SCR豎爐故障處置和大修實踐*

王應學

（中銅（昆明）銅業有限公司，云南 昆明 650502）

某公司自2011年從美國南線公司引進SCR4500連鑄連軋生產線后，使用豎爐作為熔煉設備，截止到2021年6月已熔銅超過150萬t。SCR4500連鑄連軋生產線設計規模為22萬t/年，最大生產速率為35 t/h。但在生產期間，作為SCR生產線的“排頭兵”—爐子系統，頻繁出現故障問題，甚至出現不同程度耐火磚剝落的情況，從而導致豎爐出銅口和上流槽堵塞，影響生產正常進行。因此，當爐子出現運行故障時應采取必要的措施來排除和解決生產問題，并定期大修豎爐，最終確保爐子系統能連續高效運行，最大限度地延長豎爐使用壽命，從而降低生產成本，這已成為SCR生產線的共識。

1 SCR豎爐結構和工作原理

1.1 SCR豎爐結構組成

SCR豎爐是由加料系統和熔化爐系統兩部分組成，如圖1所示。加料系統由加料機構、閉路攝像監控裝置、緊急抱閘系統組成。熔化爐系統是一個高10 m、圓柱型帶耐火內襯的豎爐[1]，它的斷面是圓形的，整體結構從里到外分別是豎爐工作層磚、保溫層磚、保溫澆注料、高鋁陶瓷纖維毯、焊接鋼結構外殼。豎爐頂部有一加料口，加料口下方分布有2排銅磚。SCR4500連鑄連軋生產線所使用的豎爐中，分布有23個燒嘴，分3層設置，從下往上分別標號為A、B、C層，其中A層有7個，B層有8個，C層有8個，如圖2所示，C排燒嘴主要起預熱銅物料作用，A、B排燒嘴主要起熔化作用[2]。豎爐爐膛直徑從C層燒嘴1 829 mm開始逐漸縮小至A層燒嘴1 371 mm，整體爐膛內部成“筆尖”狀[3]，最終在A層燒嘴下設置一出銅口，銅液經斜坡狀的爐底從出銅口流出。

圖1 SCR豎爐結構示意圖Fig.1 Structure chart of SCR shaft furnace

圖2 SCR4500連鑄連軋生產線豎爐燒嘴布置情況Fig.2 Nozzle arrangement of shaft furnace in SCR4500 continuous casting and rolling line

1.2 SCR豎爐工作原理

1.2.1 加料系統工作原理

加料系統將電解銅或其它銅原料從車間地面提升到豎爐的進料口，通過翻轉裝置將原料加入爐內。小車運行軌跡通過軌道和上下限位來控制。一臺工業閉路電視攝像機安裝在進料口上方，在豎爐加料小車底部柱子上和鑄機操作室內安裝有顯示器，便于豎爐操作工和鑄機室人員監控爐內料面高度。根據料面高度，操作人員適時將約2.5 t的銅板裝入散播器，通過加料小車將裝有銅板的散播器提升到加料口，由散播器將銅板散播入爐內，以改善豎爐能效。加料小車緊急剎車系統在鋼索出現故障時將小車緊急制動，避免墜落事故的發生。

1.2.2 爐子系統工作原理

在將電解銅或其他銅原料加入爐子過程中，加料區周圍的銅磚可避免撞壞爐壁耐火材料。豎爐采用天然氣或者石油液化氣作為燃料，經空氣混合后送達23個燒嘴，通過火花塞點燃燒嘴火，銅料經C層燒嘴預熱，B層燒嘴加熱后到達A層燒嘴，隨著溫度逐步升高，銅物料開始慢慢溶化，在爐底形成（3～4） mm的液態層，銅熔體在自重作用下通過傾斜爐底由出銅口流出[4]。隨著銅料的熔化，豎爐內銅料將向下移動，因此可連續供應熔化銅液（該爐內沒有熔池）給后續工藝。

2 豎爐常見故障及處理措施

2.1 加料小車緊急抱閘磨損軌道

加料小車緊急抱閘裝置中，由于原設計缺陷，加之抱閘裝置安裝不規范，或軌道不平整的原因，加料小車在運行過程中，抱閘凸輪會與軌道摩擦，發出刺耳的噪聲，如果這樣長期運行，最終將導致緊急抱閘失效，軌道磨損變薄變形。處理措施有：①對加料小車進行改造，設置側擋輪，防止小車偏移，根據軌道厚度調整抱閘間隙；②是在停產工藝處理期間（停產時間小于1天） 檢查緊急抱閘裝置連接螺栓是否連接牢靠，抱閘是否變形，是否需要更換；③在開機前需認真檢查確認抱閘裝置各個零部件的狀況，確保在一個生產周期內能正常運行；④在設備中修、大修期間，對磨損嚴重的運行軌道進行修補。

2.2 燒嘴阻火器運行不暢

豎爐燒嘴阻火器運行一段時間后會出現混合燃氣流通不暢的問題，其主要原因有風機房里的空氣有灰塵、所使用的燃氣有雜質、長期使用未進行清潔等。其預防措施有：①定期清潔鼓風機房，保持空氣純凈；②使用過濾的雜質較少或無雜質的燃氣；③在爐子檢修前，對各燒嘴阻火器進行編號，拆下燒嘴阻火器濾芯，使用超聲波清洗或風管反吹[5]，直到無灰塵堵塞濾芯；④定期檢查壓差圖表，出現紅色時，清理濾芯。

2.3 生產過程卡爐

生產過程中，因某層燒嘴區域的銅物料熔化過快而“燒空”，上層銅物料無法靠自身重力下移而被懸掛在燒空上部，并伴隨銅液流量下降、銅液溫度升高或氧含量異常升高等現象，則稱為“卡爐”[6]。

卡爐后的處置措施有：①通過燒嘴觀察孔判斷卡爐位置；②減小卡爐區域下方燒嘴火力，加大上方燒嘴火力，以倒立“△”方式控制燃燒火力；③不斷觀察豎爐各燒嘴、出銅口狀況以及上流槽銅液流量的大小，以確認火力調整是否適當，同時加大銅液氧含量的檢測，使其調控在要求范圍；④卡爐結束后，恢復原有燒嘴燃燒方式，一般以正立“△”方式控制燃燒火力。

2.4 燒嘴回火致燒嘴堵塞

由于燒嘴堵塞、蝶閥部分關閉、總管的火力太小、空氣-燃料混合物流量突然中斷等原因使火焰的噴射速度減緩，致使火焰經噴嘴被逼沿管道往回走，可燃混合物回到燒嘴混合管內燃燒，并發出強烈的爆音，最終導致燒嘴回火。造成燒嘴堵塞的主要原因是回火過程中產生斷裂的原材料、銅液、飛濺銅渣、破碎的耐火材料或來自堵塞出銅口的銅液倒灌等[7]。

當豎爐出現回火后，銅液未倒灌和銅液倒灌時的處理方式有所不同：①銅液未倒灌時的處理方式：首先判斷回火位置；再確認回火的燒嘴；現場觀察燒嘴法蘭是否已發紅，若已高溫發紅則可馬上關閉蝶閥；如顏色發暗，則用高壓風冷卻燒嘴回火器，并從觀察孔中判斷，是否應該馬上關閉燒嘴閥門；②銅液倒灌時處理方式：及時冷卻燒嘴阻火器，隨時觀察燒嘴內的銅液情況；減小燒嘴上層火力；關閉回火燒嘴蝶閥；打開燒嘴蓋；使用氧槍處理疏通。疏通前，應先檢查確認是否因豎爐出銅口堵塞致銅液倒灌，若是則需先使用氧槍疏通出銅口。

3 豎爐大修

正常情況下，豎爐的預期壽命為40個月[8]，一般使用三年后會開始出現運行不穩定的情況，如耐材脫落、耐火磚開裂、掉磚等問題（如圖3），因此需定期對豎爐進行大修。

圖3 耐材剝落情況Fig.3 Peeling of refractory

3.1 制定大修方案

根據豎爐壽命及豎爐運行狀況，需提前半年以上時間制定出豎爐大修方案，并根據大修方案開展整個豎爐大修工作。方案中包含豎爐大修原因、機構和職責、豎爐大修方案和驗收標準四大部分，其中，豎爐大修方案中包含大修整體情況說明、大修流程、計劃大修所需時間的方案說明，以及施工安全措施和施工計劃進度表等內容，確保方案明確、職責清晰、有措施、有計劃地開展大修工作。

3.2 施工前期準備

停爐施工前，確保所有耐火材料及備件已齊全，人員能夠按計劃到達現場，停爐后能正常開展大修工作。

大修期，燒空爐內存銅過程中，要實時觀察豎爐銅物料情況和火焰情況，依銅物料情況逐步減小燒嘴火力。當銅物料已下降到C排燒嘴附近時最好保持正“△”的火力方式控制火力。此種方式既可充分利用燃燒產生的熱量，節約燃氣，又能確保燒嘴四周及上方銅物料熔化流淌到爐底。最終在停火前，實時關注上溜槽嘴處的銅液流量，保證爐內存銅燒空燒凈。

3.3 大修施工

1）耐材的拆除。因SCR豎爐大修為爐殼內壁所有耐火材料的拆除（爐底磚視情況拆除）和砌筑，故拆除過程中不需要對舊耐火材料進行保護，僅需保護好爐殼即可。整體耐火材料拆除前，先從豎爐出銅口處拆除耐材，打開出銅口鋼殼大小的孔，方便其余耐火材料從爐底運出。接著，從豎爐加料口處搭接一個吊籃，此吊籃應可升降操作，方便拆除爐體耐材。隨后即可拆除耐材，拆除順序為從上到下依次拆除，拆除過程中，產生的廢舊耐材依次從出銅口處運走，運走速度最好與拆除速度保持一致，這樣可防止廢舊耐材堆積影響清理；

2）耐材砌筑。砌筑按照南線公司提供圖紙的要求進行砌筑，其他施工要求滿足《工業爐砌筑工程施工及驗收規范》（GB/T50211-2004）標準要求。為方便施工，砌筑前把先用到的磚、砌泥、搗打料、澆注料、陶瓷纖維紙等材料擺放在豎爐附近，方便拿取。砌筑中控制砌筑環境溫度及水溫，以達到最佳砌筑效果：攪拌澆注料用水的溫度原則上要求不低于10℃，拌料及施工的環境溫度原則上不低于5℃，不大于35℃，最佳施工環境溫度為（10～30） ℃。

配水比例符合耐材供應商所給的配水比例要求，表1為某耐材供應商提供用水量表。

表1 豎爐耐材用水量表Tab.1 Water consumption meter for refractory of shaft furnace%

為嚴格把握砌筑過程控制，砌筑驗收分階段進行，可分為7個階段驗收，第1次驗收為砌筑到第6層磚，第2次驗收為砌筑到第15層磚，第3次驗收為砌筑到第28層磚，第4次驗收為砌筑到第40層磚，第5次驗收為砌筑到第48層磚，第6次驗收為砌筑到第84層磚，第7次驗收為砌筑到第86層磚以及最后的整體驗收；

3）豎爐干燥和烘烤。由于爐子使用砌泥、澆注料等含水耐火材料砌筑，新砌筑的爐子在使用前需進行干燥和烘烤，以使耐材外表面和內部存在的自由水和結晶水得到釋放，最終提高耐材整體強度，理化和燒結性能，增強耐磨性。

豎爐干燥一般采用自然干燥，在冬天或者氣溫低于10℃時，可使用民用取暖器或者暖風機適當提高爐膛四周的溫度，以加快自由水的揮發。由于豎爐的砌筑為從下到上逐步砌筑，砌筑到中上部時，最先砌筑的部分已在自然干燥，故從開始砌筑到整個爐子砌筑完的干燥時間控制在8 d即可。

豎爐的烘烤是整個爐子大修的最后一步，也是最為關鍵的一個環節之一，烘烤質量直接影響整個爐子的使用壽命。由于耐材表面自由水和結晶水的析出是逐步的，烘爐的溫度也必須逐步緩慢升高，烘烤初期切忌使用大火烘烤。整個烘烤過程應符合耐材供應商提供的升溫曲線要求。圖4為某SCR豎爐的理論烘烤溫度曲線。烘烤初期，先使用2個A排燒嘴對角烘烤，烘烤約2 h后再調換燒嘴，但最終保持對角的狀態烘烤。當烘烤溫度超過600℃時，逐步增加B、C排燒嘴個數，以提升爐膛整體溫度。當溫度接近曲線溫度時則可通過降低火力甚至關閉燒嘴閥門來控制溫度，再次點火時則更換其他燒嘴烘烤，以保證整個爐膛烘烤均勻。最后，按照曲線要求升溫到對應時間，則整個豎爐烘烤結束；

圖4 理論烘爐曲線Fig.4 Theoretical furnace drying curve

4）豎爐冷卻和清渣。豎爐在烘烤期間由于自由水和結晶水的排出，爐壁、爐底上會留有“眼淚”及少部分爐渣，豎爐自然冷卻后需進入爐內清理，否則容易形成銅液夾雜，對銅桿質量產生不利影響。圖5為豎爐烘烤后產生的“眼淚”；

圖5 豎爐烘烤后產生的“眼淚”Fig.5 “Tears” generated after roasting of shaft furnace

5） 新豎爐二次清渣。新豎爐使用（20～30） d后，需再次停爐清理爐渣，以提高銅液純凈度。生產后1個月后的首次清渣可從豎爐、溜槽及保溫爐內清理出約200 kg的渣。經對清理出來的渣做化學元素分析，發現除Cu元素外，Si、Al、Fe元素較高，其中耐火材料的主要成份Si元素最高，達1.41%～8.63%。

圖6 豎爐內清出的渣Fig.6 Slag cleaned out from the shaft furnace

4 實施效果

自通過上述措施有效實施SCR豎爐運行故障處置和定期實施豎爐大修以來，豎爐使用效率得到明顯提升，因豎爐原因導致SCR生產線整體停機的時間大大縮短，由初期75 h/y的停機時間，縮短至當前的0 h/y。燃氣單耗由初期的50.9 m3/t降至當前的39 m3/t，綜合綜合成品率也由89%提升至96%。

5 結語

經實踐，針對SCR豎爐部分常見的故障，以下處置措施可以取得良好的處置效果：

1）全面了解設備結構、原理，對原有設計缺陷進行改造；

2）采取預防性維修和現場故障處置相結合的方式解決加料小車緊急抱閘磨損軌道、燒嘴阻火器運行不暢、生產過程卡爐、燒嘴回火致燒嘴堵塞等常見故障問題；

3）定期開展豎爐大修，可以保持豎爐運行穩定可控。