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                再生銅生產用連續精煉爐的爐底壽命特點及改進

                發布時間:2021/05/18 行業新聞 標簽:耐火磚瀏覽次數:167

                當前,國內的再生銅生產主流工藝為“一段法”,通常用固定式陽極爐(以下簡稱“固定爐”)完成整個再生銅生產過程,將廢雜銅原料精煉成陽極銅。一段法工藝為周期作業方式,每生產爐次的作業過程依次為“加料熔化”作業、“氧化精煉”作業、“還原精煉”作業、“保溫(澆鑄)”作業。 

                某公司自行研發的聯合精煉工藝,其突出特點是由熔化豎爐和連續精煉爐(以下簡稱“連續爐”)共同完成再生銅生產作業——豎爐連續加入品位高于98%的廢雜銅原料,連續將銅原料熔化成銅液,并連續將銅液輸送到連續爐,不存在爐次的區分。連續爐和固定爐一樣采取周期作業方式,但沒有“加料熔化”作業,每爐次的作業過程依次為“蓄液提溫”、“氧化精煉”、“還原精煉”、“還原(澆鑄)”作業。連續爐為兩臺,實行一開一備。 

                1、連續爐的爐底壽命特點及初期改進措施 

                1.1連續爐爐底壽命的特點 

                最初建造的兩臺連續爐采用相同的砌筑方案,主體結構以110t的固定爐為藍本,爐體也由反拱式爐底、爐墻、拱形爐頂三大部分組成。連續爐采用固定爐方案,①因為沒有聯合精煉的相關技術積累與使用經驗,需要規避技術風險;②當進廠原料品位低于98%、豎爐停爐時,連續爐還能充當固定爐單獨處理低品位原料,即恢復成傳統的一段法生產工藝。事實上,由于原料供應的原因,2#連續爐建成后3年內一直單煉再生粗銅,實質上作為固定爐使用。1#連續爐則一直用于聯合精煉作業。 

                再生銅行業中,對固定爐爐壽的管理重點通常是爐頂的使用壽命,因為爐頂處溫度最高、被燃燒器火焰氣流沖刷、承受頻繁的溫度驟升驟降熱應力,爐頂耐火磚使用壽命往往只有3~6個月。因為爐底的使用壽命長,一般不作為固定爐爐壽管理的重點。 

                1#連續爐投入使用后,同樣把爐壽管理的重心放在爐頂壽命上,認為其爐底使用壽命會優于固定爐。因為固定爐每爐次的“加料熔化”作業中,要向爐內加入單重0.2~2t合計110t的冷態銅料,加料車將銅料送入爐膛后傾倒到爐底,銅料下落距離在0.75m以上,勢必對爐底磚有較大的機械沖擊。衡量爐底磚抵抗機械沖擊的能力的主要指標是抗折強度,耐火磚的受力特點是耐壓不耐折,即抗折強度比耐壓強度小得多,如常用的直接結合鎂鉻磚,國內兩個主要廠家的耐壓強度為40MPa/50MPa,抗折強度為(6~10MPa)/(5~10MPa)[1]。長期加料作業帶來的機械沖擊下,會造成耐火磚損傷。而1#連續爐直接接收銅液,可不加入冷態銅料,爐底不存在加料時機械沖擊問題,理應在使用壽命上具有優勢。 

                然而,在聯合精煉的生產實踐中,連續爐的爐壽卻出現了與其他廠家固定爐截然不同的特點,如表1所示,連續爐的爐頂、爐墻的使用壽命遠遠領先于固定爐,但爐底壽命卻短得多。爐底為死爐底設計,爐墻壓在爐底上,檢修爐底時需要拆除爐頂、爐墻,結果就成為大修,此時爐墻、爐頂砌體即使使用時間不長,也得需拆除、重砌,造成很大的成本浪費。連續爐的爐壽的短板在于爐底而不是爐頂。 

                連續爐的爐底役期很短,都是因為浮磚問題所致:連續爐每一役期,生產12個月后,工作門區域的一塊爐底反拱磚會斷裂成上下兩截,上半截(150~230mm長)從反拱磚層中脫離,飄浮在銅水表面,稱為“浮磚”。下半截殘磚仍嵌在反拱磚層中,損壞區域看上去如同“缺牙”。一旦出現第一塊浮磚,后續爐次就會接二連三地出現,間隔時間越來越短,每次浮磚數量越來越多,嚴重時一爐次出現20~30塊浮磚。爐底缺牙范圍一個月時間就會發展2~4m2,如果不及時停爐檢修,銅液會穿透缺牙區的殘磚層,造成跑銅事故。首次浮磚之前,往往沒有預兆,對反拱磚裝的損耗程度檢查沒有異常。從首次出現浮磚到爐役結束,往往歷時不足一個月,大修用磚采購周期往往在3個月以上,導致檢修工作極為被動。 

                1.2連續爐爐底的砌筑改進 

                冶金爐的爐壽問題,通常癥結在于耐火磚的規格、材質、砌筑方案、砌筑質量方面,因此首先在這些方面采取了一系列改進措施。 

                1.2.1爐底耐火磚改進首先認為是爐底耐火磚的性能較差:將反拱使用的豎厚楔形磚的材質由鎂鉻鋁磚,改為鎂鉻質,后改為鎂鋁磚、直接結合鎂鉻質;長度由380mm增加到440mm。爐底砌筑搗打料配比中配入鋼纖維,增加結合性能,防止水蒸氣導致爆裂。 

                1.2.2爐底反拱砌筑方案改進 

                爐底反拱磚從環砌改為錯縫砌筑,干砌改為濕砌。爐底反拱中心角從48°增加到56°。增強反拱磚體之間的互鎖,增加磚體之間的結合力,避免磚體抽簽上浮。 

                1.2.3提高爐底砌筑質量 

                爐底砌筑施工時,嚴格執行《工業爐砌筑工程施工及驗收規范》(GB50211-2004):砌筑前對爐底磚全數檢驗,砌筑施工中使用塞尺進行過程檢驗,嚴格控制磚縫厚度<1mm。爐底砌筑搗打料施工時,把速度較慢的人工搗打改為電動平板沖擊夯,搗打施工時間從8h壓縮到1h。 

                2、連續爐爐底的損耗機理分析 

                雖然采取一系列砌筑改進措施,連續爐的爐底役期并沒有明顯提升,說明沒有對癥下藥。連續爐爐墻、爐頂的使用壽命長,也側面說明耐火磚的規格、材質、砌筑方案、砌筑質量不是爐底壽命短的主要原因。可以佐證的是,作為固定爐使用的2#連續爐的爐底壽命已經達到了3年,檢查爐底情況良好,沒有異常的損耗,也進一步證實了這個判斷。 

                1#爐第二次大修期間,改由2#連續爐與豎爐配合進行聯合精煉生產,結果半年后也出現浮磚現象,被迫大修。因此,開始懷疑連續爐的爐底壽命的關鍵影響因素是聯合精煉工藝本身所致。 

                1#連續爐的第三爐役開始后,從爐底橫向通風道處(如圖1所示)采用紅外測溫儀測量爐底溫度,每條通風道上設9個測點(如圖2所示)。測量發現,通風道的平均溫度,呈明顯的梯度,從高到低依次為通風道2、3、1、4。測量前本以為每條通風道上溫度最高點在測點⑤處,因為它是爐底反拱最低點,是爐底最薄處。然而測量發現通風道處1、2、3,都是測點⑦溫度最高,且至少高出其它測點20~30℃。而且,位于1#工作門下方的通風道2處的測點⑦溫度始終最高,位于2#工作門下方通風道3的測點⑦溫度次之,通風道4最低。通風道2處的測點⑦正上方的爐底,恰好是每爐役出現第一塊浮磚的位置。 

                連續爐的80%的插管作業主要在1#工作門處進行,20%的插管作業在2#工作門處。因此,進一步推斷,連續爐的爐底壽命問題是聯合精煉獨特的作業特點——強化的插管作業所致。 

                2.1插管作業的湍流作用 

                連續爐和固定爐的氧化精煉、還原精煉同樣需要插管作業——將氧化/還原管浸沒在爐內熔池中。氧化精煉時,通過氧化/還原管向熔池中噴入壓縮空氣。還原精煉時,通過氧化/還原管向熔池中噴入天然氣、液化石油氣等氣態還原劑;若采用固態的煤基還原劑,則使用壓縮空氣來輸送還原劑。 

                換言之,插管作業時必然向熔池噴入氣體射流,氣體射流進入熔池后在垂直于管軸線方向產生分速度,氣體形成氣泡攪動銅液,形成銅液湍流,沖擊爐襯,這是連續爐和固定爐的插管作業的共同點。 

                2.2連續爐和固定爐的插管作業的區別 

                連續爐和固定爐一樣,每一爐次都分為4個作業階段,但插管作業上明顯不同。

                第1個作業階段,固定爐為“加料熔化”作業,將常溫的廢雜銅原料逐次加入固定爐,并加熱熔化成銅液,直到爐內銅液量到達爐容量;而連續爐為“蓄液提溫”作業,只負責接收豎爐提供的銅液。兩者都不進行插管作業。 

                第2個作業階段,固定爐為“氧化精煉”,是把氧化管插入爐內銅液中,經氧化管輸入壓縮空氣以氧化雜質并與熔劑造渣,脫除雜質;連續爐同樣為“氧化精煉”,作業方法與固定爐基本相同,區別是蓄積的銅液量達到爐容的50%后,就需要開始插管作業。 

                第3個作業階段,固定爐為“還原精煉”,是把還原管插入爐內銅液中,通過還原劑與銅液中的氧結合而脫氧;連續爐同樣為“還原精煉”,作業方法與固定爐基本相同,但插管作業在“氧化精煉”后開始,必須在爐內蓄積的銅液達到爐容上限前完成。 

                第4個作業階段,固定爐為“保溫(澆鑄)”作業,連續爐為“還原(澆鑄)”作業,兩者都是打開放銅口,把銅液輸送到澆鑄工序,當爐內銅液量降到下限后,該爐次作業結束。固定爐“保溫(澆鑄)”作業中不進行還原,不插管操作;而連續爐“還原(澆鑄)”作業時同時連續補充豎爐銅液,需要繼續向銅液內通入還原劑脫除新補充的銅液中的氧,產生插管作業。 

                對比可見,每爐次的作業中,固定爐只有2個作業階段需插管作業,連續爐則有3個作業階段需要插管作業;這是因為連續爐在澆鑄作業開始后,仍在接收豎爐提供的銅液,為脫除新補充的豎爐銅液中的氧,需要繼續插管還原。 

                聯合精煉工藝相較于傳統一段法工藝是一種強化冶煉作業,爐型相同的情況下,用于聯合精煉工藝的1#連續爐較作為固定爐的2#爐的日產量增加275%;連續爐的插管作業時間也大幅攀升,增加幅度超過了產量:2#連續爐作為固定爐生產時,每天插管作業時間2~4h,1#連續爐每天插管作業時間則高達12~18h。 

                2.3連續爐的插管作業的負面效應 

                相比固定爐,連續爐插管時間長,會產生以下三個負面作用。 

                2.3.1湍流沖擊加劇 

                插管時噴入氣體具有初始速度,其動能對銅液做功[2],使銅液產生不規則的湍流運動。湍流銅液又對爐底做功,產生機械沖擊。插管作業時間的大幅增加,意味著插管作用區域內的爐底反拱磚承受湍流作用的時間也相應大幅增加,由量變到質變,導致爐底局部耐火磚加速損耗,最終發展至浮磚。 

                每爐役第一塊浮磚,總是出現在通風道2處的測點⑦的正上方的爐底處,為主要插管區域,該處在反拱弧的腰部,恰好是氧化管、還原管氣流的作用區。 

                插管作業時,氣體射流噴入銅液中后,射流對周圍銅液的卷吸使得射流不斷擴張并且運動速度降低[3],插管時氣體射流產生的湍流能可視為定值,顯然,爐內銅液的液位越低,容納銅液量越少,銅液吸納的湍流能無疑更少,湍流能將更多的由爐底反拱承受,加劇了爐底磚的損耗速度。固定爐始終在接近滿液位的高度插管,不存在這個問題。而連續爐由于工藝的需要,需在低液位時插管(見表2);插管時爐內銅液量可低至20%。插管時液位低到一定程度,高速氣流甚至直接沖擊到爐底,加劇了這一問題。 

                通常,固定爐的爐底磚表面會形成一定厚度的爐結,該爐結含有較高Fe3O4,致密堅硬、化學性質穩定。爐結的存在,雖然縮小了爐容量,但也堵塞了熔渣滲透的途徑,保護耐火磚不會受到銅液、熔渣的進一步侵蝕。然而檢查發現,連續爐在長時間插管伴生的湍流作用下,從未形成爐結保護層。 

                2.3.2局部過熱升溫 

                高溫銅液湍流對爐底做功的同時,在作用范圍內產生過熱。爐底承受的湍流能越多,湍流時間越長,作用范圍越集中,插管區域的局部爐底在較高過熱下的升溫就越顯著。 

                連續爐相比固定爐多出的插管時間,主要是還原插管時間,還原劑從還原管管口噴出,與銅液中氧反應,釋放熱量,加劇了插管區域的局部溫升。局部溫度變化和湍流也會引起耐火材料的不對稱侵蝕[4],形成局部的過快損蝕。通入還原劑時,產生溫度越高,銅液流動性越好,越容易滲入耐火磚的孔隙及磚縫中,加大反應接觸面,加劇侵蝕;熔渣對耐火材料的物理溶解和機械沖刷也隨溫度升高而加劇。 

                2.3.3爐底散熱不良的矛盾加劇 

                連續爐與固定爐的爐底架空放置于爐基上,爐底下方為60個400mm高的粘土磚臺,粘土磚臺的間距150~240mm,作為爐底熱量散發的通道,稱為“通風道”。由于長度的原因,縱向通風道散熱作用可以忽略,主要起作用的是橫向通風道。1#連續爐沿爐體縱向設11條橫向條通風道,然而其中7條橫向通風孔內放置橫向拉桿,通風道兩側出口被橫向拉桿立柱阻擋,散熱效果較差,實際起通風道作用的只有4條(如圖1)。爐底通風道數量少、寬度小,自然散熱能力差,爐底部分區域出現高溫后就居高不下,最終影響該處爐底磚的壽命。 

                白銀公司的固定爐砌筑實踐中,曾嘗試縮小了爐底橫向道面積,造成爐底過熱,爐底板和底部拉桿嚴重發紅,被迫沿通風道強制通風冷卻,才避免了高溫銅液滲漏事故發生。某公司的固定爐因為湍流強度小,爐底局部過熱問題不突出,對爐底散熱能力相對要求不高。但在聯合精煉生產模式下,局部爐底會出現高溫,此時爐底熱量難以散放的矛盾就變得突出。 

                2.4爐底損耗機理的驗證 

                最終判斷,高負荷插管作業帶來湍流沖擊、局部過熱和爐底散熱不良共同作用,造成連續爐局部爐底的快速損耗,它們的共同作用,表觀反映在該局部爐底的溫度變化上。 

                根據測量的結果,以生產天數為變量x,通風道2處的爐底溫度測點⑦溫度為因變量y,繪制散點圖,。 

                可以看到,爐底溫度隨著生產天數的增加有著顯著提高的趨勢,兩者相關性明顯。進行回歸分析,計算可得到回歸方程式: 

                y=244.6397e0.0010x,(1) 

                R2=0.7386,則R=0.859>0.7,說明回歸方程式是高度可信的。 

                從回歸方程看到,生產天數越長,爐底溫度越高。 

                根據幾年來的生產實踐,連續爐的爐底通風道2處的爐底溫度測點⑦溫度突破400℃后,通常1~3月內,就會出現第一塊浮磚,400℃是該爐役期進入倒計時的臨界點。 

                于是采用延伸預測法,假設1#工作門爐底溫度y達到400℃,將y=400代入式(1),計算得到:x=492天。即,爐役期達到492天,預測爐底最高溫度達到臨界點溫度400℃,實際上,該爐役生產到521天達到400℃(549天出現浮磚),與臨界點時間相差29天,說明回歸方程的可信度是很高的,對爐壽管理具有指導意義。 

                3、改進方向 

                根據連續爐的爐底損耗機理,相應從工藝、砌筑方面進行改進。 

                3.1工藝完善 

                針對聯合精煉工藝導致的連續爐的湍流沖擊與局部過熱問題,針對性地調整作業方式,進行工藝完善。 

                (1)規定還原插管時,爐內銅液高度原則上不少于50t,減少湍流沖擊。 

                (2)盡可能在2#工作門插管,減少1#工作門插管,1#工作門處進行的插管作業減少到60%;在2#工作門處進行的插管作業增加到40%。 

                (3)插管作業時,必須頻繁移動插管位置,嚴禁停留在某一個點。 

                (4)在滿足陽極銅成分要求的前提下,改深度氧化為淺氧化,減少氧化插管時間;氧化程度減少也會相應減少還原插管時間。以改善爐底局部過熱。 

                3.2砌筑改進 

                工藝過程強化會產生較高的熱通量,從而加速耐火材料損蝕,需要注重對冶金爐實施最佳冷卻[6],以延長冶金爐壽命,才能充分發揮高強度工藝的優勢。于是針對連續爐、固定爐共性的爐底散熱不良問題,優化了爐底降溫設計。 

                3.2.1強制通風冷卻 

                針對插管導致的局部高溫過熱問題,每條橫向通風道內安裝一根風管,風管出口對著測點⑦位置,用一臺7.5kW的離心式通風機供風,對爐底的高溫區域局部進行降溫。 

                3.2.2增加通風散熱面積 

                重新設計了爐底基礎,在確保粘土磚臺對爐體承載能力的前提下,縮小磚臺尺寸,增加通風道數量,把通風道從11條增加到15條;有效通風道實際從4條增加到8條,且寬度一律為230mm(一磚長),有效通風面積增加136%。 

                采取以上措施后,連續爐的爐底溫度情況顯著改善,爐役期的18個月內,爐底最高溫度控制在300℃以內,到第36個月,爐底最高溫度才達到350℃。迄今為止,爐底壽命已經超過了42個月,實現了改進目標。 

                4、結語 

                隨著市場競爭的日益激烈,強化冶煉將是工藝升級的主要方向,冶煉過程強化會產生很多意想不到的變化,對冶金爐的爐壽產生難以預料的影響。連續精煉爐遭遇的爐壽問題,也可能發生在其他冶金爐。連續爐的爐壽管理中,開始局限于常規思維,遲遲無法找到問題的癥結所在,勞而無功。最終通過轉換思路,通過跟蹤分析,找到了關鍵的影響因素,發現高負荷插管作業帶來湍流沖擊、局部過熱和爐底散熱不良共同作用,造成連續爐局部爐底的快速損耗。最終,采取并不復雜的、成本不高的方案,就成功抵消冶煉強度提升的負面影響,解決了連續爐爐壽問題,可以作為其它冶金爐在強化冶煉中進行爐壽管理工作的借鑒。 

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