富氧側吹還原爐非正常停爐原因分析及對策

趙 律， 朱 軍， 王正民， 郭立慶， 張 磊

(1.漢中鋅業有限責任公司， 陜西 勉縣 724204； 2.西安建筑科技大學， 陜西 西安 710000)

0 前言

某公司原有一套年產8萬t粗鉛的氧氣底吹焙煉—鼓風爐還原煉鉛生產線[1]，現改為氧氣底吹爐+富氧側吹還原爐+煙化爐的“三連爐”生產工藝。氧氣底吹爐成為處理鉛精礦、含鉛雜料及鋅浸出鉛銀渣混合料的“脫硫熔化爐”，不再產粗鉛，產生的熱態高鉛渣經溜槽送入富氧側吹還原爐(以下簡稱“側吹爐”)產鉛[2]。側吹爐產出的熱渣，經吊包送入煙化爐揮發回收Zn、Pb等有價金屬，終渣水淬后送水泥廠作添加劑，形成了一條具有鉛鋅互補行業特色的綠色冶煉工藝。

該公司側吹爐與河南濟源萬洋公司[3]和湖南水口山八廠[4]一樣，均采用“中聯爐”設計方案[5]，但因底吹爐初始配料結構不同，產出的高鉛渣渣型及熔煉溫度區間有所區別。建成投產以來，共發生多次非正常停爐，經組織技術人員攻關，有針對性地實施了多項設計改進和操作優化。自2018年1月底大修后開爐至今，生產運行良好，爐況穩定，主要技術經濟指標進步明顯，取得了良好的生產效益。

1 側吹爐概況

側吹爐爐體分為爐缸和爐身兩個部分，爐缸為鋼殼內襯鋁鉻磚、鎂鉻磚及鎂鉻澆注料層鑄型，爐缸上部爐身依次為平板鋼水套、一層風口銅水套、二層銅水套、三層鋼水套、四層鋼水套及收口頂板銅水套，再往上為串聚鋼結構托直升煙道水冷壁四面，后接余熱鍋爐、表冷收塵、布袋收塵，煙氣進脫硫工序處理后排空。側吹爐結構示意圖如圖1所示[6]。

圖1 側吹爐結構示意圖

側吹爐熔煉目的是將底吹爐產出的熱態高鉛渣中鉛的氧化物還原成金屬鉛，并且使鋅盡可能保留在爐渣中以提高熔煉綜合效益。其基本原理：側吹爐屬于強化熔池熔煉，熱態高鉛渣經進渣溜槽進入側吹爐，電子秤計量的煤粒和石灰石從側吹爐頂部料口加入，富氧空氣則從兩側風口吹入引起熔體攪動，與加入的煤粒發生交替的氧化及還原反應，釋放出大量熱能使還原反應持續進行下去，生成的鉛滴聚集于爐缸下層經出鉛虹吸道虹吸放出。

煤燃燒為側吹爐進行的還原過程補充了必要的熱能。這必要的熱能用于將底吹爐所產熱態高鉛渣從1 050 ℃提高到1 300 ℃，補償側吹爐發生的各項熱損失，煤的另一作用是起還原劑的作用。

爐內主要反應如下[7]：

(1)

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(7)

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(10)

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同時，高鉛渣等入爐物料中含有的其它高價態雜質金屬(如鐵、鋅、銻、砷、等)的氧化物也進行不同程度的還原。爐內氧化- 還原氣氛通過調節一二次鼓風量、富氧量和粒煤量等參數控制氧碳比來實現。利用CaO與SiO2結合能力遠大于PbO的特點，同步加入石灰石粒，用于降低渣鉛指標和調整爐渣Fe-C aO- SiO2渣型。

2 非正常停爐原因分析

由于側吹爐爐缸結構的特殊性，僅能進行數小時的短期計劃性熱停爐，超過>3.5 h會打不開風口，伴隨渣層凍結“死爐”。該爐自建成投產以來，因各種原因造成多次非計劃性停爐。總結分析歷次停爐的原因有爐缸結層、水套部分燒損、噴爐、爐缸底部耐材燒損漏鉛、承接串連鋼梁燒損等，既有人為操作因素，也有設計缺陷因素。

2.1 爐缸嚴重結層

正常生產情況下，底吹爐熱態高鉛渣進入側吹爐爐內即開始發生還原反應，產生的鉛液滴不斷聚集增大，在重力作用下突破鼓風攪動層，匯集沉于爐缸底部[8]。隨著進渣時間推移，鉛液又經與爐缸底部相通的虹吸道涌出虹吸口，通過溜槽進入鋼模，冷卻變成粗鉛包。

生產中出現了爐渣下降過多沉于爐缸及爐缸鉛溫過低，引發爐缸結層現象，使得爐缸有效容積越來越小，如果發現和調整不及時，生產將無法繼續正常運行，最終被迫停爐對爐缸進行清掏及修補作業。

導致爐渣沉缸的原因：底吹爐單次入側吹爐熔渣量大，側吹爐出鉛過多，造成渣層下移，爐渣逐漸從四周往中間產生結層現象。導致爐缸鉛溫過低的原因：底吹爐配料品位低且每爐處理量小，使得側吹爐產鉛量小，爐缸鉛液循環量小，鉛溫逐漸降低。

2.2 水套部分燒損

側吹爐風口上鉛造成一層銅水套風口上部出現不同程度燒損，導致側吹爐被迫放底鉛停爐。分析其可能原因有：進渣過程中液態還原鉛產出，若出鉛虹吸道不通暢或爐內結層沒有及時發現并處理，將導致爐缸鉛液面上漲加上風口附近強烈的攪動，鉛金屬與混合氣中氧氣發生劇烈氧化放熱反應，對銅水套內壁形成快速侵蝕作用，進而產生燒損。

2.3 噴爐事故

底吹爐產出的熱態高鉛渣進入側吹爐過程中，側吹爐爐內出現熔池液面明顯上漲，不時伴有熔渣從進渣口、三次風口等處飛濺出來，嚴重時爐內液面迅速上漲，大量熔渣從進渣口、三次風口快速溢出發生噴爐事故，只能停爐處理。

分析其可能原因有：一是底吹爐氧料比過大或延遲放渣等原因，導致熱態高鉛渣含Fe3O4過多，或者渣溫過低(一般低于980 ℃)，都有可能引發側吹爐噴爐；二是側吹爐本身工藝控制不當，如氧碳比失調、混合氣量不合適，也可能使爐內氣氛惡化而引發噴爐。

2.4 承接串聯鋼梁燒損

從側吹爐原爐身結構設計上看，承接串聯鋼梁采用耐熱鋼制作，主要是對四層鋼水套上下起到縱向支撐作用，其內側排布有單頁耐火磚和耐材覆蓋層。但生產中發現，由于膨脹系數不同及結構的原因耐材極易掉落，失去耐材保護的鋼梁發生變形和內側部分燒損，最后只有停爐更換。分析其可能原因有：四層鋼水套對應內部空間正處于二次燃燒區域，最高溫度高達1 200 ℃，遠高于鋼梁的耐熱溫度，加之其內外受熱不均，導致串聯鋼梁變形燒損。

2.5 爐缸底部耐材漏鉛

從爐缸外鋼殼靠出鉛虹吸道附近的排氣孔發現滲鉛，由此判斷爐缸底部耐材損傷漏鉛。分析其可能原因有：一是高溫鉛液對耐材的侵蝕變薄，滲透作用造成；二是因每爐生產的出鉛量不平穩，出鉛虹吸道不暢經常性需要用鋼釬清通虹吸道，造成耐材的機械損傷；三是因操作不當造成出鉛虹吸道沉渣，需用點燃氧管伸入虹吸道燒渣以通暢出鉛通道，“燒氧”對爐底耐材損傷尤為嚴重。

3 實施對策

根據該公司生產過程出現的多次非正常停爐事件產生的原因分析，主要從爐缸砌筑等部分設備變更設計、爐前操作、工藝控制等方面進行了有針對性的改進。

3.1 確定爐前操作要點

為防止爐內嚴重結層和水套燒損等情況的發生，該公司總結經驗教訓，確定了爐前操作的三個要點：一是嚴密監控出鉛虹吸口情況。底吹爐、還原爐盡量做到均衡協調生產，根據底吹爐每爐放渣量估算出鉛量，調整鉛壩確保出鉛量平穩。側吹爐每爐放渣結束后，測量出鉛虹吸口下降高度是否穩定在爐底設計特征標高內，目前該公司控制在(12±2) cm。在側吹爐進渣或放渣過程虹吸道出鉛口鉛面在相應時段上漲或回落高度異常，應立刻查明原因，如出現底吹爐放出渣量小、鉛品位發生變化，側吹爐渣口燒的小、渣粘、渣流量小等非正常原因，應立刻停止進渣或放渣作業從進渣口燒氧進行處理。二是監控好一層各片銅水套水溫并及時清理風口，如遇出口水溫大于60 ℃，須盡快調大進水量并排查原因，必要時從風口進行探渣看探桿是否帶鉛，如有應加大出鉛量適當降低2～3個氧濃。三是人工用探渣桿不定期從進渣口探測爐內結層或黏渣情況。如遇明顯阻力可視為爐內有結層或黏渣，需通過適當延長升溫時間提溫化渣，必要時中控可調整升溫制度，適當提高氧濃、給煤量。

3.2 優化工藝操作方法

為提高側吹爐爐況的穩定性，該公司技術人員從工藝操作方法上進行了優化，主要做法有：一是根據底吹爐產出的熱態高鉛渣渣型、渣溫、流動性等爐渣特性，做好側吹爐工藝操作應對。若底吹爐產出“低溫”黏渣，側吹爐需提高氧碳比，加快提溫速度；若底吹爐產出“過氧”渣，側吹爐則需降低氧碳比，并控制好爐內一次風壓，防止爐內液面迅速上漲而形成噴渣。二是優化作業制度。側吹爐每爐120 min作業周期可分為進渣段、還原段、升溫段和放渣段，一般時間分配分別為30、35、40和15 min。實際生產中，通常縮短進渣和放渣時間，為還原和升溫兩段爭取更充裕的時間。進渣及還原段時間根據底吹爐投料量、品位做微調，升溫時間根據爐況適當調整，必要時可適當延長或縮短升溫時間，以滿足2小時一爐作業周期。若底吹爐產出熱態高鉛渣的含鉛高，應延長還原段作業時間3～5 min；若側吹爐爐內有結層，應延長升溫段5～10 min。三是適當調整氧濃和總風量。如遇到高鉛渣含鉛品位高，出鉛量增大的情況，需適當調整氧濃和延長還原段時間。如遇還原煤含固定碳偏低(正常應大于78%)，應提高氧濃來以提升還原和升溫速度。另外，合適的一次風量可以緩和爐內攪動狀況，還可降低側吹爐煙灰產出率。目前將總風量3 200 m3/h降低到3 000 m3/h，也可以滿足工藝要求。

3.3 串聯工字鋼梁改成串聯鋼梁水套

根據爐身串聯工字鋼梁燒損的實際情況，經該公司與設計廠家溝通，在停爐期間，變更設計改成串聯鋼梁水套結構，并將循環水及監控并入原有的水套水循環DCS系統。通過生產實踐檢驗，改進后的串聯鋼梁水套運行效果良好，既滿足了爐身支持需要，也大大提高了使用壽命。

3.4 爐缸砌筑改整體鑄型

爐缸原設計采用耐火磚鋪底、鎂鉻磚砌筑爐底坡、鎂鉻澆鑄料填縫和加厚成型的多層復合結構。存在施工復雜、技術難度大和成本較高等問題，經與河南中特耐火材料廠家技術人員溝通，學習水口山八廠的做法[7]，采用耐火磚鋪底筑爐底坡及爐缸圍墻，鋁鉻渣搗打料整體鑄型，再使用鋁鉻質磚沿爐缸四周砌筑壓力墻，同時將原出鉛虹吸道緩坡上升改為斜向直道，直道的爐缸底部鑲嵌鎂鉻磚加以保護，使燒氧管可直達爐缸內部。

通過爐缸整體鑄型和出鉛虹吸道改造，大大減少了人工通搗出鉛虹吸道次數，爐缸四點監測溫度穩定在400～500 ℃，運行效果良好。

4 小結

通過對某公司側吹爐生產經驗總結，分析了爐缸結層、水套燒損、噴爐事故、承接串聯鋼梁燒損和爐缸漏鉛等因素導致幾次非正常停爐的原因，并根據技術人員攻關和實踐探索，提出并實施了相關對策。自2018年1月大修運行至今，該公司側吹爐連續運行爐況控制穩定，與大修前相比，噸渣還原煤單耗從110 kg降低到85 kg，側吹爐煙灰產出率從16%降低到13%，取得了明顯的生產效果。