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闪速炉的设计与展望 袁精华 南昌有色冶金设计研究院，南昌3 3 0 0 0 2 摘要结台金隆工程对闪速炉的精矿喷嘴．炉体结构、主要尺寸、鼓风制度、控制参数的设 计进行了分析，井对其发展趋势作了展望． 关蕾词精矿喷嘴；反应塔沉淀池；上升烟道 中圈分类号T F 8 0 6文献标识码B 闪速熔炼技术是当今最先进的矿铜熔炼 技术之一，被世界各国普遍采用．闪速熔炼 技术的核心设备是闪速炉，闪速炉是一种快 速处理粉状硫化矿物的强化冶炼设备，主要 由精矿喷嘴、反应塔、沉淀池、上升烟道四部 分组成．本文结合金隆工程对闲速炉的精矿 喷嘴、炉体结构、主要尺寸、鼓风制度、控制 参数的设计进行了分析，并对其发展趋势作 了展望． 1精矿喷嘴 目前闪遵炉上使用的精矿喷嘴一般有两 种一是文丘里式；一是中央喷射扩散式。 文丘里式精矿喷嘴烟尘发生率较高、容易产 生生料，而且单个喷嘴的能力较低，需安装 多个精矿喷嘴，由于安装位置距反应塔内壁 较近，造成反应塔内壁冲刷严重．而中央喷 射扩散式精矿喷嘴由于它特有的结构，不但 能适应高投入量，高富氧熔炼的要求，而且 由于其中央有氧管，提高了中央氧量，增加 了与精矿的接触面积，使化学反应更加彻 底，因此生料不容易生成，另外，在反应塔顶 中心部位只需安装一台精矿喷嘴，因此对反 应塔内壁冲刷较小．在设计时充分考虑了规 模扩大的需要，选用的是变量中央喷射扩散 式精矿喷嘴．该种精矿喷嘴空气腔采用内、 外环双层结构，可根据风量的大小分别选择 内环、外环或内外环同时使用，达到最佳喷 出速度。 2炉体结构 闪速炉本体主要由反应塔、沉淀池，上升 烟道、连接部组成． 1 反应塔为竖式圆筒形，由塔顶和塔 身构成．塔顶为球拱型结构，由厚度为 4 0 0 r a m 耐火砖和3 圈水冷H 型粱组成，水 冷H 型梁一方面固定炉顶，另一方面冷却耐 火材料，由于塔顶承受高温热辐射和含尘烟 气的冲刷，但无精矿冲刷，选用抗化学侵 蚀，耐冲刷性好的半熔融再结合镁铬砖较为 经济合理．塔身由外壳钢板、吊挂机构、砖 体、钢板水套，铜水套组成。外壳钢板在吊 挂机构区域厚度为5 0 r a m ，其它部位厚度为 2 8 m m ，主要用来通过砖体内托板支承耐火 材料。吊挂机构为反应塔重要的受力构件， 其内部必须进行水冷，反应塔整个重量通过 它悬吊在反应塔框架上．由于主要的化学反 应在反应塔内进行，反应塔容积热强度非常 大，为了保护耐火材料，沿反应塔高度方向 布置了7 层铜水套，为了进一步加强冷却，在 作者简介裒精华 1 舛t e 一 ．江西省南昌市人，东北大学工学士，南昌在色冶盒设计院工程师 万方数据 外层捣打料中还布置了冷却铜管。反应塔上 部简体冲刷较轻，用的是半熔融再结合镁铬 砖，下部冲刷严重，用的是荷重软化温度 高、显气孔率低、抗氧化还原以及抗化学侵 蚀性能好的电铸砖。反应塔整个重量都悬吊 在反应塔框架上，并与沉淀池是完全分开 的，这样保证了塔体在高度方向的自由膨 胀． 2 沉淀池是用来使冰铜、炉渣澄清分 离、并适应转炉操作储存冰铜的部位．由炉 顶、池墙、炉底构成。炉顶主要承受高温含 尘烟气的冲刷和渣面的热辐射，选用荷重软 化温度高、耐冲刷较好的高温烧成镁铬砖， 厚度为4 0 0 m m ，并采用拱形和吊挂相结合的 砌筑方式．为了防止拱顶在长度方向上发生 位移，在炉顶布置了多根水冷H 型粱，为了 吸收、调节拱顶在跨度方向的膨胀，在拱脚 梁处安装了弹簧压紧装置．沉淀池四面池墙 均向内倾斜1 0 。，以防耐火砖受损严重后池 墙倒塌，沉淀池最容易损坏的地方是渣线 区、反应塔下面的三面池墙、排渣口侧池 墙，前者是由于闪速炉炉渣的侵蚀，后二者 是由于烟气的冲刷，这几部份均选用半熔融 再结合镁铬砖，厚度为4 5 0 r a m ．为了保证耐 火材料的使用强度和提高耐火材料对炉渣的 抗侵蚀能力，在池墙四周设置了一圈倾斜铜 水套和二层水平铜水套．沉淀池炉底厚度为 1 8 2 5 m m ，上面采用反拱结构，下面用捣打料 找平后采用平砌，其反拱上面二层为工作 层，由于接触的是冰铜，选用高温烧成镁铬 砖就可满足要求，二层厚度共为6 8 5 m m ，下 面一层拱底工作条件较好。选用直接结合镁 铬砖．反拱下面则选用强度高，容重小的高 强轻质保温砖，这样可大幅度降低炉底钢粱 的载荷，并减少蓄热损失，有利于节约能 源．为了补充沉淀池的散热损失和生成渣时 吸收的热量，维持炉渣温度，促进冰铜和渣 分离。保持炉渣的良好的流动性，在沉淀池 四局布置了1 3 个重油烧嘴，其中出渣口对侧 2 个，锅炉侧5 个，出铜口侧6 个，这样合理 的布置有利于加热炉渣，使排渣顺畅。为了 使冰铜排出顺畅，不至于产生死角，需经常 变换放出位置，因此．冰铜排出口设置了4 个，并采用铜水套和保护水套的结构。以延 长冰铜排出口的使用寿命．炉渣排出V I 在后 端墙设置了2 个，以满足交替使用的需要． 由于炉渣的粘性较大，设计成水套的形式 时，会造成排渣困难，因此，炉渣排出口采用 砖砌结构． 3 上升烟道是烟气排出的部位，断面 为矩形结构，由侧墙，斜顶、平顶构成．侧墙 长约8 4 0 0 m m ，最高处达7 5 0 0 m m ，厚度为 4 6 0 m m ，沿其高度方向上设置了多层托板， 以承担耐火砖的重量．为了提高整个侧墙的 稳定性，侧墙在长度方向设计成弧形。由于 上升烟道出渣口侧下部侧墙、后端墙烟气冲 刷严重，选用半熔融再结合镁铬砖，其它侧 墙选用高温烧成镁铬砖就可满足要求．斜顶 和平顶均采用吊挂方式，厚度均为3 7 5 m m ， 在平顶内还设置了水冷H 型梁，以提高平顶 的稳定性．斜顶和平顶冲刷较轻，因此均选 用高温烧成镁铬砖。上升烟道的整个重量都 坐在上升烟道框架上，同样，上升烟道与沉 淀池也是完全脱开的．为了防止熔融物在上 升烟道出口处粘结，造成上升烟道阻塞，在 其斜顶上布置了一个烧嘴，两侧墙分别布置 了2 个烧嘴孔，每侧共用一个烧嘴． 4 连接部是反应塔与沉淀池、上升烟 道与沉淀池相连接的部位，根据各部分的具 体情况，反应塔与沉淀池的连接部采用直筒 型，而上升烟道与沉淀池的连接部采用圆弧 曲面型，两者均采用双排翅片水冷铜管捣打 不定形耐火材料的结构，不定形耐火材料选 用高温性能较好的铝氧水泥耐火捣打料，重 量分别由反应塔框架和上升烟道框架承担． 3主要尺寸的确定 3 ．1 反应塔的内径和高度在确定反应塔 万方数据 内径和高度时，～般是参考运转中闪速炉的 生产实践．以反应塔内烟气平均速度和烟气 停留时间为基准，再校核反应塔容积热强 度，容积热强度计算见下式 q Q ／V 式中q 一反应塔容积热强度M J ／m3 ．h ； O 一反应塔在单位时间内所产生的总 热量M J ／h ； v 一反应塔有效容积m 3 ． 根据世界现有闪速炉的操作实践，容积 热强度一般在1 2 4 0 ～1 7 5 0 M J ／m 3 h 比较 合适，过大影响闪速炉的使用寿命． 反应塔内径在确定时．应考虑以下几个 方面 1 精矿处理量为了保证规模扩大的需 要，适当考虑今后的增加量，处理量大，内径 也大。 2 操作方法包括反应塔送风温度和含 氧浓度以及冰铜品位。送风温度和含氧浓度 越高，所产生的烟气量越小，因此，内径越 小；而冰铜品位越高，反应塔送风量越多，自 然，所产生的烟气量越多，内径则越大． 3 反应塔内烟气平均速度在其它条件 一定的情况下，反应塔内径越小，速度则越 大，烟气停留时间越少．为了保证烟气在塔 内具有一定的停留时间，速度不能过大．另 外，反应塔内径与精矿喷嘴的选型也有密切 的关系，如果精矿喷嘴为文丘里式的．由于 该种精矿喷嘴的能力较小，必须在炉顶安装 几个，而为了给出足够的安装空间和防止精 矿过度地冲刷反应塔内壁，这样内径必然增 大，贵溪冶炼厂～期设计时内径为6 8 0 0 m m ， 而金隆公司内径则较小，为5 0 0 0 m m ．内 径小，则表面积也小，有助于减少散热损 失．反应塔高度取决于物料的化学反应速 度．物料的化学反应速度又与反应塔内的温 度．送风温度和含氧浓度有关，反应塔内的 温度和送风温度越高，反应速度越快，反应 塔高度则越低，进风台氧浓度越高。与精矿 接触越充分。反应速度越快，则反应塔高度 也越低。反应塔最理想的高度是物料完全反 应后的的下落点正好在沉淀池的液面上，这 样熔体温度较高，沉淀池供油可减少，但炉 况经常处于波动状态，为了确保物料完全反 应，不致于产生生料，考虑留有一定的富余 量。金隆公可反应塔高度设计时定为 7 0 0 0 r a m 。 3 ．2 沉淀池的上部内宽和内长沉淀池的 上部内宽是根据反应塔的内径确定的，一般 为反应塔内径加上1 0 0 0 ～2 0 0 o ，因为反 应塔内径为5 0 0 0 m m ，所以沉淀池上部内宽 定为6 7 0 0 m m ．沉淀池的上部内长在确定 时，除需考虑适应转炉操作具有一定的贮存 容积外，还需考虑沉淀池由于长期生产后炉 底结瘤而上升造成容积减小，炉底上升后。 最小贮存容积应能满足转炉造渣I 期所需要 的冰铜生产能力，因此沉淀池上部内长定为 2 3 2 0 0 m m ． 3 ．3 上升烟道的出口宽度和高度上升烟 道出口面积是根据出口的烟气量和出口烟气 流速来确定的，烟气流速不能过大，因为当 烟气流速过大时，不但会由于气流中带有熔 融物造成烟道阻塞，而且由于烟尘在余热锅 炉内不能扩散开来，将集中堆积在余热锅炉 的某个部位，造成余热锅炉故障。因此，烟 气流速定为4 ．8 5 m ／s ，考虑到与余热锅炉接 口的关系，出口宽度定为2 7 0 0 r a m ，出口高度 定为4 0 0 0 m m ． 4 鼓风制度 鼓风制度是指闪速炉精矿喷嘴的送风温 度和含氧浓度，送风温度分常温、低温、中温 和高温，送风含氧浓度包括常氧和富氧。送 风温度越高，对于提高物辩反应速度、减小 反应塔内径和降低重油消耗都有利，但必须 另外上一整套预热设备．富氧进风不但可提 高物料反应速度、减小反应塔内径，降低重 油消耗、减小闪速炉烟尘率、减少制酸系统 万方数据 2 7 的烟气处理量，而且可满足大幅度提高投入 量的要求．综合考虑，选定常温富氧的鼓风 制度时．能源消耗和成本最低． 5 控制参数 闪速炉三个基本控制参数是F e ／S i 0 2 比、冰铜品位和冰铜温度。F e ，o ．的生成量 随着F e ／S i 0 2 比值的增加而增多，而F e 3 0 。 的产生，不但使渣含铜升高，而且容易造成 沉淀池炉底上升，减小沉淀池的有效容积， 严重时造成沉淀池贮存容积不足，不能满足 转炉的生产需要．F e ／S i O 的设计比值为 1 ．2 ，操作时通过调节石英比率控制在1 ．1 ～ 1 ．2 之间． 冰铜品位的高低取决于精矿的氧化程 度．在选定冰铜品位时，应综合考虑精矿的 处理量、原料组成、转炉的冰铜处理能力、重 油的消耗量等因素。当采用高品位冰铜时， 反应放热较多，可降低反应塔重油消耗量， 同时烟气中的S O 的浓度增加，并可减少转 炉的冰铜处理量，一般认为精矿投入量大， 应采用较高的冰铜品位．但冰铜品位不能太 高，因为冰铜品位越高，生成的F e ，O ．越 多．选用冰铜品位5 2 ％作为目标冰铜品位 较为合适，操作时通过控制反应塔送风量来 达到． 冰铜温度取决于冰铜层从渣层吸收的热 量，热量来源于化学反应热和反应塔重油燃 烧所产生的热量。冰铜的温度选用1 2 1 0 。作 为目标温度较为合适，冰铜温度过低，渣含 铜升高，并造成排渣困难；冰铜温度过高，不 但浪费能源，而且对沉淀池内衬砖造成过多 的热侵蚀，冰铜温度可通过反应塔的重油消 耗量来控制 6 展望 金隆工程是我国自行设计、自行施工的 大型闪速熔炼铜厂，经过3 年多的生产实 践，各项技术经济指标已达到或接近设计 值，闪速炉运行也平稳、正常． 由于大幅度提高产量，可产生规模效 益，使产品在市场上更具竞争力．以致于世 界上单台闪速炉生产能力最大的可达年产铜 约3 0 万t ，随着规模的扩大，闪速熔炼技术 也不断地向高投人量、高冰铜品位、高富氧 浓度、高热强度方向推进。为适应“四高”的 要求，出现了中央喷射扩散式精矿喷嘴。炉 体结构也发生相应变化．由于采用高冰铜品 位和高富氧浓度熔炼，反应焦点上移，致使 反应塔塔顶和上部侵蚀严重，为了加强对反 应塔上部的冷却，上部冷却铜管应改成L 型 铜水套，反应塔顶也应由原来的拱顶改成吊 挂炉顶。由于采用高热强度熔炼，反应塔铜 水套层数也应适当地增加，同时反应塔连接 部为了适应这种变化，由原来的双排冷却铜 管的捣打耐火材料结构改成F 型水套结 构．反应焦点上移，闪速炉反应塔高度可适 当降低。为减少沉淀池侧墙侵蚀，沉淀池水 平水套由单层改为双层较为合理。上升烟道 两侧烧嘴附近由于属于燃烧高温区，在此处 也应设置水平铜水套． 虽然我国闪速熔炼技术起步较晚，但从 贵冶二期年产铜2 0 万t 的改造来看，已基本 达到了“四高”要求．金隆公司目前进行的年 产铜1 5 万t 的技改，也标志着我国铜闪速熔 炼技术跨人了世界先进水平行列。 万方数据