SCR炉铸区LPG系统装备设计及关键技术研究

张伟旗(江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)

SCR炉铸区LPG系统装备设计及关键技术研究

张伟旗
(江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)

通过长期的生产实践探索，成功解决了炉铸区LPG系统设计缺陷制约SCR连铸连轧铜杆生产线的技术“瓶颈”及同类型生产线熔铸的“核心”问题。针对该LPG系统持续进行技术装备设计创新、运行优化及关键技术研究，竖炉“卡炉”、烧嘴“回火”现象大幅减少，铜液温度稳定，氧含量波动小，竖炉损耗小、炉龄长，成本能耗水平高，完全能满足国内外客户对高端铜细线及超微线的特殊需求，对国内外同行业具有良好的推广前景和应用价值。

SCR炉铸区；LPG系统技术装备；设计创新；运行优化；高端铜线；成本能耗水平

0　前言

LPG（Liquifi ed Petroleum Gas）液化石油气是能源结构中的重要组成部分。随着我国对环境保护、高效清洁能源开发和应用的重视，且因其输送、运输、储存等灵活方便，LPG应用领域得以进一步拓展，其使用深度和广度正逐步延伸，将在供热、采暖、空调、农业、野外休闲娱乐等领域得到广泛青睐。其作为清洁燃料正在家庭生活用气方面、车用燃料方面稳步快速增长，特别是其作为工业燃料将实现重大的飞跃，既降低了CO、烃类和悬浮颗粒物的排放，又能促使能源结构趋向优质化，能源消费趋势更多元化、清洁化、高效化，极大地缓和了我国石油资源不足的矛盾，市场发展潜力巨大。

江西铜业集团铜材有限公司分别于2003、2006年从美国SOUTHWIRE公司引进SCR3000、SCR4500两条连铸连轧生产线，其炉铸区LPG系统主要为生产线提供工作用气和系统控制用风，势必关系到铜液铸造、结晶锭坯的质量好坏，将影响到铜杆后序加工质量，甚至最终产品质量［1］。然而，尽管其技术装备水平已居世界领先地位，工艺成熟，但由于原LPG系统存在设计缺陷，易导致竖炉“卡炉”、烧嘴“回火”现象的发生，铜液温度难以控制，氧含量波动大，铸锭夹杂多，产品投诉多，使得其设备综合效能和规模效益得不到充分体现和发挥，因而成为生产技术的“瓶颈”。

1　LPG系统设计原理及其主要功用

1.1LPG系统设计原理

SCR熔炼过程属于逆流方式作业。其炉铸区主要由竖炉（熔化炉）、上下溜槽、回转式保持炉、中间包、预热浇包、燃烧空气系统、燃料系统、气体混合及燃烧系统、CO监测分析系统及浇注机系统等部分组成。其使用一套类似的燃烧燃料系统，通过一台送风机向系统提供燃烧空气，使用了预混合气类的烧嘴和以丙烷、丁烷为主要成分的液化石油气混合物LPG。南线竖炉由一台带有远程输入/输出端口的PLC来控制整个燃烧过程。

其CO检测分析系统主要由取样单元、燃烧单元、预处理单元、CO分析仪及PLC电气控制单元等构成。两套系统分别用于生产控制和对比监测，可自动或手动控制且与人机界面软件包相结合，能在线观测设备作业时的工况，及时发现生产过程中系统故障，最大限度地减少铜液氧含量的波动。一旦燃气压力异常、燃烧故障或电气设备故障时，其安全装置会自动切断燃气的供应。

1.2LPG系统主要功用

LPG系统主要用于竖炉中熔化阴极铜、保持炉中铜液静置和保温、上下溜槽的加热、中间包和浇铸口加热及中间包预热等。而LPG属高压、易燃、易爆危险品，因生产工艺和操作条件不同，其组分也不尽相同，主要有丙烷（超过95%）、丁烷、丙烯及丁烯等，若液态LPG泄漏至大气中，1 m3液态LPG极易气化为250～300 m3气态LPG，因添加有强烈的气味剂乙硫醇，泄漏时容易被发觉。

与其他燃料比较，其具有许多独特优点：发热值高，热质稳定，无燃炉产物，竖炉熔化速度快且均匀，炉温波动小；预热速度快，生产效率高；易调整控制竖炉、上下溜槽及中间包铜液氧含量；压力稳定，炉前压力不变，使用便利；烘烤钢带和SPOUT采用面加热，寿命长［2］；燃烧充分，无粉尘、污染少，节能环保，成本能耗低；储存设备简单，着火点比汽油高等。其具有气化性、受热膨胀性、滞留性、带电性、腐蚀性、窒息性及易燃易爆性等特点，主要质量控制指标为蒸发残余物、硫含量及烯烃含量等。

2　LPG的燃烧机理及其主要危害

（1）LPG燃料的主要危害是含焦油量高、极易燃，具有麻醉性，对环境有危害，对水体、土壤和大气可造成污染；

（2）其极易堵塞CO分析仪取样器后段、气体过滤器及取样探头内孔，造成氧含量调整不稳，数据分析不准确，质量难以保证；

（3）其脱水、脱硫处理不当时，硫化物易腐蚀储罐、管道及阀门等；

（4）其未充分燃烧时，会产生有害气体CO，使人感到头痛、头晕，甚至窒息，碳氢化合物HC的味道会令人感到恶心；

（5）其气态比空气重1.5～2.0倍，泄漏后会沿地面扩散，易滞留集聚于地面的空隙、下水管道等低洼处，风难吹散，挥发性极强，燃烧范围比汽油更宽广，火灾危险性增大；

（6）其着火点比其他燃料低，约430～460 ℃，爆炸极限较窄约1.5%～9.5%，爆炸下限比其他燃气低，易产生燃烧爆炸，或泄漏后直接喷火燃烧，或过热蒸发气化燃烧，或与空气混合遇火产生蒸汽云爆炸。而由火灾引起的热辐射，爆炸形成的超压威力大，破坏性大，易导致人员伤亡和设备损毁；

（7）其膨胀系数大，比水轻，易产生静电，作业中极易产生跑、冒、滴、漏等现象，若密闭状态下的LPG容器出现“满液”状况时，伴随着温度的升高，即可引发超压爆炸。

3　LPG系统技术装备设计创新及优化

3.1竖炉燃烧方式创新及其工艺优化

SCR3000竖炉原设计电铜投料零乱，因SCR竖炉内电铜在烧嘴处的熔化状态呈“笔尖状”，各层火力变化未及时随阴极铜量的变化而调整时，各区域熔化速度会产生不同步。当电铜直径大于过渡区直径时，易悬挂在径缩过渡区的耐火材料上，且竖炉燃烧方式采用火力上小下大的“正三角形法”单一操作法（或称梯形法），不能适应所有状况，易发生“卡炉”、烧嘴“回火”现象，致使竖炉内耐火材料受到严重撞击，损耗大、炉龄快速下降。此外，还易产生高温铜液、氧含量波动大等不利因素，严重影响铜杆质量，且会因熔化速度大幅下降迫使浇铸速度下降，甚至导致停铸，难以满足安全生产的需求。

通过长期实践探索，新设计优化了燃烧工艺，可依据炉况的不同，灵活地采用不同的燃烧操作方法，如月检修后的上旬较多使用火力中间小、两头大的“哑铃式”操作法，中旬采用“三角形”操作法，下旬或“卡炉”时采用“倒三角形”操作法或混合操作法，且要求竖炉出铜口处A层红色复合管的火力猛，始终大于背面的蓝色复合管火力。改进后，“卡炉”、烧嘴“回火”现象大幅减少，确保了竖炉出铜口铜液温度足够，且畅通无阻，可大大改善因熔化速度大幅下降迫使浇铸速度下降，甚至导致停铸的现象，竖炉损耗小、铜杆质量好、系统安全可靠。

3.2新型环保节能烧嘴组件的研发

竖炉采用特殊的、高速燃烧烧嘴，它是一个独立组件，也是易损件，其主要用途是可根据不同的设定值产生稳定的、高速度的火焰。但因原SCR3000烧嘴结构设计不合理，烧嘴喷出的燃烧火焰呈直线式且集中于局部，燃烧不充分、热效率低，氧含量波动大，噪音大，竖炉能耗损失大，且会因断裂的铜原料、铜液、飞溅铜渣、破碎的耐火材料或来自堵塞出铜口的铜液倒灌导致部分或完全堵塞，易导致烧嘴“回火”。

新设计在对数值模拟的基础上，开发出一种新型环保节能烧嘴，SCR4500竖炉与SCR3000竖炉相比，烧嘴数量由19个增设至23个，含新增紫色4个烧嘴，其特殊之处是B、C层喷嘴设计呈最新的旋转式，拥有一个螺旋顶起的锥形孔和法兰连接端，喷头内径改大，改变了火焰的特征和长度，燃烧火焰呈螺旋式，火力更猛烈且聚集于几个点，从出铜口快速地喷出，相应加大了A、B层火力，宜调小B层火力，与A、C层火力相适应，使各层熔化速度保持基本同步。

新设计环保节能烧嘴熔铜流量更大，燃烧完全、热效率高，氧含量波动小，噪音小，“卡炉”现象少，竖炉损耗和能耗损失小，不易堵塞，能有效地控制竖炉出口铜液温度和中间包铜液温度，对铸锭质量和铜杆质量极为有利，但会引发一系列的新问题接踵而至，如上流槽嘴处铜液飞溅、渣箱寿命短、防爆膜爆炸频繁停机、烧嘴水套更换频繁等。现针对该技术装备的二次创新也已完成。

新设计双层壁水冷烧嘴管组合件，可防止管道变热，能使安全防爆膜将火焰反弹回喷嘴，可进一步防止燃气在管道内被点燃和保持燃烧；为防烧嘴内腔冷却水套鼓包，可改进工艺水管，宜将回水管全部换成不锈钢，极少发生烧嘴冷却水套鼓包现象，可有效地减少回火对烧嘴冷却水套的破坏。

3.3中间包烘烤装备设计创新及优化

由于原中间包烘烤装备设计不合理，仅在中间包盖板中部的上方设置一个烘烤烧嘴，燃烧火力较小且不均，不能覆盖整个中间包，烘烤质量较差，易导致铜液的二次氧化加剧。若浇注温度较高时，因烟灰的表面附着力低，易被铜液冲刷而脱落，则根本起不到相应的作用，甚至导致铸坯夹杂［3］，热效率低，能耗损失大，成本能耗高。此外，为应对铸轮裂纹、钢带裂纹、停水、停电、停气等突发事故，便于临时安排更换系统，预热区随时备有两个预热状态的中间包，液化气浪费大，成本能耗高。

新设计在对数值模拟的基础上，通过三通和不锈钢波纹伸缩管在中间包盖板中轴线上方配置两个烘烤烧嘴，烘烤火力较大，能覆盖整个中间包，烘烤质量更好，可降低铜液二次氧化，减少铸坯夹杂物，对控制中间包铜液质量极为有利，热效率高，能耗损失小，生产成本低。因燃烧时间缩短，有利于现场异常生产的计划编排，完全能满足不同熔炼工艺的需求。而仅在预热区保持一个预热状态中间包，另一个则在换系统前2～3 h点火升温以备用，相当于减少一个中间包预热，铜杆液化气吨单耗同比下降3.13%，年可创收160万元以上。同时，宜通过优化技术参数，将各区域CO设定值整体下降，可大幅减少LPG用量，节能降耗显著。

3.4新CO监测分析系统的研发

在不同的燃气条件下，CO监测分析系统的效果却迥异，若使用天然气，系统则运行稳定；若使用液化气，因原设计样气处理单元无法很好地适应液化气水分大、残液多及杂质多等腐蚀干扰的严重影响，在现场应用过程中，样气严重带水，易产生CO分析仪进水、管路堵塞、检测值波动大、铜液氧含量波动大、传感器和关键零部件故障率高、无配件供应及铜杆质量差等问题。

新型CO检测分析系统通过优化设计预处理部件，将原设计半导体制冷器+二次凝结水过滤器脱水模式，改进为采用4套压缩机制冷的EG系列除湿器+蠕动泵（冷干法强制脱水模式），可防止样气水分进入分析仪、凝结水过滤器堵塞，其脱水可靠性强、冷凝效果好、温控精度高。采用维护便利的国际先进红外传感元件，替代原5台罗斯蒙特880A红外传感元件，且在传感元件前增设一道过滤器，可阻挡杂物的混入。

为适应实际工况，可优选耐腐蚀测量元件，提高仪器允许工作环境温度0～50 ℃，增强仪器自诊断和自保护功能。取消二级过滤器中的干燥棉，采用疏水性更好、过滤精度为0.3 μm的复合滤芯来替代，过滤面积增大，过滤阻力减小，滤芯更换由每班一次改为每月一次，分析检测响应速度有所提高，平均速度≤30 s。新系统对LPG质量要求较低、适应性强，为充分体现人性化管理，采用基于多种语言用户接口的微处理器，汉化了操作界面（触摸屏、中文操作菜单），员工熟练掌握快，氧含量可得到有效的控制。

3.5新增下流槽增氧通道设计创新

原设计SCR竖炉熔化铜液流量大，且下流槽CO设定值参照皆为正值，主要是起调节氧含量、形成还原性气氛及保护下流槽耐火材料的作用。但生产过程中，下流槽内会产生大量飞溅的冷铜覆盖于铜液表面上，下流槽易因冷铜覆盖堵塞，不得不提前更换，必须将下流槽增氧风管开至较大，由于风与铜液被隔绝，造成铜液无法增氧或断锭现象。而新设计是将整个下流槽6个烧嘴皆改进为增氧通道，将CO值调零，LPG气氛由富余变得稀薄，燃烧充分、热量充足，避免了因增氧风管造成的冷铜飞溅，可提高铜液温度，增氧效果均匀、显著，且节能环保，创新后可大幅提升下流槽使用寿命。

3.6LPG数据采集与监控系统设计创新

原设计缺LPG系统全线运行参数采集与监控系统，其输送管道多、线路长，泄漏控制点多，能源浪费严重，安全隐患较大。为对LPG数据采集与监控系统的设计、开发提供必要的理论支持，分别测试研究了不同工况下LPG燃烧的示功图，计算分析了LPG燃烧过程中的压力、压力升高率、累计放热量、放热速率等影响燃烧的主要参数等。

新设计基于计算机与微处理机的基础上，利用现代网络通信技术设计了一套符合实时监控和防爆要求的监控与数据采集系统即SCAD（Asupervisory Control and Data Acquisition），对LPG系统全线实现优化运行控制、管道泄漏在线检测和故障预测等。其主要任务是收集处理、显示记录LPG管道系统的运行状态和工艺参数；按输送计划、动态工况分析结果，选择最优运行方案；根据选择的最优运行方案，生产调度人员迅速、准确地下达具体操作指令，开、关阀门和启、停相应设备；预测、分析和处理事故等，确保LPG系统的安全高效和低耗环保运行。

3.7安全防爆预警装置设计创新

竖炉烧嘴“回火”的危害极大，安全防爆膜是第二道防回火安全屏障，对确保竖炉的安全顺行极为关键。为进一步改进安全操作法，在每个火焰安全防爆膜处新增设新型热电偶，以实现短距离报警，温度达到设定值时，将自动关闭炉子区域；否则，一旦发生回火，报警设备失灵时，将造成重大安全设备事故。因此，采用安全的操作工艺和维持该热电偶最长的构件寿命极为重要。

3.8TORCH枪的设计创新及优化

压轮内侧冷铜的堆积隐患较多，如导致压轮受压偏移产生漏铜，铸锭局部得不到补充而形成缩孔；冷铜落入熔池，易导致铸锭组织疏松、杂质及夹渣等缺陷；内侧冷铜堆积过高时，易磨损铸轮，甚至造成停铸等，严重影响生产的顺行。而TORCH枪原设计不合理，枪管设计较短且枪管角度不佳，在线清理熔池内侧冷铜较难，为保证产品的高质量，传统做法是手持火炬枪站着烧冷铜，既清理不干净，又存在严重的安全隐患。

新设计为体现人性化设计理念，在未改变原有安装方式前提下，将TORCH枪管加长且优化设计了枪管角度，改进了支架摆放，新TORCH枪管安装、操作简便，可直角转换角度，勿需人工把持，清理压轮夹角冷铜和中间包底冷铜干净彻底，清理效果好，避免了因冷铜卡磨对铸轮运行带来的生产隐患，及因冷铜堆积落入熔池带来的质量隐患，劳动强度低，可确保人身设备安全。

3.9工艺管网安全设计创新及优化

针对LPG输送管道线路和布局重新进行设计创新及优化，如新增适当数量的膨胀节，以充分考虑到温度变化时管道有伸展或收缩余地；配管长度应以最小的压降为准则，且考虑管道系统流量分配的均衡性；工艺管网应尽量避免起伏设计和弯头，以防管道排气难、弯头处气化；优选传输离心泵，可避免频繁排气浪费LPG资源，杜绝安全隐患；从安全和实际应用的角度考量，应避免在储罐底部设置人孔；由于LPG膨胀系数高，管道易爆裂，应尽量避免LPG输送管道处于“满液”状态，以免发生管道破裂或泄漏事故，且制订了LPG堵漏应急安全预案。一旦发生泄漏事故或LPG与空气形成爆炸性混合物，应立即启动应急预案，并据泄漏的严重程度，设立警戒区，控制点火源。

3.10竖炉进口气体混合器设计创新

2012年7-8月份，贵冶LPG供气站切换储气罐，SCR4500生产线LPG系统出现带液硫化物、水油及杂质等，LPG浓度变化大，造成25个班次氧含量波动大、持续时间长等状况，主要表现为忽上忽下型、长时间偏高型、突然波动型及无明显规律型等。通过两台CO分析仪进行分析和对比，分析曲线已产生偏移，CO数据显示失真，易给出虚假信号，打乱了各点平衡位，导致铜杆含氧量的超标。新设计在竖炉进口复合管气体混合器前，在其底部新增“U”型钢管和手动排污阀加以控制，以利于杂质的沉积及排除，且每天必须加强对LPG调压柜、仪表、阀门、工艺管网等各易漏点的点检、巡查、排油污及排液处理，以确保LPG管路蒸汽的正常加热，及时排除系统的安全隐患。

4　结语

光亮铜线杆连铸连轧技术和机列是铜加工材连续化生产的最成功范例［4］，对铜杆产量和质量至关重要。而影响SCR炉铸区LPG系统的因素很多，持续加强对其进行技术装备设计创新、优化运行及关键技术研究，十分重要。目前，江铜突破了外方对SCR铜杆生产线核心技术的垄断和长期实施的技术封锁，铜杆年产能已突破每年40万t大关，大于原设计每年37万t，且性能和质量优越，完全能满足拉制高端铜细线、超微细线产品的特殊技术要求，成本能耗水平高，现已得到外方的高度评价及反借鉴，对国内外同行业具有良好的推广前景和应用价值。

［1］ 张伟旗.SCR铸轮技术装备创新与机械故障的控制［J］.特种铸造及有色合金，2012，32（3）：274-276.

［2］ 赵大军，介要奇.SCR连铸连轧生产线液化气加热改造实践［J］.有色设备，2009（1）：39-42.

［3］ 居敏刚，郭均华.SCR连铸连轧铜杆生产线温度的控制［J］.铜加工，2005，99（3）：30-33.

［4］ 陈连英，王碧文.论中国铜加工技术创新［J］.世界有色金属，2006（8）：20-22.

The Equipment Design and Key Technology Research for the LPG System of SCR Casting Furnace Area

Zhang WeiQi
（Copper Co.，Ltd of Jiangxi Copper Corporation，Guixi 335424，Jiangxi，China）

Through a long-term production practice exploration，successfully solved the LPG system design fl aws of Casting furnace area， which restricts the SCR continuous casting and rolling of copper rod production line technology "bottleneck" and "core" of the same kind of fused casting production line problem. In continuous innovation of the technology and equipment design and operation optimization and key technology research for the LPG system，Shaft furnace "Card furnace" and burner "tempering" phenomenon dropped sharply，Copper liquid temperature has steady and content fl uctuation has lower oxygen. The shaft furnace has low loss at the furnace lifetime. The level of cost of energy consumption is high. It can fulfi ll the demand of the domestic and foreign customers for high-end copper thin lines and the specifi c requirements of the superfi ne line. It has good promotion prospect and application value in the same industry at home and abroad.

SCR casting furnace area；LPG system technology and equipment；Design innovation；Operation optimization；High-end copper wire；The cost of energy consumption level

TG249.7;

A；

1006－9658（2015）02-0046-05

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.02.014

2014-10-15

稿件编号：1410-686

张伟旗（1965—），男，高级工程师，主要研究方向：铜加工、矿山机械、有色冶金、机电装备等.