烟化炉铜钢复合水套的开发与应用实践

2022-10-21张殿彬赵红梅张得伟王文杰

世界有色金属 2022年14期

张殿彬，蔡欢，赵红梅，张得伟，王文杰

（1云南驰宏资源综合利用有限公司，云南 655011；2云南驰宏锌锗股份有限公司，云南曲靖 655000）

烟化炉吹炼作业是将酸浸渣、还原炉渣和熔剂等加入烟化炉进行烟化吹炼。烟化炉是由炉底、一、二、三层水套组成的冶金炉窑，其吹炼的原料主要为铅还原渣和锌浸出渣。采用热渣开炉时，需先从热料口加入铅还原渣，再逐步加入锌浸出渣，在此过程中，高温熔体自上而下进入烟化炉，不可避免会对炉底水套造成强烈的冲击；此外，在正常的生产过程中，从加完冷料至达到最佳吹炼温度间的温差，通常在400℃～500℃之间，致使炉底水套长期处于热胀冷缩的不稳定状态。因此，烟化炉炉底水套变形、腐蚀严重，导致水套使用寿命较短，烟化炉作业率降低。

目前，烟化炉大多用内衬高温耐火材料的钢结构水套，其传热性和抗变形能力都不及纯铜水套；但采用纯铜水套又存在耐磨性和刚性不够、变形后无法修复、造价过高等问题。公开的一种连续烟化炉隔墙铜水套[1]，包括铜平板体和预埋于其内的双层直通式铜管，铜平板体的底部开设有渣流通道、所有与熔体接触的工作面上布置有突台，突台之间用耐火捣打料填充平整。每层铜管内的冷却水分别快速冷却铜平板体两侧的熔体，提高冷却效率，使铜水套的两侧均能经受高温熔体的强烈冲刷，满足连续烟化工艺的要求。铜平板体侧面的突台提高了铜水套的换热效率，铜水套底部渣流通道工作面上的突台提高了挂渣覆盖率。突台的设置还有利于本水套与其它水套结合处的拼装。突台之间采用耐火捣打料填充，可以使熔渣与铜水套工作面的结合性更强，挂渣粘结得更牢固。公开的一种烟化炉双层水冷炉底水套[2]，由原来的一层水套设置成双层水套结构，烟化炉主体水套设立在两层水套之上，实现了烟化炉炉底的双层保护，延长了水套使用寿命至10～12个月，使炉底水套的更换周期与年度设备大检修同步，一定程度上提高了经济效益，但是水套使用寿命依然偏短，制约烟化炉作业率，增大检修成本。现已公开的一种炉窑水冷壁[3]和一种钢铜钢组合式复合冶炼炉冷却壁[4]，虽然采用的是双层或者三层结构的复合材料，但其结构及水冷方式多应用于高炉，不能完全适用于烟化炉炉底水套的工况条件。

某公司此次改造的烟化炉2004年投产，投产时所使用的20G钢质箱式水套，水套内板为平板式，使用寿命平均只有3个月左右。通过多次试验改造，将水套材质由20G改为15CrMo、水套内板由平板改为波纹板，水套内表面设计挂渣钉，内板提前浇灌钢纤维耐火浇注料等。水套使用寿命使有所提高，15CrMo波纹钢水套使用寿命提高到5个月，但还是无法很好的满足生产要求。据统计，2014至2016年期间，1#烟化炉平均每年检修更换水套用时508小时，约22天，材料施工费用约136万元，烟化炉水套平均使用寿命仅4个月，再加上每年停炉配合关联工段设备检修，以及发生非计划停炉等，烟化炉实际作业率仅在88%左右。为提升烟化炉水套使用寿命，提高烟化炉作业率，开展了提升烟化炉水套寿命的研究、实验与技术改造，研究成果以期达到延长水套使用寿命，提高烟化炉作业率的目的。

1 铜钢复合材料制备技术

爆炸复合法、轧制复合法及扩散复合法是最常应用的几种制备方法。其中，爆炸复合法是指利用在待复合金属上的炸药爆炸瞬间产生的超强冲击力，使得两金属板在瞬间产生高速碰撞，暴露出的新鲜干净金属表面形成了直接接触结合形成复合材料的工艺,其示意图如图1所示。

图1 爆炸复合示意图

铜/钢金属复合材料是将铜和钢两种金属材料利用其各自的性能优势进行分层组合而形成的一类金属材料。材料经过复合后可以克服两种金属各自的缺点，发挥两者的优势，复合后的特殊性能延长部件的使用寿命，提高综合经济效益。铜具有优异的延伸性和优良的导电、导热性，然而，铜的强度较低，使用时易变形，其价格昂贵。钢材的价格低且强度高，与铜复合后可以充分发挥铜的使用特性，且强度大幅提高，铜/钢复合材料具有优良的综合力学性能，有很好的经济效益。

2 烟化炉铜钢复合水套的研究与应用

2.1 烟化炉铜钢复合炉底水套的研究

本研究旨在开发一种耐冲击、耐腐蚀、传热性强、冷却能力强且造价低的双层水冷式烟化炉铜钢复合炉底水套，有效延长烟化炉炉底水套使用寿命，提高烟化炉作业率，同时有效控制制造费用，针对烟化炉从开炉到正常生产过程中存在的对炉底冲击严重、温度周期性波动大等问题，具有较高的实用性。

双层水冷式烟化炉铜钢复合炉底水套包括耐磨层、传热层、传热层冷却水通道、传热层冷却水进出水管、水道盖、背覆层、加强筋、背覆层冷却水通道、背覆层冷却水进出水管，耐磨层、传热层、背覆层由上至下依次安装，传热层下表面设有的凹槽为冷却水通道，并附有水道盖，水道盖与传热层冷却水进出水管设置在同一侧，背覆层为箱体，其内设置的加强筋形成冷却水通道，背覆层冷却水进出水管设置在传热层冷却水进出水管的对侧。

耐磨层厚度与水套受冲刷的程度有关，厚度为0～8mm；传热层厚度为70mm～90mm，冷却水通道为20mm～30mm深的凹槽，水道盖厚度为20mm；背覆层为厚度170mm～200mm的箱体，加强筋厚度为40mm；耐磨层为0Cr18Ni9不锈钢，传热层为T2铜，背覆层为Q235B钢，图2为炉底铜钢复合水套的主视剖视图；图3为炉底铜钢复合水套的俯视图。图4为烟化炉炉底铜钢复合水套实物图。

图2 炉底铜钢复合水套的主视剖视图

图3 炉底铜钢复合水套的俯视图

图4 烟化炉炉底铜钢复合水套实物图

该双层水冷式烟化炉铜钢复合炉底水套，具有较高的实用性，可有效增加工作效率，具体优点如下所述。

（1）在开炉时热渣直接冲击到的炉底水套上设一层不锈钢耐磨层，增强水套耐磨性，延长炉底水套使用寿命；

（2）采用水冷铜层作为传热层，传热效果更好；

（3）采用水冷钢质箱体作为背覆层，水套刚性大大提高，同时减少了纯铜的使用量，降低了制造费用；

（4）采用双层水冷结构，在水套性能较好时，可仅通铜层冷却水或钢层冷却水；在水套使用一段时间性能有所下降后，可同时通入铜层冷却水和钢层冷却水；甚至在水套使用相当长时间导致铜层受损漏水后，也可以暂时仅用钢层水冷，为烟化炉计划停炉争取时间，降低安全隐患。

2.2 烟化炉炉体铜钢复合水套的研究

铜钢复合水套制作流程为：预先采用机加工的方式在铜板上加工出冷却水流道，再将铜板与钢板进行爆炸复合，形成一侧铜板一侧钢板中间冷却水套结构，铜板侧与熔渣接触。在铜钢复合水套内侧设计燕尾槽，燕尾槽结构有利于熔渣挂渣，在水套表面形成一层渣皮，对水套起到保护作用。铜钢复合水套外侧是钢板，两块水套之间密封采用电弧焊密封及连接，并用连接耳进行连接加固，炉体整体用腰箍进行加固。图5、图6所示分别为烟化炉铜钢复合水套成品图和水套冷却水通道。

图5 铜钢复合水套成品

图6 冷却水通道

2.3 烟化炉铜钢复合水套的应用

2018年，某公司开展烟化炉铜钢复合水套研究项目。铜钢复合水套设计时参考现有钢水套尺寸，对部分水套外形尺寸进行优化调整，其中将二层后端部水套由2块改为3块，改造后尺寸与二层侧水套相同，实现了两者之间的通用。图7所示为烟化炉铜钢水套三维图。

图7 烟化炉铜钢水套三维图

将两台烟化炉的钢质水套全部替换为铜钢复合水套，包含炉底、一层、二层、三层渣口、冷料口、热料口水套，单台56块，两台烟化炉共计112块。

钢材和铜材的导热率不一样，受热面积相同的情况下，所需的冷却水量是不一样的，为确保技改后铜钢复合水套能够得到合理冷却，就必须提高循环冷却水系统的冷却能力，本项目对循环冷却水系统也进行了改造，具体改造内容：拆除现有热水泵、冷水泵后，更换上2台1600m³/h热水泵和3台1100m³/h冷水泵；铺设DN400给水管道至烟化炉，重新铺设DN600自然回水管，并将消防水接入给水管应急；拆除原有冷却塔，更换上2台750m³/h闭式冷却塔；各水泵阀门开关启停远程控制，信号引入烟化炉主控室，各水泵阀门之间相互连锁，应对各种突发事故。

2018年底，完成了烟化炉铜钢复合水套的组装，将两台烟化炉钢水套全部替换为铜钢复合水套，同时对配套循环冷却水系统进行了改造。项目完成后，紧接着对铜钢复合水套的应用进行了一些列探索，将水套冷却水主管流量调整为1780m³/h左右（单台890m³/h），水套进水温度45℃，回水温度52℃，温差在6℃～9℃。图8所示为铜钢复合水套安装。

图8 所示为铜钢复合水套安装

截止到2021年7月，铜钢复合水套已累计使用了31个月，铜钢复合水套本体几乎无变形，外观良好；水套内壁燕尾槽挂渣能力非常强，刮渣均匀且厚度为2cm～5cm，对水套内壁起到了很好的保护作用；水套内外表面均未发现开裂，冷水套流道内无明显结垢，水套缝未曾发生过跑渣的情况。图9所示为铜钢复合水套使用情况。

图9 铜钢复合水套使用情况

铜钢复合水套兼具了铜水套和钢水套的优点，抵抗变形、破坏的能力非常强，外部可进行焊接密封避免跑渣，烟化炉自铜钢复合水套改造后，水套未发生变形、开裂、通孔等情形而导致停炉。

烟化炉改铜钢复合水套后，烟化炉作业率和渣物料处理量等经济指标大幅提升，烟化炉作业率由88.48%提高到97.48%，渣物料处理量由95541t/a提高到134044t/a，水淬渣含锌由2.8%降至2.37%，含银由153.58g/t降至41.23g/t，烟尘含硫由6.5%降至4.88%，为烟化炉高效生产提供了强有力的保障。