側(cè)吹熔融還原爐的設計及應用

馮雙杰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 10038)

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側(cè)吹熔融還原爐的設計及應用

馮雙杰

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 10038)

簡述了側(cè)吹熔融還原爐的生產(chǎn)概況，介紹了還原爐主要部件的結(jié)構(gòu)設計，列舉了還原爐的生產(chǎn)實踐，總結(jié)了還原爐的特點。

液態(tài)高鉛渣; 直接還原; 側(cè)吹熔融還原爐; 富氧; 熔池熔煉

目前，硫化鉛精礦的直接熔煉工藝，大體分為兩類：一類是閃速熔煉，如基夫賽特法；一類是熔池熔煉，如QSL法、水口山法、奧斯麥特法、艾薩法和卡爾多爐法。其中，QSL法、基夫賽特法為兩室一步煉鉛法；卡爾多法為兩周期一步煉鉛法；水口山法、艾薩法都是兩步煉鉛法，首先是在爐內(nèi)進行氧化熔煉，生產(chǎn)部分粗鉛和液態(tài)高鉛渣，高鉛渣鑄成塊配入焦炭加入鼓風爐進行還原熔煉產(chǎn)出粗鉛和終渣[1]。

鼓風爐還原解決了煙塵率高和終渣含鉛高的問題，卻未能利用高鉛渣的熱焓，高鉛渣鑄塊所損失的物理熱約占鼓風爐能耗的15%左右；且高鉛渣鑄塊需使用鑄渣機，增大了設備投資和動力消耗、增加了占地面積；鼓風爐還原還需要使用價格昂貴的塊狀冶金焦炭作為還原劑，焦率達13%～17%。因此，開發(fā)液態(tài)高鉛渣直接還原技術(shù)取代現(xiàn)有鼓風爐，是當今粗鉛冶煉領(lǐng)域一項重要技術(shù)發(fā)展。目前高鉛渣直接還原技術(shù)主要有底吹還原法、底吹電熱還原法和側(cè)吹還原法。本文主要介紹 ENFI研發(fā)的高鉛渣側(cè)吹熔融還原爐的設計和應用。

1 側(cè)吹熔融還原爐概況

2008年為開發(fā)高鉛渣直接還原技術(shù)，設計了一臺8 m2的側(cè)吹爐，2009年進行了試驗，并取得了成功，高鉛渣含鉛40%～45%的條件下，終渣含鉛<2%。在試驗中和之后進行了一些改進，主要有：原設計采用的是粉煤噴槍，后來改為了噴吹焦爐煤氣，為保證爐壽，吹煉段爐襯增加了銅水套冷卻，為滿足產(chǎn)能要求，將長方形爐的一端延長為半圓形，爐膛斷面由8 m2增加到了～13 m2，試驗爐轉(zhuǎn)為了生產(chǎn)爐。

側(cè)吹熔融還原爐為周期性操作，一個周期約2個小時，在一個周期內(nèi)需要完成進料——噴吹還原——放渣操作，產(chǎn)出的粗鉛定期放出。

熔融態(tài)的高鉛渣定期從熔化爐放出經(jīng)溜槽直接流入側(cè)吹還原爐，熔劑和還原劑(主要是塊煤)經(jīng)加料皮帶從冷料口加入側(cè)吹還原爐，在爐子兩側(cè)噴槍噴入可燃氣體(煤氣、天然氣)和富氧空氣，在熔體內(nèi)進行浸沒式燃燒，噴吹的能量使熔池產(chǎn)生強烈攪拌，熔融的高鉛渣和熔劑、還原劑被迅速混合，完成一系列的傳熱傳質(zhì)和氧化鉛的還原反應過程，生成粗鉛和終渣，反應產(chǎn)生的鉛滴相互碰撞、長大、下沉進入噴槍以下的相對安靜區(qū)，達到一定深度時從虹吸口放出，爐渣在達到還原終點后從放渣口放出。

參照試驗爐取得的成果，結(jié)合工程需要，近期設計了兩臺18 m2熔融還原爐，均于2013年投產(chǎn)，達到了設計指標。

2 側(cè)吹熔融還原爐的設計

側(cè)吹熔融還原爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要部件有：基礎、鋼結(jié)構(gòu)、水套冷卻系統(tǒng)、噴槍、磚體等。

圖1 側(cè)吹熔融還原爐結(jié)構(gòu)圖

2.1 爐底基礎

爐底基礎承載著整個爐子以及熔體的重量，因此需要有足夠的強度；另外，由于鉛的熔點比較低，爐底需要考慮通風冷卻，一旦有鉛液滲漏到爐底時能夠凝固，避免發(fā)生漏爐事故。側(cè)吹熔融還原爐的爐底基礎是在土建基礎上采用抗壓強度較高的耐火磚砌筑成一定高度的獨立磚墩，爐底板直接放于磚墩上。磚墩基礎既能支撐整個爐子，又留有爐底的冷卻空間。這種基礎簡單、可靠，缺點是受爐體熱脹冷縮和震動的影響，磚墩易開裂損壞，新的設計改為耐火澆注料整澆的與土建基礎一體的條狀基礎。要強調(diào)一點，該爐標高很高，土建基礎也高，土建基礎的設計要避免與爐內(nèi)噴吹擾動共振，防止整爐的震動。

2.2 爐體鋼結(jié)構(gòu)

側(cè)吹熔融還原爐的鋼結(jié)構(gòu)包括爐殼、外圍骨架以及爐殼表面的筋板。爐體鋼結(jié)構(gòu)要有足夠的強度和剛度，以承受爐體自重、熔體重量、以及磚體的膨脹力。由于側(cè)吹爐內(nèi)熔體的攪動比較劇烈，會產(chǎn)生擾動力，容易造成爐體晃動，外圍骨架的整體性、抗擾性以及與土建基礎連接要充分考慮，盡量減少爐體的晃動。

2.3 水套冷卻系統(tǒng)

側(cè)吹熔融還原爐為周期性操作，爐內(nèi)熔池溫度高而且波動大，單靠耐火材料很難保證爐體壽命，而水冷技術(shù)的應用則是提高爐壽的有效措施。爐內(nèi)各部分的溫度不同，工況條件不同，需要的冷卻強度也不相同，因而需要設計不同的水冷元件。

熔池區(qū)的工況條件最為惡劣，要承受高溫熔體攪動以及噴濺物的化學侵蝕和反復沖刷，需要較強的冷卻效果，因此在該區(qū)域內(nèi)設計了特殊的銅水套對耐火材料進行冷卻，通過合理的水冷強度能夠使耐火材料熱面形成穩(wěn)定的掛渣層，從而保護耐火材料。氣相區(qū)只是煙氣通過，沒有熔體的沖刷和侵蝕，耐火材料的壽命相對較長，不需要那么強的冷卻強度。設計了腔式鋼水套，對耐火材料進行冷卻，同時由于鋼水套的存在，爐子外部溫度不高，也創(chuàng)造一個舒適的工作環(huán)境。

2.4 耐火材料

爐底工作層耐火磚應具有抗高溫熔體的沖刷、侵蝕、滲透性能，要考慮放鉛時的溫度波動，采用含鉻20%的半再結(jié)合鎂鉻磚。

熔池區(qū)耐材蝕損機理主要是金屬 Pb以及附帶的Cu、Zn等其它金屬沿工作面滲透到耐火磚內(nèi)部堵塞原磚顯氣孔使耐火磚變的非常致密，由于金屬的導熱性能及線膨脹變化與原耐火磚差別非常大，因此，冶煉過程中的溫度波動造成結(jié)構(gòu)剝落。同時，SiO2—Fe2O3—CaO系熔渣也會對耐材造成熔蝕，所以采用含鉻20%的電熔再結(jié)合鎂鉻磚。

上部爐膛耐材蝕損機理主要是在高溫、還原氣氛條件下，磚內(nèi)部的FeOn被還原為單質(zhì)Fe，此還原反應改變了原磚內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)導致耐火磚變疏松，此部位的耐火磚鐵含量要低。同時，SiO2、FeO、CaO等噴濺的熔渣會對耐材造成一定的侵蝕，考慮到耐材的熱震穩(wěn)定性能，采用含鉻12%的半再結(jié)合鎂鉻磚。

2.5 噴槍

噴槍是側(cè)吹熔融還原爐的核心，向爐內(nèi)輸送燃料和富氧空氣，向爐內(nèi)提供還原反應所需熱量的同時攪動熔體。通過計算選擇合理的氣體噴出速度和噴槍間距，在為爐內(nèi)的熔池熔煉提供較好的反應條件的同時又要延長噴槍區(qū)耐火材料的壽命，同時延長噴槍的使用壽命。

3 側(cè)吹熔融還原爐的應用

目前，該側(cè)吹熔融還原爐作為液態(tài)高鉛渣直接還原的主要冶煉方法之一已成功用于多個廠家，與底吹爐或頂吹爐配合實現(xiàn)了鉛精礦的氧化熔煉和富鉛渣直接還原冶煉工藝。該工藝流程短，操作簡單，節(jié)能降耗效果明顯，主要技術(shù)指標見表1。

表1 側(cè)吹熔融還原爐主要技術(shù)指標

4 結(jié)論

側(cè)吹熔融還原爐以其操作的靈活性，分別實現(xiàn)了與底吹爐和頂吹爐的結(jié)合，成功實現(xiàn)了熱態(tài)高鉛渣的直接還原作業(yè)，綜合起來有如下特點：

(1) 該側(cè)吹爐為固定式爐型，無運動部件，結(jié)構(gòu)簡單，噴槍壽命長，能有效提高生產(chǎn)率。

(2) 噴槍可以噴吹焦爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、天然氣等，同時噴吹富氧空氣助燃，大大減少了煙氣量，后續(xù)煙氣處理系統(tǒng)規(guī)模小，減少了投資。

(3) 爐子煙氣出口直接與余熱鍋爐連接，尺寸大，煙氣流速低，有利于煙塵的沉降，大大降低了煙塵率。

(4) 熔池區(qū)采用銅水套冷卻耐火磚的結(jié)構(gòu)形式，爐襯壽命提高，與銅水套直接掛渣的形式相比，一方面提高了使用銅水套的安全性，另一方面減少了冷卻水帶走的熱量，有利于節(jié)能。

[1] 李棟．高鉛渣直接還原爐的研發(fā)設計[J]．中國有色冶金，2012，(1)：35-37.

[2] 李小兵，李元香等．萬洋”三連爐”直接煉鉛法的生產(chǎn)實踐[J]．中國有色冶金，2011,(6)：13-16.

[3] 張和平．底吹還原爐的設計[J]．中國有色冶金，2012,(1)：38-39.

Design of side-blown melting reduction furnace and its application

FENG Shuang-jie

This paper describes the production profile of side-blown melting reduction furnace, introduces the construct design of main components, lists the practice and summarizes the characteristics of the reduction furnace.

liquid lead-rich slag; direct reduction; side-blown melting reduction furnace; oxygen-enriched; bath smelting

馮雙杰(1982—)，男，河南長葛人，工程師，碩士，從事有色冶金工業(yè)爐設計工作。

2014-- 07-- 17

TF812; TF806

B

1672-- 6103(2015)03-- 0019-- 03