影响自热炉水冷氧枪寿命的因素及提升途径

摘要：水冷氧枪是氧气顶吹自热炉的核心工艺设备，其使用寿命直接影响冶炼过程的生产安全和周期。文章基于多年的自热炉系统生产实践，对影响水冷氧枪寿命的主要原因进行了分析，并指出提升氧枪寿命的途径和方法。

关键词：氧气顶吹自热炉；水冷氧枪；喷头；喷嘴；氧枪寿命 文献标识码：A

中图分类号：TF066 文章编号：1009-2374（2016）28-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.015

1994年8月，金川集团自前苏联引进了氧气顶吹自热熔炼技术，作为镍冶炼配套的火法冶炼系统，是世界上首台用于炼铜的自热炉，初步设计二次铜精矿年处理量为4.5万吨，年产铜阳极板2.8万吨。经过多次扩能改造后，二次铜精矿年处理量已达10万吨。该系统采用氧气顶吹自热炉熔炼—氧气斜吹旋转转炉吹炼—回转阳极炉精炼的工艺流程，生产效率高，能耗低，烟气SO2浓度高，产品质量和生产指标均能满足电解工序生产高纯阴极铜的要求。在自热炉吹炼过程中，物料从炉顶的加料口落入熔池，重油和氧气通过氧枪在高压下喷入炉内，形成超强的氧气射流。熔池内的熔体在氧气射流的强烈搅动下迅速反应，产出含铜91.5%的粗铜并送下道工序。氧枪的使用寿命对自热炉作业有着巨大的影响，因此研究如何提升氧枪的使用寿命显得十分必要。

1 自热炉氧枪的基本结构

氧枪装置是自热炉的关键设备，由氧枪、氧枪升降装置及换枪装置三部分组成。氧枪枪体是采用循环水冷却的套管构件，由管体和喷头两部分组成。管体是由无缝钢管制成，由中心燃油管、氧气输送管、冷却水隔离管和外管同心套装成型，下端与喷头连接。各管通过法兰接头与金属软管连接，分别用于供氧、重油和进、出冷却水。喷头采用紫铜制作而成，为单孔拉瓦尔型结构，具体结构如图1所示。拉瓦尔型喷头的主要优点是吹炼平稳、化渣容易、减少喷溅，在提高了氧气利用效率的同时提高了金属回收率。

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图1 自热炉氧枪结构示意图

2 氧枪寿命对生产作业的影响

在自热炉内部，熔体因比重不同而分层，上层为铜渣，下层为冰铜。氧枪头插入氧枪孔时开始送油氧，并缓慢下降至吹炼枪位。在下枪和吹炼过程中，氧气射流搅动熔体，飞溅的铜渣会包住枪头和枪体，形成保护层。枪身在氧气射流和熔体的共同作用下，会有轻微的小幅度摆动，使熔体反应更加激烈、均匀。氧枪寿命对生产的影响主要体现在作业安全和作业率两方面。

2.1 氧枪漏水导致安全事故

一旦氧枪枪头被腐蚀，氧枪中的循环冷却水将会渗漏进入炉内。在高温下，冰铜遇水会发生爆炸，原因是水接触到高温熔体时，会急剧汽化膨胀，与冰铜中的Cu2S、FeS等发生反应生成H2和H2S。由于炉内的强氧势环境，H2和H2S与氧气发生反应，在非常短的时间内体积再次急剧膨胀，并释放出大量的热。在有限的炉膛空间里，大量的高压气体无法顺畅地扩散，大量的热又引起熔体局部剧烈升温，在巨大的压力就会发生爆炸，危及人员生命安全。

2.2 频繁更换氧枪影响作业率

氧枪在使用过程中，当出现氧枪枪头渗漏水、氧枪整体弯曲、循环冷却水流量低、枪内油管漏油、氧道内有杂物且无法清理、油芯偏离中心且无法校正、铜头烧损无法更换且氧流股或火焰形状偏离中心、氧枪氧压和氧量达不到工艺要求等情况时，必须停炉更换氧枪。从现场判断需要更换氧枪到新氧枪安装到位开始入炉吹炼，整个过程一般会耽误1～2小时的进料时间，降低生产作业率。

3 氧枪的历史寿命

在正常吹炼情况下，氧枪枪头自然腐蚀至寿命极限，最长可达60天。但是由于多种因素，造成氧枪的使用寿命长短不一。4 影响氧枪寿命的因素分析

在更换氧枪的历史记录中，因加工件质量问题导致换枪的仅占0.2%左右，枪头渗漏占95.4%，铜头喷嘴烧损占4.1%，其他因素占0.3%。

4.1 氧枪枪头漏水原因

正常吹炼时，渣含铜在13%左右波动，铜头会缓慢腐蚀溶解。当渣型控制不好，渣含铜超过13%时，在高温熔体的冲刷下铜头会加速腐蚀溶解。渣型控制与很多因素有关，主要取决于每班的炉况控制措施，包括枪位和工艺参数设置。在实际操作中，当氧枪枪位过高时，氧枪处于吊吹状态，会导致炉内熔渣喷溅严重，对熔体的搅动却达不到要求，熔体反应不好，导致枪头加速腐蚀。当氧枪枪位过低时，氧气射流容易穿透熔渣层直达冰铜层，冰铜层被射流搅起后冲刷枪头，导致腐蚀漏水。

渣型与氧料比、熔剂率的设置也有较大关系。氧料比过高容易过氧化，产生“泡沫渣”，过低则反应不完全。熔剂率过高易导致渣粘，炉况也会急剧恶化，过低则导致渣反应不完全，使渣含铜指标不合格。

4.2 氧枪喷嘴烧损原因

氧枪喷嘴烧损的原因与吹炼枪位控制有直接关系。当枪位控制过低时，冰铜层被氧气射流穿透，容易溅起冲刷喷嘴。喷嘴一旦烧损，会导致氧流股和火焰形状偏离中心，使氧枪在小范围内剧烈摆动，氧气射流的搅动效果差，熔体温度不均匀，反应不充分，使炉况逐渐恶化。氧枪喷头的维修加工质量和焊接精度也会影响喷嘴的使用。在生产实践中就曾出现维修后的氧槍喷嘴仍然歪斜，在使用不到一个班次就导致烧损情况的发生。

5 提高氧枪寿命的途径和方法

根据前文中对影响氧枪寿命的因素分析，提升自热炉水冷氧枪寿命主要有加强工艺控制、提高维修加工质量和氧枪设计改进三种途径。

5.1 加强工艺控制

工艺控制主要包括配料、调整炉况和渣型、氧枪控制。表2是自热炉吹炼时的基本工艺参数：

5.1.1 根据炉况科学配料。二次铜精矿的含铜品位基本固定，影响配料的因素主要是精矿的含水率。入炉二次铜精矿的含水要求8%～12%，水分过低会导致入炉精矿在反应前就被炉膛负压直接抽走进入烟道，造成烟道上升段结瘤速度加快、炉温过高等问题。水分过高会导致炉温低、烟气结露严重腐蚀设备、渣型差等问题。水分控制可由人工加水或配入干燥物料进行调节，当炉况较差时，物料的水分不宜高，要多配入烟灰和酸泥等低硫值的干燥物料。

5.1.2 合理调整炉况和渣型。引起炉况恶化的原因比较多，如二次铜精矿含镍过高、连续吹炼时间过长、燃料率偏低等。二次铜精矿含镍品位基本在5.5%左右，但也经常出现6.5%以上的情况。含镍过高的精矿会导致渣型发粘，需要适当提高燃料率以调整炉温。如果炉内熔体依旧反应不好，则停止进料，切换至重油氧枪调整炉况。正常连续吹炼的时间不得超过1小时，必须按时停料观察炉况和炉内熔体液位，并根据实际情况调整工艺参数。

5.1.3 加强氧枪控制。氧枪枪位必须控制在200～500mm之间，最合理的吹炼枪位一般为300～350mm，不仅熔体反应好，而且氧枪使用寿命长。但是渣型不好的情况下，需采用低枪位强化反应。为了提升氧枪使用寿命，需同步提高燃料率，并每隔1小时停料清理氧枪粘接物。

5.2 提高维修加工质量

对氧枪维修和加工新氧枪提出更高的要求，必须严格按照标准尺寸进行加工和焊接，确保氧枪喷头、喷嘴的加工精度和焊接质量，保证每根氧枪都符合吹炼要求。

5.3 设计高马赫数的新喷头

在工艺控制允许的范围内，设计2.0马赫以上的氧枪。当Ma>2时，随马赫数的增长氧气的出口速度增加变慢，要求更高理论设计氧压，这样技术上不够合理，经济上也不合算。目前国内推荐Ma=1.9～2.1。高马赫数的氧枪穿透力更强，不仅使炉内熔体反应充分，而且可以采用高枪位操作，最大程度地避免氧枪喷头烧损。

参考文献

[1] 许欣.自热炉结构设计与生产应用分析[J].有色设备，2016，（1）.

[2] 吴剑.超音速氧枪设计[J].冶金丛刊，2014，12（6）.

作者简介：邓磊（1986-），男，西安建筑科技大学冶金工程学院在读工程硕士，金川集团股份有限公司铜冶炼厂助理工程师，研究方向：生产技术和环保管理。

（责任编辑：黄银芳）