頂吹吹煉爐問題剖析與解決方案

袁精華

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司,江西南昌 330031)

0 引言

閃速爐工藝及側(cè)吹+頂吹工藝成為近階段的主流銅冶煉工藝,閃速爐工藝因其規(guī)模大的優(yōu)勢(shì)在市場(chǎng)占有率上遠(yuǎn)超其它工藝[1],而側(cè)吹+頂吹工藝則因其對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)、流程短、投資少、生產(chǎn)成本低等優(yōu)越性有后來者居上的趨勢(shì)[2-3]。2013 年,側(cè)吹+頂吹工藝投產(chǎn)的產(chǎn)能僅為100 kt/a,遠(yuǎn)落后于閃速爐工藝產(chǎn)能的400 kt/a,當(dāng)時(shí),某銅業(yè)公司前期初步設(shè)計(jì)階段采用側(cè)吹熔煉爐和轉(zhuǎn)爐吹煉的生產(chǎn)流程,設(shè)計(jì)規(guī)模為陰極銅200 kt/a。2016 年,該銅業(yè)公司最終初步設(shè)計(jì)階段采用側(cè)吹+頂吹工藝,并把產(chǎn)能提升到300 kt/a,熔煉工序配置1 臺(tái)44.4 m2的側(cè)吹熔煉爐,吹煉工序配置了1 臺(tái)55.45 m2頂吹吹煉爐。2017 年,在施工圖階段,最終確定側(cè)吹爐面積為50.4 m2、頂吹爐面積為65.7 m2,無論是側(cè)吹爐還是頂吹吹煉爐都是當(dāng)時(shí)世界上設(shè)計(jì)最大的,到目前為至,仍然是世界上投產(chǎn)最大的側(cè)吹爐和頂吹吹煉爐。2016 年,側(cè)吹+頂吹工藝投產(chǎn)的產(chǎn)能僅為150 kt/a,把側(cè)吹+頂吹工藝產(chǎn)能提升至300 kt/a,具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

1 出現(xiàn)的問題

2018 年,該銅業(yè)公司側(cè)吹爐與頂吹吹煉爐開始進(jìn)行施工安裝,在砌筑時(shí)頂吹吹煉爐爐底在爐子長(zhǎng)度方向的中心線位置出現(xiàn)了一條很大的縫隙,縫隙位于第一反拱工作層,是在兩環(huán)耐火磚之間,長(zhǎng)度幾乎覆蓋整個(gè)爐長(zhǎng),寬度約7～9 mm,最大處接近10 mm,縫隙最大寬度處位于吊裝孔下部區(qū)域,縫隙情況如圖1 所示。投產(chǎn)后,側(cè)吹爐運(yùn)行總體上基本正常,除爐體出現(xiàn)一些膨脹問題外,沒有出現(xiàn)較大的問題。但是,頂吹吹煉爐在投產(chǎn)初期位于爐子中心線第二反拱工作層下部的搗打料位置的爐底測(cè)溫點(diǎn)顯示溫度除個(gè)別顯示有問題外,大部分接近或者在900 ℃以上,后期有的測(cè)溫點(diǎn)甚至接近1 050 ℃,溫度顯示情況如圖2 所示,遠(yuǎn)高于600～700 ℃的正常值。在投產(chǎn)不到兩年時(shí)間則出現(xiàn)爐底第一反拱工作層的大量耐火磚漂浮在爐渣上部的重大問題,這種爐底反拱工作層大量耐火磚漂浮的現(xiàn)象在銅冶煉歷史上也是罕見的,如果處理得不果斷、及時(shí),則會(huì)造成爐子漏銅、跑銅的重大事故。鑒于此,頂吹吹煉爐不得不停產(chǎn)冷修,這也意味著爐子使用壽命大幅度縮短,不及正常使用壽命的一半。

圖1 爐底第一反拱工作層縫隙

圖2 爐底測(cè)點(diǎn)溫度

2 問題剖析

2.1 縫隙

爐底縫隙產(chǎn)生需要具備產(chǎn)生的條件和誘因。頂吹吹煉爐寬度方向爐底第一反拱工作層的拱腳磚與爐殼兩側(cè)各有100 mm 厚的搗打料,爐底第二反拱工作層沒有設(shè)置拱腳磚,且與爐殼各有200 mm 厚的搗打料,爐底第二反拱工作層下部采用搗打料制作成反拱形,最薄處也有130 mm,也就是說爐底反拱耐火磚周圍與下部存在大量的可壓縮的搗打料,如圖3 所示,這么厚的搗打料要搗密實(shí)是不容易做到的,這就為爐底縫隙的產(chǎn)生具備了條件。爐底縫隙是在砌筑爐墻過程中產(chǎn)生的,此時(shí)爐墻砌筑的高度達(dá)到700 mm 左右,爐底第一反拱工作層上堆滿了從吊裝孔吊下的一箱箱爐墻耐火磚,也就是說爐底承受了相當(dāng)大的重力,這為爐底縫隙的產(chǎn)生具備了誘因,這點(diǎn)也可以從縫隙寬度大小分布得到驗(yàn)證,縫隙最寬的地方集中在吊裝孔下部區(qū)域[4-5]。搗打料在重力作用下向兩側(cè)壓縮和向下壓縮沉降,向兩側(cè)壓縮時(shí)爐底反拱工作層弦的寬度變大,向下壓縮沉降時(shí)爐底工作層的反拱半徑變大,也導(dǎo)致反拱工作層弦的寬度變大,顯然,實(shí)際的弦寬度大于理論設(shè)計(jì)弦寬度,也就是說反拱工作層實(shí)際弧長(zhǎng)大于理論長(zhǎng)度,當(dāng)然會(huì)導(dǎo)致縫隙產(chǎn)生[6]。

圖3 原設(shè)計(jì)耐火材料結(jié)構(gòu)圖

2.2 爐底測(cè)點(diǎn)溫度高

位于爐子中心線第二反拱工作層下部的搗打料爐底測(cè)溫點(diǎn)處的理論溫度約610 ℃,實(shí)際溫度基本上在900～1 040 ℃,實(shí)際溫度比理論溫度超過290～430 ℃,溫度高出如此之多,爐底必有粗銅滲入,而且可以確定粗銅滲入量不在少數(shù)。當(dāng)時(shí)該銅業(yè)公司對(duì)前面提到的筑爐過程中出現(xiàn)的約10 mm 的縫隙非常重視,邀請(qǐng)了三家設(shè)計(jì)院對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行會(huì)診,會(huì)議也決定采取補(bǔ)救措施,不知出于何種考慮,后來并沒有實(shí)施。這就造成耐火磚受熱膨脹后并沒有把出現(xiàn)的縫隙完全閉合,因此,粗銅就會(huì)從沒有閉合的膨脹縫滲入爐底。由于粗銅的熱導(dǎo)熱率為134 W/(m·k-1),遠(yuǎn)高于900 ℃鎂鉻磚的1.65 W/(m·k-1),顯然會(huì)導(dǎo)致爐底測(cè)溫點(diǎn)的溫度大大高出正常值[7]。

2.3 爐底耐火磚漂浮

正常情況下,即使粗銅的7.9 t/m3的比重遠(yuǎn)大于鎂鉻質(zhì)耐火磚3.2 t/m3的比重而存在向上的浮力,爐底耐火磚也是不可能上浮的。因?yàn)闋t底為反拱狀,也就是說爐底耐火磚為楔形,即耐火磚為大小頭形,且小頭朝爐內(nèi),大頭朝爐外。出現(xiàn)爐底工作層耐火磚漂浮可以判定爐底工作層反拱的整體性已經(jīng)破壞,局部工作層耐火磚已經(jīng)松動(dòng)。松動(dòng)的原因則是由于前面提到的粗銅滲入,滲入的粗銅達(dá)到爐底第一反拱工作層與第二反拱工作層之間,粗銅就會(huì)給爐底第一反拱工作層一個(gè)向上推舉的力量,隨著粗銅的滲入量增加,這種推舉力越來越大,最終這種向上的推力與浮力的合力大于反拱向下的力量,耐火磚就會(huì)松動(dòng),直至耐火磚脫離反拱,進(jìn)入粗銅層,最后進(jìn)入爐渣層,因?yàn)闋t渣比重為3.5 m3,大于鎂鉻磚的比重3.2 t/m3,于是耐火磚就會(huì)上升至爐渣表面形成爐底耐火磚漂浮現(xiàn)象[8]。

當(dāng)然,粗銅滲入是造成爐底耐火磚漂浮的直接原因,究其本質(zhì)原因有二個(gè)。

其一:爐體結(jié)構(gòu)存在不合理。①爐體四周及爐底使用了大量的搗打料,而且厚度很厚,都在100 mm及以上,當(dāng)然,原設(shè)計(jì)思路是防止高溫熔體向爐外滲漏,起防滲作用,但是,搗打料施工需要遵循嚴(yán)格的規(guī)范,特別是工期緊的情況下,搗打料存在沒有搗密實(shí)的不確定性,這樣搗打料可壓縮性就很大;②第二層工作層沒有設(shè)置拱腳磚,該層穩(wěn)定性較差,近而削弱了整個(gè)爐底反拱穩(wěn)定性;③反拱設(shè)置不合理。爐底反拱不應(yīng)像附圖3 一樣伸入爐墻,因?yàn)榉垂霸跔t墻下部就會(huì)對(duì)爐墻有一個(gè)很大的向上推力,單靠約3 000 mm 高的爐墻耐火磚和銅水套的重量是不可能壓住反拱的,這樣就會(huì)破壞反拱的穩(wěn)定性,給爐體帶來風(fēng)險(xiǎn)。

其二:膨脹縫設(shè)置不恰當(dāng)。砌筑說明指出寬度方向每六塊磚1 張3 mm 膨脹紙,長(zhǎng)度方向每三塊磚1 張2 mm 膨脹紙,在考慮搗打料可壓縮的情況下,爐體寬度方向設(shè)置膨脹量偏大,而膨脹量留設(shè)過大,會(huì)導(dǎo)致縫隙過大,繼而造成粗銅滲入爐底[9]。

3 解決方案

3.1 縫隙的處理

筆者當(dāng)初也參加了問題的討論,因?yàn)榭紤]到搗打料的可壓縮性,經(jīng)過核算原設(shè)計(jì)膨脹量留設(shè)過大,那么大的縫隙不可能通過耐火磚受熱膨脹后閉合,筆者認(rèn)為縫隙必須處理,并建議采取以下方式處理:1)采用200 目以下的與耐火磚同材質(zhì)的干粉填料進(jìn)行填充并搗打密實(shí);2)填充后表面采用鋼板覆蓋加以保護(hù)。如果當(dāng)初通過這種方式處理,后續(xù)可以借用烘爐時(shí)機(jī),讓散狀填料經(jīng)高溫烘烤后固化在原縫隙處,與耐火磚形成一個(gè)整體,可有效防止粗銅通過此縫隙向爐底滲入,進(jìn)而避免爐底耐火磚漂浮的現(xiàn)象出現(xiàn)[10]。

3.2 爐體結(jié)構(gòu)完善

事實(shí)上,爐體結(jié)構(gòu)合理是爐子安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。通常情況下,無論是第一反拱工作層還是第二反拱工作層兩側(cè)都應(yīng)設(shè)置拱腳磚,以保證反拱的穩(wěn)定。拱腳磚與爐殼之間一般不宜設(shè)置可壓縮材料,即使為了防滲,搗打料也不應(yīng)設(shè)置過厚,一般控制在50～80 mm 之間。為了防止反拱沉降,第二反拱工作層下部的搗打料也不宜過厚,宜控制在80 mm 左右,并且,合理的爐底反拱設(shè)置不應(yīng)在爐墻下部,而應(yīng)在爐墻外側(cè),雖然這種結(jié)構(gòu)的反拱對(duì)拱腳磚也會(huì)對(duì)爐墻有一個(gè)向上的力,但這個(gè)力遠(yuǎn)小于把爐底反拱設(shè)置在爐墻下部的力,反拱大部分力通過反拱兩側(cè)的拱腳磚傳遞給強(qiáng)度非常高的爐體鋼結(jié)構(gòu),這樣就有利于反拱穩(wěn)定可靠,新耐火材料結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示[11]。

圖4 新耐火材料結(jié)構(gòu)圖

3.3 膨脹縫設(shè)置

要保證爐體安全穩(wěn)定地運(yùn)行,除爐體結(jié)構(gòu)要合理外,膨脹縫設(shè)置得恰當(dāng)也是非常關(guān)鍵的,膨脹的設(shè)置需根據(jù)供應(yīng)商耐火材料的膨脹系數(shù),并結(jié)合磚縫和搗打料厚度以及整個(gè)爐體的結(jié)構(gòu)形式采用集中和分散相結(jié)合的方式。

4 結(jié)語

側(cè)吹+頂吹銅冶煉工藝因具有多方面的優(yōu)勢(shì),特別是生產(chǎn)成本低,其在市場(chǎng)占有率會(huì)越來越高。隨著這種工藝的單套設(shè)備處理能力的加大,其規(guī)模效益帶來生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢(shì)將更加顯現(xiàn)。