五鑫銅業(yè)延長(zhǎng)奧斯麥特爐噴槍使用壽命的生產(chǎn)實(shí)踐

單永得

（新疆五鑫銅業(yè)有限責(zé)任公司 阜康 831500）

五鑫銅業(yè)熔煉系統(tǒng)采用現(xiàn)代先進(jìn)的奧斯麥特爐富氧頂吹熔池熔煉技術(shù)。該技術(shù)的核心是噴槍，熔煉需要的空氣、氧氣、燃料通過(guò)噴槍鼓入熔池，在強(qiáng)攪拌作用下與爐內(nèi)物料發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，完成傳熱傳質(zhì)過(guò)程。五鑫銅業(yè)奧爐配有三桿噴槍，一用兩備，作業(yè)過(guò)程中如遇到噴槍燒損，無(wú)法滿足生產(chǎn)時(shí)需要及時(shí)提槍更換，每次更換噴槍熔煉作業(yè)至少中斷40 分鐘，頻繁換槍對(duì)奧爐全月作業(yè)率影響較大。為了提高奧爐作業(yè)率，延長(zhǎng)噴槍使用壽命就是途徑之一。針對(duì)噴槍使用壽命我們從噴槍結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、槍位控制、流速、熔池溫度等方面展開試驗(yàn)，實(shí)踐證明，綜合性技術(shù)改進(jìn)對(duì)延長(zhǎng)噴槍壽命成效更為顯著。本文通過(guò)對(duì)奧爐熔池熔煉技術(shù)的探討和分析，提出延長(zhǎng)噴槍使用壽命的措施。

圖1 噴槍結(jié)構(gòu)圖

1 噴槍的基本結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)

1.1 噴槍的基本結(jié)構(gòu)

五鑫銅業(yè)奧爐噴槍總長(zhǎng)21.435m，是一個(gè)低碳鋼鋼管和不銹鋼鋼管的組合體，從內(nèi)到外由四層同心圓管組成，依次為噴槍燃料管、內(nèi)層噴槍管、外層噴槍管、噴槍后燃?xì)夤埽瑯尲馓帪榛旌锨唬L(zhǎng)度約500mm，在熔池熔煉期間，槍尖長(zhǎng)時(shí)間浸沒(méi)在熔池液面以下[2]，噴槍結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 噴槍的工作原理

噴槍最內(nèi)層是燃料管，主要作用是向爐內(nèi)輸送粉煤、天然氣、重油等燃料，五鑫銅業(yè)選擇的燃料是粉煤，通過(guò)壓縮空氣輸送至噴槍燃料管進(jìn)入奧爐，對(duì)熔池溫度的波動(dòng)進(jìn)行平衡，以達(dá)到所需要的冶煉溫度；內(nèi)層噴槍管輸送氧氣，滿足冶煉過(guò)程中所需要的氧量；外層噴槍管輸送參與熔池反應(yīng)并用于攪拌熔池的壓縮風(fēng)，使得槍口噴出的粉煤充分燃燒和熔池內(nèi)造锍造渣物理化學(xué)反應(yīng)得以順利進(jìn)行，同時(shí)壓縮風(fēng)對(duì)槍壁產(chǎn)生冷卻效果，有利于噴槍表面掛渣；噴槍后燃?xì)夤芤步袊姌屘淄诧L(fēng)管，主要作用是輸送冷卻風(fēng)，對(duì)噴槍外壁起到冷卻作用，有利于噴槍掛渣護(hù)槍，同時(shí)對(duì)爐膛上部空間的單質(zhì)硫和其它在熔池中燃燒不充分的可燃物提供二次燃燒風(fēng)。在噴槍底端，燃料管和內(nèi)層管端部離外層管的端部還有一段距離，稱為“槍尖”，內(nèi)部空無(wú)一物稱為“混合腔”，空氣、燃料和氧氣就是在這里混合好后才鼓入熔池。在作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)槍尖燒損無(wú)法滿足生產(chǎn)時(shí)需要換槍維修，槍頭維修一般切除燒損部位焊接新槍頭即可。噴槍內(nèi)部還有一根“取壓管”，它可以測(cè)量槍尖的壓力，以便自動(dòng)調(diào)節(jié)噴槍在熔池中的位置。取壓管管徑很小，沿著外層管的內(nèi)壁延伸，端部在混合腔內(nèi)，接近燃料管的端部[2]。

2 噴槍壽命的闡述

噴槍的壽命包括槍身壽命和槍頭壽命。槍身的壽命一般比較長(zhǎng)，如果槍身彎曲，校直后可以再用，如果槍身出現(xiàn)褶皺嚴(yán)重、破損、斷裂、嚴(yán)重?zé)龘p，該槍就需要大修，對(duì)槍身破損部位切除，更換新材料；在作業(yè)過(guò)程中噴槍頭部浸沒(méi)于熔池液面以下承受高溫?zé)龘p、熔渣侵蝕和熔體沖刷，使得噴槍頭部易于燒損、開裂、穿洞以及旋流器燒損等致使其提槍換槍維修。在生產(chǎn)作業(yè)中以噴槍頭部的使用時(shí)長(zhǎng)作為噴槍的使用壽命。

3 影響奧爐噴槍使用壽命的因素分析

3.1 噴槍材質(zhì)

噴槍端頭部的壽命主要是因?yàn)楦邷責(zé)龘p、熔渣侵蝕和化學(xué)腐蝕，所以要選擇耐高溫、耐氧化、耐硫化物腐蝕、抗蠕變性能強(qiáng)的材質(zhì)。目前在冶煉行業(yè)奧爐噴槍槍頭材質(zhì)一般采用型號(hào)為316L 和310S 的不銹鋼。在熔煉作業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，噴槍槍頭一旦接觸銅锍，沖刷速度較快，致使槍壁快速變薄，嚴(yán)重時(shí)槍頭出現(xiàn)穿洞，說(shuō)明鎳鉻不銹鋼在高溫下易被銅锍沖刷腐蝕。所以噴槍槍頭易采用焊接性好、熱強(qiáng)度高、降低與硫親和力大的合金元素含量的不銹鋼是努力的方向[3]。五鑫銅業(yè)噴槍頭部材質(zhì)使用過(guò)316L和310S 的不銹鋼，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，310S 不銹鋼材質(zhì)的槍頭使用壽命明顯好于316L不銹鋼材質(zhì)的槍頭。

3.2 槍位的控制與噴槍壽命的關(guān)系

奧爐噴槍有7個(gè)操作位，分別為換槍位、入爐位、吹掃位、點(diǎn)火位、保溫位、掛渣位和熔煉作業(yè)位，根據(jù)爐子的狀況設(shè)定合理的槍位。噴槍壽命的影響主要集中在熔煉作業(yè)位，在該位置下噴槍插入熔池的深度對(duì)噴槍壽命的影響較大，噴槍插入過(guò)深會(huì)加大熔池?cái)噭?dòng)力度，造成渣锍沉降分離效果不好，锍對(duì)噴槍頭部的沖刷和腐蝕加快，壽命縮短；噴槍插入過(guò)淺會(huì)使熔池?cái)嚢璩潭炔粔颍趸疃炔蛔悖焕诜磻?yīng)的完全進(jìn)行，造成生料堆積，會(huì)對(duì)噴槍產(chǎn)生擠壓作用，致使噴槍變形彎曲，壽命減短。所以噴槍插入熔池深度合理才能使鼓入的風(fēng)量產(chǎn)生合理的攪拌程度，使鼓入的氧和燃料有效利用，使得氧化深度合理，能夠確保熔煉過(guò)程的順利進(jìn)行。目前五鑫銅業(yè)奧爐操作通過(guò)噴槍背壓、槍身晃動(dòng)程度、爐內(nèi)噴槍聲音變化等多種方式來(lái)判斷噴槍插入熔池中的深度，通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，槍頭一般控制在熔體面以下200-300mm 較為合理。

3.3 噴槍流速變化與噴槍壽命的關(guān)系

為保證噴槍和整個(gè)熔煉過(guò)程安全、穩(wěn)定和有效的進(jìn)行，必須測(cè)量和控制噴槍所輸送物料的流量、溫度和壓力。各控制閥則根據(jù)工藝要求和冷卻需求來(lái)控制必要的輸送速度。在生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)噴槍的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、操作參數(shù)及生產(chǎn)組織等方面進(jìn)行跟蹤發(fā)現(xiàn)，噴槍流速的波動(dòng)對(duì)槍尖壽命有直接影響，流速波動(dòng)越大波動(dòng)次數(shù)越頻繁，噴槍槍尖壽命越短。我廠奧爐供料系統(tǒng)有8個(gè)料倉(cāng)，其中5個(gè)是精礦倉(cāng)，剩余的3 個(gè)倉(cāng)分別為石英石、石灰石和塊煤倉(cāng)。每個(gè)料倉(cāng)的料速大小通過(guò)計(jì)量皮帶控制，當(dāng)各個(gè)料倉(cāng)料速發(fā)生波動(dòng)時(shí)，根據(jù)控制系統(tǒng)風(fēng)料比匹配的設(shè)定，對(duì)應(yīng)的風(fēng)氧量就會(huì)發(fā)生波動(dòng)，致使噴槍氣體流速發(fā)生波動(dòng)，噴槍對(duì)熔池的攪動(dòng)力度也隨之改變，熔池中原有的動(dòng)態(tài)平衡打破，重新建立新的動(dòng)態(tài)平衡，過(guò)程變化的不穩(wěn)定性影響噴槍壽命。為此，維持動(dòng)態(tài)平衡長(zhǎng)時(shí)間處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)必須保持入爐物料、燃料、工藝風(fēng)、氧氣等輸送速度相對(duì)穩(wěn)定。

3.4 熔池溫度對(duì)噴槍壽命的影響

噴槍輸送到熔池中的燃料粉煤主要是平衡熔池溫度的波動(dòng)。當(dāng)熔池溫度過(guò)低時(shí)，爐內(nèi)熔體粘度增大，流動(dòng)性變差，噴槍攪動(dòng)劇烈，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成生料堆積，會(huì)對(duì)噴槍頭部造成擠壓，導(dǎo)致槍身變形；當(dāng)熔池溫度過(guò)高時(shí)，槍頭極易燒損，主要原因是熔池溫度升高導(dǎo)致噴槍背壓下降，槍身晃動(dòng)和噴槍聲音變小，影響槍頭插入深度的準(zhǔn)確判斷，進(jìn)而影響噴槍壽命。影響熔池溫度變化的因素很多，有物料成分的變化、料速大幅度波動(dòng)、煙道掉焦、粉煤噴吹系統(tǒng)故障等。在作業(yè)過(guò)程中需要時(shí)刻關(guān)注爐況，根據(jù)溫度變化及時(shí)做出科學(xué)合理的判斷和調(diào)整，避免爐況發(fā)生大幅度波動(dòng)。

3.5 旋流片對(duì)噴槍壽命的影響

在高溫作業(yè)環(huán)境下，噴槍的冷卻十分關(guān)鍵，冷卻效果越好，噴槍越不容易被燒損。在噴槍設(shè)計(jì)中安裝了螺旋旋流器，可引導(dǎo)空氣以旋流的方式噴入爐內(nèi)。這種旋流提高了槍壁處的空氣流速，從而提高了噴槍與空氣之間的熱傳遞速度，增強(qiáng)換熱量，降低噴槍管道壁溫。外層噴槍管在這種方式的冷卻下外表面粘結(jié)了一層爐渣，使得噴槍即使處在爐內(nèi)的高溫度作業(yè)環(huán)境中，也能得到保護(hù)。旋流方式在爐內(nèi)還能強(qiáng)化燃料、空氣和氧氣的混合，因而能使燃料在槍尖處的燃燒更有效；同時(shí)，旋流還強(qiáng)化了噴出氣體在熔渣池中的分散。如果旋流器故障，冷卻強(qiáng)度不夠致使冶煉溫度場(chǎng)過(guò)高，易導(dǎo)致噴槍燒損和被腐蝕，影響噴槍使用壽命。

3.6 投料方式對(duì)噴槍壽命的影響

五鑫銅業(yè)奧爐熔煉是爐頂單點(diǎn)投料，這種投料方式會(huì)造成槍身迎料面，受到物料的沖擊和冷卻導(dǎo)致噴槍上部溫度不均，引起噴槍槍身彎曲變形。另外一個(gè)原因是槍身上部掛渣有異，槍身迎料面掛的渣夾生料，與背面掛的渣導(dǎo)熱率不同，導(dǎo)致槍身上部不同面出現(xiàn)溫差。彎曲形成的弓背遠(yuǎn)離加料口的方向，槍身彎曲會(huì)導(dǎo)致噴槍攪拌熔池的位置偏離爐體中心，使?fàn)t內(nèi)出現(xiàn)不均勻攪拌和震動(dòng)，加劇槍頭的損壞，影響噴槍的壽命[3]。

4 提高噴槍使用壽命的措施

（1）奧爐恒溫恒流操作法。通過(guò)精準(zhǔn)配料，確保入爐物料成分的穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上將入爐料速長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在一個(gè)值，避免物料大幅度波動(dòng)，使?fàn)t內(nèi)溫度和槍尖氣體流速長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定，確保爐內(nèi)熔體運(yùn)動(dòng)始終保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。實(shí)踐表明，入爐物料成分和料速越穩(wěn)定，工藝調(diào)整幅度越小，越有利于槍尖壽命的延長(zhǎng)。

（2）噴槍三步掛渣法。為了延長(zhǎng)噴槍使用壽命，在噴槍下到熔體之前一般都需要對(duì)其進(jìn)行掛渣作業(yè)，要在噴槍風(fēng)外管壁掛一層保護(hù)渣，可減緩噴槍下到熔體中在強(qiáng)烈的攪拌過(guò)程中受到高溫熔渣的侵蝕和腐蝕。按照“試掛渣”、“二次掛渣”、“加固掛渣”三步掛渣程序?qū)姌屵M(jìn)行掛渣作業(yè)，提高掛渣質(zhì)量。

（3）渣型優(yōu)化。奧爐渣Fe/SiO2控制由原來(lái)的1.2—1.4逐步優(yōu)化控制在1.0-1.1，優(yōu)化后實(shí)踐證明有利于噴槍壽命的延長(zhǎng)。

（4）提高旋流器加工精度。在原有基礎(chǔ)上不斷提高了旋流器的焊接加工質(zhì)量和旋流片角度的準(zhǔn)確性以及表面的光滑度。

（5）因加料方式造成的噴槍彎曲變形，在加料方式未改變的情況下每次對(duì)更換的噴槍進(jìn)行校正，確保噴槍的垂直度。

5 結(jié)論

通過(guò)在原有基礎(chǔ)上不斷對(duì)操作方法和工藝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，與生產(chǎn)初期相比，取得的成績(jī)顯著。五鑫銅業(yè)生產(chǎn)初期噴槍平均使用壽命在3-5天，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和探索，2020 年噴槍平均使用壽命已達(dá)到22天，歷史單槍最長(zhǎng)使用壽命達(dá)到35天。在延長(zhǎng)奧爐噴槍使用壽命的探索中總結(jié)得出從單一方向攻關(guān)噴槍壽命收效甚微，需要從原料配料、奧爐渣型、熔池溫度、噴槍槍位控制、噴槍材質(zhì)、旋流器以及精細(xì)化操作等方面綜合考慮和實(shí)踐，切實(shí)達(dá)到延長(zhǎng)噴槍使用壽命的目的。