陳艷梅

(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

設(shè)備及自動化

ISP流程中熱風(fēng)爐的優(yōu)化設(shè)計

陳艷梅

(長沙有色冶金設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410011)

介紹了ISP流程中熱風(fēng)爐的優(yōu)化設(shè)計。ISP流程中配置的3臺熱風(fēng)爐，融合了國內(nèi)外煉鐵廠熱風(fēng)爐廣泛應(yīng)用的多項先進(jìn)技術(shù)、結(jié)構(gòu)形式和砌筑特點， 通過技術(shù)改進(jìn)和挖潛，提高了格子磚的利用率，使熱風(fēng)溫度達(dá)到950 ℃以上。

ISP； 熱風(fēng)爐； 格子磚； 熱風(fēng)溫度

0 前言

ISP作為一種火法煉鋅工藝，具有熱燒結(jié)塊、熱焦炭、熱風(fēng)的特點。熱的燒結(jié)塊由燒結(jié)機直接供給，入爐前保溫；熱焦炭是焦炭預(yù)熱器利用低熱值煤氣預(yù)熱到800 ℃；用于ISF的熱風(fēng)溫度都高于900 ℃，八戶和杜依斯堡已達(dá)1 150 ℃[1]。

目前熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)形式多樣，按照熱風(fēng)爐燃燒分類有外燃式、內(nèi)燃式、頂燃式[2]。內(nèi)燃式有考貝式、霍戈文式等。在有色冶金行業(yè)，熱風(fēng)爐主要應(yīng)用于ISP工藝流程，通常ISF配有3座內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，低熱值煤氣作燃料，僅在開爐時使用天然氣、發(fā)生爐煤氣、重油等輔助燃料點火。隨著技術(shù)的進(jìn)步，以及對熱風(fēng)溫度影響認(rèn)識的不斷深化，對熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化已成為工程技術(shù)人員的研究課題。

1 熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

本設(shè)計對于國內(nèi)已建ISP流程中的熱風(fēng)爐，采用“兩燒一送”的一列式布置形式，其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)圖

該熱風(fēng)爐主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計如下：

(1)采用矩形陶瓷燃燒器。煤氣走中間，空氣走環(huán)邊，煤氣與空氣流交角30°；多孔空氣出口，使空氣、煤氣混合均勻，保證煤氣快速、完全燃燒；縮短了火焰長度，消除了燃燒不均勻造成的脈動現(xiàn)象，減小對隔墻的破壞，延長使用時間。與此同時，由于過剩空氣系數(shù)小，燃燒強度高，可獲得更高溫度的熱風(fēng)。

(2)熱風(fēng)爐爐箅子及其支撐系統(tǒng)均采用新型結(jié)構(gòu)形式。本設(shè)計材質(zhì)為含鉻耐熱鑄鐵，能在600 ℃的溫度下長期安全使用。梅花型爐箅子，提高通孔率；箱形橫梁結(jié)構(gòu)，提高穩(wěn)定性。爐箅子及支柱的布置根據(jù)蓄熱室斷面形狀而定，每根支柱荷載一致，橫梁的布置方向與熱風(fēng)爐組中心線平行，增加爐箅子及支柱的整體穩(wěn)定性和水平度，同時有利于安裝和調(diào)整。冷風(fēng)入口的正前方布置一根支柱，形成氣流紊亂，利于冷風(fēng)均勻地在蓄熱室分布。

(3)采用復(fù)合型火墻。火墻一直是熱風(fēng)爐的薄弱環(huán)節(jié)，容易燒穿、開裂，特別是下部火墻產(chǎn)生裂縫后，燃燒室和蓄熱室產(chǎn)生短路，即串風(fēng)現(xiàn)象，導(dǎo)致熱風(fēng)爐休風(fēng)。本設(shè)計中，火墻內(nèi)外兩側(cè)砌體采用帶凹凸槽結(jié)構(gòu)，并設(shè)置滑動縫，形成板塊結(jié)構(gòu)，既增加穩(wěn)定性，又能在溫度變化引起膨脹和收縮不均勻時自由滑動。此外，兩側(cè)砌體之間增設(shè)隔熱磚，以減小兩側(cè)溫差大對火墻造成的損害；同時，在隔墻中間增設(shè)魚鱗形的不銹鋼板，以減小火墻開裂時短路的可能性。熱風(fēng)爐下部火墻結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 熱風(fēng)爐下部火墻結(jié)構(gòu)

(4)懸鏈?zhǔn)焦绊?。熱風(fēng)爐投產(chǎn)后，拱頂處在周期性的動態(tài)變化過程中。拱頂每一層砌體的徑向膨脹，送風(fēng)期與燃燒期的壓力變化，以及熱風(fēng)爐投產(chǎn)升溫期和停爐、凉爐過程中，拱頂產(chǎn)生位移。懸鏈?zhǔn)焦绊斣O(shè)計是將拱頂和熱風(fēng)爐大墻完全分開(見圖3)，火墻和垂直邊墻能夠自由膨脹，不對拱頂施加任何不均勻的作用力或運動。拱頂?shù)闹亓坑稍O(shè)在爐殼內(nèi)壁的金屬托架分層支撐，拱頂在其基座上做徑向膨脹，避免了拱頂內(nèi)襯與墻體相對位移產(chǎn)生阻力破壞作用。此外，懸鏈?zhǔn)焦绊斶€具有溫度場分布合理，蓄熱室斷面煙氣分布均勻，格子磚利用率高等優(yōu)點。

圖3 懸鏈?zhǔn)焦绊斀Y(jié)構(gòu)

(5)設(shè)置熱管換熱器。利用熱風(fēng)爐排煙余熱，將低熱值煤氣和空氣預(yù)熱到160 ℃以上，以回收余熱，提高爐子熱效率，更可提高風(fēng)溫100 ℃以上。而鼓風(fēng)溫度每提高100 ℃，可提高產(chǎn)量約5.5%或節(jié)約焦炭約4%。以韶關(guān)冶煉廠現(xiàn)有的兩套15萬t/a生產(chǎn)粗鋅的ISP流程為例，若將熱風(fēng)溫度從950 ℃提高到1 150 ℃，產(chǎn)量提高8%，并節(jié)約焦炭1.1萬t/a[2]。

2 主要設(shè)計指標(biāo)

熱風(fēng)爐的主要設(shè)計指標(biāo)見表1。

表1 熱風(fēng)爐的主要設(shè)計指標(biāo)

3 熱風(fēng)爐耐火材料的選擇與爐體的砌筑

3.1 熱風(fēng)爐耐火材料的選擇

熱風(fēng)爐墻體的破損主要集中在高溫區(qū)，如燃燒室火墻傾斜、倒塌；上部邊墻變形；拱頂龜裂、掉磚；熱風(fēng)出口掉磚等。因此，拱頂、熱風(fēng)爐上部邊墻、火墻的耐火材料，應(yīng)具有較好的蠕變指標(biāo)、較小的重?zé)€變化、較高的荷重軟化點、較強的耐氣流沖刷的性能。本設(shè)計根據(jù)熱風(fēng)爐各部位的溫度分布狀態(tài)，選用不同材質(zhì)的耐火材料，在高溫工作層選用高溫低蠕變磚高鋁質(zhì)耐火磚。這種耐火磚加入了莫來石質(zhì)耐火材料， 1 450 ℃時的蠕變率(0.2 MPa×50 h)僅為0.521%，其主要性能見表2。

表2 高溫低蠕變高鋁磚理化性能指標(biāo)

3.2 熱風(fēng)爐的砌筑

為防止熱風(fēng)爐格子磚在使用過程中出現(xiàn)錯位、傾斜、倒塌等現(xiàn)象，同時為提高熱風(fēng)爐蓄熱能力，改善其熱工特性，格子磚采用高效七孔格子磚，七孔格子磚上、下帶有環(huán)形子母扣，采用交錯砌筑，即每三層一錯臺，相互咬砌，以提高格子磚砌體的整體穩(wěn)定性。

燃燒室大墻、隔墻和蓄熱室大墻全部為獨立結(jié)構(gòu)。蓄熱室大墻和隔墻及整個燃燒室內(nèi)環(huán)采用帶“凹凸槽”的磚型咬砌，并將砌體分別分為若干板塊單元，板塊間設(shè)有膨脹縫和滑動縫，使板塊可以自由地上下移動。隔墻與燃燒室大墻、蓄熱室大墻相交處設(shè)計了特殊的迷宮膨脹縫，使各板塊砌體可以自由滑動吸收耐火磚的膨脹，消除兩板塊間的膨脹差。燃燒室內(nèi)環(huán)眼角部位采用方磚互鎖砌筑，并留設(shè)膨脹縫，確保該部位的密封性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。蓄熱室大墻與隔墻相交處采用錯縫砌筑，不但保證了砌體的穩(wěn)定性，還有效地利用了蓄熱室邊角空間。由于熱風(fēng)爐隔墻的工作環(huán)境非常惡劣，隔墻斷面方向、高度方向存在較大溫度梯度，膨脹程度不同產(chǎn)生的應(yīng)力引起隔墻傾斜、開裂。對此，本設(shè)計增加到隔墻厚度約670 mm，分三環(huán)，每環(huán)之間留膨脹滑動縫填充耐火材料，并在燃燒室下部內(nèi)外環(huán)間增加一層隔熱磚(輕質(zhì)粘土磚)，以降低內(nèi)外環(huán)磚之間的溫度梯度，減小應(yīng)力作用。

熱風(fēng)爐大墻與拱頂砌體之間，采用迷宮滑縫形式的干砌，滑縫間填塞針刺耐火纖維氈，以保證大墻和拱頂砌體自由膨脹，且保持密封，避免高溫爐氣直接沖擊爐殼。

針對熱風(fēng)管道三叉口、熱風(fēng)出口、煤氣入口、助燃空氣入口、煙道口等部位容易塌陷、損壞的問題，本設(shè)計廣泛應(yīng)用組合磚，在管道組合磚上半部，磚與磚之間都帶有子母扣互鎖，使整個管道的穩(wěn)定性大大增強，解決了影響熱風(fēng)爐壽命的薄弱環(huán)節(jié)，延長了熱風(fēng)爐的壽命，杜絕因管道等易損部位損壞導(dǎo)致無法正常生產(chǎn)。

4 結(jié)語

設(shè)計完成之后，經(jīng)過精心制作、安裝、砌筑，該熱風(fēng)爐在陜西寶雞年產(chǎn)10萬t精鉛鋅冶煉廠順利投產(chǎn)，并且運行正常。從實際生產(chǎn)情況看，該熱風(fēng)爐具有的優(yōu)勢如下：

(1)設(shè)計中采用新的大墻、火墻及拱頂結(jié)構(gòu)，延長了熱風(fēng)爐使用壽命。

(2)矩形陶瓷燃燒器和熱管換熱器等技術(shù)的應(yīng)用，對提高熱風(fēng)爐送風(fēng)溫度具有良好的效果，熱風(fēng)溫度≥950 ℃，從而提高了鼓風(fēng)爐產(chǎn)量，降低了焦炭消耗。

(3)在ISP流程中使用內(nèi)燃式熱風(fēng)爐，占地小，投資少。

[1] 張樂如.鉛鋅冶煉新技術(shù)[M]. 長沙: 湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2006.

[2] 張樹勛.煉鐵廠設(shè)計原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

Design and application of hot blast stove in the ISP process

CHEN Yan-mei

This paper introduced design and application of hot blast stove in the ISP process. Three hot blast stoves configured in the ISP process absorbed a number of advanced technology, structural form and masonry characteristics applied in hot blast stove of iron-making plants at domestic and foreign. Through improving technology and potential taping, the utilization rate of the checker brick was improved and the hot blast temperature reached over 950 ℃.

ISP; hot blast stove; checker brick; hot blast temperature

陳艷梅(1985—)，女，陜西榆林人，碩士，工程師，從事有色冶金工業(yè)爐窯的設(shè)計研究工作。

2015-08-13

2015-11-27

TF813

B

1672-6103(2016)01-0056-03