浅论吉恩镍业澳斯麦特炉冷却水系统的设计及应用

韩永刚

(吉林吉恩镍业股份有限公司，吉林 磐石 132311)

浅论吉恩镍业澳斯麦特炉冷却水系统的设计及应用

韩永刚

(吉林吉恩镍业股份有限公司，吉林 磐石 132311)

本文详细阐述了吉恩镍业澳斯麦特熔炼炉冷却水系统的详细设计，以及该炉冷却系统在运行过程中出现的各种状况对澳斯麦特熔炼炉熔炼过程中产生的影响，以及如采取何针对性地进行应对措施，同时也根据冷去水系统现存在的实际情况，进行改进。

澳斯麦特熔炼炉；冷却水系统；设计及使用效果；改进措施

0 前言

吉恩镍业澳斯麦特熔炼炉系统是一套处理镍精矿267900 t/a(硫化矿249288 t/a、氧化矿18612 t/a)。达到产出46000 t/a低冰镍，187000 t/a渣(含Ni0.25%)、15000 t/a镍金属含量的系统。该系统的主体是一个内衬镁铬耐火材料的直立式钢容器，具有以下特征：

(1)炉底为倒拱。

(2)冷却板下面的炉底炉壁部分是采用钢水套进行水冷却的，炉底本身则是绝缘的。这样使炉壳温度可以与炉子基础的周边温度一致。

(3)圆筒壳体的下部炉壁部分使用水冷铜板冷却，设计成能够和熔渣熔池直接接触进行运行的形式。

图1 吉恩镍业澳斯麦特炉壳体示意图

澳斯麦特炉熔炼过程中熔体始终处于剧烈翻腾搅动状态，炉内温度熔炼阶段为1400 ℃渣线附近的耐火材料在熔炼过程中受到高温熔体的强烈冲刷，工作环境十分恶劣，使用寿命较短。设计要求，炉墙耐火材料的总厚度为460 mm，炉顶和过渡段耐火材料的厚度为100 mm。为保证炉壳钢结构不变形，延长内衬耐火材料的使用寿命，该炉型设计了一套冷却水循环系统，配置了冷、热水循环泵，对炉子钢结构外壳(包括余热锅炉的过渡段)采用钢水套、铜水套、密封块冷却，熔融混合物放出口采用铜水套冷却的方式，利用耐火材料表面形成的挂渣，保护耐火材料。本文结合吉恩镍业澳斯麦特炉的试车情况，对该炉型冷却系统的设计及使用效果进行初讨。

表1 澳炉壳体数据表

图2 吉恩镍业澳炉示意图

1 冷却水系统的构成及特点

吉恩镍业澳斯麦特炉的冷却水系统由外循环水系统、炉子本体(密封块、铜水套、钢水套、放出口)系统、高位水箱与澳炉本体外围部分管线系统三个部分组成。

1.1 冷却水循环系统

根据厂区合理布置。给、回水循环系统的设计采取了冷、热水池与泵组平行设计，冷、热水池顶上建装冷却塔的方式。泵房内配置了3台SLOW200-340(I)型双吸离心式热水泵、3台SLOW200-530(I)型双吸离心式冷水泵、1台SLOW200-530(I)型双吸离心式事故水泵、1台柴油机机组泵(缓建)。其中3台冷水泵及热水泵工作方式为2开一备。在主厂房▽47.2 m平台上设有1个300 m3(15000 mm×4000 mm×5200 mm)的高位水箱(该水箱与沉降电炉相关系统共用)。循环泵以总计1500 m3/h的流量将冷却水泵至高位水箱，箱内水靠自压从DN630 mm的下降管自流到▽14.00 m平台上对水量重新分配后(澳炉冷却水用量为382 m3/h)对炉子进行冷却。冷却炉子后的热水从▽5.70 m回水箱流到▽0.00 m处热水池，由热水泵泵到冷却塔进行冷却，冷却后的水自流到泵房底部冷水池，再泵至主厂房高位水箱，反复循环。为保证冷却水水质，该系统设计了一台型号为QLG-1600型纤维球处理器(处理能力为60 m3/h)，其主要目的是清除掉循环水中的纤维球、藻类物质。在水质保障上采取加注缓释阻垢剂的方法抑制水中的钙、镁离子的增加，同时依靠根据水中离子浓度的检测，采取定期排放水池中的水来达到目的。

1.2 澳炉本体冷却水系统

1.2.1 澳炉钢水套系统

本系统是澳炉本体的底部冷却系统，该系统有16块独立的焊接钢质水套构成。供水分管线由布置在▽14.00 m的澳炉主管线上的分水器供水，折向下层▽5.70 m处对钢水套构成环形供水管线，采取低供高回供水方式(将管线内的空气排出)。支管线通过环形管线上的与钢水套对应位置关系与钢水套通过DN25手动不锈钢(1Cr18Ni)阀门与钢水套之间采用不锈钢金属软管连接。为钢水套供水流量为38 m3/h。回水管线由16根DN25金属软管与分管线DN25钢质水管构成，回水全部进入到▽9.00 m层面的集水箱内，然后通过地下DN700管线回到熔炼循环水泵房内的热水池内。使用DN25金属软管的目的在于减少澳炉在喷枪搅动熔体时的震动对供、回水的影响。钢水套内部结构为折流板控制进水流动方向，钢水套夹层厚度为12 mm。其中R、C、L放出口处的钢水套为2层独立钢水套组成，它们之间的冷却水连接为1寸钢质水管连通。同时钢水套也是为了加强夹层水套的强度，也采用48块分区连体钢水套。根据16个供水点，每3块钢水套为1组，每组之间采用DN25金属软管连接。

1.2.2 澳炉铜水套系统

本系统由48块铜板水套构成(共分3层高6 m，每层2 m其中A层A型7块、B型5块、C型1块、G型2块、H型1块(型号根据铜水套内部管线排布走向而定)，B层C型8块、D型8块，C层E型8块、F型8块。所有铜水套均采用错口连接，并且每组铜水套均与澳炉壳体采用可调螺栓紧固。每组铜水套内部均采用双通道管线以保证澳炉内部处于熔池区域的热量通过每组铜水套散发出去保证澳炉的最大安全。该系统分供水管线布置在▽14.00 m的澳炉主供水分水器上供水，折向下层▽5.70m处对铜水套构成环形供水管线，采取低供高回供水方式(将管线内的空气排出)为铜水套供水。并根据铜水套所处位置与环形供水管线的对应关系，取32个DN40供水点，每个供水点与相对应的铜水套采用DN40金属软管与铜水套A层进行连接，并通过DN40不锈钢(1Cr18Ni)阀门进行水量控制。总供水流量为288 m3/h，保证32个铜水套供水通道均达到9 m3/h。回水管线由32根DN40金属软管与DN50支管线进行变径连接。回水全部通过磁流量计进入到▽8.50 m层面的集水箱内，在进入集水箱时在通过DN50管线变径为DN80管线，目的是在次减小回水阻力。然后通过地下DN700管线回到熔炼循环水泵房内的热水池内。

1.2.3 澳炉本体密封块系统

本系统由16块铜质密封块构成。设置密封块的目的在于考虑澳炉本体受热膨胀与余热锅炉部分的密封其中L型8块、K型8块。该密封块供水采用单通道。本系统总冷却水用量为25 m3/h，单组水量为6.25 m3/h该系统分供水管线布置在▽14.00 m的澳炉主供水管线分水器上通过磁流量计供水，在▽15.00 m处构成环形供水管线为密封块组供水，环形管线根据与密封块组的相对应关系采取4个DN40供水点，每4块密封块为1组，每块均采用DN40金属软管连接。回水管线由4根DN40金属软管与4根DN50碳钢管连接，回水通过磁流量计进入到▽8.50 m处集水箱内，在通过地下DN700管线进入到熔炼循环水泵房热水池内。

1.2.4 澳炉本体放出口系统

本系统共分左、中、右三组排放口，且每组排放口由内、外2层构成。本冷却系统由9块铜板水套构成，分别是左排放口内部为固定式型铜水套，该固定式水套排放孔为上下2个排放孔，外部由2组碳钢活动炉门分别镶嵌2块型铜水套。中间排放口内部为固定式型铜水套，该水套布置3个排放孔，即上部2个排放、下部1个进行紧急排放使用。右排放孔内部为固定式型铜水套，该固定式水套排放孔为上下2个排放孔，外部由2组碳钢活动炉门分别镶嵌2块型铜水套。以上左、中、右三组排放孔外部均采用活动炉门镶嵌铜水套与内部固定铜水套排放工作时水套排放孔镶嵌石墨衬套进行紧密接触(外部活动炉门与内部水套紧密接触时用，用偰铁进行夹紧)。同时排放孔所有内部固定水套均采用DN25双通道0#铜质水管进行冷却，外部水套均采用DN25单通道0#铜质水管进行冷却。水套冷却水供水来自布置在▽14.00 m的澳炉主供水管线分水器上通过磁流量计供水管线，本系统冷却水总用量为31 m3/h，其中内部中心流量为3 m3/h，左、右流量为2.5 m3/h该系统供水全部采用DN25金属软管与铜水套进行连接，回水同样也采用DN25金属软管与回水DN25碳钢金属管连接，回水通过磁流量计回到▽9.00 m处的集水箱内，在通过地下DN700管线进入到熔炼循环水泵房热水池内。

1.3 高位水箱与澳炉本体外围部分管线系统

1.3.1 水箱

澳炉冷却水系统与沉降电炉冷却水系统共用一个设计为300 m3的水箱。该水箱位于澳炉▽47.2 m层面处，实际有效容积为270 m3，水箱尺寸为(L×S×H)15 m×4 m×5 m，水箱材质为普通碳钢，水箱顶盖部分有DN108排气管两根，水箱内部有数根DN80管连接箱体防止水注满后发生箱板变形、突出。水箱内部有一根DN400溢流管、一根DN400排污管。水箱供水管线为两根DN400碳钢水管同时为水箱供水。

1.3.2 与澳炉冷却装置连接外部管线

从水箱底部接通一根DN630管线，该管线有一个DN630阀门控制水量，同时在DN630管线上接通两根DN530管线，其中一根为澳炉冷却系统供水，另一根为沉降电炉冷却系统供水。这两根分支管线均由2个DN500阀门控制水量。澳炉冷却水管线在▽47.2 m层面处水箱底部接通后，在▽14.00 m层面处形成最终端，建立一套分水器系统，该分水器在顶部形成为澳炉供水的三根独立供水管线(为澳炉钢水套、铜水套、密封块)，分水器下部有一根DN159的排污管，其目的是在为澳炉供水时清洗外部管线的污垢。

图3 水箱与澳炉连接管线示意图

2 运行情况及整改措施

2.1 冷试车运行情况

澳炉冷却水系统注水后，系统经过调整，水压完全达到0.354 MPa,经检查所有流量计运行数值指

标，大部分合格，只有部分存在问题。根据澳方设计要求铜水套流量必须达到9 m3/h要求。冷运行过程中出现多数螺纹连接管线连接处出现漏水现象。

2.1.1 分析没有达到运行指标原因

(1)机制弯头焊接问题。

(2)与铜水套连接处金属管径过小DN25。

(3)部分国产DN40不锈钢阀门质量缺陷，阀芯漏水。

2.1.2 分析螺纹连接管线连接处出现漏水现象原因

(1)管线螺纹接头过多，很难保证施工质量。

(2)按照南昌设计院图纸要求，现场环境部分连接处没有设置活接，一旦漏水，只能从头卸到尾。

(3)管线螺纹加工质量存在问题，公差过大。

2.1.3 整改措施

(1)机制焊接弯头由原来的电焊焊接改为氩弧焊焊接，这样增加管径焊接部位内部的光滑性，防止工业用水的污垢挂在焊瘤上减小管径横截面积，减小水量。改造后经过试水，在正常工作0.3545 MPa的压力下水量完全达到澳方要求。测试结果见表2。

表2 澳斯麦特炉中央控制室PCS数据

(2)铜水套连接处金属管径DN25过小，导致管径横截面积变小，无法达到运行流量要求，将DN25金属连接管改为DN40金属连接管，增大横截面积，加大运行流量。

(3)更换部分DN40不锈钢阀门。

(4)螺纹连接管线全部改为焊接接头，从源头杜绝管线漏水。

2.2 热试车运行情况

澳斯麦特炉熔炼过程中熔体始终处于剧烈翻腾搅动状态，炉内温度熔炼阶段为1400 ℃渣线附近的耐火材料在熔炼过程中受到高温熔体的巨烈机械冲刷，工作环境十分恶劣，导致耐火材料使用寿命较短。

2.2.1 喷枪位置编码器故障

当喷枪位置编码器发生不明故障时，喷枪自动由熔炼7#位(2500 mm以下)提自3#位(9000 mm)，此时渣线以上耐火砖由原来运行期间的1400 ℃高温突降至1000 ℃，期间喷枪完成系列动作，继续下枪至3#位(9000 mm)自动进行吹扫，导致渣线以上耐火砖1000 ℃高温继续突降达至700 ℃。另从余热锅炉上升段烟气温度测控数据分析喷枪提起后烟气温度变化，见表3。

表3 喷枪提出后烟气、热损失变化

此时导致耐火砖遭遇温度突变，而产生部分结构裂纹，熔体在渗透至裂纹深层后，由于耐火材料与熔体渗透层之间的热膨胀系数不同、材料内部温度梯度和熔渣粘度的影响，而导致耐火砖结构崩裂[1]，致使崩裂耐火砖随熔渣排至溜槽外，周而复始由于温度突变原因，致使澳炉铜水套B、C排区域耐火材料脱落，从上述及相关资料显示炉温巨变是耐火材料发生坏损的原因之一。澳炉铜水套B、C排区域耐火材料的脱落到第一次澳炉大修期间，耐火砖脱落高度为4800 mm,致使A排10组、14组最严重的排放孔铜水套耐火砖仅剩1200 mm高度，耐火砖呈直角梯形顶部尺寸为60 mm、底部为300 mm。从上述数据分析及相关资料显示喷枪运行时强烈的机械搅动也是耐火材料损坏的另一重要原因。

整改措施：查明喷枪位置编码器不明故障原因，避免无计划提枪，造成熔炉内部温度巨变，导致耐火材料发生损毁。

2.2.2 超低工作位运行

喷枪在熔池低于1500 mm处操作，铜水套排放口10组、14组温度升高急剧明显。

表4 夏季排放口与排放口对称组水套温度比较

以上10组、14组数据显示在这两个排放孔处水套温度较高，主要是基于喷枪在低熔池面下操作，致使排放孔处的金属熔体在排放时具有较高的温度及其剧烈机械冲刷，造成该处耐火砖磨损较为严重。

整改措施：(1)加大10、14组排放孔处的水流量致最大，控制相关部位的水流量达至均配值。(2)尽量使用泥炮开口机进行熔体排放，减少吹氧管烧口几率。可以有效控制耐火砖及石墨衬套的耗损。(3)减少喷枪在熔池低于1500 mm处操作，改为1800 mm熔池处操作。可有效避免该处铜水套温度过高。[2]

2.2.3 冷却水管线内部问题

澳炉冷却水所有DN40、DN25分支供水管线内部均存在污垢、淤泥现象。这些淤泥沉积物主要有：(1)补充水带入的无机盐类物质在冷却水系统中析出形成的水垢。(2)冷却设备表面由于腐蚀而产生的腐蚀产物- 铁的氧化物和氢氧化物。(3)由补充水带入的固体悬浮物- 泥沙、尘土、碎片等。(4)由于微生物在冷却水中大量繁殖而形成的生物粘泥。(5)生产过程中的物料。导致管道内部水流量明显降低，同时也导致水套传热能力下降，致使熔池内部温度偏高。

整改措施：(1)使用过程中，经常采用反复开关水管阀门，利用水的瞬间冲击力，冲击淤泥，提高水流量。(2)检修过程中，拆卸铜水套。采用物理、化学药剂浸垢、络合剂清洗：该方法是利用络合剂对各种成垢离子(Ca2+、Mg2+、Fe3+)的络合作用使之成为可溶性络合物。最后高压水泵清水清洗部分管路。

3 建议

(1)改善冷却水源头水质。使用化学水处理技术，保证澳炉冷却水水质。由于冷却水采用的只是经过一次净化的松花江支流辉发河地表水，而后该水进入5000 m3储水池进行储备，初步沉淀，进入到澳炉冷却水系统冷水池中在此进行沉淀。只是减少了较大颗粒进入到系统内部，并没有从根本上改变水源水质。

在循环冷却水系统中，由于循环冷却水不断循环使用，必然带来比直流水要严重得多的问题。其原因就在于冷却水在循环过程中，由于水温的升高、水流速的变化、水的不断蒸发以及由此引起的各种无机离子和有机物质的浓缩，冷却塔和凉水池在室外受到阳光照射、风吹雨淋、灰尘杂物的进入、设备结垢和材质等多种因素的相互作用，必然会造成较为严重的沉积物的附着、设备结垢和材质等多种因素的相互作用，必然会造成较为严重的沉积物的附着、设备的腐蚀和菌藻微生物大量滋生。澳炉针对现下状态可采用除盐水设备改变情况。

(2)考虑澳炉系统较大可能发生停电倒闸情况，270 m3水箱同时供应澳炉、电炉冷却水在最小负荷状态下最多维持11 min。

澳炉2010年5月曾经出现过停电倒闸情况，澳炉喷枪完全提起至1#位，同时电炉减小至最低负荷，高位水箱所有阀门减至最低维持流量11 min后，澳炉所有流量计全部报警，备用发电机组启动没有成功，被迫停止倒闸。柴油发电泵组应当安装，可以有效控制高位水箱水量。

4 结论

吉恩镍业的澳斯麦特炉的冷却水系统运行效果基本良好，但也存在部分问题，但基本上可以保证澳炉的运行。

(1)该冷却系统布局简洁，所有管线分布合理，利于设备检修，从该冷却系统PCS界面温度数据上可以直观地观察到炉内耐火砖的毁损情况，总体上是可行的。炉体周围温度低，环境好。

(2)冷却水质虽然采用缓蚀阻垢剂，控制水质在铜水套内部结垢。但是并没有改变水质质量，依旧存在管道内淤泥堵塞现象，致使水流量明显降低，而影响炉内耐火材料使用寿命。有必要进行水质源头改进。

(3)冷却塔在冬季运行时由于存在水蒸气问题，致使冷却塔与环境空气进行温度热交换时使冷却塔百叶窗结冰，影响澳炉冷却水进水温度。

(4)澳炉冷却水源需要备用水源，在当前状态下，澳炉储水设备无法进行清淤。

[1] 徐维忠.耐火材料[M].北京：冶金工业出版社，1991:59.

[2] 余经海.工业水处理技术(第二版)[M].北京：化学工业出版社，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

韩永刚(1971-)，男，吉林磐石人，助理工程师，大学本科，主要从事镍冶炼的生产筹建及运行管理工作。

TF806

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1003-8884(2014)03-0022-05