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再生铜生产用连续精炼炉的炉底寿命特点及改进

发布时间:2021/05/18 行业新闻 标签:耐火砖浏览次数:88

当前,国内的再生铜生产主流工艺为“一段法”,通常用固定式阳极炉(以下简称“固定炉”)完成整个再生铜生产过程,将废杂铜原料精炼成阳极铜。一段法工艺为周期作业方式,每生产炉次的作业过程依次为“加料熔化”作业、“氧化精炼”作业、“还原精炼”作业、“保温(浇铸)”作业。 

某公司自行研发的联合精炼工艺,其突出特点是由熔化竖炉和连续精炼炉(以下简称“连续炉”)共同完成再生铜生产作业——竖炉连续加入品位高于98%的废杂铜原料,连续将铜原料熔化成铜液,并连续将铜液输送到连续炉,不存在炉次的区分。连续炉和固定炉一样采取周期作业方式,但没有“加料熔化”作业,每炉次的作业过程依次为“蓄液提温”、“氧化精炼”、“还原精炼”、“还原(浇铸)”作业。连续炉为两台,实行一开一备。 

1、连续炉的炉底寿命特点及初期改进措施 

1.1连续炉炉底寿命的特点 

最初建造的两台连续炉采用相同的砌筑方案,主体结构以110t的固定炉为蓝本,炉体也由反拱式炉底、炉墙、拱形炉顶三大部分组成。连续炉采用固定炉方案,①因为没有联合精炼的相关技术积累与使用经验,需要规避技术风险;②当进厂原料品位低于98%、竖炉停炉时,连续炉还能充当固定炉单独处理低品位原料,即恢复成传统的一段法生产工艺。事实上,由于原料供应的原因,2#连续炉建成后3年内一直单炼再生粗铜,实质上作为固定炉使用。1#连续炉则一直用于联合精炼作业。 

再生铜行业中,对固定炉炉寿的管理重点通常是炉顶的使用寿命,因为炉顶处温度最高、被燃烧器火焰气流冲刷、承受频繁的温度骤升骤降热应力,炉顶耐火砖使用寿命往往只有3~6个月。因为炉底的使用寿命长,一般不作为固定炉炉寿管理的重点。 

1#连续炉投入使用后,同样把炉寿管理的重心放在炉顶寿命上,认为其炉底使用寿命会优于固定炉。因为固定炉每炉次的“加料熔化”作业中,要向炉内加入单重0.2~2t合计110t的冷态铜料,加料车将铜料送入炉膛后倾倒到炉底,铜料下落距离在0.75m以上,势必对炉底砖有较大的机械冲击。衡量炉底砖抵抗机械冲击的能力的主要指标是抗折强度,耐火砖的受力特点是耐压不耐折,即抗折强度比耐压强度小得多,如常用的直接结合镁铬砖,国内两个主要厂家的耐压强度为40MPa/50MPa,抗折强度为(6~10MPa)/(5~10MPa)[1]。长期加料作业带来的机械冲击下,会造成耐火砖损伤。而1#连续炉直接接收铜液,可不加入冷态铜料,炉底不存在加料时机械冲击问题,理应在使用寿命上具有优势。 

然而,在联合精炼的生产实践中,连续炉的炉寿却出现了与其他厂家固定炉截然不同的特点,如表1所示,连续炉的炉顶、炉墙的使用寿命远远领先于固定炉,但炉底寿命却短得多。炉底为死炉底设计,炉墙压在炉底上,检修炉底时需要拆除炉顶、炉墙,结果就成为大修,此时炉墙、炉顶砌体即使使用时间不长,也得需拆除、重砌,造成很大的成本浪费。连续炉的炉寿的短板在于炉底而不是炉顶。 

连续炉的炉底役期很短,都是因为浮砖问题所致:连续炉每一役期,生产12个月后,工作门区域的一块炉底反拱砖会断裂成上下两截,上半截(150~230mm长)从反拱砖层中脱离,飘浮在铜水表面,称为“浮砖”。下半截残砖仍嵌在反拱砖层中,损坏区域看上去如同“缺牙”。一旦出现第一块浮砖,后续炉次就会接二连三地出现,间隔时间越来越短,每次浮砖数量越来越多,严重时一炉次出现20~30块浮砖。炉底缺牙范围一个月时间就会发展2~4m2,如果不及时停炉检修,铜液会穿透缺牙区的残砖层,造成跑铜事故。首次浮砖之前,往往没有预兆,对反拱砖装的损耗程度检查没有异常。从首次出现浮砖到炉役结束,往往历时不足一个月,大修用砖采购周期往往在3个月以上,导致检修工作极为被动。 

1.2连续炉炉底的砌筑改进 

冶金炉的炉寿问题,通常症结在于耐火砖的规格、材质、砌筑方案、砌筑质量方面,因此首先在这些方面采取了一系列改进措施。 

1.2.1炉底耐火砖改进首先认为是炉底耐火砖的性能较差:将反拱使用的竖厚楔形砖的材质由镁铬铝砖,改为镁铬质,后改为镁铝砖、直接结合镁铬质;长度由380mm增加到440mm。炉底砌筑捣打料配比中配入钢纤维,增加结合性能,防止水蒸气导致爆裂。 

1.2.2炉底反拱砌筑方案改进 

炉底反拱砖从环砌改为错缝砌筑,干砌改为湿砌。炉底反拱中心角从48°增加到56°。增强反拱砖体之间的互锁,增加砖体之间的结合力,避免砖体抽签上浮。 

1.2.3提高炉底砌筑质量 

炉底砌筑施工时,严格执行《工业炉砌筑工程施工及验收规范》(GB50211-2004):砌筑前对炉底砖全数检验,砌筑施工中使用塞尺进行过程检验,严格控制砖缝厚度<1mm。炉底砌筑捣打料施工时,把速度较慢的人工捣打改为电动平板冲击夯,捣打施工时间从8h压缩到1h。 

2、连续炉炉底的损耗机理分析 

虽然采取一系列砌筑改进措施,连续炉的炉底役期并没有明显提升,说明没有对症下药。连续炉炉墙、炉顶的使用寿命长,也侧面说明耐火砖的规格、材质、砌筑方案、砌筑质量不是炉底寿命短的主要原因。可以佐证的是,作为固定炉使用的2#连续炉的炉底寿命已经达到了3年,检查炉底情况良好,没有异常的损耗,也进一步证实了这个判断。 

1#炉第二次大修期间,改由2#连续炉与竖炉配合进行联合精炼生产,结果半年后也出现浮砖现象,被迫大修。因此,开始怀疑连续炉的炉底寿命的关键影响因素是联合精炼工艺本身所致。 

1#连续炉的第三炉役开始后,从炉底横向通风道处(如图1所示)采用红外测温仪测量炉底温度,每条通风道上设9个测点(如图2所示)。测量发现,通风道的平均温度,呈明显的梯度,从高到低依次为通风道2、3、1、4。测量前本以为每条通风道上温度最高点在测点⑤处,因为它是炉底反拱最低点,是炉底最薄处。然而测量发现通风道处1、2、3,都是测点⑦温度最高,且至少高出其它测点20~30℃。而且,位于1#工作门下方的通风道2处的测点⑦温度始终最高,位于2#工作门下方通风道3的测点⑦温度次之,通风道4最低。通风道2处的测点⑦正上方的炉底,恰好是每炉役出现第一块浮砖的位置。 

连续炉的80%的插管作业主要在1#工作门处进行,20%的插管作业在2#工作门处。因此,进一步推断,连续炉的炉底寿命问题是联合精炼独特的作业特点——强化的插管作业所致。 

2.1插管作业的湍流作用 

连续炉和固定炉的氧化精炼、还原精炼同样需要插管作业——将氧化/还原管浸没在炉内熔池中。氧化精炼时,通过氧化/还原管向熔池中喷入压缩空气。还原精炼时,通过氧化/还原管向熔池中喷入天然气、液化石油气等气态还原剂;若采用固态的煤基还原剂,则使用压缩空气来输送还原剂。 

换言之,插管作业时必然向熔池喷入气体射流,气体射流进入熔池后在垂直于管轴线方向产生分速度,气体形成气泡搅动铜液,形成铜液湍流,冲击炉衬,这是连续炉和固定炉的插管作业的共同点。 

2.2连续炉和固定炉的插管作业的区别 

连续炉和固定炉一样,每一炉次都分为4个作业阶段,但插管作业上明显不同。

第1个作业阶段,固定炉为“加料熔化”作业,将常温的废杂铜原料逐次加入固定炉,并加热熔化成铜液,直到炉内铜液量到达炉容量;而连续炉为“蓄液提温”作业,只负责接收竖炉提供的铜液。两者都不进行插管作业。 

第2个作业阶段,固定炉为“氧化精炼”,是把氧化管插入炉内铜液中,经氧化管输入压缩空气以氧化杂质并与熔剂造渣,脱除杂质;连续炉同样为“氧化精炼”,作业方法与固定炉基本相同,区别是蓄积的铜液量达到炉容的50%后,就需要开始插管作业。 

第3个作业阶段,固定炉为“还原精炼”,是把还原管插入炉内铜液中,通过还原剂与铜液中的氧结合而脱氧;连续炉同样为“还原精炼”,作业方法与固定炉基本相同,但插管作业在“氧化精炼”后开始,必须在炉内蓄积的铜液达到炉容上限前完成。 

第4个作业阶段,固定炉为“保温(浇铸)”作业,连续炉为“还原(浇铸)”作业,两者都是打开放铜口,把铜液输送到浇铸工序,当炉内铜液量降到下限后,该炉次作业结束。固定炉“保温(浇铸)”作业中不进行还原,不插管操作;而连续炉“还原(浇铸)”作业时同时连续补充竖炉铜液,需要继续向铜液内通入还原剂脱除新补充的铜液中的氧,产生插管作业。 

对比可见,每炉次的作业中,固定炉只有2个作业阶段需插管作业,连续炉则有3个作业阶段需要插管作业;这是因为连续炉在浇铸作业开始后,仍在接收竖炉提供的铜液,为脱除新补充的竖炉铜液中的氧,需要继续插管还原。 

联合精炼工艺相较于传统一段法工艺是一种强化冶炼作业,炉型相同的情况下,用于联合精炼工艺的1#连续炉较作为固定炉的2#炉的日产量增加275%;连续炉的插管作业时间也大幅攀升,增加幅度超过了产量:2#连续炉作为固定炉生产时,每天插管作业时间2~4h,1#连续炉每天插管作业时间则高达12~18h。 

2.3连续炉的插管作业的负面效应 

相比固定炉,连续炉插管时间长,会产生以下三个负面作用。 

2.3.1湍流冲击加剧 

插管时喷入气体具有初始速度,其动能对铜液做功[2],使铜液产生不规则的湍流运动。湍流铜液又对炉底做功,产生机械冲击。插管作业时间的大幅增加,意味着插管作用区域内的炉底反拱砖承受湍流作用的时间也相应大幅增加,由量变到质变,导致炉底局部耐火砖加速损耗,最终发展至浮砖。 

每炉役第一块浮砖,总是出现在通风道2处的测点⑦的正上方的炉底处,为主要插管区域,该处在反拱弧的腰部,恰好是氧化管、还原管气流的作用区。 

插管作业时,气体射流喷入铜液中后,射流对周围铜液的卷吸使得射流不断扩张并且运动速度降低[3],插管时气体射流产生的湍流能可视为定值,显然,炉内铜液的液位越低,容纳铜液量越少,铜液吸纳的湍流能无疑更少,湍流能将更多的由炉底反拱承受,加剧了炉底砖的损耗速度。固定炉始终在接近满液位的高度插管,不存在这个问题。而连续炉由于工艺的需要,需在低液位时插管(见表2);插管时炉内铜液量可低至20%。插管时液位低到一定程度,高速气流甚至直接冲击到炉底,加剧了这一问题。 

通常,固定炉的炉底砖表面会形成一定厚度的炉结,该炉结含有较高Fe3O4,致密坚硬、化学性质稳定。炉结的存在,虽然缩小了炉容量,但也堵塞了熔渣渗透的途径,保护耐火砖不会受到铜液、熔渣的进一步侵蚀。然而检查发现,连续炉在长时间插管伴生的湍流作用下,从未形成炉结保护层。 

2.3.2局部过热升温 

高温铜液湍流对炉底做功的同时,在作用范围内产生过热。炉底承受的湍流能越多,湍流时间越长,作用范围越集中,插管区域的局部炉底在较高过热下的升温就越显著。 

连续炉相比固定炉多出的插管时间,主要是还原插管时间,还原剂从还原管管口喷出,与铜液中氧反应,释放热量,加剧了插管区域的局部温升。局部温度变化和湍流也会引起耐火材料的不对称侵蚀[4],形成局部的过快损蚀。通入还原剂时,产生温度越高,铜液流动性越好,越容易渗入耐火砖的孔隙及砖缝中,加大反应接触面,加剧侵蚀;熔渣对耐火材料的物理溶解和机械冲刷也随温度升高而加剧。 

2.3.3炉底散热不良的矛盾加剧 

连续炉与固定炉的炉底架空放置于炉基上,炉底下方为60个400mm高的粘土砖台,粘土砖台的间距150~240mm,作为炉底热量散发的通道,称为“通风道”。由于长度的原因,纵向通风道散热作用可以忽略,主要起作用的是横向通风道。1#连续炉沿炉体纵向设11条横向条通风道,然而其中7条横向通风孔内放置横向拉杆,通风道两侧出口被横向拉杆立柱阻挡,散热效果较差,实际起通风道作用的只有4条(如图1)。炉底通风道数量少、宽度小,自然散热能力差,炉底部分区域出现高温后就居高不下,最终影响该处炉底砖的寿命。 

白银公司的固定炉砌筑实践中,曾尝试缩小了炉底横向道面积,造成炉底过热,炉底板和底部拉杆严重发红,被迫沿通风道强制通风冷却,才避免了高温铜液渗漏事故发生。某公司的固定炉因为湍流强度小,炉底局部过热问题不突出,对炉底散热能力相对要求不高。但在联合精炼生产模式下,局部炉底会出现高温,此时炉底热量难以散放的矛盾就变得突出。 

2.4炉底损耗机理的验证 

最终判断,高负荷插管作业带来湍流冲击、局部过热和炉底散热不良共同作用,造成连续炉局部炉底的快速损耗,它们的共同作用,表观反映在该局部炉底的温度变化上。 

根据测量的结果,以生产天数为变量x,通风道2处的炉底温度测点⑦温度为因变量y,绘制散点图,。 

可以看到,炉底温度随着生产天数的增加有着显著提高的趋势,两者相关性明显。进行回归分析,计算可得到回归方程式: 

y=244.6397e0.0010x,(1) 

R2=0.7386,则R=0.859>0.7,说明回归方程式是高度可信的。 

从回归方程看到,生产天数越长,炉底温度越高。 

根据几年来的生产实践,连续炉的炉底通风道2处的炉底温度测点⑦温度突破400℃后,通常1~3月内,就会出现第一块浮砖,400℃是该炉役期进入倒计时的临界点。 

于是采用延伸预测法,假设1#工作门炉底温度y达到400℃,将y=400代入式(1),计算得到:x=492天。即,炉役期达到492天,预测炉底最高温度达到临界点温度400℃,实际上,该炉役生产到521天达到400℃(549天出现浮砖),与临界点时间相差29天,说明回归方程的可信度是很高的,对炉寿管理具有指导意义。 

3、改进方向 

根据连续炉的炉底损耗机理,相应从工艺、砌筑方面进行改进。 

3.1工艺完善 

针对联合精炼工艺导致的连续炉的湍流冲击与局部过热问题,针对性地调整作业方式,进行工艺完善。 

(1)规定还原插管时,炉内铜液高度原则上不少于50t,减少湍流冲击。 

(2)尽可能在2#工作门插管,减少1#工作门插管,1#工作门处进行的插管作业减少到60%;在2#工作门处进行的插管作业增加到40%。 

(3)插管作业时,必须频繁移动插管位置,严禁停留在某一个点。 

(4)在满足阳极铜成分要求的前提下,改深度氧化为浅氧化,减少氧化插管时间;氧化程度减少也会相应减少还原插管时间。以改善炉底局部过热。 

3.2砌筑改进 

工艺过程强化会产生较高的热通量,从而加速耐火材料损蚀,需要注重对冶金炉实施最佳冷却[6],以延长冶金炉寿命,才能充分发挥高强度工艺的优势。于是针对连续炉、固定炉共性的炉底散热不良问题,优化了炉底降温设计。 

3.2.1强制通风冷却 

针对插管导致的局部高温过热问题,每条横向通风道内安装一根风管,风管出口对着测点⑦位置,用一台7.5kW的离心式通风机供风,对炉底的高温区域局部进行降温。 

3.2.2增加通风散热面积 

重新设计了炉底基础,在确保粘土砖台对炉体承载能力的前提下,缩小砖台尺寸,增加通风道数量,把通风道从11条增加到15条;有效通风道实际从4条增加到8条,且宽度一律为230mm(一砖长),有效通风面积增加136%。 

采取以上措施后,连续炉的炉底温度情况显著改善,炉役期的18个月内,炉底最高温度控制在300℃以内,到第36个月,炉底最高温度才达到350℃。迄今为止,炉底寿命已经超过了42个月,实现了改进目标。 

4、结语 

随着市场竞争的日益激烈,强化冶炼将是工艺升级的主要方向,冶炼过程强化会产生很多意想不到的变化,对冶金炉的炉寿产生难以预料的影响。连续精炼炉遭遇的炉寿问题,也可能发生在其他冶金炉。连续炉的炉寿管理中,开始局限于常规思维,迟迟无法找到问题的症结所在,劳而无功。最终通过转换思路,通过跟踪分析,找到了关键的影响因素,发现高负荷插管作业带来湍流冲击、局部过热和炉底散热不良共同作用,造成连续炉局部炉底的快速损耗。最终,采取并不复杂的、成本不高的方案,就成功抵消冶炼强度提升的负面影响,解决了连续炉炉寿问题,可以作为其它冶金炉在强化冶炼中进行炉寿管理工作的借鉴。