〔摘 要〕對閃速爐爐體水系統(tǒng)進行了介紹，分析了閃速爐爐體水系統(tǒng)主管的設計思路，指出了在閃速爐爐體水系統(tǒng)主管設計和集水箱布置過程中需要注意的要點。同時，對爐體水系統(tǒng)毛細管的材質(zhì)、安裝特點和管路設計進行了分析，結(jié)合國內(nèi)外毛細管的安裝經(jīng)驗，提出了閃速爐毛細管的安裝要點。

〔關(guān)鍵詞〕閃速爐;爐體水系統(tǒng);水系統(tǒng)主管;集水箱布置;毛細管

中圖分類號：TF811;TF806 ? 文獻標志碼：B? 文章編號：1004-4345（2024）03-0030-04

Design of Water System for Flash Furnace （FF） and Discussion of Capillary

Tube Installation Technology

DING Peng

（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China）

Abstract? This paper introduces the FF water system， analyzes the design concept of the main pipe of the FF water system， and points out the key points that need to be paid attention to in the design of the main pipe of the FF water system and the layout of the water collection tank. Meanwhile， the paper makes an analysis of the material， installation characteristics， and pipeline design of the capillary tube in the furnace water system. According to the installation experience of capillary tube at home and abroad， the paper proposes the installation key points of the capillary tube in the flash furnace.

Keywords? flash furnace; furnace water system; main pipe of water system; layout of water collection tank; capillary tube

收稿日期：2023-11-12

基金項目：江西省重大科技研發(fā)專項“揭榜掛帥”關(guān)鍵技術(shù)類項目（項目編號：20223AAE01005）

作者簡介：丁鵬（1986—），男，高級工程師，主要從事有色冶金爐的設計工作。

閃速爐具有處理能力大、綜合能耗低、環(huán)境污染少、SO2濃度高，利于制酸、自動化程度高、擴產(chǎn)、挖潛容易實現(xiàn)等優(yōu)點，已成為世界上主流的銅冶煉工藝[1-3]。20世紀80年代以來，新建閃速爐和舊閃速爐的改造，基本走上了“四高”的發(fā)展路線，即高生產(chǎn)強度、高冰銅品位、高富氧濃度以及由此產(chǎn)生的高熱強度[4-6]。

隨著冶煉強度的增加，物料對閃速爐爐體的沖刷和侵蝕也同步加劇。為保護爐體，延長爐壽，最直接有效的方式是增強爐體的冷卻強度，主要方法有：1）擴大銅水套的布置范圍;2）加大單個供回水點的循環(huán)水量;3）減少銅水套間的串聯(lián)，增加供回水點數(shù)。閃速爐爐體水系統(tǒng)長期安全穩(wěn)定地運行，對維持閃速爐的熱平衡，保障閃速爐的安全生產(chǎn)和作業(yè)率，延長爐內(nèi)銅水套的使用壽命都起到了積極的作用。本文擬針對閃速爐爐體水系統(tǒng)設計思路，分析在閃速爐爐體水系統(tǒng)主管設計和集水箱布置過程中需要注意的問題，同時對爐體水系統(tǒng)毛細管的材質(zhì)簡單、安裝特點和管路設計進行分析，并結(jié)合國內(nèi)外毛細管的安裝經(jīng)驗，總結(jié)閃速爐毛細管的安裝要點。

1?? 閃速爐爐體水系統(tǒng)簡介

閃速爐作為高強冶煉設備，爐內(nèi)溫度較高，反應塔內(nèi)溫度為1 450～1 550 ℃，沉淀池和上升煙道內(nèi)溫度為1 250～1 350 ℃，為保證閃速爐的正常生產(chǎn)及使用壽命，閃速爐內(nèi)設置了爐體水系統(tǒng)，旨在將冷卻循環(huán)水供水管中的冷水通入銅水套中，通過換熱帶走熱量，從而維持爐內(nèi)熱平衡并對爐體銅水套形成保護。冷水在銅水套內(nèi)經(jīng)過換熱后變成熱水，再返回冷卻循環(huán)水排水管中，通過冷卻塔冷卻后成為循環(huán)水供水管中的冷水，進入銅水套換熱，并如此循環(huán)往復。

閃速爐爐體水系統(tǒng)由主管、支管、集水箱和毛細管組成。由主廠房供水主管接入的冷卻水經(jīng)由主管、支管、集水箱、毛細管進入爐體銅水套進行熱交換，再依次由毛細管、支管、排水主管排出。

2?? 爐體水系統(tǒng)主管設計及集水箱布置

2.1? 閃速爐爐體水系統(tǒng)主管設計

爐體水系統(tǒng)主管指從主廠房內(nèi)供回水主管接口至爐體各集水箱上供回水管接口間的管路。水系統(tǒng)主管的設計首先需要確定供回水點位。閃速爐爐體主要由精礦/水銅噴嘴、反應塔、沉淀池、上升煙道爐體框架等組成。反應塔、沉淀池、上升煙道中均設有銅水套。其中，沉淀池中的用水點數(shù)量最多，在沉淀池四周及頂部均設有銅水套;反應塔中的用水點比沉淀池稍少，但反應塔內(nèi)銅水箱的設置更為密集，反應塔頂部和筒體基本被銅水套包裹;上升煙道中的用水點相對較少，一般在上升煙道與沉淀池的連接處、上升煙道兩側(cè)及頂部設有部分銅水套。精礦/冰銅噴嘴為專利產(chǎn)品，內(nèi)含銅質(zhì)部件，需要設置若干供回水點，因此安裝過程中將這些供回水點與反應塔頂部銅水套的供回水點一并考慮，在集水箱上為其預留供回水點位。

在設計過程中，需要將主供水管分為3組供水管路，根據(jù)用水量的不同，計算其對應的供水管徑，使其分別對反應塔、沉淀池、上升煙道中的用水點進行單獨供水。從3組單獨的供水管路中，分別引供水主管、支管與對應的集水箱供水接口連接，從而組成爐體水系統(tǒng)的供水主管管路。爐體水系統(tǒng)的回水主管不需要對不同區(qū)域的回水進行區(qū)分，每個集水箱的排水支管匯入統(tǒng)一的排水主管中即可。在回水管路的排水方向，需要按規(guī)定設置一定的坡度以利于排水，同時在容易積汽的地方需設置排汽管。

閃速爐爐體用水點數(shù)量比較多，且水套分布高差較大，集水箱通常分兩層設置，一層設置在沉淀池頂部周邊的廠房平臺，另一層設置在反應塔頂部周邊的廠房平臺。圖1為某閃速爐爐體水系統(tǒng)主管設計與集水箱布置示意。

2.2? 集水箱布置

在爐體水系統(tǒng)主管的設計過程中，不同區(qū)域所屬集水箱在每層平臺布置的數(shù)量和定位是一個不容忽視的設計要點。因為每層集水箱的數(shù)量和定位一旦確定，供回水主管的走向以及集水箱和銅水套間毛細管的大致走向就基本確定了。在確定集水箱數(shù)量和定位過程中，有以下幾點需要注意：1）根據(jù)反應塔、沉淀池、上升煙道中銅水套的數(shù)量以及水套間的水管連接方式，確定反應塔、沉淀池、上升煙道各自需要的供回水點數(shù)量。2）根據(jù)反應塔、沉淀池、上升煙道中銅水套需要的供回水點數(shù)量，確定各自需要的集水箱數(shù)量和規(guī)格。3）按照分區(qū)域以及就近連接的原則，結(jié)合平臺四周的工藝配置情況，綜合考慮各集水箱與銅水套間的毛細管連接關(guān)系及大致走向。4）集水箱不宜布置在廠房平臺的外邊緣，同時為方便后續(xù)毛細管的安裝，集水箱在爐體四周布置時，其看水方向宜面向爐體方向。

3?? 閃速爐爐體毛細管設計與安裝

毛細管指從集水箱上給水支管至爐體銅水套進水接口以及爐體銅水套回水接口至集水箱內(nèi)的管路。毛細管數(shù)量大，以某40萬t生產(chǎn)規(guī)模的“雙閃”冶煉廠為例，其閃速熔煉爐中有約850個供回水點，閃速吹煉爐有約660個供回水點。因此，設計時需要統(tǒng)籌兼顧、化繁為簡。一般是以集水箱為單位，先成排走管至爐前，再將毛細管分至各自對應的銅水套附近，最后通過金屬軟管與銅水套接口連接。

3.1? 毛細管管道材質(zhì)

閃速爐爐體毛細管管道的材質(zhì)通常采用鍍鋅鋼管、不銹鋼管和銅管。其中，鍍鋅鋼管造價最低，但由于其采用螺紋連接，長期運行過程中螺紋連接處存在漏水的隱患，所以目前較少使用。銅管的導熱性最好，且銅管間采用焊接，漏水少;與不銹鋼管相比，更容易煨彎。但銅管一次性投資過大，較少有冶煉廠采用。不銹鋼管管道間也是采用焊接連接，在長期運行過程中漏水少，可靠性高。因此，目前大多數(shù)冶煉廠的爐體毛細管選用不銹鋼材質(zhì)。

3.2? 典型的毛細管路設計

毛細管路作為爐體循環(huán)水在集水箱與銅水套間流動換熱的通道，一旦發(fā)生漏水事故，須立即停爐進行檢修，因此其安全穩(wěn)定地運行對于閃速爐的正常生產(chǎn)而言非常關(guān)鍵。在毛細管管路的設計過程中，應重視管路中鋼管與其他管道組件間的配合，盡量采用焊接的方式，并控制焊縫數(shù)量。圖2為某閃速爐毛細管路連接圖示意。

為了方便金屬軟管安裝和檢修，管路中的金屬軟管接口建議采用松套式內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu);同時根據(jù)需要，還可以在毛細管路中設置流量計。

3.3? 毛細管安裝特點

毛細管的安裝有以下幾個特點：1）安裝工作量大。毛細管管路不僅包含鋼管，還有活接頭、彎頭、三通等管件，以及閥門、金屬軟管、毛細管支撐架等。鋼管與鋼管間需要焊接，鋼管與管件間也需要焊接，同時在安裝過程中還需要對鋼管進行煨彎處理以配合安裝，因此毛細管的安裝工作量極大，占熔爐主廠房中所有管道安裝工作量的70%～80%。2）安裝難度大。在閃速爐四周，不僅有毛細管，還有供回水主管、支管以及環(huán)集煙管、助燃風管、天然氣管、氧氣管等工藝管道。相對于其他管道，毛細管的管徑較小，一般規(guī)格為DN25。在安裝過程中，毛細管需要避開這些大管道或者從大管道的間隙中穿過，安裝空間較小。同時，在毛細管的連接過程中，還需要避讓敷設路徑前方的廠房立柱以及橫梁、爐體立柱以及橫梁等。因此，存在大量的管道煨彎工作，制作和安裝難度較大。3）安裝要求高。一個銅水套的供回水點有2個毛細管管路，即一個供水管路和一個回水管路，每一個供回水管路與銅水套都是一一對應的。在安裝過程中，這2條管路需要上下敷設整齊并方便識別，以便某根毛細管漏水時，能夠快速地將其找出。毛細管安裝完成后，為確保其嚴密性，需要逐根進行水壓試驗。

3.4? 閃速爐爐體毛細管安裝要點

毛細管應在規(guī)劃的區(qū)域內(nèi)整齊、有規(guī)律地進行敷設，按照區(qū)域就近接管。走管盡可能朝一個方向，避免左右交錯導致走管混亂;空間不夠時可考慮上下分層走管，管路敷設前方遇到障礙時應提前彎管進行避讓。同一排的毛細管和上下層毛細管間采用槽鋼固定，并保證一定的間距，方便焊接及后續(xù)檢修。根據(jù)閃速爐爐體各區(qū)域水套設置特點及周邊構(gòu)件的情況，結(jié)合國內(nèi)外毛細管安裝經(jīng)驗，不同區(qū)域毛細管的安裝要點如下。

1）反應塔頂部。反應塔頂一般采用全銅水套結(jié)構(gòu)，塔頂設有燒嘴口和清理口?；诖?，反應塔頂毛細管安裝時應注意：（1）為方便管道的敷設和后續(xù)檢修，建議將毛細管敷設在爐體框架的上方，后續(xù)再在此處增設一個架高的平臺，見圖3。（2）在豎向毛細管的敷設過程中，宜貼近爐體框架上的橫梁邊緣從上往下安裝，同時在配管過程中，預留出燒嘴、清理口的操作空間。

2）反應塔筒體。反應塔筒體為圓柱體結(jié)構(gòu)，高6 000～7 500 mm，筒體四周均設有銅水套組成，一般中上部區(qū)域為水平水套，下部區(qū)域為E型水套?；诜磻搀w水套的布置以及周邊構(gòu)件的情況，反應塔筒體毛細管安裝時應注意：（1）建議毛細管從筒體1/4圓或者1/8圓位置處，從上至下分兩層集中走管，并在筒體上部的清理口處預留出足夠的操作空間。（2）毛細管在高度方向上應盡量貼近爐體框架中相關(guān)區(qū)域的梁底及梁邊緣布置，給后續(xù)的點檢和維修留足空間。圖4為某閃速爐反應塔筒體銅水套毛細管敷設。

3）沉淀池側(cè)墻。沉淀池側(cè)墻水套的下部為垂直水套，上部為3～4層條形水套，水套的外端與側(cè)護板貼合，護板又與立柱貼合。沉淀池側(cè)墻上部一般還設置有燒嘴口和觀察口，部分立柱頂部設有渦卷彈簧?；诖顺恋沓貍?cè)墻毛細管安裝時應注意：（1）沉淀池側(cè)墻毛細管敷設過程中，需考慮預留渦卷彈簧后續(xù)調(diào)節(jié)所需空間，以及燒嘴口和觀察口的操作空間;（2）當毛細管快敷設到爐前時，根據(jù)各區(qū)域水套使用的供水點數(shù)量情況，將毛細管沿爐體立柱外側(cè)翼緣板區(qū)域向下敷設，毛細管與立柱外側(cè)翼緣板之間的間隙控制在100 mm左右。圖5為某閃速爐沉淀池側(cè)墻銅水套毛細管敷設。

4?? 結(jié)語

隨著閃速爐冶煉強度的增加，閃速爐銅水套的布置范圍在不斷擴大，供回水點數(shù)以及單個供回水點的循環(huán)水量也在不斷增大。確保閃速爐爐體水系統(tǒng)長期、安全、穩(wěn)定地運行，對于維持閃速爐熱平衡、保障閃速爐的生產(chǎn)安全、提高作業(yè)率，以及延長銅水套的使用壽命，起著重要的作用。本文結(jié)合國內(nèi)外設計施工經(jīng)驗，對閃速爐爐體水系統(tǒng)主管和毛細管的設計思路、安裝特點進行了詳細分析，為國內(nèi)新建閃速爐項目或改造閃速爐爐體水系統(tǒng)項目的設計與安裝提供參考。

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