高強度冶煉閃速爐優化設計對策

袁精華

(中國瑞林工程技術股份有限公司,江西南昌 330031)

20世紀90年代之后,隨著改革開放的不斷深入,房地產行業需求大量釋放,而且投資盛行,我國銅需求量有了突飛猛進的提升,閃速爐工藝順應時代的要求,也得到了超常規發展,但隨著我國人口拐點的出現,人口紅利將逐步消失,銅市場需求也趨于飽和,特別是隨著銅精礦雜質含量不斷增多以及由于銅品位的波動,閃速爐工藝優勢越來越難以為繼,同時近些年側吹爐工藝的發展對其構成了較大的競爭壓力。因此,閃速爐亟需從低反應塔熱負荷、低投料量的冶煉爐發展成為反應塔熱強度在2 000 MJ/m3h 以上、投料量在230 t/h 以上的高強度冶煉設備。

本文從優化設計反應塔、沉淀池、上升煙道背風面側墻、爐頂及耐火材料等關鍵部位來強化閃速爐的冶煉,達到高強度冶煉的目的。另外,為確保高強度冶煉狀態下的爐體安全,還重點考慮了爐底溫度監控及冷卻原件漏水監控。

1 閃速爐結構及冶煉原理

閃速爐是一種強化冶煉設備,由中央噴嘴、反應塔、沉淀池及上升煙道四個主要部分組成,見圖1。物料與富氧空氣通過中央噴嘴混合并高速地噴入反應塔內,在高溫下迅速地進行氧化脫硫、熔化、造渣等反應,形成的高溫熔體落入沉淀池中進一步完成造渣過程,并分離成富集金屬和爐渣,產生的煙氣從上升煙道排出。

圖1 閃速爐總圖

2 優化設計要點

2.1 反應塔

2.1.1 反應塔高度

反應塔高度H1的選定實質上是保證物料的反應時間,防止下生料的重要參數。采用高投料量、高富氧濃度、高銅锍品位、高熱強度操作的閃速爐,相比傳統操作的閃速爐,反應焦點上移,反應塔高度可適當縮短。可是,如果投料量加大到230 t/h 以上,采用中央擴散式精礦噴嘴的反應塔高度應適當加長[1]。原因有:①投料量加大后,工藝風量、中央氧量、分散風量需要相應加大,這就導致工藝風、中央氧、分散風出口的速度都會加大,高速氣流勢必將燃燒的高溫煙氣下壓,造成劇烈反應區、高溫區下移;②投料量、工藝風量、中央氧量、分散風量加大后,從常溫到高溫需要吸收更多的熱量,將會引起感應區最低溫度下降,這樣精礦著火延遲,反應延緩,反應塔內劇烈反應區下移,反應區拉長;③投料量加大后,實際生產中很難實現均勻的布料,下料更易偏析,塔內氣體與精礦顆粒混合均勻難度更大,著火延遲,精礦在塔內的反應時間縮短。鑒于此,近些年設計的閃速爐反應塔凈高都在7 m 以上,甚至接近8 m,以滿足高強度冶煉的需要。

2.1.2 反應塔結構

高強度冶煉的閃速爐反應塔內的熱負荷較高,煙氣中熔體濃度更大,因此,高溫煙氣對反應塔的沖刷更加劇烈,顯然,單靠使用水平銅水套,增加水平銅水套的層數,減小水平銅水套的間距來冷卻保護耐火材料已無法達到目的。高強度冶煉狀態下需要對反應塔內耐火材料進行立體冷卻,也就是說需要一種新型的反應塔結構[2-3]:反應塔筒體均由鑲耐火磚的鋸齒形水套組成。為方便今后冷修時耐火磚的砌筑,銅水套凹槽不是燕尾形,而是直槽,凸形齒也不是內小外大,而為直齒,這樣的結構有利于耐火磚的砌筑,但必需設計合適的凸形齒伸出長度,以防止耐火磚掉落。反應塔結構見圖2。

圖2 反應塔結構圖

2.2 沉淀池

2.2.1 沉淀池內寬

表面上看,沉淀池內寬B與沉淀池渣線面積有關,以滿足沉淀池澄清及儲存功能,但是實際上,渣線面積大小可通過反應塔與上升煙道的中心距L來確定,沉淀池內寬的確定實質上要考慮從反應塔出來夾帶熔體的高溫煙氣的沖刷強度。如果反應塔內壁距沉淀池內壁寬度過小,夾帶熔體的高溫煙氣勢必對沉淀池內壁產生強烈沖刷,沉淀池壽命也會大幅度縮減。常規冶煉狀態下,反應塔內壁距沉淀池內壁寬度一般為850 mm 以下;在高強度冶煉狀態下,其寬度設計以1 000 mm 以上為宜,以減輕高溫煙氣對側墻的卷吸沖刷。因此,為滿足高強度冶煉的需要,沉淀池內寬需要比常規冶煉的內寬多出300 mm 以上。

2.2.2 沉淀池凈高

選擇沉淀池凈高H2本質上是選擇煙氣的流速。過高的煙氣流速不光對沉淀池側墻造成強烈的沖刷。而且對沉淀池頂也帶來強烈的沖刷,常規冶煉狀態下,煙氣流速一般較大,甚至接近10 m/s 若其他條件不變,高強度冶煉狀態下應適當加大沉淀池凈高,使煙氣流速設計在6 m/s 以下,這樣既可減少煙氣的沖刷,又可降低煙塵發生率。

2.2.3 沉淀池氣流區結構

常規冶煉狀態下,沉淀池氣流區一般采用水平水套夾2～4 層耐火磚的結構形式,水平水套的層數為2～3 層。但處于高強度冶煉狀態下,這種結構耐火磚消耗很快,特別是反應塔下部的三面沉淀池側墻,運行不到3年的時間,耐火磚殘存的長度有的不足100 mm,有的地方甚至不足40 mm,致使外側鋼板發紅。上面提到的增加沉淀池內寬以及加大沉淀池凈高都是為了減輕煙氣的沖刷,但這還不能適應高強度冶煉狀態下的工作條件,與反應塔一樣,需要采取立體冷卻的結構,也就是采用一種新型的沉淀池氣流結構[4],實質上是嵌入耐火磚的立式鋸齒形水套結構。采用這種結構,銅水套內的槽與齒的形狀跟反應塔一樣都是直形,方便冷修期間砌筑耐火磚。沉淀池氣流區結構見圖3。

圖3 沉淀池氣流區結構圖

2.3 上升煙道背風面側墻

常規冶煉狀態下,上升煙道背風面側墻沒有設置水平水套;在高強度冶煉狀態下,從現場觀看,上升煙道背風面鋼殼溫度很高,晚上可見暗紅,由于鋼殼是主要受力構件,不得不在外側強制冷卻保護。針對此薄弱的部位,為適應高強度冶煉的需要,上升煙道背風面也應設置水平水套。

2.4 爐頂

閃速爐爐頂分三部分:反應塔頂、沉淀池頂和上升煙道頂。常規冶煉狀態下,各個頂部一般采用條形銅水套與耐火磚組合形式。考慮到高強度冶煉狀態下工作環境的苛刻,為了與其他部位保持爐修周期的同步,采用嵌入耐火磚的臥式鋸齒形水套結構。這種結構的銅水套內槽形狀為燕尾形,可防止耐火磚脫落,另外,為了維修的方便,每一塊鋸齒形水套不宜過大。

2.5 耐火材料

由于高強度冶煉的閃速爐最為關鍵的措施是加強爐體冷卻,閃速爐基本上是“銅墻鐵壁”,耐火材料的選擇不再那么重要,采用昂貴的進口耐火材料沒有必要。實際上,由于沖刷強烈,鑲入銅水套的耐火磚會很快地消耗掉,而是靠銅水套掛渣來工作的,掛渣起到了替代耐火材料的作用。

3 設計手段

3.1 Solidworks 三維設計軟件的應用

高強度冶煉的閃速爐結構復雜,采用Solidworks三維設計能完美地表達設計構想,清楚地把握爐體結構,去除不合理的部分,優化整體設計,及時發現碰撞與干涉,減少設計失誤,防止安裝返工。另外,三維圖因具有形象、直觀的特點,設計人員與業主方、監理方、施工方溝通更方便、快捷,能更好地傳達設計者的設計思路。

3.2 ANSYS 軟件的應用

3.2.1 主框架結構受力計算

以往在設計爐體主框架的結構及其立柱和橫梁尺寸時,一般是采用手算,并參考以前類似項目,這樣容易缺乏經濟性,精準度也不高,而且說服力不夠強。因此,采用合適的計算軟件來計算主框架結構受力是閃速爐技術發展的必然要求,能使閃速爐設計更加精細、準確、高效、科學。ANSYS 有限元分析軟件可作為設計提升手段,能滿足高強度冶煉的閃速爐主框架受力計算的要求。

3.2.2 反應塔仿真分析

建立反應塔三維仿真模型,利用流體動力學分析軟件ANSYS FLUENT 對反應塔進行數學仿真研究[5-11],對反應塔壁面溫度以及反應塔內的溫度場和速度場進行分析計算,得出反應塔壁面溫度的分布情況以及反應塔高度方向及圓周方向的掛渣厚度,用于指導銅水套冷卻強度、反應塔高度及反應塔直徑設計。

3.2.3 上升煙道仿真分析

建立上升煙道數學模型,利用流體動力學分析軟件ANSYS FLUENT 對其進行數學仿真研究[12],對上升煙道內殼溫度以及上升煙道出口溫度場和速度場進行分析計算,用于指導上升煙道的設計,特別是上升煙道的出口大小的設計,使得高強度冶煉的閃速爐上升煙道出口煙氣速度控制在合理的范圍之內,并確保內殼溫度低于所用鋼材的最高使用溫度,保證鋼板使用安全。

4 爐體監控

4.1 爐底溫度

4.1.1 爐底結構形式及溫度分布

一般情況下,爐底由半再結合鎂鉻磚、直接結合鎂鉻磚、高鋁磚、黏土磚和鋼板構成。以銅陵金冠項目為例,沉淀池底各層耐火材料的材質及厚度見表1。

表1 耐火材料的材質及厚度

爐底的溫度分布不能直接測量得到,可以采用模擬仿真的手段計算得到。為計算方便,可將爐底簡化為二維模型,在長度方向選取某一截面,爐內半再結合鎂鉻磚與熔體接觸面可視為恒溫邊界,爐底鋼板與外界接觸面作為自然對流邊界,建立的模型如圖4所示。

圖4 沉淀池底溫度計算模型

以銅锍與半再結合鎂鉻磚交界面為原點,沉淀池底沿垂直方向的溫度變化如圖5所示。現場測溫點安裝在直接結合鎂鉻磚與高鋁磚交界處,即距爐內表面0.75 m 處,該點溫度為771 ℃,沉淀池底鋼板溫度為154 ℃。

圖5 沉淀池底溫度分布計算結果

實際上,爐子在生產過程中會有結底,特別是高強度冶煉狀態下,由于富氧濃度、銅锍品位較高,使得Fe3O4生成量較大。因此,在正常冶煉有結底存在的情況下,沉淀池底的溫度分布計算結果見表2。

表2 結底厚度不同的計算結果

4.1.2 爐底溫升監控

相比常規冶煉的閃速爐,高強度冶煉的閃速爐過熱程度更大,銅锍的溫度也更高,沉淀池底的溫度也相應升高,特別是反應塔下部的沉淀池爐底溫度。因此,為了沉淀池爐底的安全,設計時采用爐底風冷結構,如果爐底溫度過高,可對爐底進行強制通風冷卻。在閃速爐的實際操作時,采用測溫熱電偶監測爐底溫度的變化,對照表2 的計算結果,并結合檢尺的檢測,保持爐底結底在200 mm 左右,既可確保爐底耐火磚處于安全的工作狀態,又可防止爐底結底過高造成沉淀池存儲銅锍的容積減少,以及排渣時帶出銅。

4.2 冷卻元件漏水的監控

隨著國家應急管理部對安全生產要求越來越嚴格,加上高強度冶煉的閃速爐使用大量的銅水套,有必要對銅水套漏水的現象加以防控,以免發生重大生產安全事故。不僅需對各銅水套出水溫度進行監測、報警,還需對各冷卻元件進、出水流量進行監測,自動對比進、出水流量的差值與設定值,如超過限定值,則報警并快速切斷該冷卻元件回路的進水,防止大量的水漏入爐內,確保爐體的安全。

5 結論

面對側吹爐工藝的發展,增強冶煉能力是閃速爐占領冶煉設備市場的重要途徑。本文從設計角度對強化閃速爐冶煉能力進行了優化改進,具體包括以下幾方面。

1)改進閃速爐結構尺寸,以適應強化冶煉的需要。適當增加反應塔凈高,以適應高投料量;增加沉淀池內寬和凈高,保證煙氣流速設計在6 m/s 以下,減緩高溫煙氣的沖刷及煙塵產生率。

2)爐體采用新型水套+耐火磚結構。反應塔筒體采用鋸齒形水套+ 耐火磚結構,以適應煙氣的劇烈沖刷;沉淀池氣流區采用鋸齒形銅水套+耐火磚結構;上升煙道背風面也應設置水平水套;爐頂采用嵌入耐火磚的臥式鋸齒形水套結構,防止耐火磚脫落。

3)為確保高強度冶煉狀態下的爐體安全,還應考慮爐底溫度監控及冷卻原件漏水監控。

優化改進后的閃速爐可以達到反應塔熱強度2 000 MJ/m3h 以上、投料量230 t/h 以上的要求,而且運行平穩、安全可靠。