年處理5萬噸粗銅火法精煉反射爐設(shè)計(jì)1

年處理5萬噸粗銅火法精煉反射爐設(shè)計(jì)

摘要：反射爐一種室式火焰爐，燃料在燃燒室燃燒，生成的火焰靠爐頂反射到加熱室加熱坯料的爐子。爐內(nèi)傳熱方式不僅是靠火焰的反射，而且更主要的是借助爐頂、爐壁和熾熱氣體的輻射傳熱。反射爐煉銅適于處理細(xì)粒浮選精礦，對原料和不同類型的燃料適應(yīng)性強(qiáng)，流程簡短，生產(chǎn)穩(wěn)定，渣含銅低至可直接廢棄的程度，爐床面積大，適于大規(guī)模生產(chǎn)，從而成為當(dāng)代最重要的煉銅方法。在世界銅的生產(chǎn)中，反射爐煉銅產(chǎn)出的銅量長期居于首位。

關(guān)鍵詞：火法精煉反射爐粗銅

一：前言

銅精煉反射爐的入爐原料為礦石粗銅、再生雜銅、不同渠道獲得的各類銅錠等。原料中除含硫、氧外，還含有一些其他雜質(zhì)，如砷、銻、鉛、鋅、錫、鐵、鈷、鎳等，此外還含有硒、碲、鉍、金、銀等稀有金屬。通常情況下，將銅料在銅精煉爐中進(jìn)行火法精煉，產(chǎn)出U三99.8%的陽極板，再進(jìn)行電解精煉，產(chǎn)出Cu三99.95%的電解銅。最后從陽極泥中將稀貴金屬提取出來［1］。銅火法精煉為間歇（周期）作業(yè)，分為加料熔化、氧化、還原、鑄型五個(gè)階段，每爐作業(yè)周期一般小于24小時(shí)，最快12小時(shí)。由于各工廠所處理的原料成分差異很大，所以氧化期的操作方法有不盡相同之處，但基本原理相同。

用一段法處理雜銅熔煉時(shí)，一般都在固定反射爐中進(jìn)行，所以實(shí)際上，在反射爐進(jìn)行的既是熔煉也是精煉。并且與礦銅的火法精煉原理相同，不過，由于粗銅雜質(zhì)含量高，所以在操作上有其獨(dú)特特點(diǎn)，雜銅在反射爐中處理時(shí)，整個(gè)精煉過程包括熔化、氧化、還原、除渣、澆鑄等作業(yè)。

二：反射爐結(jié)構(gòu)

1.1爐基

爐基是整個(gè)爐子的基礎(chǔ)，承受爐子巨大的負(fù)荷，因此要求基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)。爐基可做成混凝土的、爐渣的或石塊的，其外圍為混凝土或鋼筋混凝土側(cè)墻。爐基底部留有孔道，以便安放加固爐子用的底部拉桿。

爐基上面設(shè)有為發(fā)生事故跑銅時(shí)排出和積存高溫銅液的深溝，設(shè)計(jì)時(shí)溝的傾斜方向應(yīng)注意機(jī)電設(shè)備和立柱的安置位置，溝的坡度以4%~5%為宜。爐基是一次性建筑設(shè)施，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到擴(kuò)大爐體的因素，保持爐體基礎(chǔ)整體性。

爐底

爐底是反射爐的重要組成部分，對爐底的要求是堅(jiān)實(shí)、耐腐蝕并在加熱時(shí)能自由膨脹。銅精煉反射爐是周期作業(yè)，一般采用架空爐底，以防止金屬向爐底及爐基滲漏。而且，架空爐底通風(fēng)道對爐底的冷卻程度有很大的影響［2］。

反射爐爐底鋪墊30mm鑄鐵板或10?20mm鋼板，用磚墩或型鋼支撐，架空高度通常小于

0.49m,爐基絕大多數(shù)都采用耐溫850°C以上的耐熱混凝土。爐底砌體與爐墻、爐頂、上升煙道等部位不同，它要承受相當(dāng)大的機(jī)械負(fù)荷（高溫液體靜壓、殘極的沖擊）及高溫銅液的物理化學(xué)作用［3］。銅精煉反射爐大修壽命主要由爐底壽命決定，因此爐底結(jié)構(gòu)是否合理直接影響著反射爐大修壽命。生產(chǎn)實(shí)踐表明：合理的爐底結(jié)構(gòu)可使大修壽命長達(dá)十余年，否則只有幾個(gè)月。

爐墻

反射爐的內(nèi)墻多采用鎂磚、鎂鋁磚砌筑［4］。有些重要部位如銅精煉反射爐的粉煤燃燒器

附近及轉(zhuǎn)爐渣口等，為了延長使用壽命均采用鉻鎂磚砌筑。熔點(diǎn)較低的金屬的溶化爐可用黏土磚砌筑。外墻一般采用粘土磚。

銅熔煉反射爐爐墻砌筑方法：熔池上部的厚度一般為460~690mm。為了延長爐墻使用壽

命，熔池下部逐漸采取錯(cuò)臺加厚的方式，最厚處可達(dá)900~1290mm,端墻下部厚1000~1400mm［5］。

對于周期性作業(yè)的爐子，因爐溫波動比較大，為增加爐墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，往往砌成弧形，避免爐墻向爐膛內(nèi)倒塌。

爐頂

反射爐爐頂結(jié)構(gòu)形式很為磚砌拱形和吊掛爐頂。吊掛爐頂又可分為：簡易型吊頂、壓梁

式止推吊頂和立桿式止推吊頂。

加料口及轉(zhuǎn)爐渣注入口

粗銅精煉反射爐加料口。粗銅精煉反射爐一般從操作門加料，也有少數(shù)在爐頂加料的。

加料口的尺寸按加入銅塊的外形大小及加料方式來確定。采用機(jī)械加料時(shí)，加料口一般為1500X900毫米，人工加料口一般為1200X600毫米⑹。

放出口

周期作業(yè)反射爐，如爐內(nèi)同時(shí)存在熔渣、冰銅和粗金屬等多層熔體，多采用扒口式產(chǎn)

品放出口。

1.7工作門周期作業(yè)反射爐的工作門用于加入塊料、插入氧化吹風(fēng)管、還原油管、進(jìn)行氧化還原操作以及向爐內(nèi)加入溶劑等。連續(xù)作業(yè)銅熔煉反射爐工作門為施工過程中筑爐材料的運(yùn)送和工作人員進(jìn)出之用，在爐子點(diǎn)火前即用與磚墻相同的耐火磚砌滿。工作門一般設(shè)在熔池渣線以上的爐子側(cè)墻上。大型銅熔煉反射爐也有利用轉(zhuǎn)爐渣口進(jìn)出而不另設(shè)工作門的。

1.8煙道

周期作業(yè)反射爐通常采用豎式煙道。當(dāng)爐子寬度不大、豎煙道垂直部分不高時(shí)，可直接壓在爐子的拱定上，此處拱頂可采用“加強(qiáng)拱環(huán)”，已曾受煙道的荷重。

三：反射爐使用的燃料與內(nèi)熱傳遞

燃料

精煉反射爐可用原煤、粉煤、重油、原油、煤氣、天然氣作燃料。重油發(fā)熱值高，升溫速度快，燃燒過程易于控制和調(diào)節(jié)，是大多數(shù)工廠火法精煉爐的理想燃料。早在1987年，就把“重油摻水加節(jié)能素乳化燃燒”技術(shù)應(yīng)用到銅精煉反射爐中,并取得了明顯的效果［7］。但用重油反射爐熱效率較低,一般為13%左右。

反射爐重油單耗升高有如下原因：(1)保溫待料時(shí)間增加(2)原料結(jié)構(gòu)中雜銅比例增大,冶煉時(shí)間延長;(3)重油霧化質(zhì)量較差;(4)反射爐熱效率低,只有13%左右,70%以上的熱量被煙氣帶走排出［8］。

現(xiàn)在有些廠子打算用高溫空氣作燃料應(yīng)用在銅精煉反射爐上，到目前為止，煉銅反射爐上還沒有應(yīng)用這一技術(shù)的先例,高溫空氣燃燒技術(shù)主要應(yīng)用在加熱爐、均熱爐和燃?xì)鉅t上，國內(nèi)燃油爐應(yīng)用該技術(shù)也只有十余臺。由于燃油熔煉爐煙氣中含塵較多，易堵塞蓄熱室和影響換向閥壽命，我們認(rèn)為，妥善解決以下幾個(gè)問題后，高溫空氣燃燒技術(shù)是可以應(yīng)用到反射爐上的：調(diào)整引風(fēng)機(jī)壓力控制爐內(nèi)壓力，保證氧化期爐內(nèi)微負(fù)壓和還原期爐內(nèi)微正壓；氣體在蓄熱體中流向?yàn)殡p向，故結(jié)塵很少，蓄熱球體在熔鋁爐上約三個(gè)月清理一次，在煉銅爐上估計(jì)一個(gè)月清理一次，一年更換一次；選用進(jìn)口換向閥，壽命為100萬次以上，按2min換向一次，壽命可達(dá)4年；可在燒嘴側(cè)部預(yù)留一個(gè)清渣口，燒嘴磚有足夠強(qiáng)度，可保證清結(jié)銅液時(shí)燒嘴磚不被損壞；油槍水冷保護(hù)。

內(nèi)熱

在反射爐內(nèi)燃料產(chǎn)生的熾熱氣體溫度高達(dá)1500oC以上。爐氣以輻射和對流的方式將所含的熱量傳遞給被加熱或熔化的物料、爐頂和爐墻。爐頂和爐墻又以輻射方式傳遞給被加熱的物料，使物料熔化。

四：爐型的確定

反射爐不同縱斷面形狀、特點(diǎn)和應(yīng)用如表1-1，由于年處理粗銅5萬噸，產(chǎn)量比較小，從節(jié)能方面考慮，選用周期型反射爐精煉銅。所選用的反射爐示意圖如圖1-1。

噴嘴

進(jìn)料槽——V

煙道

L放渣口

金屬黑體,

金屬出料口

圖1-1反射爐示意圖

表1-1反射爐不同縱斷面形狀、特點(diǎn)和應(yīng)用

縱斷面形狀

特點(diǎn)

應(yīng)用

爐頂平直，爐氣對爐頂沖刷

多用于銅精礦或熔砂的冰

作用小。銅熔煉。

爐尾爐頂傾斜下壓，有利于

多用于爐氣含塵量少及要

傳熱及爐壓的分布。

求爐溫分布均勻

固體燃料供熱，爐頂前端為用于煉銻及處理鉛浮渣。

駝峰。

五：銅精煉反射爐的改進(jìn)

5.1增大爐子各拱頂中心角

原設(shè)計(jì)爐頂中心角為49。，厚300mm，每環(huán)楔形磚40塊，直形磚25塊，由于爐頂跨度較大（達(dá)4500ram）,直形磚數(shù)量多，爐頂壽命較短，當(dāng)進(jìn)入生產(chǎn)后期時(shí)，爐頂會出現(xiàn)局部塌陷，使得爐頂壽命比爐墻壽命短，從而影響爐子的整體使用壽命?，F(xiàn)將爐頂中心角改為50。，每環(huán)楔形磚45塊，直形磚20塊（其中吊掛磚7塊），拱頂矢高提高100mm。增大了爐頂強(qiáng)度，這樣即使進(jìn)入生產(chǎn)后期，與爐墻使用壽命同步［9］。

增加爐子工作凈空

由于各拱頂中心角的增大，現(xiàn)將爐子的工作凈空提高200mm，爐膛容積的增大，延長了

燃料在爐膛的停留時(shí)間，提高了熱能利用率［10］。

改進(jìn)弗脹縫的留設(shè)

除了爐墻仍按每900mm留設(shè)8mm脹縫外，增加了直升煙道和爐頂膨脹數(shù)量口。這樣可使直

升煙道基本上不再顫斜以及杜絕了其頂部跑火現(xiàn)象。

改進(jìn)渣線部位的爐墻砌筑

由于渣線部位爐墻受到浸蝕較嚴(yán)重，導(dǎo)致此部位鎂鋁磚損壞嚴(yán)重，影響了爐墻的壽命?，F(xiàn)加厚此部位爐墻。提高了強(qiáng)度，保證了爐子整體質(zhì)量。

改進(jìn)后的爐體結(jié)構(gòu)及磚型結(jié)構(gòu)能較好地抵抗熱應(yīng)力作用和機(jī)械損壞，有效地提高反射爐爐襯的使用強(qiáng)度，并降低修爐成本和工作強(qiáng)度［12］。耐火材料的優(yōu)化配置能提高爐襯的抗化學(xué)侵蝕及抗銅锍的滲透性，并能提高其抗沖刷性能和抗熱剝落性能。在生產(chǎn)實(shí)踐中爐襯的不斷技術(shù)改進(jìn)，大幅度提高了銅精煉反射爐爐壽。中修爐壽從原平均124爐提高至現(xiàn)在的255爐以上，并簡化了筑爐工藝。按噸銅磚耗計(jì)算每年可省材料費(fèi)用220萬元以上［13］。六：爐子主要附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)

6.1燃油燒嘴

采用HB型高壓油燒嘴，根據(jù)表2-16[14]，其技術(shù)性能如下

燃燒能力：3~180L?h-i

調(diào)節(jié)比：1：(5~8)

油粘度：<7oE

燒嘴前油壓：0.03MPa

霧化劑種類：蒸汽

霧化劑壓力：0.3MPa

霧化劑消耗量：0.22kg/kg

霧化劑噴出速度：(300~400)m/s

助燃空氣供給方式：全部另行供給

空氣系數(shù)：一般1.5

火焰長度：1.1~3.5m

霧化角：25~30oC

6.2換熱器

用于煙氣余熱回收。有色冶金爐煙氣余熱回收多用金屬表面式換熱器，其種類很多，如列管式(平滑鋼管式、套管式、針/翅片管式、組管輻射式)、整體式、環(huán)縫輻射式、管狀噴流式、箱式噴流式、旋流式等。

煙囪

反

X

射

爐

X]-電收塵

換熱器

抽煙機(jī)

七：總結(jié)

反射爐煉銅法存在的主要問題是硫化銅精礦潛在的熱能利用差，熔煉所需熱量主要靠外供燃料的燃燒供給，而燃料燃燒的熱利用率又只有25%?30%,因此燃料消耗多，產(chǎn)出的煙氣量大，而其中的so2濃度低，回收利用困難，環(huán)境污染嚴(yán)重。在能源價(jià)格不斷上漲和環(huán)境保護(hù)法規(guī)日益嚴(yán)格的形勢下，反射爐煉銅法應(yīng)用的局限性已變得越發(fā)明顯。因此，國際上不少反射爐煉銅廠尋求過改造反射爐的途徑。自20世紀(jì)60年代中期以來，蘇聯(lián)、日本、加拿大、智利等國先后進(jìn)行了反射爐應(yīng)用富氧熔煉的試驗(yàn)，其中以智利的卡勒托內(nèi)斯(Caletones)[15]冶煉廠的氧燃熔煉研究最為成功。由于閃速熔煉和熔池熔煉的技術(shù)進(jìn)步和工藝日趨完善，自70年代以來這些方法已在一些工廠取代了反射爐法，其趨勢日漸增強(qiáng)。然而在一些特定的地區(qū)，反射爐煉銅法仍在繼續(xù)發(fā)揮作用，在世界銅的產(chǎn)量中仍占有重要的地位。

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