王應(yīng)學(xué)

（中銅（昆明）銅業(yè)有限公司，云南 昆明 650502）

某公司自2011年從美國(guó)南線公司引進(jìn)SCR4500連鑄連軋生產(chǎn)線后，使用豎爐作為熔煉設(shè)備，截止到2021年6月已熔銅超過(guò)150萬(wàn)t。SCR4500連鑄連軋生產(chǎn)線設(shè)計(jì)規(guī)模為22萬(wàn)t/年，最大生產(chǎn)速率為35 t/h。但在生產(chǎn)期間，作為SCR生產(chǎn)線的“排頭兵”—爐子系統(tǒng)，頻繁出現(xiàn)故障問(wèn)題，甚至出現(xiàn)不同程度耐火磚剝落的情況，從而導(dǎo)致豎爐出銅口和上流槽堵塞，影響生產(chǎn)正常進(jìn)行。因此，當(dāng)爐子出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)應(yīng)采取必要的措施來(lái)排除和解決生產(chǎn)問(wèn)題，并定期大修豎爐，最終確保爐子系統(tǒng)能連續(xù)高效運(yùn)行，最大限度地延長(zhǎng)豎爐使用壽命，從而降低生產(chǎn)成本，這已成為SCR生產(chǎn)線的共識(shí)。

1 SCR豎爐結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 SCR豎爐結(jié)構(gòu)組成

SCR豎爐是由加料系統(tǒng)和熔化爐系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。加料系統(tǒng)由加料機(jī)構(gòu)、閉路攝像監(jiān)控裝置、緊急抱閘系統(tǒng)組成。熔化爐系統(tǒng)是一個(gè)高10 m、圓柱型帶耐火內(nèi)襯的豎爐[1]，它的斷面是圓形的，整體結(jié)構(gòu)從里到外分別是豎爐工作層磚、保溫層磚、保溫澆注料、高鋁陶瓷纖維毯、焊接鋼結(jié)構(gòu)外殼。豎爐頂部有一加料口，加料口下方分布有2排銅磚。SCR4500連鑄連軋生產(chǎn)線所使用的豎爐中，分布有23個(gè)燒嘴，分3層設(shè)置，從下往上分別標(biāo)號(hào)為A、B、C層，其中A層有7個(gè)，B層有8個(gè)，C層有8個(gè)，如圖2所示，C排燒嘴主要起預(yù)熱銅物料作用，A、B排燒嘴主要起熔化作用[2]。豎爐爐膛直徑從C層燒嘴1 829 mm開(kāi)始逐漸縮小至A層燒嘴1 371 mm，整體爐膛內(nèi)部成“筆尖”狀[3]，最終在A層燒嘴下設(shè)置一出銅口，銅液經(jīng)斜坡?tīng)畹臓t底從出銅口流出。

圖1 SCR豎爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure chart of SCR shaft furnace

圖2 SCR4500連鑄連軋生產(chǎn)線豎爐燒嘴布置情況Fig.2 Nozzle arrangement of shaft furnace in SCR4500 continuous casting and rolling line

1.2 SCR豎爐工作原理

1.2.1 加料系統(tǒng)工作原理

加料系統(tǒng)將電解銅或其它銅原料從車間地面提升到豎爐的進(jìn)料口，通過(guò)翻轉(zhuǎn)裝置將原料加入爐內(nèi)。小車運(yùn)行軌跡通過(guò)軌道和上下限位來(lái)控制。一臺(tái)工業(yè)閉路電視攝像機(jī)安裝在進(jìn)料口上方，在豎爐加料小車底部柱子上和鑄機(jī)操作室內(nèi)安裝有顯示器，便于豎爐操作工和鑄機(jī)室人員監(jiān)控爐內(nèi)料面高度。根據(jù)料面高度，操作人員適時(shí)將約2.5 t的銅板裝入散播器，通過(guò)加料小車將裝有銅板的散播器提升到加料口，由散播器將銅板散播入爐內(nèi)，以改善豎爐能效。加料小車緊急剎車系統(tǒng)在鋼索出現(xiàn)故障時(shí)將小車緊急制動(dòng)，避免墜落事故的發(fā)生。

1.2.2 爐子系統(tǒng)工作原理

在將電解銅或其他銅原料加入爐子過(guò)程中，加料區(qū)周圍的銅磚可避免撞壞爐壁耐火材料。豎爐采用天然氣或者石油液化氣作為燃料，經(jīng)空氣混合后送達(dá)23個(gè)燒嘴，通過(guò)火花塞點(diǎn)燃燒嘴火，銅料經(jīng)C層燒嘴預(yù)熱，B層燒嘴加熱后到達(dá)A層燒嘴，隨著溫度逐步升高，銅物料開(kāi)始慢慢溶化，在爐底形成（3～4） mm的液態(tài)層，銅熔體在自重作用下通過(guò)傾斜爐底由出銅口流出[4]。隨著銅料的熔化，豎爐內(nèi)銅料將向下移動(dòng)，因此可連續(xù)供應(yīng)熔化銅液（該爐內(nèi)沒(méi)有熔池）給后續(xù)工藝。

2 豎爐常見(jiàn)故障及處理措施

2.1 加料小車緊急抱閘磨損軌道

加料小車緊急抱閘裝置中，由于原設(shè)計(jì)缺陷，加之抱閘裝置安裝不規(guī)范，或軌道不平整的原因，加料小車在運(yùn)行過(guò)程中，抱閘凸輪會(huì)與軌道摩擦，發(fā)出刺耳的噪聲，如果這樣長(zhǎng)期運(yùn)行，最終將導(dǎo)致緊急抱閘失效，軌道磨損變薄變形。處理措施有：①對(duì)加料小車進(jìn)行改造，設(shè)置側(cè)擋輪，防止小車偏移，根據(jù)軌道厚度調(diào)整抱閘間隙；②是在停產(chǎn)工藝處理期間（停產(chǎn)時(shí)間小于1天） 檢查緊急抱閘裝置連接螺栓是否連接牢靠，抱閘是否變形，是否需要更換；③在開(kāi)機(jī)前需認(rèn)真檢查確認(rèn)抱閘裝置各個(gè)零部件的狀況，確保在一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)能正常運(yùn)行；④在設(shè)備中修、大修期間，對(duì)磨損嚴(yán)重的運(yùn)行軌道進(jìn)行修補(bǔ)。

2.2 燒嘴阻火器運(yùn)行不暢

豎爐燒嘴阻火器運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)混合燃?xì)饬魍ú粫车膯?wèn)題，其主要原因有風(fēng)機(jī)房里的空氣有灰塵、所使用的燃?xì)庥须s質(zhì)、長(zhǎng)期使用未進(jìn)行清潔等。其預(yù)防措施有：①定期清潔鼓風(fēng)機(jī)房，保持空氣純凈；②使用過(guò)濾的雜質(zhì)較少或無(wú)雜質(zhì)的燃?xì)猓虎墼跔t子檢修前，對(duì)各燒嘴阻火器進(jìn)行編號(hào)，拆下燒嘴阻火器濾芯，使用超聲波清洗或風(fēng)管反吹[5]，直到無(wú)灰塵堵塞濾芯；④定期檢查壓差圖表，出現(xiàn)紅色時(shí)，清理濾芯。

2.3 生產(chǎn)過(guò)程卡爐

生產(chǎn)過(guò)程中，因某層燒嘴區(qū)域的銅物料熔化過(guò)快而“燒空”，上層銅物料無(wú)法靠自身重力下移而被懸掛在燒空上部，并伴隨銅液流量下降、銅液溫度升高或氧含量異常升高等現(xiàn)象，則稱為“卡爐”[6]。

卡爐后的處置措施有：①通過(guò)燒嘴觀察孔判斷卡爐位置；②減小卡爐區(qū)域下方燒嘴火力，加大上方燒嘴火力，以倒立“△”方式控制燃燒火力；③不斷觀察豎爐各燒嘴、出銅口狀況以及上流槽銅液流量的大小，以確認(rèn)火力調(diào)整是否適當(dāng)，同時(shí)加大銅液氧含量的檢測(cè)，使其調(diào)控在要求范圍；④卡爐結(jié)束后，恢復(fù)原有燒嘴燃燒方式，一般以正立“△”方式控制燃燒火力。

2.4 燒嘴回火致燒嘴堵塞

由于燒嘴堵塞、蝶閥部分關(guān)閉、總管的火力太小、空氣-燃料混合物流量突然中斷等原因使火焰的噴射速度減緩，致使火焰經(jīng)噴嘴被逼沿管道往回走，可燃混合物回到燒嘴混合管內(nèi)燃燒，并發(fā)出強(qiáng)烈的爆音，最終導(dǎo)致燒嘴回火。造成燒嘴堵塞的主要原因是回火過(guò)程中產(chǎn)生斷裂的原材料、銅液、飛濺銅渣、破碎的耐火材料或來(lái)自堵塞出銅口的銅液倒灌等[7]。

當(dāng)豎爐出現(xiàn)回火后，銅液未倒灌和銅液倒灌時(shí)的處理方式有所不同：①銅液未倒灌時(shí)的處理方式：首先判斷回火位置；再確認(rèn)回火的燒嘴；現(xiàn)場(chǎng)觀察燒嘴法蘭是否已發(fā)紅，若已高溫發(fā)紅則可馬上關(guān)閉蝶閥；如顏色發(fā)暗，則用高壓風(fēng)冷卻燒嘴回火器，并從觀察孔中判斷，是否應(yīng)該馬上關(guān)閉燒嘴閥門；②銅液倒灌時(shí)處理方式：及時(shí)冷卻燒嘴阻火器，隨時(shí)觀察燒嘴內(nèi)的銅液情況；減小燒嘴上層火力；關(guān)閉回火燒嘴蝶閥；打開(kāi)燒嘴蓋；使用氧槍處理疏通。疏通前，應(yīng)先檢查確認(rèn)是否因豎爐出銅口堵塞致銅液倒灌，若是則需先使用氧槍疏通出銅口。

3 豎爐大修

正常情況下，豎爐的預(yù)期壽命為40個(gè)月[8]，一般使用三年后會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定的情況，如耐材脫落、耐火磚開(kāi)裂、掉磚等問(wèn)題（如圖3），因此需定期對(duì)豎爐進(jìn)行大修。

圖3 耐材剝落情況Fig.3 Peeling of refractory

3.1 制定大修方案

根據(jù)豎爐壽命及豎爐運(yùn)行狀況，需提前半年以上時(shí)間制定出豎爐大修方案，并根據(jù)大修方案開(kāi)展整個(gè)豎爐大修工作。方案中包含豎爐大修原因、機(jī)構(gòu)和職責(zé)、豎爐大修方案和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)四大部分，其中，豎爐大修方案中包含大修整體情況說(shuō)明、大修流程、計(jì)劃大修所需時(shí)間的方案說(shuō)明，以及施工安全措施和施工計(jì)劃進(jìn)度表等內(nèi)容，確保方案明確、職責(zé)清晰、有措施、有計(jì)劃地開(kāi)展大修工作。

3.2 施工前期準(zhǔn)備

停爐施工前，確保所有耐火材料及備件已齊全，人員能夠按計(jì)劃到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，停爐后能正常開(kāi)展大修工作。

大修期，燒空爐內(nèi)存銅過(guò)程中，要實(shí)時(shí)觀察豎爐銅物料情況和火焰情況，依銅物料情況逐步減小燒嘴火力。當(dāng)銅物料已下降到C排燒嘴附近時(shí)最好保持正“△”的火力方式控制火力。此種方式既可充分利用燃燒產(chǎn)生的熱量，節(jié)約燃?xì)?，又能確保燒嘴四周及上方銅物料熔化流淌到爐底。最終在?；鹎埃瑢?shí)時(shí)關(guān)注上溜槽嘴處的銅液流量，保證爐內(nèi)存銅燒空燒凈。

3.3 大修施工

1）耐材的拆除。因SCR豎爐大修為爐殼內(nèi)壁所有耐火材料的拆除（爐底磚視情況拆除）和砌筑，故拆除過(guò)程中不需要對(duì)舊耐火材料進(jìn)行保護(hù)，僅需保護(hù)好爐殼即可。整體耐火材料拆除前，先從豎爐出銅口處拆除耐材，打開(kāi)出銅口鋼殼大小的孔，方便其余耐火材料從爐底運(yùn)出。接著，從豎爐加料口處搭接一個(gè)吊籃，此吊籃應(yīng)可升降操作，方便拆除爐體耐材。隨后即可拆除耐材，拆除順序?yàn)閺纳系较乱来尾鸪?，拆除過(guò)程中，產(chǎn)生的廢舊耐材依次從出銅口處運(yùn)走，運(yùn)走速度最好與拆除速度保持一致，這樣可防止廢舊耐材堆積影響清理；

2）耐材砌筑。砌筑按照南線公司提供圖紙的要求進(jìn)行砌筑，其他施工要求滿足《工業(yè)爐砌筑工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB/T50211-2004）標(biāo)準(zhǔn)要求。為方便施工，砌筑前把先用到的磚、砌泥、搗打料、澆注料、陶瓷纖維紙等材料擺放在豎爐附近，方便拿取。砌筑中控制砌筑環(huán)境溫度及水溫，以達(dá)到最佳砌筑效果：攪拌澆注料用水的溫度原則上要求不低于10℃，拌料及施工的環(huán)境溫度原則上不低于5℃，不大于35℃，最佳施工環(huán)境溫度為（10～30） ℃。

配水比例符合耐材供應(yīng)商所給的配水比例要求，表1為某耐材供應(yīng)商提供用水量表。

表1 豎爐耐材用水量表Tab.1 Water consumption meter for refractory of shaft furnace%

為嚴(yán)格把握砌筑過(guò)程控制，砌筑驗(yàn)收分階段進(jìn)行，可分為7個(gè)階段驗(yàn)收，第1次驗(yàn)收為砌筑到第6層磚，第2次驗(yàn)收為砌筑到第15層磚，第3次驗(yàn)收為砌筑到第28層磚，第4次驗(yàn)收為砌筑到第40層磚，第5次驗(yàn)收為砌筑到第48層磚，第6次驗(yàn)收為砌筑到第84層磚，第7次驗(yàn)收為砌筑到第86層磚以及最后的整體驗(yàn)收；

3）豎爐干燥和烘烤。由于爐子使用砌泥、澆注料等含水耐火材料砌筑，新砌筑的爐子在使用前需進(jìn)行干燥和烘烤，以使耐材外表面和內(nèi)部存在的自由水和結(jié)晶水得到釋放，最終提高耐材整體強(qiáng)度，理化和燒結(jié)性能，增強(qiáng)耐磨性。

豎爐干燥一般采用自然干燥，在冬天或者氣溫低于10℃時(shí)，可使用民用取暖器或者暖風(fēng)機(jī)適當(dāng)提高爐膛四周的溫度，以加快自由水的揮發(fā)。由于豎爐的砌筑為從下到上逐步砌筑，砌筑到中上部時(shí)，最先砌筑的部分已在自然干燥，故從開(kāi)始砌筑到整個(gè)爐子砌筑完的干燥時(shí)間控制在8 d即可。

豎爐的烘烤是整個(gè)爐子大修的最后一步，也是最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)之一，烘烤質(zhì)量直接影響整個(gè)爐子的使用壽命。由于耐材表面自由水和結(jié)晶水的析出是逐步的，烘爐的溫度也必須逐步緩慢升高，烘烤初期切忌使用大火烘烤。整個(gè)烘烤過(guò)程應(yīng)符合耐材供應(yīng)商提供的升溫曲線要求。圖4為某SCR豎爐的理論烘烤溫度曲線。烘烤初期，先使用2個(gè)A排燒嘴對(duì)角烘烤，烘烤約2 h后再調(diào)換燒嘴，但最終保持對(duì)角的狀態(tài)烘烤。當(dāng)烘烤溫度超過(guò)600℃時(shí)，逐步增加B、C排燒嘴個(gè)數(shù)，以提升爐膛整體溫度。當(dāng)溫度接近曲線溫度時(shí)則可通過(guò)降低火力甚至關(guān)閉燒嘴閥門來(lái)控制溫度，再次點(diǎn)火時(shí)則更換其他燒嘴烘烤，以保證整個(gè)爐膛烘烤均勻。最后，按照曲線要求升溫到對(duì)應(yīng)時(shí)間，則整個(gè)豎爐烘烤結(jié)束；

圖4 理論烘爐曲線Fig.4 Theoretical furnace drying curve

4）豎爐冷卻和清渣。豎爐在烘烤期間由于自由水和結(jié)晶水的排出，爐壁、爐底上會(huì)留有“眼淚”及少部分爐渣，豎爐自然冷卻后需進(jìn)入爐內(nèi)清理，否則容易形成銅液夾雜，對(duì)銅桿質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。圖5為豎爐烘烤后產(chǎn)生的“眼淚”；

圖5 豎爐烘烤后產(chǎn)生的“眼淚”Fig.5 “Tears” generated after roasting of shaft furnace

5） 新豎爐二次清渣。新豎爐使用（20～30） d后，需再次停爐清理爐渣，以提高銅液純凈度。生產(chǎn)后1個(gè)月后的首次清渣可從豎爐、溜槽及保溫爐內(nèi)清理出約200 kg的渣。經(jīng)對(duì)清理出來(lái)的渣做化學(xué)元素分析，發(fā)現(xiàn)除Cu元素外，Si、Al、Fe元素較高，其中耐火材料的主要成份Si元素最高，達(dá)1.41%～8.63%。

圖6 豎爐內(nèi)清出的渣Fig.6 Slag cleaned out from the shaft furnace

4 實(shí)施效果

自通過(guò)上述措施有效實(shí)施SCR豎爐運(yùn)行故障處置和定期實(shí)施豎爐大修以來(lái)，豎爐使用效率得到明顯提升，因豎爐原因?qū)е耂CR生產(chǎn)線整體停機(jī)的時(shí)間大大縮短，由初期75 h/y的停機(jī)時(shí)間，縮短至當(dāng)前的0 h/y。燃?xì)鈫魏挠沙跗诘?0.9 m3/t降至當(dāng)前的39 m3/t，綜合綜合成品率也由89%提升至96%。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)實(shí)踐，針對(duì)SCR豎爐部分常見(jiàn)的故障，以下處置措施可以取得良好的處置效果：

1）全面了解設(shè)備結(jié)構(gòu)、原理，對(duì)原有設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行改造；

2）采取預(yù)防性維修和現(xiàn)場(chǎng)故障處置相結(jié)合的方式解決加料小車緊急抱閘磨損軌道、燒嘴阻火器運(yùn)行不暢、生產(chǎn)過(guò)程卡爐、燒嘴回火致燒嘴堵塞等常見(jiàn)故障問(wèn)題；

3）定期開(kāi)展豎爐大修，可以保持豎爐運(yùn)行穩(wěn)定可控。