淺論吉恩鎳業澳斯麥特爐冷卻水系統的設計及應用

韓永剛

(吉林吉恩鎳業股份有限公司，吉林 磐石 132311)

淺論吉恩鎳業澳斯麥特爐冷卻水系統的設計及應用

韓永剛

(吉林吉恩鎳業股份有限公司，吉林 磐石 132311)

本文詳細闡述了吉恩鎳業澳斯麥特熔煉爐冷卻水系統的詳細設計，以及該爐冷卻系統在運行過程中出現的各種狀況對澳斯麥特熔煉爐熔煉過程中產生的影響，以及如采取何針對性地進行應對措施，同時也根據冷去水系統現存在的實際情況，進行改進。

澳斯麥特熔煉爐；冷卻水系統；設計及使用效果；改進措施

0 前言

吉恩鎳業澳斯麥特熔煉爐系統是一套處理鎳精礦267900 t/a(硫化礦249288 t/a、氧化礦18612 t/a)。達到產出46000 t/a低冰鎳，187000 t/a渣(含Ni0.25%)、15000 t/a鎳金屬含量的系統。該系統的主體是一個內襯鎂鉻耐火材料的直立式鋼容器，具有以下特征：

(1)爐底為倒拱。

(2)冷卻板下面的爐底爐壁部分是采用鋼水套進行水冷卻的，爐底本身則是絕緣的。這樣使爐殼溫度可以與爐子基礎的周邊溫度一致。

(3)圓筒殼體的下部爐壁部分使用水冷銅板冷卻，設計成能夠和熔渣熔池直接接觸進行運行的形式。

圖1 吉恩鎳業澳斯麥特爐殼體示意圖

澳斯麥特爐熔煉過程中熔體始終處于劇烈翻騰攪動狀態，爐內溫度熔煉階段為1400 ℃渣線附近的耐火材料在熔煉過程中受到高溫熔體的強烈沖刷，工作環境十分惡劣，使用壽命較短。設計要求，爐墻耐火材料的總厚度為460 mm，爐頂和過渡段耐火材料的厚度為100 mm。為保證爐殼鋼結構不變形，延長內襯耐火材料的使用壽命，該爐型設計了一套冷卻水循環系統，配置了冷、熱水循環泵，對爐子鋼結構外殼(包括余熱鍋爐的過渡段)采用鋼水套、銅水套、密封塊冷卻，熔融混合物放出口采用銅水套冷卻的方式，利用耐火材料表面形成的掛渣，保護耐火材料。本文結合吉恩鎳業澳斯麥特爐的試車情況，對該爐型冷卻系統的設計及使用效果進行初討。

表1 澳爐殼體數據表

圖2 吉恩鎳業澳爐示意圖

1 冷卻水系統的構成及特點

吉恩鎳業澳斯麥特爐的冷卻水系統由外循環水系統、爐子本體(密封塊、銅水套、鋼水套、放出口)系統、高位水箱與澳爐本體外圍部分管線系統三個部分組成。

1.1 冷卻水循環系統

根據廠區合理布置。給、回水循環系統的設計采取了冷、熱水池與泵組平行設計，冷、熱水池頂上建裝冷卻塔的方式。泵房內配置了3臺SLOW200-340(I)型雙吸離心式熱水泵、3臺SLOW200-530(I)型雙吸離心式冷水泵、1臺SLOW200-530(I)型雙吸離心式事故水泵、1臺柴油機機組泵(緩建)。其中3臺冷水泵及熱水泵工作方式為2開一備。在主廠房▽47.2 m平臺上設有1個300 m3(15000 mm×4000 mm×5200 mm)的高位水箱(該水箱與沉降電爐相關系統共用)。循環泵以總計1500 m3/h的流量將冷卻水泵至高位水箱，箱內水靠自壓從DN630 mm的下降管自流到▽14.00 m平臺上對水量重新分配后(澳爐冷卻水用量為382 m3/h)對爐子進行冷卻。冷卻爐子后的熱水從▽5.70 m回水箱流到▽0.00 m處熱水池，由熱水泵泵到冷卻塔進行冷卻，冷卻后的水自流到泵房底部冷水池，再泵至主廠房高位水箱，反復循環。為保證冷卻水水質，該系統設計了一臺型號為QLG-1600型纖維球處理器(處理能力為60 m3/h)，其主要目的是清除掉循環水中的纖維球、藻類物質。在水質保障上采取加注緩釋阻垢劑的方法抑制水中的鈣、鎂離子的增加，同時依靠根據水中離子濃度的檢測，采取定期排放水池中的水來達到目的。

1.2 澳爐本體冷卻水系統

1.2.1 澳爐鋼水套系統

本系統是澳爐本體的底部冷卻系統，該系統有16塊獨立的焊接鋼質水套構成。供水分管線由布置在▽14.00 m的澳爐主管線上的分水器供水，折向下層▽5.70 m處對鋼水套構成環形供水管線，采取低供高回供水方式(將管線內的空氣排出)。支管線通過環形管線上的與鋼水套對應位置關系與鋼水套通過DN25手動不銹鋼(1Cr18Ni)閥門與鋼水套之間采用不銹鋼金屬軟管連接。為鋼水套供水流量為38 m3/h。回水管線由16根DN25金屬軟管與分管線DN25鋼質水管構成，回水全部進入到▽9.00 m層面的集水箱內，然后通過地下DN700管線回到熔煉循環水泵房內的熱水池內。使用DN25金屬軟管的目的在于減少澳爐在噴槍攪動熔體時的震動對供、回水的影響。鋼水套內部結構為折流板控制進水流動方向，鋼水套夾層厚度為12 mm。其中R、C、L放出口處的鋼水套為2層獨立鋼水套組成，它們之間的冷卻水連接為1寸鋼質水管連通。同時鋼水套也是為了加強夾層水套的強度，也采用48塊分區連體鋼水套。根據16個供水點，每3塊鋼水套為1組，每組之間采用DN25金屬軟管連接。

1.2.2 澳爐銅水套系統

本系統由48塊銅板水套構成(共分3層高6 m，每層2 m其中A層A型7塊、B型5塊、C型1塊、G型2塊、H型1塊(型號根據銅水套內部管線排布走向而定)，B層C型8塊、D型8塊，C層E型8塊、F型8塊。所有銅水套均采用錯口連接，并且每組銅水套均與澳爐殼體采用可調螺栓緊固。每組銅水套內部均采用雙通道管線以保證澳爐內部處于熔池區域的熱量通過每組銅水套散發出去保證澳爐的最大安全。該系統分供水管線布置在▽14.00 m的澳爐主供水分水器上供水，折向下層▽5.70m處對銅水套構成環形供水管線，采取低供高回供水方式(將管線內的空氣排出)為銅水套供水。并根據銅水套所處位置與環形供水管線的對應關系，取32個DN40供水點，每個供水點與相對應的銅水套采用DN40金屬軟管與銅水套A層進行連接，并通過DN40不銹鋼(1Cr18Ni)閥門進行水量控制。總供水流量為288 m3/h，保證32個銅水套供水通道均達到9 m3/h。回水管線由32根DN40金屬軟管與DN50支管線進行變徑連接。回水全部通過磁流量計進入到▽8.50 m層面的集水箱內，在進入集水箱時在通過DN50管線變徑為DN80管線，目的是在次減小回水阻力。然后通過地下DN700管線回到熔煉循環水泵房內的熱水池內。

1.2.3 澳爐本體密封塊系統

本系統由16塊銅質密封塊構成。設置密封塊的目的在于考慮澳爐本體受熱膨脹與余熱鍋爐部分的密封其中L型8塊、K型8塊。該密封塊供水采用單通道。本系統總冷卻水用量為25 m3/h，單組水量為6.25 m3/h該系統分供水管線布置在▽14.00 m的澳爐主供水管線分水器上通過磁流量計供水，在▽15.00 m處構成環形供水管線為密封塊組供水，環形管線根據與密封塊組的相對應關系采取4個DN40供水點，每4塊密封塊為1組，每塊均采用DN40金屬軟管連接。回水管線由4根DN40金屬軟管與4根DN50碳鋼管連接，回水通過磁流量計進入到▽8.50 m處集水箱內，在通過地下DN700管線進入到熔煉循環水泵房熱水池內。

1.2.4 澳爐本體放出口系統

本系統共分左、中、右三組排放口，且每組排放口由內、外2層構成。本冷卻系統由9塊銅板水套構成，分別是左排放口內部為固定式型銅水套，該固定式水套排放孔為上下2個排放孔，外部由2組碳鋼活動爐門分別鑲嵌2塊型銅水套。中間排放口內部為固定式型銅水套，該水套布置3個排放孔，即上部2個排放、下部1個進行緊急排放使用。右排放孔內部為固定式型銅水套，該固定式水套排放孔為上下2個排放孔，外部由2組碳鋼活動爐門分別鑲嵌2塊型銅水套。以上左、中、右三組排放孔外部均采用活動爐門鑲嵌銅水套與內部固定銅水套排放工作時水套排放孔鑲嵌石墨襯套進行緊密接觸(外部活動爐門與內部水套緊密接觸時用，用偰鐵進行夾緊)。同時排放孔所有內部固定水套均采用DN25雙通道0#銅質水管進行冷卻，外部水套均采用DN25單通道0#銅質水管進行冷卻。水套冷卻水供水來自布置在▽14.00 m的澳爐主供水管線分水器上通過磁流量計供水管線，本系統冷卻水總用量為31 m3/h，其中內部中心流量為3 m3/h，左、右流量為2.5 m3/h該系統供水全部采用DN25金屬軟管與銅水套進行連接，回水同樣也采用DN25金屬軟管與回水DN25碳鋼金屬管連接，回水通過磁流量計回到▽9.00 m處的集水箱內，在通過地下DN700管線進入到熔煉循環水泵房熱水池內。

1.3 高位水箱與澳爐本體外圍部分管線系統

1.3.1 水箱

澳爐冷卻水系統與沉降電爐冷卻水系統共用一個設計為300 m3的水箱。該水箱位于澳爐▽47.2 m層面處，實際有效容積為270 m3，水箱尺寸為(L×S×H)15 m×4 m×5 m，水箱材質為普通碳鋼，水箱頂蓋部分有DN108排氣管兩根，水箱內部有數根DN80管連接箱體防止水注滿后發生箱板變形、突出。水箱內部有一根DN400溢流管、一根DN400排污管。水箱供水管線為兩根DN400碳鋼水管同時為水箱供水。

1.3.2 與澳爐冷卻裝置連接外部管線

從水箱底部接通一根DN630管線，該管線有一個DN630閥門控制水量，同時在DN630管線上接通兩根DN530管線，其中一根為澳爐冷卻系統供水，另一根為沉降電爐冷卻系統供水。這兩根分支管線均由2個DN500閥門控制水量。澳爐冷卻水管線在▽47.2 m層面處水箱底部接通后，在▽14.00 m層面處形成最終端，建立一套分水器系統，該分水器在頂部形成為澳爐供水的三根獨立供水管線(為澳爐鋼水套、銅水套、密封塊)，分水器下部有一根DN159的排污管，其目的是在為澳爐供水時清洗外部管線的污垢。

圖3 水箱與澳爐連接管線示意圖

2 運行情況及整改措施

2.1 冷試車運行情況

澳爐冷卻水系統注水后，系統經過調整，水壓完全達到0.354 MPa,經檢查所有流量計運行數值指

標，大部分合格，只有部分存在問題。根據澳方設計要求銅水套流量必須達到9 m3/h要求。冷運行過程中出現多數螺紋連接管線連接處出現漏水現象。

2.1.1 分析沒有達到運行指標原因

(1)機制彎頭焊接問題。

(2)與銅水套連接處金屬管徑過小DN25。

(3)部分國產DN40不銹鋼閥門質量缺陷，閥芯漏水。

2.1.2 分析螺紋連接管線連接處出現漏水現象原因

(1)管線螺紋接頭過多，很難保證施工質量。

(2)按照南昌設計院圖紙要求，現場環境部分連接處沒有設置活接，一旦漏水，只能從頭卸到尾。

(3)管線螺紋加工質量存在問題，公差過大。

2.1.3 整改措施

(1)機制焊接彎頭由原來的電焊焊接改為氬弧焊焊接，這樣增加管徑焊接部位內部的光滑性，防止工業用水的污垢掛在焊瘤上減小管徑橫截面積，減小水量。改造后經過試水，在正常工作0.3545 MPa的壓力下水量完全達到澳方要求。測試結果見表2。

表2 澳斯麥特爐中央控制室PCS數據

(2)銅水套連接處金屬管徑DN25過小，導致管徑橫截面積變小，無法達到運行流量要求，將DN25金屬連接管改為DN40金屬連接管，增大橫截面積，加大運行流量。

(3)更換部分DN40不銹鋼閥門。

(4)螺紋連接管線全部改為焊接接頭，從源頭杜絕管線漏水。

2.2 熱試車運行情況

澳斯麥特爐熔煉過程中熔體始終處于劇烈翻騰攪動狀態，爐內溫度熔煉階段為1400 ℃渣線附近的耐火材料在熔煉過程中受到高溫熔體的巨烈機械沖刷，工作環境十分惡劣，導致耐火材料使用壽命較短。

2.2.1 噴槍位置編碼器故障

當噴槍位置編碼器發生不明故障時，噴槍自動由熔煉7#位(2500 mm以下)提自3#位(9000 mm)，此時渣線以上耐火磚由原來運行期間的1400 ℃高溫突降至1000 ℃，期間噴槍完成系列動作，繼續下槍至3#位(9000 mm)自動進行吹掃，導致渣線以上耐火磚1000 ℃高溫繼續突降達至700 ℃。另從余熱鍋爐上升段煙氣溫度測控數據分析噴槍提起后煙氣溫度變化，見表3。

表3 噴槍提出后煙氣、熱損失變化

此時導致耐火磚遭遇溫度突變，而產生部分結構裂紋，熔體在滲透至裂紋深層后，由于耐火材料與熔體滲透層之間的熱膨脹系數不同、材料內部溫度梯度和熔渣粘度的影響，而導致耐火磚結構崩裂[1]，致使崩裂耐火磚隨熔渣排至溜槽外，周而復始由于溫度突變原因，致使澳爐銅水套B、C排區域耐火材料脫落，從上述及相關資料顯示爐溫巨變是耐火材料發生壞損的原因之一。澳爐銅水套B、C排區域耐火材料的脫落到第一次澳爐大修期間，耐火磚脫落高度為4800 mm,致使A排10組、14組最嚴重的排放孔銅水套耐火磚僅剩1200 mm高度，耐火磚呈直角梯形頂部尺寸為60 mm、底部為300 mm。從上述數據分析及相關資料顯示噴槍運行時強烈的機械攪動也是耐火材料損壞的另一重要原因。

整改措施：查明噴槍位置編碼器不明故障原因，避免無計劃提槍，造成熔爐內部溫度巨變，導致耐火材料發生損毀。

2.2.2 超低工作位運行

噴槍在熔池低于1500 mm處操作，銅水套排放口10組、14組溫度升高急劇明顯。

表4 夏季排放口與排放口對稱組水套溫度比較

以上10組、14組數據顯示在這兩個排放孔處水套溫度較高，主要是基于噴槍在低熔池面下操作，致使排放孔處的金屬熔體在排放時具有較高的溫度及其劇烈機械沖刷，造成該處耐火磚磨損較為嚴重。

整改措施：(1)加大10、14組排放孔處的水流量致最大，控制相關部位的水流量達至均配值。(2)盡量使用泥炮開口機進行熔體排放，減少吹氧管燒口幾率。可以有效控制耐火磚及石墨襯套的耗損。(3)減少噴槍在熔池低于1500 mm處操作，改為1800 mm熔池處操作。可有效避免該處銅水套溫度過高。[2]

2.2.3 冷卻水管線內部問題

澳爐冷卻水所有DN40、DN25分支供水管線內部均存在污垢、淤泥現象。這些淤泥沉積物主要有：(1)補充水帶入的無機鹽類物質在冷卻水系統中析出形成的水垢。(2)冷卻設備表面由于腐蝕而產生的腐蝕產物- 鐵的氧化物和氫氧化物。(3)由補充水帶入的固體懸浮物- 泥沙、塵土、碎片等。(4)由于微生物在冷卻水中大量繁殖而形成的生物粘泥。(5)生產過程中的物料。導致管道內部水流量明顯降低，同時也導致水套傳熱能力下降，致使熔池內部溫度偏高。

整改措施：(1)使用過程中，經常采用反復開關水管閥門，利用水的瞬間沖擊力，沖擊淤泥，提高水流量。(2)檢修過程中，拆卸銅水套。采用物理、化學藥劑浸垢、絡合劑清洗：該方法是利用絡合劑對各種成垢離子(Ca2+、Mg2+、Fe3+)的絡合作用使之成為可溶性絡合物。最后高壓水泵清水清洗部分管路。

3 建議

(1)改善冷卻水源頭水質。使用化學水處理技術，保證澳爐冷卻水水質。由于冷卻水采用的只是經過一次凈化的松花江支流輝發河地表水，而后該水進入5000 m3儲水池進行儲備，初步沉淀，進入到澳爐冷卻水系統冷水池中在此進行沉淀。只是減少了較大顆粒進入到系統內部，并沒有從根本上改變水源水質。

在循環冷卻水系統中，由于循環冷卻水不斷循環使用，必然帶來比直流水要嚴重得多的問題。其原因就在于冷卻水在循環過程中，由于水溫的升高、水流速的變化、水的不斷蒸發以及由此引起的各種無機離子和有機物質的濃縮，冷卻塔和涼水池在室外受到陽光照射、風吹雨淋、灰塵雜物的進入、設備結垢和材質等多種因素的相互作用，必然會造成較為嚴重的沉積物的附著、設備結垢和材質等多種因素的相互作用，必然會造成較為嚴重的沉積物的附著、設備的腐蝕和菌藻微生物大量滋生。澳爐針對現下狀態可采用除鹽水設備改變情況。

(2)考慮澳爐系統較大可能發生停電倒閘情況，270 m3水箱同時供應澳爐、電爐冷卻水在最小負荷狀態下最多維持11 min。

澳爐2010年5月曾經出現過停電倒閘情況，澳爐噴槍完全提起至1#位，同時電爐減小至最低負荷，高位水箱所有閥門減至最低維持流量11 min后，澳爐所有流量計全部報警，備用發電機組啟動沒有成功，被迫停止倒閘。柴油發電泵組應當安裝，可以有效控制高位水箱水量。

4 結論

吉恩鎳業的澳斯麥特爐的冷卻水系統運行效果基本良好，但也存在部分問題，但基本上可以保證澳爐的運行。

(1)該冷卻系統布局簡潔，所有管線分布合理，利于設備檢修，從該冷卻系統PCS界面溫度數據上可以直觀地觀察到爐內耐火磚的毀損情況，總體上是可行的。爐體周圍溫度低，環境好。

(2)冷卻水質雖然采用緩蝕阻垢劑，控制水質在銅水套內部結垢。但是并沒有改變水質質量，依舊存在管道內淤泥堵塞現象，致使水流量明顯降低，而影響爐內耐火材料使用壽命。有必要進行水質源頭改進。

(3)冷卻塔在冬季運行時由于存在水蒸氣問題，致使冷卻塔與環境空氣進行溫度熱交換時使冷卻塔百葉窗結冰，影響澳爐冷卻水進水溫度。

(4)澳爐冷卻水源需要備用水源，在當前狀態下，澳爐儲水設備無法進行清淤。

[1] 徐維忠.耐火材料[M].北京：冶金工業出版社，1991:59.

[2] 余經海.工業水處理技術(第二版)[M].北京：化學工業出版社，2010.

Design and Application Discussion of Cooling Water
System in Jean Nickel Ausmelt Furnace

HAN Yong-gang

(Jilin Jien Nickel Industry Co., Ltd. Panshi 132311, China)

This paper describes detailed design of Jean nickel Ausmelt smelting furnace cooling water system, various conditions of the furnace cooling system during operation impact on Ausmelt furnace smelting process, as well as corresponding measures, and also puts out improvement according to the cold water system at present.

Ausmelt smelting furnace；cooling water system；design and application effect；improvement measures

2014-01-06

韓永剛(1971-)，男，吉林磐石人，助理工程師，大學本科，主要從事鎳冶煉的生產籌建及運行管理工作。

TF806

B

1003-8884(2014)03-0022-05