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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。