某铜冶炼侧吹炉结瘤成因分析与优化

周 嘉

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西 南昌 330000）

侧吹加工技术广泛应用于金、银、铜、铅、锡等有色金属的原料精炼加工过程。由于材料相界流动面积大，材料侧炉在1200℃～1500℃的加热温度下不断将气加入浴缸炉渣中，气体加热使其与浴缸炉渣能够完全混合，为了防止刺激使用侧炉的材料传热流动过程，在强烈的热搅拌下，在配料炉顶上会形成一个铜镜状的乳液相，在侧炉风口底部还会形成小的玻璃熔体防止流动，在侧炉生产工艺过程中，上部金属硫化物与侧炉金属配料颗粒中的熔体混合后会形成一个上下相，由于侧炉配料温度波动和生产工艺温度控制能力不足，直径厚度在0.5mm～5.0mm之间的金属颗粒连续凝结，容易在配料侧炉和烟道内熔体凝结而形成结瘤，堵塞下部孔或在侧炉内熔体脱落，导致浴缸停炉，严重的还影响到了侧炉的平稳生产运行，造成侧炉生产管理系统运行停滞，成本高。虽然通过加入第二个燃烧孔和大量使用挥发性高的燃料溶剂可以有效提高二次氧化空气的燃烧温度，从而可以促进燃烧结瘤的完全熔化，但其燃料消耗量非常高，需要长期连续使用，许多冶金专业人士对此进行了详细的研究。刘长东等人已采取措施控制炉膛烟囱结构和内部动脉瘤的损伤，对于热震耐火构件的控制和氧气系统的优化，刘庆林研究了侧吹砌体结构损伤的原因，然而，这些研究没有深入分析结瘤的产生原因，也没有解决结瘤的问题。因此，本文针对侧壁炉膛平流动结瘤常见问题，通过对结瘤生长部位的多次实验分析，提出了一种新的眼形二次型[1]。

1 侧吹炉结瘤成因分析

根据某铜冶炼厂的实际情况，其铜产量约为100万吨。据编译人员分析，该炉因工作故障停机4116分钟，占炉膛故障的64.47%，严重影响了性能，提高了运行成本。

1.1 炉墙结构及炉内结瘤的成因

炉边上的墙体可分为两个大部分，炉底由耐火材料涂层制成，中间层由三层均为铜质的水和油组成，包括第一层中的气水相互接触层和渣层，渣层是生产线在下层的气水接触涂层，渣厚600-800mm，全部在一层的气水接触涂层中，是侧风水吹炉的主要烟气反应处理区，第二、三水套之间是主要对角线，炉内的烟气相反应主要在这个反应区域，还有均一氧化硫等不完全烟气氧化反应组分的层层堆积，如按照CO的原始设计想法，考虑使用侧风水吹炉的二次气通风主要由三层的铜水和油套的二次气进风口和主喷嘴层层覆盖，以便于去除炉内烟气反应中的部分CO氧化和均一硫。随着废气排放量的不断增加，二次进风口在ESP进出时无法达到悬浮温度和烟气燃烧，当炉膛停止时，在热膨胀和冷却作用下，炉膛部分凝固，炉渣从炉壁剥离到熔池中，使炉渣进入渣室，然后从渣口剥离；不均匀的炉结会长大并熔合成团块，堵塞炉料的下降通道[2,3]。

1.2 烟道结瘤成因分析

目前，它是国内冶炼炉的主要瓶颈之一，导致许多冶炼炉停产，对生产造成巨大影响。倾斜烟囱技术改造前，烟囱直径存在诸多问题，甚至烟囱出口堵塞，导致烟气被抽走，侧吹后部分锅炉房遗留，通过对侧吹炉烟道动力学模型的分析，指出倾斜烟囱技术改造后，烟囱直径存在较大的问题，笔者发现，该炉严重过热，导致炉体失效，倾斜烟囱的顶部和底部被浓烟严重冲刷。当实际测量温度时，这里的温度较高，局部发红强烈。当浓烟到达顶部时，由于需要改变转向和烟速，温度较高，进入锅炉前，阻力大，烟气迅速下降，形成结瘤。

图1 烟道结瘤分析

2 侧吹炉结瘤机理分析

2.1 二次风室结瘤分析

通过对二次炉膛落料节点和实际熔炼生产过程结果的综合分析，有三种熔炼炉源：二次炉热风冷炉来自高温大气，一般温度为20℃，熔炼生产过程在炉内连续加热搅拌，使其大部分气体喷至二次炉进风口附近，在寒冷高温天气下迅速加热凝结并直接粘附在炉壁上，形成整个窑体的初始落料节点；喷枪进炉喷出的小颗粒熔体与整个原炉炉壁相撞时，容易被高温烟卷包裹起来并粘在整个原炉上；在连续落料熔炼过程中，细小气体颗粒容易进入高温气体地带，与最初节点形成的二次炉结熔体发生连续落料或落气碰撞，并持续增大。

2.2 烟道结瘤机理研究

通过对烟碱结核的矿物组成和镶嵌组织特征的分析，发现烟碱结核外层的赤铁矿和赤铁矿含量不高，磁铁矿含量在50%以上。除一次喷雾和机械粉尘外，磁铁矿主要由以下反应形成：

另外，黑色素瘤外层约有20%的白锍铜，原料中的贫锍进一步氧化得到的氧气浓度仅为0，根据热力学分析，上述反应可以进行，但由于氧气浓度较低，传播速度有限，当SQG的氧压很低时，用CO作氧化剂可能发生以下反应：

烟道表层成分与结瘤相似，由于出口温度低，反应速度减慢，结果磁铁矿含量低，黑色素瘤中间产物磁铁矿含量低，赤铁矿含量大大恢复，因为中间沉淀时间长。部分磁铁矿被氧化成赤铁矿，白锍铜被氧化成铜，根据附近的矿物，然后发生以下反应：

在本文的研究中，斜角岩的结瘤标本认为是产后加工过程的最终融化产物，然而，由于原料加工后的温度不足以完全融化这种高温度熔点下的矿物，每次都无法完全清除石棺，就像磁铁一样。相反，烟囱气体燃烧反应过程环境中的这种高温强弹性氧化反应气氛为所有金属化学反应过程提供了良好的气体热力学和物理动力学反应条件，有助于高温低熔点金属矿物的进一步氧化形成、富集和分解再结晶，导致其化学组成结构发生一系列弹性变化。熔点较低的磁性矿物，如铁和白冰铜被局部熔化，从而在磁性肿瘤矿物表面氧化形成更均匀的大型磁性固溶壳，然后在被局部氧化，然而，局部氧化形成的柔性磁铁矿八面体和青铜矿，却形成了典型的磁性固溶体和非分离矿物结构。在取样过程中还发现了大量的铜，这是由于熔融物浓缩、烟囱燃烧气体泄漏造成的。

在倾斜烟道内与阻燃浇注层接触的接头样品中，磁铁矿的含量最高，其次是赤铁矿，还有少量的白铜冰。这种结在烟囱中存在的时间最长，从炉初到烟囱第一次焙烧的时间为100d，因此，它与表层的矿物组成不同，在瘤的形成过程中仍存在铁素体的形成和再结晶。

粉尘体的表面含有大于一定量的盐和硫酸盐，在现场温度(600-800℃)下，包含由Cu、pH等组成发挥性成分。由于炉内烟气燃料回流前后以及烟气输送系统环境温度的较大变化，各燃料漏斗中富含硫酸盐的矿物分布也因此发生了较大变化，产生的砷酸盐矿物是由炉内燃料漏斗中的多种砷酸盐矿物组成feass、cup(as、(sb)sis、CuYAS分解成氧化物，生成As2O3，易挥发，然后通过CuO和ZnO反应氧化成asgos球状粉尘颗粒结构，烟气回流后的现象表明，由于烟气流量和流速的增加，出口烟气温度迅速下降，熔融粉尘突然凝固形成球状结构，烟气粒径增大。

3 侧吹炉结瘤消除

本研究通过对侧炉结瘤的分析重建二次风，根据烟囱动力学模型，优化烟囱结构，消除侧炉结瘤。

3.1 二次风改造

由于新型熔体直喷机在生产出炉过程中难以直接到达锅内炉顶，决定在炉内顶部安装二次式通风口。考虑到原来侧炉顶部的返修，打开顶部通风口顶部进入第二干的通风道，省下原来三层卧式水箱管套的第二干通风口，完全可以打开第二干通风口顶部，有意无选择地再次打开原来的第二干通风口，不同于原来锥炉第二孔的通气开度，第二次打开通气口并无明显结块，每小时注入1000nm氧气，二次空气供氧24000万N立方米，标准立方米1.8元，每天只需添加两次2400万立方米氧气。据估计，大概需要花费432000万元。在这方面，实际使用中，按每天10美元计算，年支出为51.84亿美元。由于技术回收后不补充氧气，如果关闭出风口，可节约51.84亿元，加上天然气强制加热，需要使用400N立方米每小时。按照3.0元的标准立方米，每天消耗2.8万元。据统计处统计，香港实际用地面积约为每年1亿元。以每月12天为单位，实际土地面积为每年1472万美元。由于技术改造中不使用天然气，每年可节约414.72亿元，因二次通气关闭动脉瘤可节约6384分钟。每停一次损失1300元，第二次改造前一年直接损失82992元。二次风恢复后，侧吹炉水箱完全控制，年补偿1763万元。

3.2 烟道优化

烟道动力优化的主要技术实现方法是：通过锅炉动态模型分析模拟建筑锅炉段内的倾斜进气烟道，研究建筑烟囱两侧烟道倾斜线的结构设计，逐步有效减小建筑锅炉倾斜烟道的进气流量，减少建筑锅炉倾斜烟气烟道流量的密度急剧下降，同时有效降低系统的进气阻力和热损失；同时根据锅炉动力优化模型的自动计算分析结果和建筑烟囱锅炉内热处理负荷的自动分布，对建筑烟囱的锅炉倾角和进口弧度大小进行了自动修正，以有效提高建筑烟囱的受热稳定性，锅炉烟气进口角减小可以有效减少建筑锅炉上端下部以及水冷壁的受热腐蚀，提高建筑锅炉上部薄弱环节的锅炉使用寿命；水冷烟气网络系统是一种先进的建筑烟气及锅炉烟气综合冷却系统，成本低，热能源利用率高，但考虑到停炉的特殊性，在距锅炉风机20小时以上易造成局部过热和内漏，容易造成事故，因此，该型耐火砌体仍采用，插入式螺旋冷却盘管烟囱盖加垫，同时耐火材料腐蚀严重时，炉渣可继续使用，提高烟囱的整体使用寿命。

4 结论

通过对结瘤的研究，在侧通风罩上设置两个通风口，有效地解决了二次结瘤的问题，消除了工艺的不安全性，为保证生产的连续性，每年可弥补损失1763万美元。根据烟囱的失效机理，采用气体流量曲线结构和水冷壁优化设计，倾斜烟囱的温度不宜超过200℃足侧炉的生产需要。