[科普中国]-中央精矿喷嘴

简介

闪速熔炼法自1949 年问世至20 世纪70 年代, 都采用文丘里型精矿喷嘴。1971 年闪速炉开始实行富氧熔炼, 为了适应氧浓度提高后精矿分散的需要, 奥托昆普公司于70 年代末研制开发了中央喷射型精矿喷嘴。这种喷嘴因其性能优越, 适用于大规模生产、操作维护简便等优点在冶金工厂应用越来越多, 已经历了离线多极、离线无极、在线多极至在线无极调速方式的发展过程。

金隆铜业有限公司于1996 年首次引进了三段式中央喷射型精矿喷嘴, 因扩产改造的需要, 2005年又更换为新型在线无极调速式中央喷射型精矿喷嘴1。

中央喷射型精矿喷嘴操作控制优化中央氧气和分布空气实行在线控制中央氧气是为了弥补喷嘴正下方供氧不足和提高塔内中央温度而设置的, 中央氧气量一般为工艺氧气量的5 %～ 10 %。分布空气的主要作用是分散固体物料, 附带冷却中央氧管和分布空气管, 分布空气量一般由给料量和富氧空气流速计算得出。在使用三段式精矿喷嘴前两年一直采用手动控制, 在1999 年, 为简化与优化操作, 编制了中央氧气和分布空气计算机自动控制数模软件, 有离线、在线两种控制状态, 计算公式如下:

分布空气量=K 1 ×干矿装入量+K 2 ×[ (工艺空气量+工艺氧气量)/(内、外环流通面积之和×3600)] -K 3

中央氧气量=K 4/100 ×矿石反应所需总氧量+K 5

所有K 值均由生产经验数据回归计算而得, 系数值K 1 、K 2 、K 4 要求由技术人员根据一段时间生产采集值计算修正, 常数值K 3 、K 5 可由当班操作人员根据塔壁温度和精矿反应状况随时调整。为了防止突然波动较大, 在计算机数模上设定了总量超限严重报警和一次变化量超限(中央氧气200m3 、分布空气400m3)严重报警。

无极调速式精矿喷嘴中央氧气和分布空气的控制原理和计算公式基本相同, 只是分布空气计算公式中增加(+K 6 ×富氧空气量/干矿装入量)项。

富氧空气流速实现自动控制精矿在离开精矿喷嘴后的分散状况和反应塔内氧气与精矿粒子的混匀程度直接决定着精矿反应效果, 稳定与合理的富氧空气流速对于闪速炉高效均衡生产至关重要。中央喷射型精矿喷嘴富氧空气流速一般控制在80 ～ 120m/s 。

三段式精矿喷嘴空气腔分内、外两个气室, 富氧空气流速有内环、外环、内环+外环三种控制方式,流通面积分别为0.0275m2 、0.0414m2 和0.0689m2 。这种间断式流速控制方式对于低料量生产(走内环)还比较稳定, 对于高料量生产特别是在跳跃点附近炉况会发生波动,当投料量≥80t/h 以后波动更为明显。针对这种状况, 经过仔细研究分析, 于2002 年对外环阀增加一个阀门定位器, 将二位式气动阀改成气动调节阀, 阀位可任意开度控制。相应的富氧空气流速控制改为“一段连续式” , 即在生产过程中保持内环阀常开, 富氧空气压力稳定在9 ～ 16kPa 范围, 内气室出口流速一般控制在100m/s 左右;超出压力范围, 外环阀打开相应的开度, 通过外气室补充精矿反应需要的富氧空气量, 外气室出口流速允许相对较低, 根据反应效果和塔壁温度变化及时调整外环阀开度。这种空气腔内、外气室出口流速不均匀控制方式可以说是操作上的独创, 反应效果比较好,控制也很灵活。

无极调速式中央喷射型精矿喷嘴富氧空气流速是多条匀速曲线, 当设定数值后实行计算机在线自动控制2。

中央喷射型精矿喷嘴结构改进下料管由“两边对称式”改为“十字交叉式”三段式精矿喷嘴原设计为两根下料溜管, 一台埋刮板对应给一根下料溜管给料, 这种给料方式使精矿在分布器内布料不均, 出喷嘴后分散不好;而且当一台埋刮板发生故障时, 单边作业时间不能连续超过2h 。1999 年大修时, 将下料溜管由“ 两边对称式”改为4 根“十字交叉式” , 分布器分料翅片做相应改造, 一台埋刮板同时给对称的两根下料溜管给料,这种给料方式使精矿反应效果明显改善, 长时间单边作业也能保证炉况不受影响。

“十字交叉式”给料方式是对引进先进设备的成功改造, 已被国外厂家引用。无极调速式精矿喷嘴设计中也借鉴了四溜管原理, 但未能实现十字交叉,将来在分料翅片上必须做相应改进才能适应单边作业的需要。

增设自动调速装置无极调速式精矿喷嘴取消内外环, 只有一个气室, 在分布器水冷外壳外侧增加一个调节滑套, 通过马达或手柄使滑套升降, 从而改变富氧空气出口截面积, 调整流速。滑套调节高度在0 ～ 180mm , 对应的出口截面积在0.0206 ～ 0.143(0.143)m2 。

增加冷却构件无极调速式中央喷射型精矿喷嘴增加冷却构件3 个:

①取消旧喷嘴分布器振打装置和振打板, 将风冷分散锥底板改为铜水套分布底板, 优点是可防止中央氧管出口粘结堵塞和分布器底板烧损, 缺点是铜水套不耐磨, 寿命较短, 材质需加以改进;

②空气腔外侧预制块改为内嵌铜水套+外保护铜水套, 增加这两个冷却构件克服了预制块易损坏不易更换的弊端, 在反应塔热强度提高后保护耐火砖, 延长塔顶寿命。

中央喷射型精矿喷嘴数值仿真研究2000 ～ 2001 年和高校合作, 根据精矿喷嘴结构与操作特点, 研制了反应塔内气相与颗粒相的流场、浓度场、温度场与释热场的耦合仿真模型, 探讨了提高喷嘴性能的优化操作与改进结构方法。

综合系列仿真试验结果与生产实践经验, 得出如下结论:

(1)“三集中操作原则” 。凡是有利于形成高温集中、氧量集中与精矿颗粒集中的操作条件, 均有利于满足精矿粒子热分解、气-粒界面传输与氧化过程强化的要求, 有利于提高熔炼能力, 减少燃料单耗20 %～ 50 %, 降低烟尘率1 %～ 2 %, 改善精矿喷嘴的性能。

(2)“高效反应区”模型。“三集中”的区域称为闪速熔炼的“高效反应区” , 位置宜控制在喷嘴出口下方0.5 ～ 3.0m , 半径为富氧空气流通截面积半径的2 ～ 3 倍。

总结经过多年的实践摸索与研究改进, 中央喷射型精矿喷嘴在金隆闪速炉的运用积累了丰富的经验,促进了中央喷射型精矿喷嘴的发展与应用。

(1)生产能力提高。闪速炉炉况控制很好, 冰铜品位由最初设计的52 %提高至62 %～ 63 %, 闪速炉作业率高于95 %。三段调速式精矿喷嘴稳定运行的固体投料量至97t/h , 超出最大设计能力的12 %。无极调速式精矿喷嘴扩产潜力很大。

(2)技术经济指标好。烟尘发生率经常波动在6 %以下, 低于7 %的设计值, 且烟尘含硫一般在10 %以下。电炉渣含铜一般在0.76 %以下, 与同行业相比较优。

(3)原料适应性强。可处理多种含大量低着火点和高熔点杂质的精矿, 只要合理配料至S/Cu ≥0.86 , 其它杂质如Pb +Zn 、As 、MgO 、Al2O3 等单一含量与总量适当, 便可稳定生产3。