簡介
閃速熔煉法自1949 年問世至20 世紀70 年代, 都採用文丘里型精礦噴嘴。1971 年閃速爐開始實行富氧熔煉, 為了適應氧濃度提高后精礦分散的需要, 奧托昆普公司於70 年代末研製開發了中央噴射型精礦噴嘴。這種噴嘴因其性能優越, 適用於大規模生產、操作維護簡便等優點在冶金工廠套用越來越多, 已經歷了離線多極、離線無極、線上多極至線上無極調速方式的發展過程。
金隆銅業有限公司於1996 年首次引進了三段式中央噴射型精礦噴嘴, 因擴產改造的需要, 2005年又更換為新型線上無極調速式中央噴射型精礦噴嘴。
中央噴射型精礦噴嘴操作控制最佳化
中央氧氣和分布空氣實行線上控制
中央氧氣是為了彌補噴嘴正下方供氧不足和提高塔內中央溫度而設定的, 中央氧氣量一般為工藝氧氣量的5 %～ 10 %。分布空氣的主要作用是分散固體物料, 附帶冷卻中央氧管和分布空氣管, 分布空氣量一般由給料量和富氧空氣流速計算得出。在使用三段式精礦噴嘴前兩年一直採用手動控制, 在1999 年, 為簡化與最佳化操作, 編制了中央氧氣和分布空氣計算機自動控制數模軟體, 有離線、線上兩種控制狀態, 計算公式如下:
分布空氣量=K 1 ×乾礦裝入量+K 2 ×[ (工藝空氣量+工藝氧氣量)/(內、外環流通面積之和×3600)] -K 3
中央氧氣量=K 4/100 ×礦石反應所需總氧量+K 5
所有K 值均由生產經驗數據回歸計算而得, 係數值K 1 、K 2 、K 4 要求由技術人員根據一段時間生產採集值計算修正, 常數值K 3 、K 5 可由當班操作人員根據塔壁溫度和精礦反應狀況隨時調整。為了防止突然波動較大, 在計算機數模上設定了總量超限嚴重報警和一次變化量超限(中央氧氣200m3 、分布空氣400m3)嚴重報警。
無極調速式精礦噴嘴中央氧氣和分布空氣的控制原理和計算公式基本相同, 只是分布空氣計算公式中增加(+K 6 ×富氧空氣量/乾礦裝入量)項。
富氧空氣流速實現自動控制
精礦在離開精礦噴嘴後的分散狀況和反應塔內氧氣與精礦粒子的混勻程度直接決定著精礦反應效果, 穩定與合理的富氧空氣流速對於閃速爐高效均衡生產至關重要。中央噴射型精礦噴嘴富氧空氣流速一般控制在80 ～ 120m/s。
三段式精礦噴嘴空氣腔分內、外兩個氣室, 富氧空氣流速有內環、外環、內環+外環三種控制方式,流通面積分別為0.0275m2 、0.0414m2 和0.0689m2。這種間斷式流速控制方式對於低料量生產(走內環)還比較穩定, 對於高料量生產特別是在跳躍點附近爐況會發生波動,當投料量≥80t/h 以後波動更為明顯。針對這種狀況, 經過仔細研究分析, 於2002 年對外環閥增加一個閥門定位器, 將二位式氣動閥改成氣動調節閥, 閥位可任意開度控制。相應的富氧空氣流速控制改為“一段連續式” , 即在生產過程中保持內環閥常開, 富氧空氣壓力穩定在9 ～ 16kPa 範圍, 內氣室出口流速一般控制在100m/s 左右;超出壓力範圍, 外環閥打開相應的開度, 通過外氣室補充精礦反應需要的富氧空氣量, 外氣室出口流速允許相對較低, 根據反應效果和塔壁溫度變化及時調整外環閥開度。這種空氣腔內、外氣室出口流速不均勻控制方式可以說是操作上的獨創, 反應效果比較好,控制也很靈活。
無極調速式中央噴射型精礦噴嘴富氧空氣流速是多條勻速曲線, 當設定數值後實行計算機線上自動控制。
中央噴射型精礦噴嘴結構改進
下料管由“兩邊對稱式”改為“十字交叉式”
三段式精礦噴嘴原設計為兩根下料溜管, 一台埋刮板對應給一根下料溜管給料, 這種給料方式使精礦在分布器內布料不均, 出噴嘴後分散不好;而且當一台埋刮板發生故障時, 單邊作業時間不能連續超過2h。1999 年大修時, 將下料溜管由“ 兩邊對稱式”改為4 根“十字交叉式” , 分布器分料翅片做相應改造, 一台埋刮板同時給對稱的兩根下料溜管給料,這種給料方式使精礦反應效果明顯改善, 長時間單邊作業也能保證爐況不受影響。
“十字交叉式”給料方式是對引進先進設備的成功改造, 已被國外廠家引用。無極調速式精礦噴嘴設計中也借鑑了四溜管原理, 但未能實現十字交叉,將來在分料翅片上必須做相應改進才能適應單邊作業的需要。
增設自動調速裝置
無極調速式精礦噴嘴取消內外環, 只有一個氣室, 在分布器水冷外殼外側增加一個調節滑套, 通過馬達或手柄使滑套升降, 從而改變富氧空氣出口截面積, 調整流速。滑套調節高度在0 ～ 180mm , 對應的出口截面積在0.0206 ～ 0.143(0.143)m2。
增加冷卻構件
無極調速式中央噴射型精礦噴嘴增加冷卻構件3 個:
①取消舊噴嘴分布器振打裝置和振打板, 將風冷分散錐底板改為銅水套分布底板, 優點是可防止中央氧管出口粘結堵塞和分布器底板燒損, 缺點是銅水套不耐磨, 壽命較短, 材質需加以改進;
②空氣腔外側預製塊改為內嵌銅水套+外保護銅水套, 增加這兩個冷卻構件克服了預製塊易損壞不易更換的弊端, 在反應塔熱強度提高后保護耐火磚, 延長塔頂壽命。
中央噴射型精礦噴嘴數值仿真研究
2000 ～ 2001 年和高校合作, 根據精礦噴嘴結構與操作特點, 研製了反應塔內氣相與顆粒相的流場、濃度場、溫度場與釋熱場的耦合仿真模型, 探討了提高噴嘴性能的最佳化操作與改進結構方法。
綜合系列仿真試驗結果與生產實踐經驗, 得出如下結論:
(1)“三集中操作原則”。凡是有利於形成高溫集中、氧量集中與精礦顆粒集中的操作條件, 均有利於滿足精礦粒子熱分解、氣-粒界面傳輸與氧化過程強化的要求, 有利於提高熔煉能力, 減少燃料單耗20 %～ 50 %, 降低煙塵率1 %～ 2 %, 改善精礦噴嘴的性能。
(2)“高效反應區”模型。“三集中”的區域稱為閃速熔煉的“高效反應區” , 位置宜控制在噴嘴出口下方0.5 ～ 3.0m , 半徑為富氧空氣流通截面積半徑的2 ～ 3 倍。
總結
經過多年的實踐摸索與研究改進, 中央噴射型精礦噴嘴在金隆閃速爐的運用積累了豐富的經驗,促進了中央噴射型精礦噴嘴的發展與套用。
(1)生產能力提高。閃速爐爐況控制很好, 冰銅品位由最初設計的52 %提高至62 %～ 63 %, 閃速爐作業率高於95 %。三段調速式精礦噴嘴穩定運行的固體投料量至97t/h , 超出最大設計能力的12 %。無極調速式精礦噴嘴擴產潛力很大。
(2)技術經濟指標好。煙塵發生率經常波動在6 %以下, 低於7 %的設計值, 且煙塵含硫一般在10 %以下。電爐渣含銅一般在0.76 %以下, 與同行業相比較優。
(3)原料適應性強。可處理多種含大量低著火點和高熔點雜質的精礦, 只要合理配料至S/Cu ≥0.86 , 其它雜質如Pb +Zn 、As 、MgO 、Al2O3 等單一含量與總量適當, 便可穩定生產。
