PDF《侧吹熔融还原炉的设计及应用》

侧吹熔融还原炉的设计及应用 冯双杰 (中国恩菲工程技术有限公司, 北京摇 10038) [摘摇 要]摇 简述了侧吹熔融还原炉的生产概况,介绍了还原炉主要部件的结构设计,列举了还原炉的 生产实践,总结了还原炉的特点.

[关键词]摇 液态高铅渣;

直接还原;

侧吹熔融还原炉;

富氧;

熔池熔炼 [中图分类号]摇TF812;

TF806 摇 [文献标志码]摇 B摇 摇 [文章编号]摇1672鄄鄄6103(2015)03鄄鄄0019鄄鄄03 [作者简介] 冯双杰(1982―),男,河南长葛人,工程师,硕士,从事 有色冶金工业炉设计工作. [收稿日期] 2014鄄鄄07鄄鄄17 摇摇目前,硫化铅精矿的直接熔炼工艺,大体分为两 类:一类是闪速熔炼,如基夫赛特法;

一类是熔池熔 炼,如QSL 法、水口山法、奥斯麦特法、艾萨法和卡 尔多炉法. 其中,QSL 法、基夫赛特法为两室一步炼 铅法;

卡尔多法为两周期一步炼铅法;

水口山法、艾 萨法都是两步炼铅法,首先是在炉内进行氧化熔炼, 生产部分粗铅和液态高铅渣,高铅渣铸成块配入焦 炭加入鼓风炉进行还原熔炼产出粗铅和终渣[1] . 鼓风炉还原解决了烟尘率高和终渣含铅高的问 题,却未能利用高铅渣的热焓,高铅渣铸块所损失的 物理热约占鼓风炉能耗的 15% 左右;

且高铅渣铸块 需使用铸渣机,增大了设备投资和动力消耗、增加了 占地面积;

鼓风炉还原还需要使用价格昂贵的块状 冶金焦炭作为还原剂,焦率达 13% ~ 17% . 因此, 开发液态高铅渣直接还原技术取代现有鼓风炉,是 当今粗铅冶炼领域一项重要技术发展. 目前高铅渣 直接还原技术主要有底吹还原法、底吹电热还原法 和侧吹还原法. 本文主要介绍 ENFI 研发的高铅渣 侧吹熔融还原炉的设计和应用. 1摇 侧吹熔融还原炉概况

2008 年为开发高铅渣直接还原技术,设计了一 台8m2 的侧吹炉,2009 年进行了试验,并取得了成 功,高铅渣含铅 40% ~ 45% 的条件下, 终渣含铅 < 2% .在试验中和之后进行了一些改进,主要有:原 设计采用的是粉煤喷枪,后来改为了喷吹焦炉煤气, 为保证炉寿,吹炼段炉衬增加了铜水套冷却,为满足 产能要求,将长方形炉的一端延长为半圆形,炉膛断 面由

8 m2 增加到了 ~

13 m2 ,试验炉转为了生产炉. 侧吹熔融还原炉为周期性操作,一个周期约

2 个小时,在一个周期内需要完成进料― ― ―喷吹还 原― ― ―放渣操作,产出的粗铅定期放出. 熔融态的高铅渣定期从熔化炉放出经溜槽直接 流入侧吹还原炉,熔剂和还原剂(主要是块煤)经加 料皮带从冷料口加入侧吹还原炉,在炉子两侧喷枪 喷入可燃气体(煤气、天然气) 和富氧空气,在熔体 内进行浸没式燃烧,喷吹的能量使熔池产生强烈搅 拌,熔融的高铅渣和熔剂、还原剂被迅速混合,完成 一系列的传热传质和氧化铅的还原反应过程,生成 粗铅和终渣,反应产生的铅滴相互碰撞、长大、下沉 进入喷枪以下的相对安静区,达到一定深度时从虹 吸口放出,炉渣在达到还原终点后从放渣口放出. 参照试验炉取得的成果,结合工程需要,近期设 计了两台

18 m2 熔融还原炉,均于

2013 年投产,达到 了设计指标. 2摇 侧吹熔融还原炉的设计 侧吹熔融还原炉的结构如图

1 所示. 主要部件 有:基础、钢结构、水套冷却系统、喷枪、砖体等. 2郾 1摇 炉底基础 炉底基础承载着整个炉子以及熔体的重量,因 此需要有足够的强度;

另外,由于铅的熔点比较低, 炉底需要考虑通风冷却,一旦有铅液渗漏到炉底时 能够凝固,避免发生漏炉事故. 侧吹熔融还原炉的 炉底基础是在土建基础上采用抗压强度较高的耐火 ・

9 1 ・ 摇2015 年6月第

3 期摇 摇摇摇摇摇摇冯双杰: 侧吹熔融还原炉的设计及应用 试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试 图 1摇 侧吹熔融还原炉结构图 摇 砖砌筑成一定高度的独立砖墩,炉底板直接放于砖 墩上. 砖墩基础既能支撑整个炉子,又留有炉底的 冷却空间. 这种基础简单、可靠,缺点是受炉体热胀 冷缩和震动的影响,砖墩易开裂损坏,新的设计改为 耐火浇注料整浇的与土建基础一体的条状基础. 要 强调一点,该炉标高很高,土建基础也高,土建基础 的设计要避免与炉内喷吹扰动共振,防止整炉的 震动. 2郾 2摇 炉体钢结构 侧吹熔融还原炉的钢结构包括炉壳、外围骨架 以及炉壳表面的筋板. 炉体钢结构要有足够的强度 和刚度,以承受炉体自重、熔体重量、以及砖体的膨 胀力. 由于侧吹炉内熔体的搅动比较剧烈,会产生 扰动力,容易造成炉体晃动,外围骨架的整体性、抗 扰性以及与土建基础连接要充分考虑,尽量减少炉 体的晃动. 2郾 3摇 水套冷却系统 侧吹熔融还原炉为周期性操作,炉内熔池温度 高而且波动大,单靠耐火材料很难保证炉体寿命,而 水冷技术的应用则是提高炉寿的有效措施. 炉内各 部分的温度不同,工况条件不同,需要的冷却强度也 不相同,因而需要设计不同的水冷元件. 熔池区的工况条件最为恶劣,要承受高温熔体 搅动以及喷溅物的化学侵蚀和反复冲刷,需要较强 的冷却效果,因此在该区域内设计了特殊的铜水套 对耐火材料进行冷却,通过合理的水冷强度能够使 耐火材料热面形成稳定的挂渣层,从而保护耐火材 料. 气相区只是烟气通过,没有熔体的冲刷和侵蚀, 耐火材料的寿命相对较长,不需要那么强的冷却强 度. 设计了腔式钢水套,对耐火材料进行冷却,同时 由于钢水套的存在,炉子外部温度不高,也创造一个 舒适的工作环境. 2郾 4摇 耐火材料 炉底工作层耐火砖应具有抗高温熔体的冲刷、 侵蚀、渗透性能,要考虑放铅时的温度波动,采用含 铬20% 的半再结合镁铬砖. 熔池区耐材蚀损机理主要是金属 Pb 以及附带 的Cu、Zn 等其它金属沿工作面渗透到耐火砖内部 堵塞原砖显气孔使耐火砖变的非常致密,由于金属 的导热性能及线膨胀变化与原耐火砖差别非常大, 因此,冶炼过程中的温度波动造成结构剥落. 同时, SiO2 ―Fe2 O3 ―CaO 系熔渣也会对耐材造成熔蚀,所 以采用含铬 20% 的电熔再结合镁铬砖. 上部炉膛耐材蚀损机理主要是在高温、还原气 氛条件下,砖内部的 FeOn 被还原为单质 Fe,此还原 反应改变了原砖内部的晶格结构导致耐火砖变疏 松,此部位的耐火砖铁含量要低. 同时,SiO2 、FeO、 CaO 等喷溅的熔渣会对耐材造成一定的侵蚀,考虑 到耐材的热震稳定性能,采用含铬 12% 的半再结合 镁铬砖. ・

0 2 ・ 中国有色冶金摇 摇摇摇摇摇摇A生产实践篇 ・ 重金属摇 试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试 2郾 5摇 喷枪 喷枪是侧吹熔融还原炉的核心,向炉内输送燃 料和富氧空气,向炉内提供还原反应所需热量的同 时搅动熔体. 通过计算选择合理的气体喷出速度和 喷枪间距,在为炉内的熔池熔炼提供较好的反应条 件的同时又要延长喷枪区耐火材料的寿命,同时延 长喷枪的使用寿命. 3摇 侧吹熔融还原炉的应用 目前,该侧吹熔融还原炉作为液态高铅渣直接 还原的主要冶炼方法之一已成功用于多个厂家,与 底吹炉或顶吹炉配合实现了铅精矿的氧化熔炼和富 铅渣直接还原冶炼工艺. 该工艺流程短,操作简单, 节能降耗效果明显,主要技术指标见表 1. 表 1摇 侧吹熔融还原炉主要技术指标 单位 项目一 项目二 炉床面积 m2

18 18 熔池深度 mm

1 700 ~

1 800

1 600 ~

1 700 喷枪数量 支16

16 发生炉煤气压力 MPa 0郾12 ~ 0郾14 ~ 0郾23 发生炉煤气量 m3 / h ~

3 500 ~

3 800 富氧空气压力 MPa 0郾14 ~ 0郾16 ~ 0郾24 富氧空气量 m3 / h ~

1 100 ~

1 300 富氧浓度 % ~

70 ~

60 产铅量 t/ d ~

210 ~

160 渣含铅 % <

2 <

2 4摇 结论 侧吹熔融还原炉以其操作的灵活性,分别实现 了与底吹炉和顶吹炉的结合,成功实现了热态高铅 渣的直接还原作业,综合起来有如下特点: (1) 该侧吹炉为固定式炉型,无运动部件,结构 简单,喷枪寿命长,能有效提高生产率. (2) 喷枪可以喷吹焦炉煤气、发生炉煤气、天然 气等,同时喷吹富氧空气助燃,大大减少了烟气量, 后续烟气处理系统规模小,减少了投资. (3) 炉子烟气出口直接与余热锅炉连接,尺寸 大,烟气流速低,有利于烟尘的沉降,大大降低了烟 尘率. (4) 熔池区采用铜水套冷却耐火砖的结构形 式,炉衬寿命提高,与铜水套直接挂渣的形式相比, 一方面提高了使用铜水套的安全性,另一方面减少 了冷却水带走的热量,有利于节能. [参考文献] [1]摇 李栋. 高铅渣直接还原炉的研发设计[ J]. 中国有色冶金, 2012,(1):35 - 37. [2]摇 李小兵,李元香等. 万洋冶三连炉冶直接炼铅法的生产实践[J]. 中国有色冶金,2011,(6):13 - 16. [3]摇 张和平. 底吹还原炉的设计[ J]. 中国有色冶金,2012,(1):

38 - 39. Design of side鄄blown melting reduction furnace and its application FENG Shuang鄄jie Abstract: This paper describes the production profile of side鄄blown melting reduction furnace, introduces the con鄄struct design of main components, lists the practice and summarizes the characteristics of the reduction furnace. Key words: liquid lead鄄rich slag;

direct reduction;

side鄄blown melting reduction furnace;

oxygen鄄enriched;

bath smelting ・

1 2 ・ 摇2015 年6月第

3 期摇 摇摇摇摇摇摇冯双杰: 侧吹熔融还原炉的设计及应用 试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试试