煙化爐銅鋼復合水套的開發(fā)與應用實踐

張殿彬，蔡 歡，趙紅梅，張得偉，王文杰

（1云南馳宏資源綜合利用有限公司，云南 655011；2云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖 655000）

煙化爐吹煉作業(yè)是將酸浸渣、還原爐渣和熔劑等加入煙化爐進行煙化吹煉。煙化爐是由爐底、一、二、三層水套組成的冶金爐窯，其吹煉的原料主要為鉛還原渣和鋅浸出渣。采用熱渣開爐時，需先從熱料口加入鉛還原渣，再逐步加入鋅浸出渣，在此過程中，高溫熔體自上而下進入煙化爐，不可避免會對爐底水套造成強烈的沖擊；此外，在正常的生產(chǎn)過程中，從加完冷料至達到最佳吹煉溫度間的溫差，通常在400℃～500℃之間，致使爐底水套長期處于熱脹冷縮的不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，煙化爐爐底水套變形、腐蝕嚴重，導致水套使用壽命較短，煙化爐作業(yè)率降低。

目前，煙化爐大多用內襯高溫耐火材料的鋼結構水套，其傳熱性和抗變形能力都不及純銅水套；但采用純銅水套又存在耐磨性和剛性不夠、變形后無法修復、造價過高等問題。公開的一種連續(xù)煙化爐隔墻銅水套[1]，包括銅平板體和預埋于其內的雙層直通式銅管，銅平板體的底部開設有渣流通道、所有與熔體接觸的工作面上布置有突臺，突臺之間用耐火搗打料填充平整。每層銅管內的冷卻水分別快速冷卻銅平板體兩側的熔體，提高冷卻效率，使銅水套的兩側均能經(jīng)受高溫熔體的強烈沖刷，滿足連續(xù)煙化工藝的要求。銅平板體側面的突臺提高了銅水套的換熱效率，銅水套底部渣流通道工作面上的突臺提高了掛渣覆蓋率。突臺的設置還有利于本水套與其它水套結合處的拼裝。突臺之間采用耐火搗打料填充，可以使熔渣與銅水套工作面的結合性更強，掛渣粘結得更牢固。公開的一種煙化爐雙層水冷爐底水套[2]，由原來的一層水套設置成雙層水套結構，煙化爐主體水套設立在兩層水套之上，實現(xiàn)了煙化爐爐底的雙層保護，延長了水套使用壽命至10～12個月，使爐底水套的更換周期與年度設備大檢修同步，一定程度上提高了經(jīng)濟效益，但是水套使用壽命依然偏短，制約煙化爐作業(yè)率，增大檢修成本。現(xiàn)已公開的一種爐窯水冷壁[3]和一種鋼銅鋼組合式復合冶煉爐冷卻壁[4]，雖然采用的是雙層或者三層結構的復合材料，但其結構及水冷方式多應用于高爐，不能完全適用于煙化爐爐底水套的工況條件。

某公司此次改造的煙化爐2004年投產(chǎn)，投產(chǎn)時所使用的20G鋼質箱式水套，水套內板為平板式，使用壽命平均只有3個月左右。通過多次試驗改造，將水套材質由20G改為15CrMo、水套內板由平板改為波紋板，水套內表面設計掛渣釘，內板提前澆灌鋼纖維耐火澆注料等。水套使用壽命使有所提高，15CrMo波紋鋼水套使用壽命提高到5個月，但還是無法很好的滿足生產(chǎn)要求。據(jù)統(tǒng)計，2014至2016年期間，1#煙化爐平均每年檢修更換水套用時508小時，約22天，材料施工費用約136萬元，煙化爐水套平均使用壽命僅4個月，再加上每年停爐配合關聯(lián)工段設備檢修，以及發(fā)生非計劃停爐等，煙化爐實際作業(yè)率僅在88%左右。為提升煙化爐水套使用壽命，提高煙化爐作業(yè)率，開展了提升煙化爐水套壽命的研究、實驗與技術改造，研究成果以期達到延長水套使用壽命，提高煙化爐作業(yè)率的目的。

1 銅鋼復合材料制備技術

爆炸復合法、軋制復合法及擴散復合法是最常應用的幾種制備方法。其中，爆炸復合法是指利用在待復合金屬上的炸藥爆炸瞬間產(chǎn)生的超強沖擊力，使得兩金屬板在瞬間產(chǎn)生高速碰撞，暴露出的新鮮干凈金屬表面形成了直接接觸結合形成復合材料的工藝,其示意圖如圖1所示。

圖1 爆炸復合示意圖

銅/鋼金屬復合材料是將銅和鋼兩種金屬材料利用其各自的性能優(yōu)勢進行分層組合而形成的一類金屬材料。材料經(jīng)過復合后可以克服兩種金屬各自的缺點，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，復合后的特殊性能延長部件的使用壽命，提高綜合經(jīng)濟效益。銅具有優(yōu)異的延伸性和優(yōu)良的導電、導熱性，然而，銅的強度較低，使用時易變形，其價格昂貴。鋼材的價格低且強度高，與銅復合后可以充分發(fā)揮銅的使用特性，且強度大幅提高，銅/鋼復合材料具有優(yōu)良的綜合力學性能，有很好的經(jīng)濟效益。

2 煙化爐銅鋼復合水套的研究與應用

2.1 煙化爐銅鋼復合爐底水套的研究

本研究旨在開發(fā)一種耐沖擊、耐腐蝕、傳熱性強、冷卻能力強且造價低的雙層水冷式煙化爐銅鋼復合爐底水套，有效延長煙化爐爐底水套使用壽命，提高煙化爐作業(yè)率，同時有效控制制造費用，針對煙化爐從開爐到正常生產(chǎn)過程中存在的對爐底沖擊嚴重、溫度周期性波動大等問題，具有較高的實用性。

雙層水冷式煙化爐銅鋼復合爐底水套包括耐磨層、傳熱層、傳熱層冷卻水通道、傳熱層冷卻水進出水管、水道蓋、背覆層、加強筋、背覆層冷卻水通道、背覆層冷卻水進出水管，耐磨層、傳熱層、背覆層由上至下依次安裝，傳熱層下表面設有的凹槽為冷卻水通道，并附有水道蓋，水道蓋與傳熱層冷卻水進出水管設置在同一側，背覆層為箱體，其內設置的加強筋形成冷卻水通道，背覆層冷卻水進出水管設置在傳熱層冷卻水進出水管的對側。

耐磨層厚度與水套受沖刷的程度有關，厚度為0～8mm；傳熱層厚度為70mm～90mm，冷卻水通道為20mm～30mm深的凹槽，水道蓋厚度為20mm；背覆層為厚度170mm～200mm的箱體，加強筋厚度為40mm；耐磨層為0Cr18Ni9不銹鋼，傳熱層為T2銅，背覆層為Q235B鋼，圖2為爐底銅鋼復合水套的主視剖視圖；圖3為爐底銅鋼復合水套的俯視圖。圖4為煙化爐爐底銅鋼復合水套實物圖。

圖2 爐底銅鋼復合水套的主視剖視圖

圖3 爐底銅鋼復合水套的俯視圖

圖4 煙化爐爐底銅鋼復合水套實物圖

該雙層水冷式煙化爐銅鋼復合爐底水套，具有較高的實用性，可有效增加工作效率，具體優(yōu)點如下所述。

（1）在開爐時熱渣直接沖擊到的爐底水套上設一層不銹鋼耐磨層，增強水套耐磨性，延長爐底水套使用壽命；

（2）采用水冷銅層作為傳熱層，傳熱效果更好；

（3）采用水冷鋼質箱體作為背覆層，水套剛性大大提高，同時減少了純銅的使用量，降低了制造費用；

（4）采用雙層水冷結構，在水套性能較好時，可僅通銅層冷卻水或鋼層冷卻水；在水套使用一段時間性能有所下降后，可同時通入銅層冷卻水和鋼層冷卻水；甚至在水套使用相當長時間導致銅層受損漏水后，也可以暫時僅用鋼層水冷，為煙化爐計劃停爐爭取時間，降低安全隱患。

2.2 煙化爐爐體銅鋼復合水套的研究

銅鋼復合水套制作流程為：預先采用機加工的方式在銅板上加工出冷卻水流道，再將銅板與鋼板進行爆炸復合，形成一側銅板一側鋼板中間冷卻水套結構，銅板側與熔渣接觸。在銅鋼復合水套內側設計燕尾槽，燕尾槽結構有利于熔渣掛渣，在水套表面形成一層渣皮，對水套起到保護作用。銅鋼復合水套外側是鋼板，兩塊水套之間密封采用電弧焊密封及連接，并用連接耳進行連接加固，爐體整體用腰箍進行加固。圖5、圖6所示分別為煙化爐銅鋼復合水套成品圖和水套冷卻水通道。

圖5 銅鋼復合水套成品

圖6 冷卻水通道

2.3 煙化爐銅鋼復合水套的應用

2018年，某公司開展煙化爐銅鋼復合水套研究項目。銅鋼復合水套設計時參考現(xiàn)有鋼水套尺寸，對部分水套外形尺寸進行優(yōu)化調整，其中將二層后端部水套由2塊改為3塊，改造后尺寸與二層側水套相同，實現(xiàn)了兩者之間的通用。圖7所示為煙化爐銅鋼水套三維圖。

圖7 煙化爐銅鋼水套三維圖

將兩臺煙化爐的鋼質水套全部替換為銅鋼復合水套，包含爐底、一層、二層、三層渣口、冷料口、熱料口水套，單臺56塊，兩臺煙化爐共計112塊。

鋼材和銅材的導熱率不一樣，受熱面積相同的情況下，所需的冷卻水量是不一樣的，為確保技改后銅鋼復合水套能夠得到合理冷卻，就必須提高循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻能力，本項目對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)也進行了改造，具體改造內容：拆除現(xiàn)有熱水泵、冷水泵后，更換上2臺1600m3/h熱水泵和3臺1100m3/h冷水泵；鋪設DN400給水管道至煙化爐，重新鋪設DN600自然回水管，并將消防水接入給水管應急；拆除原有冷卻塔，更換上2臺750m3/h閉式冷卻塔；各水泵閥門開關啟停遠程控制，信號引入煙化爐主控室，各水泵閥門之間相互連鎖，應對各種突發(fā)事故。

2018年底，完成了煙化爐銅鋼復合水套的組裝，將兩臺煙化爐鋼水套全部替換為銅鋼復合水套，同時對配套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進行了改造。項目完成后，緊接著對銅鋼復合水套的應用進行了一些列探索，將水套冷卻水主管流量調整為1780m3/h左右（單臺890m3/h），水套進水溫度45℃，回水溫度52℃，溫差在6℃～9℃。圖8所示為銅鋼復合水套安裝。

圖8 所示為銅鋼復合水套安裝

截止到2021年7月，銅鋼復合水套已累計使用了31個月，銅鋼復合水套本體幾乎無變形，外觀良好；水套內壁燕尾槽掛渣能力非常強，刮渣均勻且厚度為2cm～5cm，對水套內壁起到了很好的保護作用；水套內外表面均未發(fā)現(xiàn)開裂，冷水套流道內無明顯結垢，水套縫未曾發(fā)生過跑渣的情況。圖9所示為銅鋼復合水套使用情況。

圖9 銅鋼復合水套使用情況

銅鋼復合水套兼具了銅水套和鋼水套的優(yōu)點，抵抗變形、破壞的能力非常強，外部可進行焊接密封避免跑渣，煙化爐自銅鋼復合水套改造后，水套未發(fā)生變形、開裂、通孔等情形而導致停爐。

煙化爐改銅鋼復合水套后，煙化爐作業(yè)率和渣物料處理量等經(jīng)濟指標大幅提升，煙化爐作業(yè)率由88.48%提高到97.48%，渣物料處理量由95541t/a提高到134044t/a，水淬渣含鋅由2.8%降至2.37%，含銀由153.58g/t降至41.23g/t，煙塵含硫由6.5%降至4.88%，為煙化爐高效生產(chǎn)提供了強有力的保障。

3 結論

（1）煙化爐銅鋼復合爐底水套爆炸復合法制備，包括鋼質耐磨層，銅材傳熱層和冷卻水通道，兼具銅、鋼優(yōu)異性能；

（2）煙化爐銅鋼復合爐體水套內側為銅層，外層為鋼板，內設冷卻水通道，水套之間采用焊接密封，外加螺栓緊固。

（3）煙化爐銅鋼復合水套應用之后，各項經(jīng)濟技術指標大幅提高，煙化爐作業(yè)率由88.48%提高到97.48%，渣物料處理量由95541t/a提高到134044t/a，水淬渣含鋅由2.8%降至2.37%，含銀由153.58g/t降至41.23g/t，煙塵含硫由6.5%降至4.88%。