水口山八厂氧气底吹炼铅系统关键设备运行总结

陈寒秋

（水口山集团公司八厂，湖南 常宁 421513）

氧气底吹炼铅法为国家“十一五”期间重点推广的节能技术，曾获得国家科技进步二等奖和2007年度中国矿业国际合作最佳技术创新奖，已成功应用在湖南水口山、河南豫光、安徽铜冠等国内30个炼铅项目，并已推广到印度等国家，创造了良好的经济效益和社会效益,被誉为我国有色行业最成功的技术开发项目。

水口山八厂100 kt/a粗铅项目采用氧气底吹炼铅法，其包括氧气底吹熔炼、鼓风炉还原、烟化炉吹炼、制酸和制氧五个子系统，项目于2005年7月建成并一次性投产成功。该厂拥有目前国内最大的ϕ4 100mm×14 000mm氧气底吹炉，是氧气底吹炼铅法的示范企业。本文系统总结了该项目投产以来关键设备的运行情况。

1 氧气底吹炼铅法及其关键设备

1.1 氧气底吹炼铅法

氧气底吹炼铅法属熔池熔炼范畴，由于采用富氧吹炼，实现了自热熔炼，冶炼强度大大提高，冶炼烟气的部分热量通过余热锅炉得以回收，因此能耗比传统的炼铅法大大降低。其工艺过程为：含水6%～7%的含铅物料和熔剂经混合制粒后，连续、均匀地从熔炼炉顶部加入，底部送入富氧搅动熔池，入炉物料在熔池中完成干燥、熔化、氧化造渣、沉铅过程，实现渣铅分离。产出的高铅渣从渣口排出经铸渣机铸渣送鼓风炉还原，粗铅从放铅口排出，烟气经排烟口送制酸系统。

1.2 氧气底吹炼铅法的关键设备

氧气底吹炉及余热锅炉、铸渣机以及与该工艺配套的技术装备是氧气底吹炼铅法的关键设备。水口山八厂100 kt/a粗铅项目氧气底吹炼铅法部分关键设备如表1所示。

表1 氧气底吹炼铅法部分关键设备

2 设备运行及改进

2.1 氧气底吹熔炼系统

2.1.1 氧气底吹炉

氧气底吹炉是一个沿炉子中心轴线转动、密闭的长圆筒型卧式转炉，钢板外壳内衬铬镁砖，炉身有传动装置，可旋转90°，设有加料口、排烟口、放渣口、放铅口，底部装有氧枪，氧枪及其套砖可以更换，端墙燃油烧嘴供开炉和保温使用。

存在的问题及改进措施：

（1）烟道口铜水套故障多。烟道口由4块铜水套组成。原设计是在50 mm厚的铜块（材质为T2）上横向、竖向钻几个通孔（所有通孔的两端除预留一个进水口、出水口外，全部用堵头封死；铜块内部横向和竖向通孔贯通处会使水流短路，也用旋塞封死），以形成一个蛇形的冷却水通道。这种铜水套不仅制作工艺复杂、成本高（36万元/套），而且所有堵头都是螺纹连接，热胀冷缩后极易造成外部泄漏，漏水大部分都进入底吹炉，影响炉子的正常运行。

改进措施是将铜水套制作工艺由铜块钻孔改为整体浇注成形，即先预埋一根蛇形铜管，然后整体浇注。其制作工艺简单，成本低（16万元/套），故障率也低。

（2）摇炉电机功率偏小。氧气底吹炉在生产过程中局部会形成炉结，摇炉过程中，存炉结的位置负荷过大，使摇炉电机过载而跳闸，炉子不能正位，影响生产。

改进措施是将摇炉电机功率由90 kW增大为132 kW。

2.1.2 铸渣机

铸渣机工作原理：渣模固定在铸渣机的输送链条上，链条通过滚轮支承在轨道上，渣模随着链条的运动而缓慢移动，高铅渣注入渣模后，在运行过程中被喷水冷却、凝固，渣模到达机头位置，高铅渣在倾包装置和脱模振打装置的共同作用下脱模。

存在的问题及改进措施：

（1）铸渣机容易脱轨。氧气底吹炉渣口放渣量偏大，渣漏到铸渣机轨道上，轨道上积渣极易导致铸渣机脱轨。

改进措施是一方面将链条的滚轮宽度由500 mm增大到800 mm，以增加滚轮在轨道上的支承范围；另一方面把进渣溜槽由一级直线型改为二级阶梯型，渣的流速放缓，防止渣漏到轨道上。

（2）渣模脱模困难。虽然采取了在冷却水中加石灰和增大脱模振打力度等措施，渣锭脱模仍然困难。

改进措施是换用新式渣模。新渣模内腔为半球状（R=130 mm）。与旧渣模相比，新渣模的内腔更浅、更光滑，有利于脱模。

新、旧渣模对比如图1所示。

图1 新旧渣模的比较图

2.1.3 圆盘制粒机

圆盘制粒机的作用是将铅精矿、熔剂混合料制成球粒状。它是一个倾斜40～55°安装的、带边板的平底钢质圆盘，其主轴装置在联动齿轮的带动下绕轴心线旋转。主要包括机座、盘体、传动装置、主轴装置、倾角调整装置、刮刀装置、给水装置和润滑装置等。工作原理：经配比的物料进入圆盘给料机，随着洒水装置不断加水和圆盘旋转物料产生滚动成球。物粒本身存在差异，在旋转圆盘的作用下，它们将按不同的轨迹进行运动，大颗粒位于表面和圆盘的边缘。因此，当总给料量大于圆盘填充量时，大颗粒的合格生球即自盘内排出。

存在的问题及改进措施：

轴承寿命短。轴承座与水平面有一定的倾角，加在上端滚动轴承上的润滑脂在轴承运行一段时间后受热变稀，在重力作用下与轴承脱离，导致轴承缺油而烧坏。

改进措施是将圆盘制粒机轴承润滑方式由脂润滑改为稀油站润滑。在原轴承座上开进油孔、回油孔，在原减速箱的稀油站供油管上另接一个循环油路对轴承座的轴承进行喷油润滑。

2.1.4 余热锅炉

氧气底吹炉的余热锅炉由上升烟道、辐射室、对流区三部分组成。上升烟道部分与氧气底吹炉相接，上升烟道之间采用膨胀节，锅炉出口与烟道相接。高温烟气出氧气底吹炉后进入锅炉，依次经过上升烟道，辐射冷却室，凝渣管屏，第一、二、三、四、五对流管束。上升烟道、辐射室均由膜式壁结构的受热面组成，受热面采用ϕ38 mm×4 mm无缝钢管，管子间距80 mm。上升烟道、锅炉辐射室及对流管束均配有弹簧锤振打清灰装置。

存在的问题及改进措施：

（1）积灰。因为高品位原料供应不上，氧气底吹炉大部分生产时间都在处理杂料，烟尘率高，再加上原有的弹簧锤振打清灰装置故障率高，导致锅炉积灰结块。积灰严重时，几乎每隔一星期系统就要停下来清灰一次，影响氧气底吹炉的作业率。

在余热锅炉本体顶部增加燃气高能脉冲除灰装置后，彻底解决了锅炉积灰结块问题。

（2）辐射冷却室灰斗受热面磨损穿孔。辐射冷却室灰斗受热面的磨损穿孔都发生在横向冲刷段，纵向冲刷一般磨损不大。穿孔部位的直观情况是：表面光亮，管子壁厚只有0.8～1.0 mm，磨损较为明显。局部气速较高，加上炉气转向是造成该问题的原因。

改进措施是在辐射冷却室灰斗受热面磨损较多的部位均加焊防磨片。具体做法是：用不锈钢板作半包围防磨处理，半包围的防磨片用半圆环固定在管子上，使之与管子贴合，以保证这两个部件的热膨胀互不影响。

（3）上升烟道和弧形烟罩高温爆管。上升烟道和弧形烟罩的进水联箱原设计手孔位置全部用封头焊死，每次余热锅炉煮炉后无法检查和冲洗联箱内的水垢。2010年上半年，上升烟道和弧形烟罩频繁爆管。高温爆管部位表象为：爆管段发黑，严重碳化。切开联箱封头发现其内堆积水垢，厚度大约为进水管管径的1/4，其导致管子局部缺水而爆管。

改进措施是切开上升烟道和弧形烟罩所有联箱封头，用水清洗其中的水垢。由于当时没有手孔的配件，故暂时用封头封死联箱，待下次在联箱上安装手孔。

2.2 鼓风炉还原系统

鼓风炉由炉基、炉底、炉缸、炉身、炉顶（包括加料装置）、支架、鼓风系统、水冷和汽化冷却系统、放出熔体装置和前床等部分组成。炉身用若干块水套并成。该鼓风炉为富氧熔炼，单排风口，采用高料柱操作。炉身水套为汽化冷却，烟罩为水冷却，炉身中部两侧设有液压打炉结装置。

存在的问题及改进措施：

（1）炉体导料装置容易变形、开裂。导料装置由若干块导料板（材质为ZG200—400）组成，铸钢导料板在高温下变形、开裂，造成漏气、漏料，严重影响鼓风炉的正常生产。

改进措施是将导料板全部改为水冷却水套。

（2）电动加料小车机械传动部分故障频繁。加料小车原设计由摆线针轮行星减速机驱动小车车轮运动。当小车刹车时，装有物料的小车由于惯性大，减速机受到的冲击力很大，导致其摆线轮被频繁打坏。

改进措施是将机械传动部分摆线针轮行星传动改为链条传动。由于链条传动有一定的缓冲和减振性能[1]，其故障率大大降低。

（3）鼓风炉出口烟道易积灰结块。由于鼓风炉强化生产，其炉气出口温度高（700～800℃），出口烟道容易积灰结块，导致抽风系统阻力大。

改进措施是将10 m长的出口烟道改成水冷却水套的形式，解决出口烟道积灰结块问题。

2.3 烟化炉吹炼系统

2.3.1 烟化炉-余热锅炉一体化装置

烟化炉-余热锅炉一体化装置按产蒸汽品质分为两个系统：一个是低压蒸汽系统，由汽化水套、汽化冷却系统与低压汽包构成；另一个是中压蒸汽系统，由烟化炉顶帽烟气冷却室、省煤器、上升下降管系统与中压汽包组成。

由于烟化炉的床能力偏低，导致鼓风炉电热前床产出的部分热渣不能及时处理而堆存。

采取的措施是在烟化炉实行富氧吹炼（为国内首创），利用制氧站富余的氧气，在烟化炉二次风口增加一套富氧吹炼装置（混合后的氧气浓度为22%），烟化炉的床能力提高了10～15%[2]。

2.3.2 离心鼓风机

离心鼓风机的本体为单吸入双支撑结构。鼓风机的进口为矩形，方向向下；出口为矩形，方向向下。利用联轴器将鼓风机与变速机、变速机与偶合器、偶合器与电机联接成整体而实现传动。风机采用滑动轴承。风机轴承和电机轴承的润滑由鼓风机主油泵（齿轮泵）加压完成，液力偶合器另设一个独立的润滑系统。

存在的问题及改进措施:

（1）润滑系统设计存在缺陷。风机正常工作时由鼓风机主油泵（齿轮泵）加压完成风机轴承和电机轴承的供油润滑；风机起动和停机时由启动油泵完成风机轴承和电机轴承的供油润滑。控制系统可根据油压的大小完成主油泵和启动油泵间的自动切换。本润滑系统没有单独的储油箱，仅在支撑和止推轴承箱内储油。但原设计电机回油口的位置比支撑和止推轴承箱都低，造成回油不畅、多处漏油。

改进措施是用稀油站润滑系统代替原有的润滑系统。

（2）采用液力偶合器调速，不节能。

改进措施是改液力偶合器调速为变频器调速。

2.4 制酸系统

2.4.1 二氧化硫风机

离心鼓风机的本体为双吸入单级双支撑结构；利用联轴器将鼓风机与变速机、变速机与偶合器、偶合器与电机联接成整体而增速传动。鼓风机的进口、出口均为圆形，位于定子两侧，方向均为水平。叶轮为高强度耐腐蚀不锈钢的双吸叶轮。鼓风机与变速机均采用滑动轴承，轴承与齿轮的润滑由电动主油泵压力供油润滑。高位油箱供鼓风机突然停电时轴承、齿轮润滑用。

存在的问题及改进措施：

（1）采用液力偶合器调速，不节能，而且联锁设计存在安全隐患。原设计把风机、液力偶合器、电机、增速器的所有联锁参数作为一个整体，同时投入或解除联锁。液力偶合器的出口油压也是其中的一个联锁参数(要求液力偶合器正常工作时的出口油压≥0.05 MPa)。主油泵启动、油压正常后，还不能马上投入联锁。因为风机启动前，液力偶合器的出口油压为零。如联锁投入，风机因联锁而无法启动，必须待液力偶合器把风机调速到正常工作状态时（此时液力偶合器的出口油压≥0.05 MPa）,联锁才能投入。如果操作工一时疏忽，在风机调速到正常工作状态后，忘记投入联锁，则会有很大的安全隐患。2007年就出现过一次操作工忘记投入联锁，而润滑油中又有铁屑，轴承进油口部分堵塞导致轴承烧坏的设备事故。

改进措施是将液力偶合器调速改为变频器调速。风机启动前，只要主油泵油压正常，即可投入联锁,既安全，又节能。

（2）叶轮积酸泥，风机震动大。干燥塔至二氧化硫风机进口管路漏气，导致风机进口烟气中水分超标，叶轮容易积酸泥。附着在叶轮上的部分酸泥在风机开、停车过程中极易脱落，破坏了叶轮的平衡，导致风机震动大。

采取漏气管路堵漏，定期清理叶轮上的酸泥等措施，有效地解决了上述问题。

2.4.2 干吸塔

100 kt/a粗铅项目制酸系统的3座吸收塔均采用传统的塔、槽分离式单体设备，塔体为Q235—A钢外壳内衬石棉板和无缝弧形耐酸瓷砖。

存在的问题及改进措施：

（1）二吸酸冷却器换热管磨穿。二吸酸冷却器进酸、出酸管道均采用带阳极保护的316L管道（管壁厚度6 mm）,刚性不够，酸液在二吸酸冷却器进酸管路中流动时，管路震动较大。后虽增加了一些管路的固定支架，但是因为对管路震动的危害性估计不足，最终未彻底解决问题。进酸管路震动使得酸冷却器换热管（ϕ19.05 mm×1.65 mm）与中间的支撑花板不断地摩擦，运行一段时间后，二吸酸冷却器的部分换热管就被磨穿，系统停产。

改进措施是更换损坏的二吸酸冷却器，酸冷却器进口管路增加波纹补偿器。

（2）干吸塔下部漏酸。泄漏的原因：一是砌筑瓷砖时，KPI胶泥在固化过程中产生大量气体，使胶泥中存在大量的针孔；二是热膨胀效应使得钢外壳与耐酸瓷砖间的耐酸石棉板隔离层碳化并脱落。

改进措施是采用罐体成膜注胶堵漏技术。操作过程：先对泄漏部位进行电焊修复，然后在设备表面打出注胶孔，用高压注胶泵注入国内某公司生产的3216半固体复合修复材料,在钢体、石棉板和瓷砖三者之间形成致密的结构层，阻断介质对设备钢体的腐蚀。工程完工后，现场随机打孔检测，孔干燥，说明没有液体渗出，泄漏问题得到了彻底解决。

2.5 制氧系统

2.5.1 分馏塔

分馏塔的工作原理：使被加工的空气液化，利用氧、氮等组分的沸点差，采用精馏的方法使空气分离获得氧气和氮气。分馏塔主要包括：上塔、下塔、氧主换热器、氮主换热器、污氮主换热器、过冷器、热虹吸蒸发器、液氧喷射蒸发器、冷凝蒸发器、空气喷射蒸发器以及消音器等。

存在的问题是分馏塔泄漏。生产过程中分馏塔检测主冷液氧液位的仪表管路因长期运行而产生疲劳裂纹，使得液氧泄漏到分馏塔的外壳中。-180℃左右的液氧由液态变成气态，体积急剧增大，导致分馏塔外壳胀粗变形。

解决的方法是更换损坏的仪表管路，并在分馏塔内部增加加强筋以加固其外壳。

2.5.2 空气冷却塔

空气冷却塔为一个高效散堆的填料塔，用作空气的预冷却。塔内填充一定高度的填料，以增加两种流体间的接触表面。水从塔的上部通过分布器进入，沿填料表面下降；需要冷却的空气则由塔的下部通过填料孔隙逆流而上，与水密切接触完成传质过程。

空气冷却塔下部液面液位计冬季易冻结。空气冷却塔下部液面是由自动调节阀来控制的（其液面正常波动范围是500～1 200 mm）。空气冷却塔下部液面液位计原设计没有安装伴热管，低温天气容易冻结。2009年12月的一天，曾出现空气冷却塔下部液面液位计冻结，液面始终显示为低水位（低于500 mm），导致空气冷却塔下部水位不断升高，最后超过空气冷却塔的进风口，大量的水被带入分子筛，致使分馏塔进口水份和CO2都超标,整个制氧系统停车。

改进措施是空气冷却塔下部液面液位计增加蒸汽加热的伴热管。

3 待解决的问题

经过五年的生产实践和改进，水口山八厂100 kt/a粗铅项目的关键设备已达到设计要求，但还存在如下问题需要解决：

（1）底吹炉产出的高铅渣在进鼓风炉还原前要用水冷却铸渣，其热能未能充分利用，而在鼓风炉还原时还要加入焦炭，导致氧气底吹炼铅法的能耗仍偏高。2010年上半年，水口山八厂与中国恩菲公司进行了熔融高铅渣直接还原工艺试验，取得了阶段性成果。下一步将对该试验的炉型结构进行优化,如能成功,氧气底吹炼铅法的能耗将进一步降低。

（2）氧枪寿命仍然偏低（25～40 d）。目前因更换氧枪引起氧气底吹炉的停吹率约为3.5%，且氧枪及其套砖很昂贵。因此提高氧枪寿命对提高氧气底吹炉的作业率和降低冶炼成本都有着重大意义。今后应在氧枪结构、材质和制造工艺等方面进一步摸索和改进[3]。

（3）氧气底吹炉余热锅炉的联箱没有设计便于安装和拆卸的手孔，不能检查和清洗联箱内的残留水垢，因此必须在联箱上安装手孔。

[1] 徐 灏，蔡春源，严隽琪，汪 恺，周士昌.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2] 刘 虔，阳德炎.烟化炉富氧吹炼的生产实践[J].水口山科技与管理，2009，（1）：15-17.

[3] 高长春，袁培新，陈汉荣.氧气底吹熔炼氧枪浅析[J].水口山科技与管理，2006，（3-4）：20-21.