SCR铜杆生产线竖炉系统故障分析及优化改进

2020-12-03张鹏飞张伟旗

有色设备 2020年5期

张鹏飞，张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)

江铜分别于2003年、2006年引进了两条SCR连铸连轧铜杆生产线[1]，其熔铜速率分别为35、25 t/h，产品为Φ8 mm铜杆，其设计产能达37万t/a，是国内最大的铜杆加工基地之一。SCR竖炉属于典型连续式高温熔铜设备[2]，作为生产线的关键设备，其运行的正常与否，不仅直接影响到生产线的高产、稳产，且会造成较大的安全环保事故，经济损失较大，特别是目前两条生产线已运行多年，设备故障率较高，如竖炉砖体脱落、烧损、外壳发红、炉龄短等问题已成为制约生产的技术“瓶颈”。因此，针对竖炉系统故障进行分析及优化改进，提升其运行的高效稳定性，延长炉龄，降本增效，势在必行。

1 现状分析

现以SCR4500竖炉系统为例。其仅是在SCR3000竖炉系统的基础上，设计增加了炉体高度、新增了4个烧嘴等，但其熔铜速率、炉况稳定性等尚未得到有效验证。SCR4500竖炉结构设计剖面图，如图1所示。其结构设计呈圆筒形，由内到外依次为耐火层、保温层、钢制外壳，其中耐火层由碳化硅及其捣打料砖砌筑而成；保温层设有高铝保温砖层、28#轻质料层；钢制外壳由高强度锅炉钢制作。为了提高装料作业率，实现快速装炉操作，其加料口设在炉顶。投产后，由于生产过程中片面地追求竖炉的熔铜速率，致使其投料频率、燃气消耗量远高于设计需求，竖炉炉龄也难以达到设计要求。

1.耐火砖 2.保温砖 3.轻质填充料 4.钢制外壳图1 SCR4500竖炉结构设计剖面图

该公司两条SCR铜杆生产线原设计使用LPG液化石油气，但由于LPG含焦油量大、价格波动大、维护保养费用高，且易燃易爆，排放氮氧化物高，具麻醉性，安全隐患较大，易污染环境等。对此，该公司于2015年成功实施了LPG改用CNG燃气加热优化设计及改造。即使天然气已改造成功，但因天然气燃值比LPG更低，需增大风压方可达到同等的燃烧效果，导致竖炉炉体损伤快，对竖炉系统的要求更加苛刻。

况且，竖炉熔炼过程中，其燃烧机理繁琐，运行工况变化多端，特别是影响铜杆品质的因素多且复杂，一旦操作调整不当、维护保养不及时，将造成生产不稳定；加之该竖炉系统使用期限已久，作业环境恶劣且要求较高，致使竖炉故障率居高不下，如掉砖、砖体或溜槽表面剥蚀、烧嘴处积冷铜、炉体升高等现象时有发生，曾多次造成生产提前中断、停炉、修炉，导致该系统产能低，严重影响铜杆产品质量，且成本能耗居高不下。

2 竖炉系统故障分析及优化改进

2.1 竖炉砖体脱落

竖炉由不同规格的炉砖砌筑而成，形成一定厚度的砖缝，其耐火层与铜原料、火焰直接接触，作业环境较恶劣，该故障以其顶部锁砖为主。2016年12月、2017年7月，SCR4500、SCR3000生产线分别发生过炉顶锁砖脱落现象，导致炉砖堵塞出铜口，幸被发现及时，未造成铜水倒灌引发重大事故，当即安排停炉检修10天，严重制约了产能的发挥。其故障主因是：(1)铜砖变形严重，铜砖面低于耐火砖表面，使下落的电铜板直接刮擦耐火砖；(2)SCR3000炉顶选用229×114×78 mm小尺寸锁砖，砖缝过多，易脱落；(3)投料不及时，常使炉内铜原料高度低于铜砖，投料时电铜撞击上部锁砖，导致砖体松动。

必须严格制定铜砖更换周期标准，以确保铜砖体充分发挥防护功能。整体更换铜砖后，在生产过程中，必须实时监控铜砖温度；整体更换炉顶14层锁砖时，可选用459×229×78 mm大锁砖替代原229×114×78 mm小尺寸锁砖砌筑，将上部锁砖由原14层改为2层，尽可能减少砖缝数；为了增强炉体强度，要将浇筑料填充满砖与炉壳之间的间隙；必须规范投料作业标准，对投料不及时者，予以考核；在竖炉炉口处，可新增炉料液位报警装置，能提示操作人员及时投料，从而及时避免发生竖炉烧空等现象。

2.2 耐火层表面开裂、剥蚀

烧空竖炉后检查炉体，发现炉砖表面开裂，而耐火层表面剥蚀现象通常在开炉后18个月产生龟裂，30个月后易产生大块状的剥离，以炉体第50～65层之间的耐火层最严重，导致竖炉炉龄大幅缩短。50～70层炉砖开裂、表面剥蚀图，如图2所示。

为查找耐火砖失效原因，应每半年烧空竖炉一次进行排查。要按照各层炉砖失效的先后顺序，排查炉砖材料、作业环境、砌筑质量等，不难发现同一竖炉使用材料、砌筑质量、气氛保护等条件基本相同，仅作业温度从下至上由高到低衰减。通过预埋热电偶、烧空竖炉手持红外测温仪测温，可发现竖炉作业温度与龟裂时间有一定的联系，表明作业温度是该类炉砖加速失效的主因，且950～1 100 ℃对碳化硅材料的氧化损伤最大。

图2 50～70层炉砖开裂、表面剥蚀

表1 竖炉作业温度与龟裂时间趋势表

分析高温氧化腐蚀形式如下列方程式所示，碳化硅材料氧化后产生二氧化硅，而二氧化硅的组织结构相较于碳化硅更大，导致材料体积增长，裂隙度增加，使炉砖由表至里逐渐开裂，进而产生大块状剥落。

SiC+bondphase+2O2↑→SiO2+CO2↑

为提升竖炉的高效稳定性及炉龄，应针对碳化硅材料的特性，制订相应的CO值控制、火力升降技术规范；停炉时，竖炉内部仍堆积有大量高温铜板(900～1 000 ℃)，且无保护气氛，此时抗氧化性最弱，必须制订竖炉停炉技术规范，针对停炉时的吹风时间、强度等工艺进行管控，缩短冷炉时炉砖在高氧化温度区间的驻留时间；竖炉修筑时，应把控好砌筑质量，尽量避免使用加工砖，需保证砌筑砖缝厚度小于1.6 mm，以增加炉体强度，同时使用稳定性更高的氮化硅材料，以减少材料对温度的敏感性。

2.3 烧嘴处“发红”

生产过程中，烧嘴区域“发红”时温度高达550 ℃，较其它区域高出约350 ℃，易导致烧嘴水套损坏、固定螺杆断裂失效，甚至使喷嘴外套强度降低，产生漏气、水套漏水现象，能源浪费严重，安全事故隐患较大[3]。烧嘴处“发红”现象，如图3所示。烧嘴处“发红”时，需及时使用风管对烧嘴处进行冷却、降温，严重时则应停炉更换烧嘴水套、喷嘴及垫片等，以保障正常作业。竖炉烧嘴结构设计特殊且复杂是该区域温度过高“发红”的主因。由于竖炉烧嘴区域无保温层，保温性能差，但该部位直接与炙热的火焰接触，温度相对较高，需采用整体式碳化硅型砖与内置烧嘴管的方式进行砌筑。

图3 烧嘴处“发红”

为进一步降低竖炉烧嘴区域的温度，提高烧嘴水套、烧嘴管等部件的使用稳定性及使用寿命，应针对烧嘴区域使用材料、砌筑规范及烧嘴管口径等方面进行优化。砌筑砖体、浇筑浇注料时，必须严格把关，并优化砖块结构，尽可能少用加工砖，仅一个烧嘴可减少砖缝长度达0.8 m，以增加炉体强度；浇筑型砖处99 #浇注料时，首次采用振动棒捣打浇筑料，可减少浇筑体的内部气孔、组织疏松，而铺设28#轻质料时，也增设气锤压实环节，能提升炉体强度和保温性能；可将烧嘴管管口由“直筒”型结构改进为“喇叭”口，即根据火焰的发散模型，将烧嘴管入口到出口管径改进为由小到大渐变的形式，以减弱炽热的火焰对管壁的热辐射；改进烧嘴型砖结构设计，其非接触火焰面使用轻质保温料烧结而成，能大幅提升型砖的保温性能。新设计烧嘴型砖，如图4所示，白色侧系轻质保温料烧结而成。优化设计后，烧嘴处再无“发红”现象，SCR3000/4500竖炉烧嘴区域温度显著降低，且稳定在240～320 ℃范围之内，可全部撤除现场竖炉区域的所有风管和冷却风机。

图4 新设计烧嘴型砖

2.4 炉体膨胀“长高”

竖炉作业温度达1 000 ℃以上，且因生产线的特殊性，生产过程中需停炉更换系统、进行设备检修等，导致竖炉需频繁经历冷热交替的降温、升温过程，久而久之竖炉会产生膨胀“长高”现象。特别是在竖炉使用周期的末期，炉体裂缝渗入“冷铜”“长高”后无法恢复，易造成竖炉产生倾斜，膨胀节处螺杆崩断，加料口高于投料小车平台，导致发生无法投料、卡料或卡斗等问题，竖炉炉龄缩短，严重制约了生产的顺行。

该故障的主因是砌砖砖缝过大、炉体温度不均、预留膨胀缝过小等。其主要措施有：(1)因炉壳有变形，修炉前必须对炉壳进行校正，同时使用激光定位仪重新测量炉体的中心点，从而保证各喷嘴的适宜角度，提升炉体受热的均匀度；(2)砌炉过程中，要严格监管砌缝，采用砌一层验一层的方式，保障砌筑质量；(3)加强对膨胀节的跟踪，开炉后，每次停炉要测量膨胀节间隙，检查螺杆是否崩裂，螺杆过于绷紧时，应逐步拧松螺帽，保证各点受力均匀，确保螺杆不断裂，进而避免炉体倾斜；(4)优化炉砖砌筑方式，将炉体膨胀缝的间隙由原87 mm增至130 mm，可使膨胀行程增加，避免炉体“长高”后铜砖层与加料口高度抬升，避免因此而产生的卡斗、卡料问题[4]。

2.5 上溜槽烧损

上溜槽是连接竖炉与后续系统的重要部件，至关重要。其采用全封闭结构设计和加热，该钢沟槽由钢板焊接而成，内衬99#浇注料，经一次性浇注烧结成整体。其作业量大且作业环境恶劣，因其直接与竖炉出铜口相连接，竖炉内部的高温、高压氧化性火焰直接辐射上溜槽内壁，但上溜槽常采用99#浇注料整体浇灌而成，耐火性能较差，内壁易产生氧化、剥落、开裂等现象，铜液渣量大，报废率高，其使用寿命仅3个月，生产成本高。

通过现场跟踪，上溜槽材料耐火性差、作业环境恶劣是导致其使用寿命短的主因。需改善其高温耐腐蚀性能，可将上溜槽由整体99#浇筑料浇灌式改进为使用“U”型碳化硅型砖砌筑，“U”型碳化硅型砖与钢壳的间隙采用28#轻质保温料浇注，可大幅提升上溜槽的耐火性能，显著改善炉口连接部位烧蚀现象。但使用碳化硅材料砌筑后，仍存在保温性能下降、上溜槽变形量大等新问题，必须加强对上溜槽使用的过程监控。应及时焊接加固开裂法兰，更换断裂螺杆，以避免发生停炉事故。碳化硅溜槽，如图5所示。