富氧顶吹镍熔炼炉设计_

中国有色冶金 2011 年 10 月第 5 期 1 作者简介 曹珂菲 1976 女 大学本科 高级工程师 从事工业炉设计和管理工作 caokf 010 63936934 5 16 5m 富氧顶吹镍熔炼炉设计 Design of 5 16 5m oxygen riched top blown nickel smelting furnace 曹珂菲 Cao Kefei 中国恩菲工程技术有限公司 CHINA ENFI ENGINEERING CORPORATION 摘要摘要 浸没式富氧顶吹熔炼技术近些年发展很快 已广泛应用于铜 镍 铅 锡的冶炼以及 炼铁 杂铜处理等工业领域 与此工艺的不断推广 创新相配合 富氧顶吹熔炼炉的结构 也在不断的创新 改进 本文结合实际工程 阐述了镍顶吹熔炼炉的设计创新 AbstractAbstract The immersion oxygen riched top blown smelting process has developed rapidly in recent years and has widely used in copper nickel lead and tin smelting treatment of scrap copper iron smelting and so on As the process constantly popularizes and innovates the structure of oxygen riched top blown smelting furnace continuously innovates and improves too Combined with the practical engineering this article expounds the innovated design of the nickel top blown smelting furnace 关键字关键字 顶吹熔炼 富氧熔炼 浸没式 立体冷却 齿形水套 KeyKey wordswords top blown smelting oxygen riched smelting immersion tridimensional cooling tooth profile water copper block 1 1 顶吹熔炼技术顶吹熔炼技术 浸没式富氧顶吹熔炼炉的主要技术特点如下 1 顶吹熔炼炉为竖式的筒状炉体 炉型简单 密闭性好 熔炼过程热损失少 而且 炉体不转动 占地小 2 对原料的适应性强 不仅适用于铜 镍 铅 锡 镍铁等多种有色金属冶炼 同 时能够适应同种金属精矿原料成份的波动 对物料粒度 水分均没有严格要求 因而备料 系统简单 3 采用浸没式 顶吹的喷吹技术 鼓风压力低 动力消耗小 4 熔炼过程全部集中在剧烈搅动的高温熔池中进行 传热传质迅速 熔炼强度大 2 反应速度快 有利于降低工艺能耗 而且过程容易控制 5 环保效果好 系统密闭 有害烟气泄露少 适应清洁工厂的要求 产出的工艺烟 气二氧化硫浓度高 易于经济地回收 6 喷枪顶置 操作方便 不存在侧吹 底吹等与喷枪口有关的各种问题 7 能耗和投资相对较低 运行成本较低 投资效益较好 正是由于浸没式富氧顶吹熔炼技术具有以上所述的多种优点 发展相当迅速 最近十 多年国内建成的铜 镍 铅 锡顶吹熔炼炉已经超过了 15 座 2 2 富氧顶吹镍熔炼富氧顶吹镍熔炼炉的设计炉的设计背景背景 为了进一步扩大生产规模 增强工艺对原料的适应能力 淘汰落后的电炉熔炼工艺 提升火法冶炼技术装备水平 金川公司于 2004 年 7 月决定建设一套新的镍火法冶炼系统 通过对世界先进的有色火法冶炼技术进行系统的对比分析 从原料的适应性 节能 环保 等方面进行了综合比较 尤其是结合将来金川镍贫矿资源综合利用和其它镍原料越来越复 杂的实际情况 本着与其现有的闪速熔炼系统原料和工艺优势互补的原则 选择了具有多 项技术优势的富氧顶吹熔池熔炼工艺 用于处理含镍较低 6 氧化镁较高 10 的 镍精矿 由于浸没式富氧顶吹熔池熔炼技术应用于镍精矿熔炼在世界上尚属首次 镍精矿熔 炼过程的温度比铜精矿熔炼高 150 以上 且精矿粘结性大 因此金川 澳斯麦特和恩菲 三家公司合作 采用澳斯麦特浸没喷枪熔池熔炼技术 发挥恩菲在大型镍冶炼项目上工程 设计的优势 充分结合金川公司多年来镍冶炼方面的实践经验 共同联合开发 JAE JNMC AUSMELT ENFI 镍精矿熔池熔炼技术 配合此技术的开发 项目需新建造一 座炉膛内径 5m 炉膛高度 16 5m 的大型顶吹熔炼炉 这也是目前世界上最大的顶吹炉 浸没式富氧顶吹镍熔炼炉的主要技术难点如下 其一 虽然富氧顶吹炉在铜精矿冶炼方面非常成功 但用于镍精矿熔炼属于研发 工 程规模大 一开始就要设计世界上最大型的顶吹炉 具有最大的炉膛内径和最高的炉膛高 度 顶吹熔炼炉的设计要一步到位 不允许失误 其二 项目处理的镍精矿氧化镁高 熔炼温度可能需要控制在 1350 左右 远高于铜 精矿熔炼 1150 1180 的温度 其三 顶吹喷枪鼓入的风 氧量很大 熔池搅拌剧烈 熔体的喷溅严重 而且镍渣 粘性较大 容易粘结 3 3 富氧顶吹镍熔炼炉的设计富氧顶吹镍熔炼炉的设计 根据工艺要求 针对以上所述的工艺难点 合作的三方经过项目可研和初步设计充分 的计算 论证和比较 最终共同确定出本项目顶吹镍熔炼炉的主要工艺参数和主体结构 包括 直径 高度 球形炉底 平炉盖 铜水套冷却炉衬等 顶吹镍熔炼炉的详细设计由 恩菲完成 恩菲针对大型顶吹炉炉体钢结构 炉衬冷却和耐火材料等关键部位的技术难点进行了 充分的研究 力求作出创新设计 3 13 1 炉体钢结构炉体钢结构设计设计 顶吹炉炉体为竖式圆筒状 炉身处的炉壳外径为 6100mm 炉体总高 19000mm 炉 壳本身重 200t 炉内耐火材料 水套等共 900t 内装 1400 的高温熔体 300t 炉壳 3 还要承受大型喷枪的喷吹力和搅拌力 因而该镍顶吹熔炼炉炉体钢结构的设计是非常重要 而且复杂的 炉壳的设计必须具有很好的强度和刚度 底部支撑要保证炉体的稳定性并要 充分考虑冶炼烟气的腐蚀和高温的影响 1 上升烟道 2 喷枪口 3 加料口 4 炉壳 5 耐火材料 6 平水套 7 齿形水套 8 放出口 9 混合支撑 10 炉底固定螺栓 富氧顶吹镍熔炼炉示意图 在钢结构的设计中 我们主要采取如下措施达到上述的要求 A 采用混合支撑式炉底结构 将炉体紧紧固定在基础之上 不仅可以承托整个炉体的 重量 而且不会产生炉体晃动 B 炉底板设计为球缺封头结构 直接安放于混合支撑炉底之上 使整个炉体的受力集 中在封头之上 不会出现平炉底因热膨胀而出现翘曲变形从而导致炉底不能平稳安放于基 础之上的问题 C 在拱角位置设置了倒三角铁 一方面用于固定和锁定拱角砖 限制拱角砖因热膨胀 而变形 另一方面有利于炉内齿形水套的安装 一旦炉内水套出现渗漏 从此处可将渗水 导出到炉外 避免水分损伤耐火砖 D 炉壳的厚度是在精确计算后确定的 足以承受炉体和熔体的重量 并充分考虑了炉 体膨胀力以及其它可能的内外力 当然也考虑了一定的安全系数 3 23 2 炉衬强化冷炉衬强化冷却设计却设计 高氧化镁镍精矿熔池熔炼的熔池温度高而且波动较大 单靠好的耐火材料是很难保证 1 23 4 5 6 7 8 9 10 4 炉体寿命的 而水冷技术的应用则是提高炉寿的有效措施 铜水套导热率高 通过合理水 冷强度的设计能够在耐火材料的热面形成稳定的挂渣层 而挂渣层是对耐火材料最好的保 护 水冷技术的应用包括水冷件和水冷强度的设计 炉内各部分的温度不同 工况条件不 同 所以需要的冷却强度也不相同 因而需要设计不同的水冷件与之相匹配 铜水套主要 有两种制造工艺 一种是铜板钻孔水套 一种是紫铜铸造水套 两种铜水套各有优缺点 可视情况而选用 最终在熔池区域选择轧制铜板钻孔水套 在炉体上部采用紫铜铸造平水 套 炉顶采用锅炉管模式壁 属于余热锅炉的一部分 不同部位的水冷设计使顶吹熔炼炉 形成立体冷却结构 强制对炉体各部位耐火材料进行冷却 延长耐火材料使用寿命和炉体 使用寿命 大量采用冷却水套 保证了各部位耐火材料所需的冷却强度 至于整炉的热损 失是否因此而增加 通过传热计算和温度场模拟所得的结论是不会增加 在以前一些炉子 上的应用实践也检验证明了这个结论 在此不做详细论述 熔池段内的工况条件较为恶劣 要承受高温熔体和喷溅物的化学侵蚀与反复地冲刷 此区域耐火材料的使用寿命长短直接决定着熔炼炉的使用寿命 所谓的水冷挂渣保护 主 要指的就是这一段 所以这一段的冷却强度一定要保证 为此 在镍顶吹熔炼炉的这一段 设计了特殊的齿形水套 齿形水套为轧制厚铜板钻孔制成 其缺点也是其薄弱环节就是工 艺孔的密封问题 但现在的密封技术已经越来越完善 足以保证其密封性和耐用性 齿形 水套 顾名思义就是在水套内表面加工成矩形的槽和齿 形成牙齿的形状 齿形水套热面 砌筑有两种不同长度的耐火砖 一层短砖贴齿面砌筑 一层长砖镶砌于齿槽内 砖与水套 之间有很好的结合 水套对砖的冷却效果比平面水套要好得多 炉体上部为逐渐扩大的锥形体 形状复杂 采用铸造铜水套能够更好地适应炉体形状 的变化 铸造铜水套导热系数略低于铜板钻孔水套 但用于炉体上部非关键部位冷却强度 也是足够的 铸造铜水套的加工费用低于轧制铜板钻孔水套 应用于非关键部位也有利于 降低设备投资 3 33 3 耐火材料设计改进耐火材料设计改进 鉴于富氧顶吹镍熔炼炉是首次应用于镍精矿冶炼 炉体的耐火材料由供应商奥镁公司 进行整炉的耐火材料设计 在设计中金川和恩菲结合各自的经验提出了审核意见 最终完 成的炉体耐火材料配型和砌筑方式设计可以保证耐火材料的完整性 严密性和稳定性 炉 体关键部位的耐火材料选择了进口产品 其余位置为国产优质产品 确保了耐火材料的整 体使用效果 关键部位的设计 1 熔池段炉墙 熔池段齿型水套区域耐火材料的使用寿命长短直接决定熔炼炉的 使用寿命 此区域采用两种长度的砖砌筑 短砖贴于齿面砌筑 长砖镶砌于齿槽内 砖与 水套直接贴合 确保了齿形水套对耐火砖的有效冷却 该部位砌筑于槽内的长砖在生产过 程中会受到炉墙向上膨胀的剪切力 存在断裂的可能 为此该部位的耐火砖是特殊烧制的 新产品 砖型结构进行了特殊设计 砌筑方法上也采取了措施 能够吸收此处的上涨力 避免断砖 2 熔池下部炉墙 由于富氧顶吹镍熔炼炉过程温度高 在炉底拱角以下部位出于 安全考虑并没有水冷设施 为了确保拱角以下钢结构安全和炉体的安全运行 在拱角砖外 层 设计了一层隔热材料 确保该部位的钢壳温度在 250 以下 同时对此处进行强制通 风冷却 以确保其安全 3 炉底 炉底砌成球形反拱 砌筑简单 热膨胀均匀 而且炉底放出口以下部位始 5 终有一定量的熔体或冻结层 可以有效保护炉底耐火材料 避免搅动的熔体对耐火材料的 损伤 可提高炉底耐火砖寿命 4 4 富氧顶吹镍熔炼炉富氧顶吹镍熔炼炉生产实践生产实践 顶吹镍熔炼炉于 2008 年 8 月建成投产 在热负荷试生产过程中 顶吹炉的作业率快速 提高 顶吹炉系统的日作业率设计为 85 实际日作业率经常为 90 以上 年作业率设计 为 77 2009 年作业率已经达到 85 作业率的快速提高 为系统生产产能提高提供了 良好的保证 镍精矿处理量和高镍锍含镍量同样快速升高 处理镍精矿干量月月增加 2009 年元 月份达到 6 万吨 到 4 月份已稳定超过 8 万吨 高镍锍含镍量 2009 年 1 月超过 5000 吨 5 月份达到 6000 吨以上 持续保持稳定 通过投产以来的炉内外点检证明 顶吹炉的炉体运行非常稳定 升温过程只有炉顶有 很小的膨胀 其它部位非常稳定 炉内的挂渣均匀 尤其是熔池区域安装的齿形立水套 冷却效果良好 渣线部位衬砖蚀损稳定 确保了炉寿命的提高 炉顶的喷溅结瘤较少 没 有使用设计预备的炉顶煤喷枪烧除结瘤 证明炉子的高度选择是合适的 由于炉内搅拌强 烈 底部熔体低镍锍温度较高 因此炉底很难形成较多的冻结层 好处是炉底粘结少 保 持了较大的熔池容量 缺点是不容易形成稳定的炉底保护层 通过加强炉底的强制通风冷 却 确保炉体表面钢壳不超过 150 避免了炉底衬砖的过热 庞大的钢结构投产至今 炉体没有晃动迹象 没有明显的变形 炉体冷却水套的布置是合理的 尤其是熔池段炉身齿形水套的使用取得了预期的满意 效果 很好地冷却了炉体耐火砖 使其热端始终形成一层稳定的挂渣保护层 甚至在熔池 渣线反应区衬砖腐蚀到只剩余齿内的 80mm 即铜齿前无衬砖的情况下 也可以在铜齿表面 挂渣 30 50mm 保持正常生产 铜水套齿面平整 没有腐蚀 其它部位耐火砖腐蚀较小 至 少保持在 150mm 以上 达到平衡 生产实践也证明了 炉体耐火材料选取和砖型的配置是合理的 拱角处钢结构表明温 度在 150 以下 顶吹炉整体膨胀均匀稳定 砖衬腐蚀较均匀 在合理水冷的条件下 可 以抵抗富氧顶吹炼镍工艺的苛刻工况 投产后 在很短的时间内就攻克了镍精矿顶吹炉熔炼的工艺课题 进入正常生产 产 能的快速提升 充分体现了顶吹炉熔炼强度高的优点 到现在已安全生产了将近 3 年 可 以肯定创新设计的顶吹熔炼炉满足了镍冶炼新工艺的要求 顶吹熔炼炉的设计是成功的