五鑫铜业延长奥斯麦特炉喷枪使用寿命的生产实践

单永得

（新疆五鑫铜业有限责任公司 阜康 831500）

五鑫铜业熔炼系统采用现代先进的奥斯麦特炉富氧顶吹熔池熔炼技术。该技术的核心是喷枪，熔炼需要的空气、氧气、燃料通过喷枪鼓入熔池，在强搅拌作用下与炉内物料发生一系列物理化学反应，完成传热传质过程。五鑫铜业奥炉配有三杆喷枪，一用两备，作业过程中如遇到喷枪烧损，无法满足生产时需要及时提枪更换，每次更换喷枪熔炼作业至少中断40 分钟，频繁换枪对奥炉全月作业率影响较大。为了提高奥炉作业率，延长喷枪使用寿命就是途径之一。针对喷枪使用寿命我们从喷枪结构、材质、枪位控制、流速、熔池温度等方面展开试验，实践证明，综合性技术改进对延长喷枪寿命成效更为显著。本文通过对奥炉熔池熔炼技术的探讨和分析，提出延长喷枪使用寿命的措施。

图1 喷枪结构图

1 喷枪的基本结构及工作状态

1.1 喷枪的基本结构

五鑫铜业奥炉喷枪总长21.435m，是一个低碳钢钢管和不锈钢钢管的组合体，从内到外由四层同心圆管组成，依次为喷枪燃料管、内层喷枪管、外层喷枪管、喷枪后燃气管，枪尖处为混合腔，长度约500mm，在熔池熔炼期间，枪尖长时间浸没在熔池液面以下[2]，喷枪结构如图1所示。

1.2 喷枪的工作原理

喷枪最内层是燃料管，主要作用是向炉内输送粉煤、天然气、重油等燃料，五鑫铜业选择的燃料是粉煤，通过压缩空气输送至喷枪燃料管进入奥炉，对熔池温度的波动进行平衡，以达到所需要的冶炼温度；内层喷枪管输送氧气，满足冶炼过程中所需要的氧量；外层喷枪管输送参与熔池反应并用于搅拌熔池的压缩风，使得枪口喷出的粉煤充分燃烧和熔池内造锍造渣物理化学反应得以顺利进行，同时压缩风对枪壁产生冷却效果，有利于喷枪表面挂渣；喷枪后燃气管也叫喷枪套筒风管，主要作用是输送冷却风，对喷枪外壁起到冷却作用，有利于喷枪挂渣护枪，同时对炉膛上部空间的单质硫和其它在熔池中燃烧不充分的可燃物提供二次燃烧风。在喷枪底端，燃料管和内层管端部离外层管的端部还有一段距离，称为“枪尖”，内部空无一物称为“混合腔”，空气、燃料和氧气就是在这里混合好后才鼓入熔池。在作业过程中，当枪尖烧损无法满足生产时需要换枪维修，枪头维修一般切除烧损部位焊接新枪头即可。喷枪内部还有一根“取压管”，它可以测量枪尖的压力，以便自动调节喷枪在熔池中的位置。取压管管径很小，沿着外层管的内壁延伸，端部在混合腔内，接近燃料管的端部[2]。

2 喷枪寿命的阐述

喷枪的寿命包括枪身寿命和枪头寿命。枪身的寿命一般比较长，如果枪身弯曲，校直后可以再用，如果枪身出现褶皱严重、破损、断裂、严重烧损，该枪就需要大修，对枪身破损部位切除，更换新材料；在作业过程中喷枪头部浸没于熔池液面以下承受高温烧损、熔渣侵蚀和熔体冲刷，使得喷枪头部易于烧损、开裂、穿洞以及旋流器烧损等致使其提枪换枪维修。在生产作业中以喷枪头部的使用时长作为喷枪的使用寿命。

3 影响奥炉喷枪使用寿命的因素分析

3.1 喷枪材质

喷枪端头部的寿命主要是因为高温烧损、熔渣侵蚀和化学腐蚀，所以要选择耐高温、耐氧化、耐硫化物腐蚀、抗蠕变性能强的材质。目前在冶炼行业奥炉喷枪枪头材质一般采用型号为316L 和310S 的不锈钢。在熔炼作业过程中发现，喷枪枪头一旦接触铜锍，冲刷速度较快，致使枪壁快速变薄，严重时枪头出现穿洞，说明镍铬不锈钢在高温下易被铜锍冲刷腐蚀。所以喷枪枪头易采用焊接性好、热强度高、降低与硫亲和力大的合金元素含量的不锈钢是努力的方向[3]。五鑫铜业喷枪头部材质使用过316L和310S 的不锈钢，通过生产实践，310S 不锈钢材质的枪头使用寿命明显好于316L不锈钢材质的枪头。

3.2 枪位的控制与喷枪寿命的关系

奥炉喷枪有7个操作位，分别为换枪位、入炉位、吹扫位、点火位、保温位、挂渣位和熔炼作业位，根据炉子的状况设定合理的枪位。喷枪寿命的影响主要集中在熔炼作业位，在该位置下喷枪插入熔池的深度对喷枪寿命的影响较大，喷枪插入过深会加大熔池搅动力度，造成渣锍沉降分离效果不好，锍对喷枪头部的冲刷和腐蚀加快，寿命缩短；喷枪插入过浅会使熔池搅拌程度不够，氧化深度不足，不利于反应的完全进行，造成生料堆积，会对喷枪产生挤压作用，致使喷枪变形弯曲，寿命减短。所以喷枪插入熔池深度合理才能使鼓入的风量产生合理的搅拌程度，使鼓入的氧和燃料有效利用，使得氧化深度合理，能够确保熔炼过程的顺利进行。目前五鑫铜业奥炉操作通过喷枪背压、枪身晃动程度、炉内喷枪声音变化等多种方式来判断喷枪插入熔池中的深度，通过生产实践，枪头一般控制在熔体面以下200-300mm 较为合理。

3.3 喷枪流速变化与喷枪寿命的关系

为保证喷枪和整个熔炼过程安全、稳定和有效的进行，必须测量和控制喷枪所输送物料的流量、温度和压力。各控制阀则根据工艺要求和冷却需求来控制必要的输送速度。在生产过程中通过对喷枪的工作原理、结构特点、操作参数及生产组织等方面进行跟踪发现，喷枪流速的波动对枪尖寿命有直接影响，流速波动越大波动次数越频繁，喷枪枪尖寿命越短。我厂奥炉供料系统有8个料仓，其中5个是精矿仓，剩余的3 个仓分别为石英石、石灰石和块煤仓。每个料仓的料速大小通过计量皮带控制，当各个料仓料速发生波动时，根据控制系统风料比匹配的设定，对应的风氧量就会发生波动，致使喷枪气体流速发生波动，喷枪对熔池的搅动力度也随之改变，熔池中原有的动态平衡打破，重新建立新的动态平衡，过程变化的不稳定性影响喷枪寿命。为此，维持动态平衡长时间处于一个稳定状态必须保持入炉物料、燃料、工艺风、氧气等输送速度相对稳定。

3.4 熔池温度对喷枪寿命的影响

喷枪输送到熔池中的燃料粉煤主要是平衡熔池温度的波动。当熔池温度过低时，炉内熔体粘度增大，流动性变差，喷枪搅动剧烈，严重时会造成生料堆积，会对喷枪头部造成挤压，导致枪身变形；当熔池温度过高时，枪头极易烧损，主要原因是熔池温度升高导致喷枪背压下降，枪身晃动和喷枪声音变小，影响枪头插入深度的准确判断，进而影响喷枪寿命。影响熔池温度变化的因素很多，有物料成分的变化、料速大幅度波动、烟道掉焦、粉煤喷吹系统故障等。在作业过程中需要时刻关注炉况，根据温度变化及时做出科学合理的判断和调整，避免炉况发生大幅度波动。

3.5 旋流片对喷枪寿命的影响

在高温作业环境下，喷枪的冷却十分关键，冷却效果越好，喷枪越不容易被烧损。在喷枪设计中安装了螺旋旋流器，可引导空气以旋流的方式喷入炉内。这种旋流提高了枪壁处的空气流速，从而提高了喷枪与空气之间的热传递速度，增强换热量，降低喷枪管道壁温。外层喷枪管在这种方式的冷却下外表面粘结了一层炉渣，使得喷枪即使处在炉内的高温度作业环境中，也能得到保护。旋流方式在炉内还能强化燃料、空气和氧气的混合，因而能使燃料在枪尖处的燃烧更有效；同时，旋流还强化了喷出气体在熔渣池中的分散。如果旋流器故障，冷却强度不够致使冶炼温度场过高，易导致喷枪烧损和被腐蚀，影响喷枪使用寿命。

3.6 投料方式对喷枪寿命的影响

五鑫铜业奥炉熔炼是炉顶单点投料，这种投料方式会造成枪身迎料面，受到物料的冲击和冷却导致喷枪上部温度不均，引起喷枪枪身弯曲变形。另外一个原因是枪身上部挂渣有异，枪身迎料面挂的渣夹生料，与背面挂的渣导热率不同，导致枪身上部不同面出现温差。弯曲形成的弓背远离加料口的方向，枪身弯曲会导致喷枪搅拌熔池的位置偏离炉体中心，使炉内出现不均匀搅拌和震动，加剧枪头的损坏，影响喷枪的寿命[3]。

4 提高喷枪使用寿命的措施

（1）奥炉恒温恒流操作法。通过精准配料，确保入炉物料成分的稳定，在此基础上将入炉料速长时间稳定在一个值，避免物料大幅度波动，使炉内温度和枪尖气体流速长时间运行稳定，确保炉内熔体运动始终保持在一个相对稳定的状态。实践表明，入炉物料成分和料速越稳定，工艺调整幅度越小，越有利于枪尖寿命的延长。

（2）喷枪三步挂渣法。为了延长喷枪使用寿命，在喷枪下到熔体之前一般都需要对其进行挂渣作业，要在喷枪风外管壁挂一层保护渣，可减缓喷枪下到熔体中在强烈的搅拌过程中受到高温熔渣的侵蚀和腐蚀。按照“试挂渣”、“二次挂渣”、“加固挂渣”三步挂渣程序对喷枪进行挂渣作业，提高挂渣质量。

（3）渣型优化。奥炉渣Fe/SiO2控制由原来的1.2—1.4逐步优化控制在1.0-1.1，优化后实践证明有利于喷枪寿命的延长。

（4）提高旋流器加工精度。在原有基础上不断提高了旋流器的焊接加工质量和旋流片角度的准确性以及表面的光滑度。

（5）因加料方式造成的喷枪弯曲变形，在加料方式未改变的情况下每次对更换的喷枪进行校正，确保喷枪的垂直度。

5 结论

通过在原有基础上不断对操作方法和工艺技术进行改进，与生产初期相比，取得的成绩显著。五鑫铜业生产初期喷枪平均使用寿命在3-5天，经过长期的生产实践和探索，2020 年喷枪平均使用寿命已达到22天，历史单枪最长使用寿命达到35天。在延长奥炉喷枪使用寿命的探索中总结得出从单一方向攻关喷枪寿命收效甚微，需要从原料配料、奥炉渣型、熔池温度、喷枪枪位控制、喷枪材质、旋流器以及精细化操作等方面综合考虑和实践，切实达到延长喷枪使用寿命的目的。