影響自熱爐水冷氧槍壽命的因素及提升途徑

摘要：水冷氧槍是氧氣頂吹自熱爐的核心工藝設備，其使用壽命直接影響冶煉過程的生產安全和周期。文章基于多年的自熱爐系統生產實踐，對影響水冷氧槍壽命的主要原因進行了分析，并指出提升氧槍壽命的途徑和方法。

關鍵詞：氧氣頂吹自熱爐；水冷氧槍；噴頭；噴嘴；氧槍壽命 文獻標識碼：A

中圖分類號：TF066 文章編號：1009-2374（2016）28-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.28.015

1994年8月，金川集團自前蘇聯引進了氧氣頂吹自熱熔煉技術，作為鎳冶煉配套的火法冶煉系統，是世界上首臺用于煉銅的自熱爐，初步設計二次銅精礦年處理量為4.5萬噸，年產銅陽極板2.8萬噸。經過多次擴能改造后，二次銅精礦年處理量已達10萬噸。該系統采用氧氣頂吹自熱爐熔煉—氧氣斜吹旋轉轉爐吹煉—回轉陽極爐精煉的工藝流程，生產效率高，能耗低，煙氣SO2濃度高，產品質量和生產指標均能滿足電解工序生產高純陰極銅的要求。在自熱爐吹煉過程中，物料從爐頂的加料口落入熔池，重油和氧氣通過氧槍在高壓下噴入爐內，形成超強的氧氣射流。熔池內的熔體在氧氣射流的強烈攪動下迅速反應，產出含銅91.5%的粗銅并送下道工序。氧槍的使用壽命對自熱爐作業有著巨大的影響，因此研究如何提升氧槍的使用壽命顯得十分必要。

1 自熱爐氧槍的基本結構

氧槍裝置是自熱爐的關鍵設備，由氧槍、氧槍升降裝置及換槍裝置三部分組成。氧槍槍體是采用循環水冷卻的套管構件，由管體和噴頭兩部分組成。管體是由無縫鋼管制成，由中心燃油管、氧氣輸送管、冷卻水隔離管和外管同心套裝成型，下端與噴頭連接。各管通過法蘭接頭與金屬軟管連接，分別用于供氧、重油和進、出冷卻水。噴頭采用紫銅制作而成，為單孔拉瓦爾型結構，具體結構如圖1所示。拉瓦爾型噴頭的主要優點是吹煉平穩、化渣容易、減少噴濺，在提高了氧氣利用效率的同時提高了金屬回收率。

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圖1 自熱爐氧槍結構示意圖

2 氧槍壽命對生產作業的影響

在自熱爐內部，熔體因比重不同而分層，上層為銅渣，下層為冰銅。氧槍頭插入氧槍孔時開始送油氧，并緩慢下降至吹煉槍位。在下槍和吹煉過程中，氧氣射流攪動熔體，飛濺的銅渣會包住槍頭和槍體，形成保護層。槍身在氧氣射流和熔體的共同作用下，會有輕微的小幅度擺動，使熔體反應更加激烈、均勻。氧槍壽命對生產的影響主要體現在作業安全和作業率兩方面。

2.1 氧槍漏水導致安全事故

一旦氧槍槍頭被腐蝕，氧槍中的循環冷卻水將會滲漏進入爐內。在高溫下，冰銅遇水會發生爆炸，原因是水接觸到高溫熔體時，會急劇汽化膨脹，與冰銅中的Cu2S、FeS等發生反應生成H2和H2S。由于爐內的強氧勢環境，H2和H2S與氧氣發生反應，在非常短的時間內體積再次急劇膨脹，并釋放出大量的熱。在有限的爐膛空間里，大量的高壓氣體無法順暢地擴散，大量的熱又引起熔體局部劇烈升溫，在巨大的壓力就會發生爆炸，危及人員生命安全。

2.2 頻繁更換氧槍影響作業率

氧槍在使用過程中，當出現氧槍槍頭滲漏水、氧槍整體彎曲、循環冷卻水流量低、槍內油管漏油、氧道內有雜物且無法清理、油芯偏離中心且無法校正、銅頭燒損無法更換且氧流股或火焰形狀偏離中心、氧槍氧壓和氧量達不到工藝要求等情況時，必須停爐更換氧槍。從現場判斷需要更換氧槍到新氧槍安裝到位開始入爐吹煉，整個過程一般會耽誤1～2小時的進料時間，降低生產作業率。

3 氧槍的歷史壽命

在正常吹煉情況下，氧槍槍頭自然腐蝕至壽命極限，最長可達60天。但是由于多種因素，造成氧槍的使用壽命長短不一。4 影響氧槍壽命的因素分析

在更換氧槍的歷史記錄中，因加工件質量問題導致換槍的僅占0.2%左右，槍頭滲漏占95.4%，銅頭噴嘴燒損占4.1%，其他因素占0.3%。

4.1 氧槍槍頭漏水原因

正常吹煉時，渣含銅在13%左右波動，銅頭會緩慢腐蝕溶解。當渣型控制不好，渣含銅超過13%時，在高溫熔體的沖刷下銅頭會加速腐蝕溶解。渣型控制與很多因素有關，主要取決于每班的爐況控制措施，包括槍位和工藝參數設置。在實際操作中，當氧槍槍位過高時，氧槍處于吊吹狀態，會導致爐內熔渣噴濺嚴重，對熔體的攪動卻達不到要求，熔體反應不好，導致槍頭加速腐蝕。當氧槍槍位過低時，氧氣射流容易穿透熔渣層直達冰銅層，冰銅層被射流攪起后沖刷槍頭，導致腐蝕漏水。

渣型與氧料比、熔劑率的設置也有較大關系。氧料比過高容易過氧化，產生“泡沫渣”，過低則反應不完全。熔劑率過高易導致渣粘，爐況也會急劇惡化，過低則導致渣反應不完全，使渣含銅指標不合格。

4.2 氧槍噴嘴燒損原因

氧槍噴嘴燒損的原因與吹煉槍位控制有直接關系。當槍位控制過低時，冰銅層被氧氣射流穿透，容易濺起沖刷噴嘴。噴嘴一旦燒損，會導致氧流股和火焰形狀偏離中心，使氧槍在小范圍內劇烈擺動，氧氣射流的攪動效果差，熔體溫度不均勻，反應不充分，使爐況逐漸惡化。氧槍噴頭的維修加工質量和焊接精度也會影響噴嘴的使用。在生產實踐中就曾出現維修后的氧槍噴嘴仍然歪斜，在使用不到一個班次就導致燒損情況的發生。

5 提高氧槍壽命的途徑和方法

根據前文中對影響氧槍壽命的因素分析，提升自熱爐水冷氧槍壽命主要有加強工藝控制、提高維修加工質量和氧槍設計改進三種途徑。

5.1 加強工藝控制

工藝控制主要包括配料、調整爐況和渣型、氧槍控制。表2是自熱爐吹煉時的基本工藝參數：

5.1.1 根據爐況科學配料。二次銅精礦的含銅品位基本固定，影響配料的因素主要是精礦的含水率。入爐二次銅精礦的含水要求8%～12%，水分過低會導致入爐精礦在反應前就被爐膛負壓直接抽走進入煙道，造成煙道上升段結瘤速度加快、爐溫過高等問題。水分過高會導致爐溫低、煙氣結露嚴重腐蝕設備、渣型差等問題。水分控制可由人工加水或配入干燥物料進行調節，當爐況較差時，物料的水分不宜高，要多配入煙灰和酸泥等低硫值的干燥物料。

5.1.2 合理調整爐況和渣型。引起爐況惡化的原因比較多，如二次銅精礦含鎳過高、連續吹煉時間過長、燃料率偏低等。二次銅精礦含鎳品位基本在5.5%左右，但也經常出現6.5%以上的情況。含鎳過高的精礦會導致渣型發粘，需要適當提高燃料率以調整爐溫。如果爐內熔體依舊反應不好，則停止進料，切換至重油氧槍調整爐況。正常連續吹煉的時間不得超過1小時，必須按時停料觀察爐況和爐內熔體液位，并根據實際情況調整工藝參數。

5.1.3 加強氧槍控制。氧槍槍位必須控制在200～500mm之間，最合理的吹煉槍位一般為300～350mm，不僅熔體反應好，而且氧槍使用壽命長。但是渣型不好的情況下，需采用低槍位強化反應。為了提升氧槍使用壽命，需同步提高燃料率，并每隔1小時停料清理氧槍粘接物。

5.2 提高維修加工質量

對氧槍維修和加工新氧槍提出更高的要求，必須嚴格按照標準尺寸進行加工和焊接，確保氧槍噴頭、噴嘴的加工精度和焊接質量，保證每根氧槍都符合吹煉要求。

5.3 設計高馬赫數的新噴頭

在工藝控制允許的范圍內，設計2.0馬赫以上的氧槍。當Ma>2時，隨馬赫數的增長氧氣的出口速度增加變慢，要求更高理論設計氧壓，這樣技術上不夠合理，經濟上也不合算。目前國內推薦Ma=1.9～2.1。高馬赫數的氧槍穿透力更強，不僅使爐內熔體反應充分，而且可以采用高槍位操作，最大程度地避免氧槍噴頭燒損。

參考文獻

[1] 許欣.自熱爐結構設計與生產應用分析[J].有色設備，2016，（1）.

[2] 吳劍.超音速氧槍設計[J].冶金叢刊，2014，12（6）.

作者簡介：鄧磊（1986-），男，西安建筑科技大學冶金工程學院在讀工程碩士，金川集團股份有限公司銅冶煉廠助理工程師，研究方向：生產技術和環保管理。

（責任編輯：黃銀芳）