铜锍多枪顶吹连续吹炼炉设计与展望

崔大韡

（中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038）

1 设计背景

在火法铜冶炼中,约80%的铜锍吹炼采用已有百年历史的PS转炉。近些年来,为解决PS转炉吹炼存在的低空污染、间断作业、炉衬寿命短、送风时率低、烟气二氧化硫波动大不利于制酸等问题,用于取代PS转炉的粗铜连续吹炼工艺有了较快的发展。2017年由中国恩菲设计的首台多枪顶吹连续吹炼炉在烟台建成投产,这是中国恩菲与烟台国润铜业有限公司合作的“富氧侧吹熔炼+多枪顶吹连续吹炼+火法阳极精炼”热态三连炉连续炼铜生产工艺的关键设备。

多枪顶吹连续吹炼炉(简称多枪顶吹炉),是中国恩菲依托多年来在铜锍连续吹炼方面积累的成功经验,结合高品位铜锍连续吹炼工艺特点,开发的拥有自主知识产权的新炉型。为满足热态铜锍连续吹炼的技术要求及生产特点,多枪顶吹炉在炉体结构形式、炉身冷却设计、顶吹喷枪结构等方面,均有较多创新。

2 多枪顶吹炉概况

热态三连炉连续炼铜产生工艺中,富氧侧吹炉、多枪顶吹连续吹炼炉、阳极精炼炉为由高至低阶梯配置。富氧侧吹熔炼炉产出的高品位液态铜锍,直接流入多枪顶吹连续吹炼炉,多枪顶吹连续吹炼炉产出的液态粗铜直接流入阳极精炼炉。这种配置不但占地小、投资省,而且更环保、节能。

位于中间的多枪顶吹炉为卧式矩形炉体,铜锍通过溜槽从端墙的热料进口加入,粗铜从另一侧端墙底部的虹吸口排出。吹炼渣由侧墙上的渣口排出。富氧风通过多支炉顶伸入的顶吹枪喷入炉内,对熔池进行搅动并完成吹炼。熔剂、残极等物料,通过位于炉顶的加料口加入。吹炼烟气从炉顶的出烟口排出,经上升烟道进入余热锅炉。

多枪顶吹炉为矩形炉体,炉体截面为倒梯形,炉墙向外倾斜,炉体结构示意如图1所示。多枪顶吹炉主要由骨架、炉壳、水套、炉衬、炉顶、顶吹喷枪等部分组成。根据冶炼需要,设有冷料加入口、热料加入口、排渣口、放铜口、出烟口等结构。根据工艺条件及多枪顶吹的炉型特点,确定多枪顶吹炉炉渣线位置面积约40 m2,炉膛具体尺寸为:渣线宽度约5 m,渣线长度约8 m,炉膛高约3.6 m。

图1 多枪顶吹炉示意图

3 多枪顶吹炉结构特点

3.1 整体弹性骨架

多枪顶吹炉炉体中炉壳周围的围梁、立柱、横梁、拉杆、弹簧等钢结构,组成了一个柔性的炉身夹持系统,称之为整体弹性骨架。位于拉杆两端的弹簧,通过交错的横梁、立柱,将弹簧力施加到炉壳、砖体上,合理的弹簧受力能有效的平衡砖体膨胀力,维持炉身稳定。在炉体升温过程中,整体弹性骨架可以限制并跟随砖体膨胀；当炉体降温(或停炉)时,它又可以夹持并跟随砖体一同收缩。这种“柔性”骨架系统,有效的解决了固定骨架炉型中,炉体内(炉衬耐材)、外(骨架炉壳)膨胀不同步,受力不匀的问题。这种结构在中国恩菲设计的其它炉型(电炉、闪速炉)中,已有了较多应用,有的炉体寿命可达10年以上。这种炉体骨架具有结构稳定、寿命长、易于大型化的特点。

3.2 多种水套组合的立体水冷设计

近年来,冶金炉窑的水冷技术得到了快速的发展和应用。利用高效换热的水冷元件,对炉衬进行保护,使炉衬不再被不断的侵蚀,并能形成稳定的渣壳,以达到延长炉衬寿命的目标。

多枪顶吹炉在设计时,考虑到炉内热负荷大、热强度高,炉衬受到高温熔体剧烈的冲刷和侵蚀,也同样加强了冷却结构的设计,在炉体的多个关键位置采用了水套进行冷却。

对炉体熔池部分,采用薄炉衬强水冷的设计思路,炉墙砖平均只有约400 mm厚,均设有铜水套对其进行冷却。具体方案为,在炉墙受侵蚀严重的渣线高度,采用了冷却能力强的异形铜水套。渣线以下的熔池部分,设计了立水套进行冷却。为保护铜水套不被粗铜侵蚀,立水套采用了复合钢板铜水套,以提高安全性。在炉顶、喷枪附近平顶区域、以及炉顶梁等关键部位,也采用了铜水套进行冷却。

3.3 进料口与排放口

多枪顶吹炉设有一个热料进口和一个冷料进口。热料进口在炉体端墙上部,熔炼炉产出的热铜锍通过溜槽流入,为保护炉墙开口附近的砖体,热料进口周边设有铜水套。冷料进口设在炉顶,残极片(或冷杂料)可以从冷料口加入,冷料口设有铜水套,以保证使用寿命；冷料口可以配置专用的残极加料装置,残极片加入效率高,且操作过程密封性好,可大大改善操作环境。

多枪顶吹炉设有一个排渣口和一个放铜口。出渣口设置在侧墙,溢流出渣,可根据冶炼需要调整炉内渣面高度,操作简单,易维护。放铜口设置于热料进口对面的端墙上,采用虹吸放粗铜,粗铜经由壳体内的虹吸通道放出,通过溜槽连续地流入固定式阳极炉。虹吸放铜液面稳定,操作简单便捷,寿命长。

3.4 多枪顶吹炉喷枪设计

多枪顶吹炉在炉顶中部共有6个喷枪位(两排,每排3个),最多可以插6根喷枪,实际生产时,一般使用4～5根。喷枪将富氧空气高速吹入熔体,并对其进行搅动,以完成吹炼过程。

多枪顶吹炉所使用的喷枪,是由中国恩菲自主设计,拥有自主知识产权的新型喷枪。它是一种悬浮于液面上喷吹,非水冷自耗式喷枪。其结构主要包括:卷扬机构、滑轮机构、固定管、滑动管、旋转机构和喷吹管等部件组成。该喷枪具有如下特点:

(1)喷枪是自耗式的,可以根据消耗情况不断补充喷吹管,保证喷枪头部的喷吹距离,确保喷吹效果。

(2)喷枪是旋转喷枪,喷吹管可以在旋转机构的驱动下旋转。其优点是可以预防喷枪与炉盖的粘结,同时在喷枪头部烧损不均匀的情况下,也能够保持吹入的工艺风更均匀,不易偏吹。

(3)喷枪上下移动时靠套管(固定管和滑动管)间的配合实现密封,不带沉重、累赘的软管,整体结构简单。喷吹管与滑动管之间有圆周方向的滑动配合。

(4)喷吹管的补充操作简单便捷,因为有多支喷枪,单支枪的补充或检修,并不需要整体停风,不影响炉子的整体生产效率。

4 总结与展望

烟台国润的多枪顶吹炉自2017年底检修投产后,已安全稳定运行三年多,炉体结构稳定,工艺指标都已达到甚至超过了设计要求。目前多枪顶吹炉处理铜锍品位72%～75%,处理量19～20 t/h,粗铜品位98.5%～99.2%,粗铜含硫0.3%以下,炉渣含铜12%～15%。

多枪顶吹炉铜锍吹炼具有以下优势:

(1)连续操作:多枪连续顶吹炉采用连续进料、连续送风的多喷枪非浸没式操作,换枪过程不影响正常生产,作业时率提高；同时也能实现连续出铜,操作简单,操作人员劳动强度低。

(2)自动化程度高:多枪顶吹连续吹炼炉整体密闭,炉况调整和监控完全依靠DCS控制系统,根据不断积累的操作数据,可实现操作管理的自动化、智能化。

(3)环保好:多枪顶吹连续吹炼炉为固定式炉型,炉体与烟道完全密封,炉体漏风率在5%左右,加之其连续操作的特性,烟气成分波动小,制酸生产稳定。同时,多枪顶吹炉所产粗铜经流槽直接进入精炼炉,无包子倒运过程,并且对流槽进行密闭保温及环集处理；由于入炉铜锍品位高,多枪顶吹炉产出渣量小,烟气易收集、散逸少。

(4)炉寿高:整体弹性骨架的矩形炉体、多种水套的立体水设计,使得多枪顶吹炉炉体结构稳定,从目前的使用情况判断,炉体寿命可达5～10年。

(5)适应性强、易于实现大型化:从炉体结构和喷枪设计来看,多枪顶吹炉提高处理能力实现大型化的难度并不大。现有规格的多枪顶吹炉能适用于年产10～12万吨矿铜的冶炼工艺,中国恩菲已经展开了年产能20万吨、30万吨矿铜的多枪顶吹炉的研发和设计工作,以适应单套系统大型化的需求。

多枪顶吹炉的成功设计应用,标志着中国恩菲在铜冶炼工艺上的又一次成功,无论是对现有铜冶炼厂的PS转炉改造,还是新建铜冶炼项目,多枪顶吹炉及其连续吹炼工艺,都有广阔的应用前景。