侧吹炉优化设计探讨

李 阳， 白 桦

(1.长沙电力职业技术学院， 湖南 长沙 410131； 2.长沙有色冶金设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410011)



设备及自动化

侧吹炉优化设计探讨

李 阳1， 白 桦2

(1.长沙电力职业技术学院， 湖南 长沙 410131； 2.长沙有色冶金设计研究院有限公司， 湖南 长沙 410011)

侧吹炉在我国有色冶炼行业应用愈来愈多，本文叙述了侧吹炉的构成，并对炉缸、铜水套、风口的设计进行了详细介绍，对侧吹炉优化设计进行了探讨。

侧吹炉； 优化设计； 风口； 炉缸

0 前言

侧吹炉在我国有色冶炼行业的应用愈来愈多，在炼铜、炼铅、炼锡、炼锑、炼红土镍矿、烟化锌浸出渣等方面都已有工业化生产(如炼铜、炼铅)或者工业化试验(如烟化锌浸出渣、烟化炼铅炉渣、红土镍矿的熔炼、锑精矿的挥发熔炼)的实例。可以查到的关于侧吹炉的专利不少，近几年出版的介绍铅锌冶炼新技术方面的书籍中大多都有对侧吹炉介绍的章节，而且，我国也有一批设计侧吹炉的工程技术人员。然而，侧吹炉的设计不同于其它一些在有色冶炼生产运行多年的传统炉窑有设计手册可查，本文总结了笔者侧吹炉设计的经验体会。

侧吹炉的基本构成是建立在瓦纽科夫炉特征点之上的。瓦纽科夫炉是前苏联瓦纽科夫教授于1949年发明的一项技术，1977年实现工业规模的应用。瓦纽科夫炉有以下特征点：一是侧吹，富氧空气通过设置在炉身第一层铜水套上两侧的风口鼓入炉内渣层；二是熔池熔炼，物料(精矿、熔剂等)从加料口直接加入到强烈搅拌的熔体中；三是铜水套的应用，瓦纽科夫炉炉身是由铜水套相围而成；四是风口，风口是由带有堵塞杆、铸铜带水冷风嘴头构成。

1 侧吹炉构成

侧吹炉由炉缸，炉身下部铜水套、上部钢水套或耐火材料砌体，炉顶水套，风口，钢结构骨架等主要部件构成，见图1。

1-钢结构骨架； 2-烧嘴； 3-沉降室； 4-炉顶水套； 5-耐火材料砌体； 6-铜水套； 7-风口； 8-炉缸 图1 侧吹炉示意图

侧吹炉的结构与传统鼓风炉相似，故笔者在叙述侧吹炉某一构件的设计时会与传统鼓风炉相应部分进行比较。本文侧重描述炉缸、铜水套、风口的设计理念，由于上部钢水套、钢结构骨架、炉顶钢水套等的设计比较常规化，文中不作描述。

1.1 炉缸

侧吹炉炉缸由壳体、砌体构成。

壳体由一定厚度的钢板焊成箱形外壳(包括底钢板)，壳体外用型钢(多采用工字钢)箍紧。壳体钢板依据炉子大小在10～25 mm，不需要太厚，壳体的强度是靠壳体外的型钢箍紧形式保证，太厚的钢板既不便于制作加工，又不便于在生产使用过程中对炉缸的修复。笔者认为参照传统鼓风炉的设计，乘以1.1～1.2的系数即可。

砌体一般由多层耐火材料构成，炉缸底为反拱形。上层砌体多为镁砖或镁铬砖，下层砌体由粘土砖砌筑。上层砌体、下层砌体厚度的选取，可参照《有色冶金炉设计手册》中鼓风炉部分。

一些炼铅侧吹炉在实际生产过程中出现以下状况：炉缸膨胀变形，砌体向上抬高，其发生都是在新炉投产不久，笔者认为铅液渗入到炉缸砌体内是主要原因。鼓风炉炼铅，很少有新投产的炉子炉缸膨胀变形、砌体向上抬高的现象发生，这与两种炉子熔炼时熔体对炉缸的影响略有不同有关。

侧吹炉炉缸多设计有伸出于炉本体的沉降室，在沉降室设渣放出口和熔炼产物放出口。伸出于炉本体的沉降室起熔分作用，考虑到维持热平衡，在沉降室顶部设烧嘴，也有设计者考虑在沉降室设置石墨电极。侧吹炉熔炼过程是典型的熔池熔炼，是靠从风口鼓入的气体将炉内熔体强烈搅拌完成物料间的传热传质、各种化学反应的过程，所以侧吹炉熔炼要求的风口风速相当大，炼铅侧吹炉风口风速设计值都在170 m/s以上。据有关资料报道，风口风速达到150 m/s以上时，对炉内熔体的搅动范围可达风口下约800 mm。我国目前用于炼铅的侧吹炉风口中心线到炉缸底的距离一般在950 mm以内，故侧吹炉生产时，炉缸内的熔融金属也受到一定的搅动。这可能就是侧吹炉炉缸设引出于炉本体的沉降室，以及新炉有可能发生炉缸膨胀变形、砌体向上抬高的原因。

1.2 铜水套

炉身由2～3层铜水套构成(多为3层铜水套)，下层带风口的水套称为风口型水套，不带风口的水套称为排列型水套。侧墙每块铜水套尺寸：宽600～750 mm，高1 250～1 400 mm，厚130 mm。

侧吹炉风口水套是一块水套上开一个风口。炼铅、炼铜时，多数情况下风口数量是有余量的，实际生产中只用到三分之一或二分之一。

为了便于铜水套在生产运行过程中挂渣，采用在水套内壁横向开细沟槽的方法；也有采用在水套内壁开较宽的沟槽，然后在沟槽内嵌砖的。

开细沟槽形式水冷强度大，而嵌砖形式在实际生产运行过程中的使用效果没有预期的好。可否有其他更好的办法，既保证水套的寿命又可一定程度降低水冷强度，如：在铜水套内壁焊密集拉钉，捣一层30～50 mm耐热混凝土，钢水套在这方面有很成功的应用实例。

设计者要注意的一点是：并不是侧吹炉熔炼所有物料风口数都是够的。笔者遇到过这样一个设计案例：用侧吹炉来处理铜钴渣，氧浓60%。设计者按照处理量算出需要的侧吹炉面积，按部就班的照常规思路对风口等进行设计。笔者在审定时发现设计的风口数不够(或者说风口风速过大)，原因是炼这种铜钴渣煤率很高，需要的风量很大。

用侧吹炉熔炼低品位物料时(如红土镍矿、各种渣料)，往往煤率很高(因为这些低品位物料本身的热值很低，而要求的熔炼温度往往又很高)，也就是说需要的风量相对大，因此设计者需要对风口数量、风口内径进行计算，合理设置。

1.3 风口

风口由铸铜带冷却水管的圆锥台、堵塞杆、风管座构成(见图2)，风口内径φ30～40 mm。传统鼓风炉风口内径一般φ60～100 mm，铅锌密闭鼓风炉的为φ100～150 mm。侧吹炉的风口内径小源于以下两个因素：一是侧吹炉用富氧，有的熔炼氧浓达到70%～80%，鼓入炉内的气量比用空气要少很多；二是侧吹炉熔炼要求风口风速在150～180 m/s，远大于鼓风炉的15～20 m/s(工况)。

1-圆锥台； 2-风管座； 3-堵塞杆 图2 侧吹炉风口示意图

这种铸铜圆锥台风口也是基本参照了瓦纽科夫炉的风口形式，与传统的鼓风炉、铅锌密闭鼓风炉、烟化炉不一样。

瓦纽科夫炉最初是用于炼铜，而在我国侧吹炉已经作为一种推广炉型广泛用于有色行业的多种物料熔炼。笔者了解到，并不是所有已投入生产运行的侧吹炉风口使用情况都好，达到预期的寿命。应针对熔炼物料的特性，设计相应的风口，包括采用不同的材料、冷却方式或者冷却强度。

2 侧吹炉优化设计探讨

2.1 风口

可否在炉缸内完成熔炼金属的沉降及与渣的分离，取消伸出于炉本体的沉降室。这要从改变风口操作个数以及风口内径着手。

降低风口风速(取70～100 m/s)，减小对炉内风口以下熔体的搅动范围，采用全风口使用模式，保证风口以上的熔体达到一定的搅动强度。

除了上述措施外，还可以考虑采用炉缸内设储液槽的方法。

2.2 炉缸的结构

为避免炉缸膨胀变形、砌体向上抬高的现象发生，除了减少风口数量，降低风速对风口以下熔体的搅动外，还可对炉缸的结构进行改进。

砌体仍由多层耐火材料组成，底不设反拱，为平底。工作层砌体(与金属熔体相接触层)为Z形砖组合式砌筑，砌筑时纵向、横向都不预留膨胀缝。由于没有膨胀缝，最大限度地减少了金属熔体(尤其是铅液)对砌体的渗透。Z形砖的搭接式砌筑可以保证不浮砖。由于没有反拱，消除了砌体反拱热膨胀时向上的分力。

为了解决砌体热膨胀的影响，在砌体与壳体之间设置一定量的膨胀缝(理论值的50%～60%)，膨胀缝最好用压缩比较大的保温材料填充，不用石棉板等压缩比较小的材料；另一个措施就是把炉缸壳体围板设计成可滑动式。炉缸壳体的端板、侧板与底板不焊接，端、侧板之间也不焊接，当砌体膨胀力达到一定值时，可推动端板、侧板向外位移。这种可滑动式设计不是靠外置弹簧来顶固，结构简单。由于不具备自动回位功能，在停炉后壳体钢板回位需要人工用设备将其复位。

3 结语

随着侧吹炉的广泛应用，如何提高侧吹炉对不同种类熔炼物料的适应性是设计者应该考虑的问题，并且在侧吹炉结构、节能方面做进一步研究。

[1] 《有色冶金炉设计手册》编委会.有色冶金炉设计手册[M].北京：冶金工业出版社，2000.

[2] 任鸿九等.有色金属熔池熔炼[M].北京：冶金工业出版社，2001.

[3] 《铅锌冶金学》编委会. 铅锌冶金学[M].北京：科学出版社，2003.

欢迎订阅2015年《中国有色冶金》

《中国有色冶金》国内外公开发行，国际刊号：ISSN1672-6103，国内刊号：CN11-5066/TF。大16开，双月刊，常年办理征订业务，每期18元/份，全年108元/份(含邮费)。

订购办法：

(一)邮局直接汇款。地址：北京市复兴路12号(邮编：100038) 单位：中国有色工程有限公司期刊杂志部 收款人：《中国有色冶金》编辑部

(二)银行汇款。 开户名：中国有色工程有限公司 开户行：建行金安支行 帐号：11001029200056000502

咨询电话：63936351

Discussion on design optimization of side blowing furnace

LI Yang, BAI Hua

The application of side blown furnace in China’s nonferrous smelting industry is increasing. This paper introduced the structure of side blown furnace, and the design of the hearth, copper water jacket, the tuyere in detail. The optimization design of side blown furnace was discussed.

side blowing furnace; optimization design; hearth; tuyere

李 阳(1964—)，女，湖南人，副教授，主要从事教学及课题项目的研发工作。

2014-- 08-- 27

2015-- 03-- 31

TF806.02

B

1672-- 6103(2015)04-- 0034-- 03