荊巨峰

(侯馬北銅銅業(yè)公司， 山西 侯馬 043000)

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澳斯麥特吹煉爐爐底溫度升高的生產(chǎn)實(shí)踐

荊巨峰

(侯馬北銅銅業(yè)公司， 山西 侯馬 043000)

本文就吹煉爐爐底溫度測點(diǎn)升高的原因進(jìn)行分析，并對所采取的相關(guān)安全措施和制定的現(xiàn)場處置方案進(jìn)行探討和介紹。

銅； 澳斯麥特； 爐底； 生產(chǎn)實(shí)踐

侯馬北銅銅業(yè)公司澳斯麥特吹煉爐爐底3個(gè)熱電偶溫度測點(diǎn)于2015年1月20日持續(xù)異常升高，種種跡象表明此時(shí)爐底耐火材料已蝕損殆盡，壽命已到極限。但考慮到侯馬地區(qū)冬季天寒地凍、晝短夜長，即刻停爐檢修無疑會(huì)加大檢修難度、延長檢修工期；再加上春節(jié)臨近，部分檢修物資還沒有到位且供貨周期較長，不具備檢修條件。經(jīng)采取針對性措施，吹煉爐持續(xù)生產(chǎn)至2015年4月10日才停爐進(jìn)入檢修。本文就吹煉爐爐底熱電偶溫度測點(diǎn)升高的原因進(jìn)行分析，并對所采取的相關(guān)安全措施和制定的現(xiàn)場處置方案進(jìn)行探討和介紹。

1 吹煉爐工藝簡介

侯馬北銅銅業(yè)公司澳斯麥特吹煉爐工藝以頂吹噴槍為核心，在內(nèi)襯耐火材料的圓柱鋼殼體內(nèi)，噴槍將工藝氣體高速噴射入熔池中，使熔池產(chǎn)生劇烈湍流，為銅锍吹煉提供了良好的傳熱、傳質(zhì)和反應(yīng)速率。吹煉爐為間歇性作業(yè)，每個(gè)操作爐次為8 h，其中鼓風(fēng)時(shí)間為6～6.5 h。銅锍吹煉在吹煉爐內(nèi)需完成兩個(gè)階段，第一階段，從沉降電爐放出的液態(tài)銅锍和供料系統(tǒng)供給的水淬固態(tài)銅锍混合加入吹煉爐內(nèi)，其中液態(tài)銅锍加入量約占銅锍總處理量的30%～40%，固態(tài)銅锍約占60%～70%。同時(shí)還加入石英石、石灰石造渣熔劑及一定量的燃煤補(bǔ)充熱量，此階段操作溫度為1 200～1 250 ℃，銅锍中的FeS被噴槍提供的吹煉風(fēng)所氧化進(jìn)行造渣并釋放大量熱，生成含Cu79%的白鈹后吹煉一周期結(jié)束。吹煉二階段停止往爐內(nèi)加入銅锍，在1 250～1 300 ℃溫度下，噴槍吹煉風(fēng)繼續(xù)氧化白鈹生成粗銅。吹煉二階段加入少量還原煤抑制爐渣中Fe3O4的生成，當(dāng)白鈹吹煉至粗銅含S≤0.2%時(shí)第二階段結(jié)束。粗銅通過放銅口進(jìn)入陽極爐精煉，含銅～10%的吹煉爐渣水淬后返回熔煉爐回收其中的銅，最終爐內(nèi)預(yù)留400～600 mm厚的渣層循環(huán)進(jìn)入下一爐次。

2 吹煉爐爐底支撐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及爐底耐火材料砌筑結(jié)構(gòu)

2.1 吹煉爐爐底支撐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

澳斯麥特吹煉爐鋼結(jié)構(gòu)外形為一豎直圓柱體，上端為斜圓錐體的鋼殼結(jié)構(gòu)，爐殼外徑5 240 mm，爐高12 700 mm，爐殼采用低碳鋼建造。爐殼底部為厚30 mm的圓形平鋼板，自爐底板向上3 000 mm區(qū)域用40 mm厚鋼板焊接，再往上由25 mm厚鋼板拼焊而成。公司吹煉爐爐底采取隔熱，爐底鋼板和爐墻鋼殼的溫度均勻，消除可能出現(xiàn)的扭曲和變形，因此設(shè)計(jì)在爐殼下部外側(cè)設(shè)有一“柵”狀加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)，由厚30 mm 鋼板與爐殼焊成“T”形結(jié)構(gòu)，主要起加強(qiáng)爐底的強(qiáng)度與剛性作用。

爐底支撐由上下兩層支撐梁交叉排列放置，形成帶有水平柔性的整體結(jié)構(gòu)的鋼格柵，下部支撐梁與混凝土基礎(chǔ)采用螺栓聯(lián)接，優(yōu)點(diǎn)主要是爐子支撐基礎(chǔ)有良好的自然通風(fēng)冷卻效果，能夠確保爐子支撐鋼結(jié)構(gòu)在允許的溫度條件下正常工作。其次，由于上部支撐梁是一種柔性結(jié)構(gòu)，可以有效地吸收爐底的熱膨脹和減緩爐子整體的振動(dòng)。相對而言這種爐底結(jié)構(gòu)簡單, 制造及筑爐方便，但爐底圓形平鋼板四周易翹起變形呈鍋底狀，對爐底變形適應(yīng)性較差；且一旦爐底發(fā)生熔體泄漏事故，支撐梁鋼結(jié)構(gòu)會(huì)受到燒損，整體穩(wěn)定性遭到破壞，引發(fā)更嚴(yán)重的后果。為了保證爐底支撐鋼結(jié)構(gòu)的正常工作，在爐底圓形平鋼板下方同一平面，設(shè)有3個(gè)熱電偶，其中爐底A點(diǎn)熱電偶設(shè)在爐底圓形平鋼板的圓心位置，B點(diǎn)設(shè)在距圓心1 000 mm遠(yuǎn)位置，C點(diǎn)設(shè)在距圓心2 000 mm遠(yuǎn)位置。在爐子運(yùn)行過程中，可以依據(jù)這3個(gè)熱電偶的溫度變化趨勢，初步判斷爐底耐火材料的蝕損狀況，以便及時(shí)采取相應(yīng)的措施，防止熔體泄漏事故發(fā)生。處于安全考慮，爐底熱電偶所引發(fā)系統(tǒng)緊急停車的觸點(diǎn)值設(shè)計(jì)為250 ℃。此設(shè)計(jì)是基于在接近或達(dá)到此溫度時(shí)，爐底鋼板強(qiáng)度大幅降低、塑性增大、承載能力下降，產(chǎn)生裂縫或變形，從而破壞爐底耐火材料的整體性，造成熔體泄漏事故。

2.2 爐底耐火材料砌筑結(jié)構(gòu)

爐底承受高溫熔體的化學(xué)侵蝕和機(jī)械沖刷，是保證冶金爐安全運(yùn)行的重要部位。爐底部分為拱角磚至爐底鋼板之間區(qū)域，要求耐火材料在高溫下整體穩(wěn)定性好，要有較強(qiáng)的抵制高溫熔體滲透能力和抗機(jī)械沖刷能力，且整個(gè)爐底耐火材料的溫度梯度保證任何滲進(jìn)的熔體凝結(jié)在合理的深度。公司吹煉爐爐底結(jié)構(gòu)為磚砌反拱式爐底，爐底總厚度為1 655 mm。由下往上依次為40 mm厚爐底鋼板、一層115 mm厚粘土磚、一層300 mm厚粘土磚、約18 t鎂鉻搗打料搗打成南北2%的坡度，東西弧度R=5 960 mm向放銅口傾斜的反拱形、460 mm厚半再結(jié)合鎂鉻鎖磚砌成反拱工作層，灰縫≤1 mm，以防銅液滲漏造成爐底磚漂浮損壞爐底。兩層粘土磚與爐墻鋼殼之間襯有25 mm厚硅酸鋁耐火纖維板，爐底示意圖見圖1。兩層粘土磚砌筑結(jié)束及鎂鉻搗打料搗打結(jié)束需用電熱管烘烤一段時(shí)間，以防止下部粘土磚及搗打料中的潮氣上升，使上層半再結(jié)合鎂鉻磚粉化。同時(shí)在爐殼底板與爐壁圓筒角接處均勻設(shè)有12個(gè)排水(汽)孔，在烘爐或生產(chǎn)時(shí)，可以從該孔排出爐底耐火材料里的部分水份。

圖1 爐底示意圖

3 爐底溫度升高原因分析及采取的安全生產(chǎn)措施和現(xiàn)場處置方案

3.1 爐底溫度升高原因分析

吹煉爐爐底熱電偶溫度測點(diǎn)于2015年1月20日持續(xù)異常升高，經(jīng)對熱電偶進(jìn)行校驗(yàn)后確認(rèn)測量值準(zhǔn)確無誤。根據(jù)本公司澳斯麥特吹煉爐的生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，爐底壽命一般為3年。自2012年4月更換爐底耐火材料開始生產(chǎn)至2015年1月，爐底在高溫下受化學(xué)侵蝕及機(jī)械沖刷磨損，壽命已基本達(dá)到以往的使用期限，因此此次爐底熱電偶溫度測點(diǎn)升高屬于爐底耐火材料使用后期的正常反應(yīng)。

停爐后，對爐底耐火磚的腐蝕情況進(jìn)行測量，測量結(jié)果為爐底半再結(jié)合鎂鉻鎖磚砌工作層由460 mm厚蝕損至約200 mm，拱角磚上端面由345 mm寬蝕損至170～230 mm。整個(gè)爐底滲銅嚴(yán)重，銅液已滲到鎂鉻質(zhì)搗打料層下的粘土磚層內(nèi)，半再結(jié)合鎂鉻磚與搗打料粘連成為一體，如圖2所示，不但體形大且噸位重?zé)o法破解，給清理爐底進(jìn)程帶來極大的困難，最后將爐墻鋼殼割開一個(gè)缺口，將爐底的大塊整體平移出爐子后才得以進(jìn)行正常檢修作業(yè)。

圖2 吹煉爐爐底塊狀物

3.2 采取的安全措施和現(xiàn)場處置方案

針對吹煉爐爐底熱電偶溫度測點(diǎn)異常升高的實(shí)際，公司迅速采取了針對性措施和現(xiàn)場處置方案，對熔體泄露可能造成人員傷害、設(shè)備損壞、建筑物損壞和火災(zāi)、爆炸等進(jìn)行了安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

3.2.1 采取的安全措施

(1)強(qiáng)化吹煉爐操作工藝紀(jì)律管理。合理控制爐溫，嚴(yán)禁高溫操作加劇爐底耐火材料蝕損；限制吹煉風(fēng)量，減緩對爐底耐火材料的機(jī)械沖刷；放銅排渣期間及時(shí)啟動(dòng)備用燒嘴保溫，防止?fàn)t溫驟變，高槍位吹煉。

(2)將爐渣鐵硅比由1.2調(diào)整至1.4，提高爐渣堿性以減弱對爐底耐火材料的化學(xué)腐蝕；吹煉爐入爐銅锍品位由58%提高至62%，降低吹煉負(fù)荷。

(3)延長加料時(shí)間，二周期還原煤加入量控制在0.5～1 t/h，同時(shí)加入少量冷銅锍控制爐溫和進(jìn)行爐渣還原。

(4)嚴(yán)格控制粗銅終點(diǎn)，防止過吹造成耐火材料蝕損加劇。

(5)單爐吹煉時(shí)間控制在6.5 h之內(nèi)。

(6)加設(shè)專用風(fēng)機(jī)及冷卻風(fēng)管對爐底鋼板進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，確保滲入爐底的銅液凝固線上移。

3.2.2 現(xiàn)場處置方案

(1)在爐底砌筑圍堰及導(dǎo)流槽，使泄露熔體引至圈定區(qū)域內(nèi)。爐底周圍熔體可能侵蝕到的立柱、鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備設(shè)施、管線等用耐火磚砌筑或進(jìn)行防護(hù)隔離；在爐底周邊區(qū)域安裝高清攝像頭；保持爐底警戒區(qū)域內(nèi)照明良好。

(2)專人對爐底冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行巡檢并做好記錄，保證爐底持續(xù)通風(fēng)冷卻；加強(qiáng)對爐體冷卻水的巡檢，杜絕跑冒滴漏；加強(qiáng)爐底熱電阻準(zhǔn)確性的校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

(3)嚴(yán)控爐底周邊區(qū)域內(nèi)作業(yè)人員管理，如需在此區(qū)域作業(yè)，必須辦理安全作業(yè)證。

(4)保持爐底周邊區(qū)域內(nèi)安全通道暢通，禁止擺放易燃易爆物等。

(5)專人負(fù)責(zé)生產(chǎn)數(shù)據(jù)收集、整理、分析工作。

4 結(jié)論

公司立足吹煉爐爐底溫度升高的現(xiàn)狀，通過調(diào)整渣型，降低硅酸度，減少爐底耐火材料的化學(xué)腐蝕，降低攪拌強(qiáng)度，合理控制爐溫及溫度波動(dòng)，減少對爐底機(jī)械沖刷和熱沖擊，增加冷卻裝置等措施，保證了吹煉爐繼續(xù)運(yùn)行了2個(gè)多月，期間各項(xiàng)工藝參數(shù)指標(biāo)受控，沒有發(fā)生人身傷害事故、工藝事故、設(shè)備事故。實(shí)踐證明采取的安全生產(chǎn)措施是可行可靠的，達(dá)到了預(yù)期效果。

采用快速熱處理技術(shù) 滑鐵盧大學(xué)推出強(qiáng)耐久性鋰電池

加拿大滑鐵盧大學(xué)的研究人員公布了一項(xiàng)研究成果，他們利用快速熱處理技術(shù)(Flash Heat Treatment)，能夠克服硅陽極鋰電池能量密度高，但循環(huán)壽命差的問題。

目前，對硅陽極鋰電池的研究普通認(rèn)為，這種材料的最大問題在于耐久性差。但滑鐵盧大學(xué)的研究稱，硅陽極在900 ℃的環(huán)境下處理20 min后，制成的鋰電池循環(huán)次數(shù)可達(dá)500次以上，而能量密度不會(huì)有明顯衰減。

在這篇題為《工程硅納米結(jié)構(gòu)電極：下一代鋰離子電池的可擴(kuò)展再加工生產(chǎn)》(Engineered Si Electrode Nanoarchitecture: A Scalable Postfabrication Treatment for the Production of Next-Generation Li-Ion Batteries)的文章中，研究人員稱，引入這項(xiàng)具有創(chuàng)新性，且性價(jià)比高的快速熱處理技術(shù)，對硅陽極進(jìn)行再處理，能夠提高鋰電池的性能和循環(huán)壽命。

經(jīng)過快速熱處理之后，硅材料的界面接觸、SiO2/C涂層和導(dǎo)電性都有了極大改善。同時(shí)，電極的初次循環(huán)效率達(dá)到84%，電池的重復(fù)的次數(shù)最終達(dá)到500次以上。因此，快速熱處理技術(shù)為下一代鋰電池的工業(yè)化生產(chǎn)提供了可能。

Production practice of temperature rising at bottom of Ausmelt converting furnace

JING Ju-feng

The paper analyzes the causes for temperature rising at detection points at the converting furnace bottom and introduces the related safety measures and on-site addressing solution.

copper; Ausmelt; furnace bottom; production practice

荊巨峰(1977—)，男，山西侯馬人，冶煉工程師，從事冶煉工藝技術(shù)工作。

2015-11-20

TF811

B

1672-6103(2016)04-0016-03