頂吹吹煉爐問題剖析與解決方案

袁精華

(中國瑞林工程技術股份有限公司,江西南昌 330031)

0 引言

閃速爐工藝及側吹+頂吹工藝成為近階段的主流銅冶煉工藝,閃速爐工藝因其規模大的優勢在市場占有率上遠超其它工藝[1],而側吹+頂吹工藝則因其對原料適應性強、流程短、投資少、生產成本低等優越性有后來者居上的趨勢[2-3]。2013 年,側吹+頂吹工藝投產的產能僅為100 kt/a,遠落后于閃速爐工藝產能的400 kt/a,當時,某銅業公司前期初步設計階段采用側吹熔煉爐和轉爐吹煉的生產流程,設計規模為陰極銅200 kt/a。2016 年,該銅業公司最終初步設計階段采用側吹+頂吹工藝,并把產能提升到300 kt/a,熔煉工序配置1 臺44.4 m2的側吹熔煉爐,吹煉工序配置了1 臺55.45 m2頂吹吹煉爐。2017 年,在施工圖階段,最終確定側吹爐面積為50.4 m2、頂吹爐面積為65.7 m2,無論是側吹爐還是頂吹吹煉爐都是當時世界上設計最大的,到目前為至,仍然是世界上投產最大的側吹爐和頂吹吹煉爐。2016 年,側吹+頂吹工藝投產的產能僅為150 kt/a,把側吹+頂吹工藝產能提升至300 kt/a,具有相當大的挑戰。

1 出現的問題

2018 年,該銅業公司側吹爐與頂吹吹煉爐開始進行施工安裝,在砌筑時頂吹吹煉爐爐底在爐子長度方向的中心線位置出現了一條很大的縫隙,縫隙位于第一反拱工作層,是在兩環耐火磚之間,長度幾乎覆蓋整個爐長,寬度約7～9 mm,最大處接近10 mm,縫隙最大寬度處位于吊裝孔下部區域,縫隙情況如圖1 所示。投產后,側吹爐運行總體上基本正常,除爐體出現一些膨脹問題外,沒有出現較大的問題。但是,頂吹吹煉爐在投產初期位于爐子中心線第二反拱工作層下部的搗打料位置的爐底測溫點顯示溫度除個別顯示有問題外,大部分接近或者在900 ℃以上,后期有的測溫點甚至接近1 050 ℃,溫度顯示情況如圖2 所示,遠高于600～700 ℃的正常值。在投產不到兩年時間則出現爐底第一反拱工作層的大量耐火磚漂浮在爐渣上部的重大問題,這種爐底反拱工作層大量耐火磚漂浮的現象在銅冶煉歷史上也是罕見的,如果處理得不果斷、及時,則會造成爐子漏銅、跑銅的重大事故。鑒于此,頂吹吹煉爐不得不停產冷修,這也意味著爐子使用壽命大幅度縮短,不及正常使用壽命的一半。

圖1 爐底第一反拱工作層縫隙

圖2 爐底測點溫度

2 問題剖析

2.1 縫隙

爐底縫隙產生需要具備產生的條件和誘因。頂吹吹煉爐寬度方向爐底第一反拱工作層的拱腳磚與爐殼兩側各有100 mm 厚的搗打料,爐底第二反拱工作層沒有設置拱腳磚,且與爐殼各有200 mm 厚的搗打料,爐底第二反拱工作層下部采用搗打料制作成反拱形,最薄處也有130 mm,也就是說爐底反拱耐火磚周圍與下部存在大量的可壓縮的搗打料,如圖3 所示,這么厚的搗打料要搗密實是不容易做到的,這就為爐底縫隙的產生具備了條件。爐底縫隙是在砌筑爐墻過程中產生的,此時爐墻砌筑的高度達到700 mm 左右,爐底第一反拱工作層上堆滿了從吊裝孔吊下的一箱箱爐墻耐火磚,也就是說爐底承受了相當大的重力,這為爐底縫隙的產生具備了誘因,這點也可以從縫隙寬度大小分布得到驗證,縫隙最寬的地方集中在吊裝孔下部區域[4-5]。搗打料在重力作用下向兩側壓縮和向下壓縮沉降,向兩側壓縮時爐底反拱工作層弦的寬度變大,向下壓縮沉降時爐底工作層的反拱半徑變大,也導致反拱工作層弦的寬度變大,顯然,實際的弦寬度大于理論設計弦寬度,也就是說反拱工作層實際弧長大于理論長度,當然會導致縫隙產生[6]。

圖3 原設計耐火材料結構圖

2.2 爐底測點溫度高

位于爐子中心線第二反拱工作層下部的搗打料爐底測溫點處的理論溫度約610 ℃,實際溫度基本上在900～1 040 ℃,實際溫度比理論溫度超過290～430 ℃,溫度高出如此之多,爐底必有粗銅滲入,而且可以確定粗銅滲入量不在少數。當時該銅業公司對前面提到的筑爐過程中出現的約10 mm 的縫隙非常重視,邀請了三家設計院對出現的問題進行會診,會議也決定采取補救措施,不知出于何種考慮,后來并沒有實施。這就造成耐火磚受熱膨脹后并沒有把出現的縫隙完全閉合,因此,粗銅就會從沒有閉合的膨脹縫滲入爐底。由于粗銅的熱導熱率為134 W/(m·k-1),遠高于900 ℃鎂鉻磚的1.65 W/(m·k-1),顯然會導致爐底測溫點的溫度大大高出正常值[7]。

2.3 爐底耐火磚漂浮

正常情況下,即使粗銅的7.9 t/m3的比重遠大于鎂鉻質耐火磚3.2 t/m3的比重而存在向上的浮力,爐底耐火磚也是不可能上浮的。因為爐底為反拱狀,也就是說爐底耐火磚為楔形,即耐火磚為大小頭形,且小頭朝爐內,大頭朝爐外。出現爐底工作層耐火磚漂浮可以判定爐底工作層反拱的整體性已經破壞,局部工作層耐火磚已經松動。松動的原因則是由于前面提到的粗銅滲入,滲入的粗銅達到爐底第一反拱工作層與第二反拱工作層之間,粗銅就會給爐底第一反拱工作層一個向上推舉的力量,隨著粗銅的滲入量增加,這種推舉力越來越大,最終這種向上的推力與浮力的合力大于反拱向下的力量,耐火磚就會松動,直至耐火磚脫離反拱,進入粗銅層,最后進入爐渣層,因為爐渣比重為3.5 m3,大于鎂鉻磚的比重3.2 t/m3,于是耐火磚就會上升至爐渣表面形成爐底耐火磚漂浮現象[8]。

當然,粗銅滲入是造成爐底耐火磚漂浮的直接原因,究其本質原因有二個。

其一:爐體結構存在不合理。①爐體四周及爐底使用了大量的搗打料,而且厚度很厚,都在100 mm及以上,當然,原設計思路是防止高溫熔體向爐外滲漏,起防滲作用,但是,搗打料施工需要遵循嚴格的規范,特別是工期緊的情況下,搗打料存在沒有搗密實的不確定性,這樣搗打料可壓縮性就很大;②第二層工作層沒有設置拱腳磚,該層穩定性較差,近而削弱了整個爐底反拱穩定性;③反拱設置不合理。爐底反拱不應像附圖3 一樣伸入爐墻,因為反拱在爐墻下部就會對爐墻有一個很大的向上推力,單靠約3 000 mm 高的爐墻耐火磚和銅水套的重量是不可能壓住反拱的,這樣就會破壞反拱的穩定性,給爐體帶來風險。

其二:膨脹縫設置不恰當。砌筑說明指出寬度方向每六塊磚1 張3 mm 膨脹紙,長度方向每三塊磚1 張2 mm 膨脹紙,在考慮搗打料可壓縮的情況下,爐體寬度方向設置膨脹量偏大,而膨脹量留設過大,會導致縫隙過大,繼而造成粗銅滲入爐底[9]。

3 解決方案

3.1 縫隙的處理

筆者當初也參加了問題的討論,因為考慮到搗打料的可壓縮性,經過核算原設計膨脹量留設過大,那么大的縫隙不可能通過耐火磚受熱膨脹后閉合,筆者認為縫隙必須處理,并建議采取以下方式處理:1)采用200 目以下的與耐火磚同材質的干粉填料進行填充并搗打密實;2)填充后表面采用鋼板覆蓋加以保護。如果當初通過這種方式處理,后續可以借用烘爐時機,讓散狀填料經高溫烘烤后固化在原縫隙處,與耐火磚形成一個整體,可有效防止粗銅通過此縫隙向爐底滲入,進而避免爐底耐火磚漂浮的現象出現[10]。

3.2 爐體結構完善

事實上,爐體結構合理是爐子安全穩定運行的基礎。通常情況下,無論是第一反拱工作層還是第二反拱工作層兩側都應設置拱腳磚,以保證反拱的穩定。拱腳磚與爐殼之間一般不宜設置可壓縮材料,即使為了防滲,搗打料也不應設置過厚,一般控制在50～80 mm 之間。為了防止反拱沉降,第二反拱工作層下部的搗打料也不宜過厚,宜控制在80 mm 左右,并且,合理的爐底反拱設置不應在爐墻下部,而應在爐墻外側,雖然這種結構的反拱對拱腳磚也會對爐墻有一個向上的力,但這個力遠小于把爐底反拱設置在爐墻下部的力,反拱大部分力通過反拱兩側的拱腳磚傳遞給強度非常高的爐體鋼結構,這樣就有利于反拱穩定可靠,新耐火材料結構圖如圖4 所示[11]。

圖4 新耐火材料結構圖

3.3 膨脹縫設置

要保證爐體安全穩定地運行,除爐體結構要合理外,膨脹縫設置得恰當也是非常關鍵的,膨脹的設置需根據供應商耐火材料的膨脹系數,并結合磚縫和搗打料厚度以及整個爐體的結構形式采用集中和分散相結合的方式。

4 結語

側吹+頂吹銅冶煉工藝因具有多方面的優勢,特別是生產成本低,其在市場占有率會越來越高。隨著這種工藝的單套設備處理能力的加大,其規模效益帶來生產成本低的優勢將更加顯現。