng)式原料的組成具有很大的不穩(wěn)定性，難以掌握。由于化學(xué)成分的變化，使操作過程的控制不穩(wěn)，難以滿足高產(chǎn)量的需要。喂入體系的穩(wěn)定性是保證爐膛穩(wěn)定性的關(guān)鍵：進(jìn)料流量的起伏會(huì)引起氣流的變化；但在固定的空氣流量下，若喂入的數(shù)量較少，會(huì)造成爐渣的過氧化性，黏度大，難以沉淀，易造成殘?jiān)拇罅苛魇А?/p>

最后，貧化式熔煉爐的爐溫不穩(wěn)定，使職工的工作壓力大。將2#礦熱爐改造為艾薩爐的輔助裝置，改造成了貧化爐，負(fù)責(zé)澄清、分離和渣貧化艾薩的工作，產(chǎn)出冰銅、爐渣和煙塵。電爐貧化法是利用電極在熔融渣層中產(chǎn)生電阻和電弧熱，提溫和澄清艾薩放出物，使其從爐渣中得到電熱。

2 高溫熔體導(dǎo)致的爐體結(jié)渣分析

2.1 成因分析

高爐排渣、積灰是一種較為復(fù)雜的物理、化工工藝，是煉鐵工業(yè)中經(jīng)常遇到的問題。冶煉爐結(jié)渣是有規(guī)律的，如果礦石來源或生產(chǎn)過程發(fā)生變化，則會(huì)造成爐渣的減少或加重，甚至?xí)範(fàn)t膛內(nèi)的結(jié)渣位置發(fā)生變化。根據(jù)其性質(zhì)，可以將其劃分成：在高熱區(qū)和在后低對(duì)流區(qū)有污垢。前端的高溫帶一般由熔爐出口開始，然后再由整個(gè)煙氣排至廢熱爐。這一段的主要的焦化作用是鐵。

低溫對(duì)流區(qū)域主要是指全廢熱鍋爐，這一段的黏結(jié)性灰燼是由S,K,Na,As,Pb,Zn等物質(zhì)的物質(zhì)組成，S氧化燃燒產(chǎn)生的SO2與煙塵中的水分相溶，從而產(chǎn)生各種不同的低溫物質(zhì)。如果煙塵中含有很多上述物質(zhì)，則會(huì)在低溫區(qū)凝固，由于它是一種高黏度的溶質(zhì)，因此會(huì)使其他的固體粒子與之發(fā)生黏合。

文中所述的艾薩高爐，因其煙塵組成、體系布局等因素，導(dǎo)致了其在前端的高熱段出現(xiàn)了較大的焦炭。艾薩爐煙道的進(jìn)氣口，在1150℃～1200℃左右，它的殘?jiān)?，除含銅之外，還有更高的組分如鐵，SiO2,S,As,Pb,Zn等。它的物性成分（來源）有：①入爐原料的成球性較差，進(jìn)料后在煙氣中凝結(jié)、燒結(jié)，造成結(jié)渣。②由于噴槍的總風(fēng)流量較大，且由于噴槍的插入深度太小，導(dǎo)致溶液飛濺到煙氣中凝結(jié)而成渣。③原料中易揮發(fā)的鉛、鋅、砷等易揮發(fā)的物料，由于不能充分的氧化，會(huì)直接通過煙道凝結(jié)在煙道壁上，從而產(chǎn)生高密度的積碳。④爐渣結(jié)構(gòu)不夠理想，爐渣的熔點(diǎn)會(huì)增加，會(huì)導(dǎo)致氣體的外泄，會(huì)導(dǎo)致大量的飛沫產(chǎn)生渣塊，這種類型的渣渣具有很高的黏性，具有良好的耐熱抗震性能，而且更致密，不容易脫落。

2.2 緩解措施

2.2.1 煙塵率控制

對(duì)原材料的進(jìn)料比例進(jìn)行了控制，技術(shù)改造使制粒器的高度提高，提高了造粒器的充填能力和進(jìn)料的充填時(shí)間，也提高了制粒的強(qiáng)度。根據(jù)生產(chǎn)圓盤角轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，利用制粒器的傾角調(diào)節(jié)，制粒器的傾角調(diào)節(jié)到45度，對(duì)物料進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖⑺?，將物料的含水量降?.2%，制粒器的使用頻率為48Hz～50Hz，確保物料的成球率和顆粒的強(qiáng)度，艾薩的主控制器對(duì)料斗的料位進(jìn)行了嚴(yán)密的控制，防止了物料在漏斗中被碾碎。通過降低煙氣中的粉塵含量，降低粉塵在煙氣中的凝結(jié)。

2.2.2 負(fù)壓控制技術(shù)

隨著爐中壓力的增大，吸入的氣體數(shù)量和總的煙度都會(huì)增大，從而使銅精礦進(jìn)入到鍋爐的系統(tǒng)中，導(dǎo)致煙灰比增大，使?fàn)t膛中的煙灰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以及產(chǎn)生煙道結(jié)焦。第一，在負(fù)壓升高后，由于氣體泄漏而增大，在管道內(nèi)產(chǎn)生了大量的氧，導(dǎo)致了爐膛內(nèi)的二次氧化，從而導(dǎo)致了爐膛的燒焦；第二，隨著壓力的增大，冷卻速度加快，爐膛內(nèi)的溫度降低，導(dǎo)致爐膛內(nèi)的積渣，調(diào)節(jié)了艾薩的負(fù)壓，艾薩公司的負(fù)壓調(diào)節(jié)為-40pa，確保了現(xiàn)場(chǎng)的煙塵間歇，降低了氧化氛圍，降低了二次燒結(jié)。

2.2.3 熔體噴濺控制

在確保噴槍的降溫條件下，減少艾薩噴槍總空氣流量和流速，加大噴槍的插入時(shí)間，將噴槍的端壓從8.5kpa提升到12kpa（從180mm增加到300mm），同時(shí)將，噴槍工藝風(fēng)（ATLAS）的風(fēng)量從16000Nm3/h降到12000Nm3/h。從而降低了熔體噴出的黏結(jié)渣。

3 高溫熔體導(dǎo)致的耐火磚損耗分析

3.1 損耗機(jī)理分析

艾薩法是一種采用上吹熔爐進(jìn)行冶煉的工藝。艾薩熔窯是一種圓柱形的垂直爐體，外部是鋼板，內(nèi)部是耐火材料，冷卻元件，設(shè)有噴槍、噴槍操作系統(tǒng)及其所屬設(shè)施。艾薩爐內(nèi)層采用優(yōu)質(zhì)黏土磚、鎂鉻煅燒劑、鎂鉻耐磨磚等材料制成。艾薩爐窯的耐火材料，與爐料、高溫熔體、煙氣接觸，在化學(xué)侵蝕、熱沖擊、高溫熔體、煙氣機(jī)、機(jī)、機(jī)等方面產(chǎn)生了影響。

從化學(xué)方面來說，爐料與爐料、煙氣接觸，受到酸性渣、S02、冰銅等侵蝕和氧化還原等影響，造成了爐料的內(nèi)壁接觸，使其損失增大。

從熱力學(xué)的角度看，①高溫熔料滲透、沖刷。②不間斷地生產(chǎn)，操作效率低下，多次啟動(dòng)和停機(jī)，造成爐內(nèi)的熱震。③由于窯爐移動(dòng)而引起的熱量壓力會(huì)使磚體內(nèi)的連通性下降，使其受熱表面脫落。

在力學(xué)方面，①劇烈的熔池?cái)嚢韬筒牧系囊苿?dòng)導(dǎo)致了機(jī)器的沖蝕。②高溫下的煙塵對(duì)受熱表面的侵蝕。③由于熔爐的移動(dòng)而引起了力學(xué)上的壓力。④在爐內(nèi)壁張緊力的情況下，爐體表面的尖晶石微粒會(huì)被沖蝕，而耐火材料的磨耗也會(huì)隨之增加。

3.2 損壞的主要形式

首先，高溫下的化學(xué)腐蝕是造成耐火磚破壞的重要原因之一，在溫度較高時(shí)，其礦物結(jié)晶與熔融產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)入爐中，并逐步侵入到耐火材料的內(nèi)部，從而產(chǎn)生與原耐火磚結(jié)構(gòu)和性能不同的變質(zhì)層。隨著時(shí)間推移，耐火物料的結(jié)晶逐漸被液體相包圍、分離，失去了粘附性，粒子被沖入熔渣中。

其次，在高溫條件下，熱沖擊波作用下，比耐火物料更致密的熔料發(fā)生劇烈的摩擦，使其腐蝕速度加快。

最后，當(dāng)溫度改變時(shí)，耐火原料中的可變成分會(huì)產(chǎn)生氧化-還原作用，從而導(dǎo)致耐火材料的結(jié)構(gòu)變軟、強(qiáng)度降低、腐蝕加速。

3.3 耐火磚挖補(bǔ)實(shí)踐

根據(jù)艾薩爐的結(jié)構(gòu)和實(shí)際生產(chǎn)情況，提出了更換整體耐火磚、局部挖補(bǔ)和局部熱態(tài)檢修三種方案。三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 艾薩爐耐火檢修方法優(yōu)缺點(diǎn)分析表

在外爐外殼上預(yù)先加強(qiáng)了加強(qiáng)筋，以確保從外挖修去除外爐殼時(shí)的強(qiáng)度（參見附圖2）。檢修的具體實(shí)施過程有：①施工檢修工作平臺(tái)，準(zhǔn)備使用工具后進(jìn)行檢修。②以爐外殼的紅色部分為核心，將整個(gè)爐殼（不切割外側(cè)的加固筋）；對(duì)脫落的部位、面積進(jìn)行了檢測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的脫落程度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。③拆除爐體后，對(duì)剝落部位的磚塊進(jìn)行檢測(cè)，如果磚塊的厚度小于150mm，則進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)時(shí)，底部采用350mm的瓷磚，一層層向上，按照現(xiàn)有耐火磚型搭配砌筑，新磚與舊磚之間的裂縫用小標(biāo)磚加工后塞緊密。采用濕法施工。④在掘進(jìn)完成后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的燒磚狀況，對(duì)爐體進(jìn)行修復(fù)。

圖2 艾薩爐北面耐火磚內(nèi)部損傷和外部挖補(bǔ)后的情況示意圖

對(duì)艾薩爐的耐火材料進(jìn)行了6次熱修，第二爐期的壽命達(dá)到了延長(zhǎng)壽命。圖2為艾薩爐北區(qū)的燒壞和外部的人工修復(fù)后的圖形。

經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是：①操作簡(jiǎn)單靈活，檢修周期較少，一般為10小時(shí)。并可依據(jù)艾薩爐的維修進(jìn)度，結(jié)合爐料損失，進(jìn)行熱狀態(tài)維修，極大地減少了維修周期。②對(duì)所用的瓦片沒有嚴(yán)格的規(guī)定，可以根據(jù)庫(kù)存量選擇350 mm和450mm的板坯進(jìn)行彈性組合，從而增加了資源的利用，減少了存貨。③艾薩爐需停爐，如進(jìn)爐掘修。艾薩爐每次停爐和開爐費(fèi)用大約在80-1百萬元左右，通過熱狀態(tài)檢修可以減少頻繁停爐和開爐，因此維護(hù)費(fèi)用較少。④艾薩爐不需要頻繁停爐和開爐，可以防止停爐、開爐時(shí)對(duì)其他的耐火材料造成損害，從而可以延長(zhǎng)艾薩爐壽，增加單位爐產(chǎn)量。

4 小結(jié)

艾薩銅冶煉工藝中的高溫時(shí)段煙道出現(xiàn)了大量的積渣物，對(duì)艾薩高爐的運(yùn)行和負(fù)載速度產(chǎn)生了一定的影響。煙道產(chǎn)生的結(jié)渣主要是由于噴濺、原料灰分在煙氣中凝結(jié)，以及負(fù)壓控制不當(dāng)導(dǎo)致的二次燒結(jié)。艾薩爐壽問題是困擾我國(guó)銅鐵界多年來的一個(gè)難題。下一階段的工作目的是：將掘進(jìn)爐磚與老式磚體相配合，改善維修質(zhì)量和效益：控制磁性鐵、渣型、操作溫度、進(jìn)爐材料成分等，使?fàn)t壁上的浮渣降低，從而延長(zhǎng)爐齡。