吳學(xué)榮，王利敏，康有才

（江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠(chǎng)，江西 貴溪 335424）

江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠(chǎng)傾動(dòng)爐由德國(guó)MAERZ爐窯公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，是主要用于處理廢雜銅的較為先進(jìn)爐型，設(shè)計(jì)年產(chǎn)陽(yáng)極銅10萬(wàn)t，其生產(chǎn)過(guò)程是將塊狀或打包的廢雜銅用DDS加料機(jī)從兩個(gè)爐門(mén)加入爐內(nèi)，經(jīng)熔化、氧化造渣、還原、澆鑄四個(gè)階段冶煉出化學(xué)成分符合要求的陽(yáng)極銅。在每個(gè)爐次的生產(chǎn)作業(yè)中都需消耗大量的能源，來(lái)熔化入爐的物料進(jìn)而完成整個(gè)冶煉過(guò)程。在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)引領(lǐng)下，近年來(lái)傾動(dòng)爐燃燒系統(tǒng)由原來(lái)的富氧燃燒升級(jí)成了稀氧燃燒技術(shù)，并根據(jù)爐型特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，使噸銅能耗有了明顯下降，但還存在爐內(nèi)局部溫度過(guò)高、熱負(fù)荷需均勻化等問(wèn)題。

1 改進(jìn)前存在的問(wèn)題

傾動(dòng)爐是截面近似于橢圓的柱狀體，爐體由鋼結(jié)構(gòu)作為框架，內(nèi)部砌鎂鉻質(zhì)耐火磚構(gòu)成。砌體分為爐頂、爐墻和爐底，爐頂耐火磚吊掛在鋼結(jié)構(gòu)的羊角梁上。在爐體精煉側(cè)裝有6個(gè)風(fēng)管，由一套閥組控制，用于在氧化階段向熔體鼓入壓縮空氣，提供熔體中絕大多數(shù)雜質(zhì)的氧化反應(yīng)所需氧。其燃燒系統(tǒng)的兩套燃燒器組安裝于爐窯端頭面的中部偏上位置，如圖1所示。

圖1 傾動(dòng)爐燃燒器示意圖

傾動(dòng)爐燃燒器具體來(lái)說(shuō)由一支重油槍和一支主氧槍、一支副氧槍構(gòu)成，用專(zhuān)用剛玉材質(zhì)燒嘴磚固定在爐體右端墻上，相互間呈“1”字型排布，重油槍處于整個(gè)燃燒器的燒嘴磚中心位置，兩只氧槍分別置于油槍的正上方和正下方，其上方的副氧槍采用直管式結(jié)構(gòu)，占總氧量約20%的氧量經(jīng)其噴射出與重油進(jìn)行劇烈的燃燒反應(yīng)，形成根部火焰，在距離右端墻約40 cm處產(chǎn)生一個(gè)局部高溫區(qū)，最高溫度可達(dá)2 750℃［1］，使得該區(qū)域爐頂溫度過(guò)高，導(dǎo)致耐火磚性能下降。同時(shí)右端墻被高溫爐渣侵蝕嚴(yán)重，產(chǎn)生較深的渣線(xiàn)，最終導(dǎo)致右墻侵蝕出長(zhǎng)3～4 m、深約300～500 mm的條狀侵蝕帶和爐頂2～3處尺寸約225 mm×120 mm耐火磚掉落區(qū)。

1.1 爐窯局部損壞耐火層的修補(bǔ)

為保證爐窯結(jié)構(gòu)的安全，在爐窯后期必須定期對(duì)右端墻耐火磚損耗嚴(yán)重的渣線(xiàn)區(qū)域和爐頂耐火磚脫落的區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)。右端墻渣線(xiàn)區(qū)域，采用半干法噴補(bǔ)技術(shù)，在高溫狀態(tài)下進(jìn)行噴補(bǔ)，使右端墻渣線(xiàn)區(qū)域磚砌體表面增加可達(dá)到100 mm左右的新耐火層［2］，保護(hù)該處爐體耐火磚。爐頂耐火磚脫落的區(qū)域，需先用安裝支架來(lái)穩(wěn)固修補(bǔ)料，待燒結(jié)后與周?chē)鸂t頂耐火磚結(jié)成一體，填補(bǔ)上因爐頂磚掉落而產(chǎn)生的空洞，保護(hù)相鄰的耐火磚［3-6］。這些使得生產(chǎn)中的非作業(yè)時(shí)間增加，維護(hù)成本上升。

1.2 爐內(nèi)溫度的差異

另一方面傾動(dòng)爐的縱向長(zhǎng)度有11 960 mm，因此爐體加料側(cè)設(shè)有二個(gè)加料門(mén)，但直管式的氧槍和“1”字型排，使得爐內(nèi)高溫區(qū)較短，未能達(dá)到2＃門(mén)加料區(qū)域，并且精煉側(cè)6個(gè)風(fēng)管由一套閥組控制只可向爐內(nèi)噴入壓縮空氣，即在爐體尾端的4＃、5＃、6＃風(fēng)管無(wú)法在加料熔化期提供富氧，增加燃燒反應(yīng)強(qiáng)度。在生產(chǎn)中可看到加料時(shí)1＃門(mén)化料快于2＃門(mén)；待氧化結(jié)束時(shí)進(jìn)行測(cè)溫，1＃門(mén)測(cè)得的熔體溫度1 155℃也高于2＃門(mén)測(cè)得的溫度1 135℃，即爐內(nèi)溫度場(chǎng)是燃燒器端溫度高并向尾部快速降低，從而使單爐作業(yè)時(shí)間增長(zhǎng)、噸銅重油單耗增加。

2 優(yōu)化改進(jìn)實(shí)施方案

2.1 燃燒器排布結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)燃燒器副氧槍在重油槍的正上方，會(huì)導(dǎo)致稀氧燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)靠近爐頂，引起相應(yīng)區(qū)域爐頂耐火磚損耗過(guò)快甚至出現(xiàn)局部耐火磚掉落的現(xiàn)象，實(shí)施了燃燒器排布結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，把副氧槍移到重油槍以下，具體改進(jìn)方案是：（1）重油槍、主氧槍、副氧槍相互位置呈三角型；（2）重油槍位于三角型的頂端，主氧槍、副氧槍分別位于其右下側(cè)和左下側(cè)并呈對(duì)稱(chēng)分布，如圖2所示。

圖2 燃燒器“三角”型排布結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后重油槍處于燒嘴磚中心，主氧槍向右移并間距增加75 mm，副氧槍與主氧槍對(duì)稱(chēng)分布，使燃燒時(shí)的卷吸動(dòng)能增加同時(shí)爐內(nèi)高溫區(qū)下移，增加向爐內(nèi)銅原料的熱交換效率，降低爐頂溫度。

2.2 氧槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化

燃燒器氧槍原采用直管式結(jié)構(gòu)，氧氣噴出動(dòng)能較低，火焰短，改進(jìn)的目標(biāo)是增加氧槍出口的氧氣噴射速度，具體改進(jìn)方案是：（1）增加氧槍直管部分的直徑；（2）在出口端安裝拉瓦爾噴嘴。改進(jìn)后使火焰的長(zhǎng)度得到了增長(zhǎng)并且因多股氧氣間的相互影響，出現(xiàn)高溫區(qū)域面積增大的現(xiàn)象。

2.3 爐窯尾端風(fēng)管富氧

在生產(chǎn)中，氧槍噴入爐內(nèi)的氧氣與重油產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，可產(chǎn)生大量的H2O、CO、CO2等氣體，同余下的氧氣混合后，使得尾端的氧氣濃度低，燃燒強(qiáng)度低，需增加氧量和濃度，提高燃燒產(chǎn)生的溫度。經(jīng)論證后決定增加后半部分4＃、5＃、6＃三個(gè)風(fēng)管的獨(dú)立控制系統(tǒng)并引入氧氣，提高其噴入爐內(nèi)氣體的富氧率，具體實(shí)施方案是：（1）4＃、5＃、6＃三個(gè)風(fēng)管從原管網(wǎng)中獨(dú)立出來(lái)，由新增的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制；（2）引入氧氣管，在加料熔化期提高富氧率到約50%，增加爐窯尾端的燃燒溫度，加速物料熔化。

3 改進(jìn)后效果分析

3.1 局部耐火層修補(bǔ)次數(shù)下降

燃燒器改進(jìn)后爐內(nèi)溫度場(chǎng)的高溫區(qū)下移，同時(shí)因氧氣流具有的動(dòng)能增大，使高溫區(qū)趨向扁平，爐窯的爐頂、右端墻局部區(qū)域耐火磚高溫情況得到轉(zhuǎn)變。

由表1可知，2021年?duì)t窯局部耐火層修補(bǔ)次數(shù)較2020年的12次下降75%，按每次噴補(bǔ)作業(yè)需消耗MINTEQ噴補(bǔ)料0.5～1t計(jì)，可節(jié)約維修成本約9萬(wàn)元。

表1 2020～2021年?duì)t窯局部耐火層修補(bǔ)次數(shù)對(duì)比表 次

3.2 改進(jìn)前后重油單耗對(duì)比

燃燒器的改進(jìn)和加料熔化期4＃、5＃、6＃三個(gè)風(fēng)管?chē)娙敫谎趼始s為50%的壓縮風(fēng)，實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)高溫區(qū)下移、高溫區(qū)域面積增大和爐窯尾端的燃燒溫度提升等有利改變，有效加快了爐內(nèi)銅原料的熔化速度，使得單爐周期和噸銅重油單耗都有了明顯下降，見(jiàn)表2和表3。

表2 2020～2021年相應(yīng)爐期的單爐周期對(duì)比表 h

由表2可知，單爐平均周期由原來(lái)的24.11 h降低到2021年的23.32 h，平均每爐減少0.79 h，對(duì)應(yīng)全年可增產(chǎn)約4 500 t陽(yáng)極銅。

由表3可知，重油噸銅單耗由2020年的42.40 kg／t下降至2021年的40.80 kg／t，即噸銅重油單耗平均值下降約3.8%，節(jié)能降耗效果顯著。

4 結(jié) 論

技術(shù)人員通過(guò)對(duì)傾動(dòng)爐實(shí)施燃燒系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)施在加料熔化期4＃、5＃、6＃風(fēng)管提高富氧率及優(yōu)化工藝參數(shù)等措施，使?fàn)t內(nèi)溫度場(chǎng)分布更趨于合理，提高了熱能交換效率，縮短了單爐周期時(shí)間，減少了爐窯易損部位的修補(bǔ)次數(shù)，延長(zhǎng)了爐磚的使用壽命，節(jié)約了生產(chǎn)成本，增加了陽(yáng)極銅產(chǎn)量，還保證了生產(chǎn)穩(wěn)定和爐窯的安全性。