當(dāng)前，國內(nèi)的再生銅生產(chǎn)主流工藝為“一段法”，通常用固定式陽極爐(以下簡稱“固定爐”)完成整個再生銅生產(chǎn)過程，將廢雜銅原料精煉成陽極銅。一段法工藝為周期作業(yè)方式，每生產(chǎn)爐次的作業(yè)過程依次為“加料熔化”作業(yè)、“氧化精煉”作業(yè)、“還原精煉”作業(yè)、“保溫(澆鑄)”作業(yè)。 

某公司自行研發(fā)的聯(lián)合精煉工藝，其突出特點(diǎn)是由熔化豎爐和連續(xù)精煉爐(以下簡稱“連續(xù)爐”)共同完成再生銅生產(chǎn)作業(yè)——豎爐連續(xù)加入品位高于98%的廢雜銅原料，連續(xù)將銅原料熔化成銅液，并連續(xù)將銅液輸送到連續(xù)爐，不存在爐次的區(qū)分。連續(xù)爐和固定爐一樣采取周期作業(yè)方式，但沒有“加料熔化”作業(yè)，每爐次的作業(yè)過程依次為“蓄液提溫”、“氧化精煉”、“還原精煉”、“還原(澆鑄)”作業(yè)。連續(xù)爐為兩臺，實行一開一備。 

1、連續(xù)爐的爐底壽命特點(diǎn)及初期改進(jìn)措施 

1.1連續(xù)爐爐底壽命的特點(diǎn) 

最初建造的兩臺連續(xù)爐采用相同的砌筑方案,主體結(jié)構(gòu)以110t的固定爐為藍(lán)本，爐體也由反拱式爐底、爐墻、拱形爐頂三大部分組成。連續(xù)爐采用固定爐方案，①因為沒有聯(lián)合精煉的相關(guān)技術(shù)積累與使用經(jīng)驗,需要規(guī)避技術(shù)風(fēng)險;②當(dāng)進(jìn)廠原料品位低于98%、豎爐停爐時，連續(xù)爐還能充當(dāng)固定爐單獨(dú)處理低品位原料，即恢復(fù)成傳統(tǒng)的一段法生產(chǎn)工藝。事實上,由于原料供應(yīng)的原因，2#連續(xù)爐建成后3年內(nèi)一直單煉再生粗銅，實質(zhì)上作為固定爐使用。1#連續(xù)爐則一直用于聯(lián)合精煉作業(yè)。 

再生銅行業(yè)中，對固定爐爐壽的管理重點(diǎn)通常是爐頂?shù)氖褂脡勖?，因為爐頂處溫度最高、被燃燒器火焰氣流沖刷、承受頻繁的溫度驟升驟降熱應(yīng)力，爐頂耐火磚使用壽命往往只有3～6個月。因為爐底的使用壽命長，一般不作為固定爐爐壽管理的重點(diǎn)。 

1#連續(xù)爐投入使用后，同樣把爐壽管理的重心放在爐頂壽命上，認(rèn)為其爐底使用壽命會優(yōu)于固定爐。因為固定爐每爐次的“加料熔化”作業(yè)中，要向爐內(nèi)加入單重0.2～2t合計110t的冷態(tài)銅料，加料車將銅料送入爐膛后傾倒到爐底，銅料下落距離在0.75m以上，勢必對爐底磚有較大的機(jī)械沖擊。衡量爐底磚抵抗機(jī)械沖擊的能力的主要指標(biāo)是抗折強(qiáng)度，耐火磚的受力特點(diǎn)是耐壓不耐折，即抗折強(qiáng)度比耐壓強(qiáng)度小得多，如常用的直接結(jié)合鎂鉻磚，國內(nèi)兩個主要廠家的耐壓強(qiáng)度為40MPa/50MPa，抗折強(qiáng)度為(6～10MPa)/(5～10MPa)[1]。長期加料作業(yè)帶來的機(jī)械沖擊下，會造成耐火磚損傷。而1#連續(xù)爐直接接收銅液，可不加入冷態(tài)銅料,爐底不存在加料時機(jī)械沖擊問題,理應(yīng)在使用壽命上具有優(yōu)勢。 

然而，在聯(lián)合精煉的生產(chǎn)實踐中，連續(xù)爐的爐壽卻出現(xiàn)了與其他廠家固定爐截然不同的特點(diǎn)，如表1所示，連續(xù)爐的爐頂、爐墻的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于固定爐，但爐底壽命卻短得多。爐底為死爐底設(shè)計，爐墻壓在爐底上，檢修爐底時需要拆除爐頂、爐墻，結(jié)果就成為大修，此時爐墻、爐頂砌體即使使用時間不長，也得需拆除、重砌，造成很大的成本浪費(fèi)。連續(xù)爐的爐壽的短板在于爐底而不是爐頂。 

連續(xù)爐的爐底役期很短，都是因為浮磚問題所致：連續(xù)爐每一役期，生產(chǎn)12個月后，工作門區(qū)域的一塊爐底反拱磚會斷裂成上下兩截，上半截(150～230mm長)從反拱磚層中脫離，飄浮在銅水表面，稱為“浮磚”。下半截殘磚仍嵌在反拱磚層中，損壞區(qū)域看上去如同“缺牙”。一旦出現(xiàn)第一塊浮磚，后續(xù)爐次就會接二連三地出現(xiàn)，間隔時間越來越短，每次浮磚數(shù)量越來越多，嚴(yán)重時一爐次出現(xiàn)20～30塊浮磚。爐底缺牙范圍一個月時間就會發(fā)展2～4m2，如果不及時停爐檢修，銅液會穿透缺牙區(qū)的殘磚層，造成跑銅事故。首次浮磚之前，往往沒有預(yù)兆，對反拱磚裝的損耗程度檢查沒有異常。從首次出現(xiàn)浮磚到爐役結(jié)束，往往歷時不足一個月，大修用磚采購周期往往在3個月以上，導(dǎo)致檢修工作極為被動。 

1.2連續(xù)爐爐底的砌筑改進(jìn) 

冶金爐的爐壽問題，通常癥結(jié)在于耐火磚的規(guī)格、材質(zhì)、砌筑方案、砌筑質(zhì)量方面，因此首先在這些方面采取了一系列改進(jìn)措施。 

1.2.1爐底耐火磚改進(jìn)首先認(rèn)為是爐底耐火磚的性能較差：將反拱使用的豎厚楔形磚的材質(zhì)由鎂鉻鋁磚，改為鎂鉻質(zhì)，后改為鎂鋁磚、直接結(jié)合鎂鉻質(zhì);長度由380mm增加到440mm。爐底砌筑搗打料配比中配入鋼纖維，增加結(jié)合性能，防止水蒸氣導(dǎo)致爆裂。 

1.2.2爐底反拱砌筑方案改進(jìn) 

爐底反拱磚從環(huán)砌改為錯縫砌筑，干砌改為濕砌。爐底反拱中心角從48°增加到56°。增強(qiáng)反拱磚體之間的互鎖，增加磚體之間的結(jié)合力，避免磚體抽簽上浮。 

1.2.3提高爐底砌筑質(zhì)量 

爐底砌筑施工時，嚴(yán)格執(zhí)行《工業(yè)爐砌筑工程施工及驗收規(guī)范》(GB50211-2004):砌筑前對爐底磚全數(shù)檢驗，砌筑施工中使用塞尺進(jìn)行過程檢驗，嚴(yán)格控制磚縫厚度<1mm。爐底砌筑搗打料施工時，把速度較慢的人工搗打改為電動平板沖擊夯，搗打施工時間從8h壓縮到1h。 

2、連續(xù)爐爐底的損耗機(jī)理分析 

雖然采取一系列砌筑改進(jìn)措施，連續(xù)爐的爐底役期并沒有明顯提升，說明沒有對癥下藥。連續(xù)爐爐墻、爐頂?shù)氖褂脡勖L，也側(cè)面說明耐火磚的規(guī)格、材質(zhì)、砌筑方案、砌筑質(zhì)量不是爐底壽命短的主要原因。可以佐證的是，作為固定爐使用的2#連續(xù)爐的爐底壽命已經(jīng)達(dá)到了3年，檢查爐底情況良好，沒有異常的損耗，也進(jìn)一步證實了這個判斷。 

1#爐第二次大修期間，改由2#連續(xù)爐與豎爐配合進(jìn)行聯(lián)合精煉生產(chǎn)，結(jié)果半年后也出現(xiàn)浮磚現(xiàn)象，被迫大修。因此，開始懷疑連續(xù)爐的爐底壽命的關(guān)鍵影響因素是聯(lián)合精煉工藝本身所致。 

1#連續(xù)爐的第三爐役開始后，從爐底橫向通風(fēng)道處(如圖1所示)采用紅外測溫儀測量爐底溫度，每條通風(fēng)道上設(shè)9個測點(diǎn)(如圖2所示)。測量發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)道的平均溫度，呈明顯的梯度，從高到低依次為通風(fēng)道2、3、1、4。測量前本以為每條通風(fēng)道上溫度最高點(diǎn)在測點(diǎn)⑤處，因為它是爐底反拱最低點(diǎn)，是爐底最薄處。然而測量發(fā)現(xiàn)通風(fēng)道處1、2、3，都是測點(diǎn)⑦溫度最高，且至少高出其它測點(diǎn)20～30℃。而且，位于1#工作門下方的通風(fēng)道2處的測點(diǎn)⑦溫度始終最高，位于2#工作門下方通風(fēng)道3的測點(diǎn)⑦溫度次之，通風(fēng)道4最低。通風(fēng)道2處的測點(diǎn)⑦正上方的爐底，恰好是每爐役出現(xiàn)第一塊浮磚的位置。 

連續(xù)爐的80%的插管作業(yè)主要在1#工作門處進(jìn)行，20%的插管作業(yè)在2#工作門處。因此，進(jìn)一步推斷，連續(xù)爐的爐底壽命問題是聯(lián)合精煉獨(dú)特的作業(yè)特點(diǎn)——強(qiáng)化的插管作業(yè)所致。 

2.1插管作業(yè)的湍流作用 

連續(xù)爐和固定爐的氧化精煉、還原精煉同樣需要插管作業(yè)——將氧化/還原管浸沒在爐內(nèi)熔池中。氧化精煉時，通過氧化/還原管向熔池中噴入壓縮空氣。還原精煉時，通過氧化/還原管向熔池中噴入天然氣、液化石油氣等氣態(tài)還原劑;若采用固態(tài)的煤基還原劑，則使用壓縮空氣來輸送還原劑。 

換言之，插管作業(yè)時必然向熔池噴入氣體射流，氣體射流進(jìn)入熔池后在垂直于管軸線方向產(chǎn)生分速度，氣體形成氣泡攪動銅液，形成銅液湍流，沖擊爐襯，這是連續(xù)爐和固定爐的插管作業(yè)的共同點(diǎn)。 

2.2連續(xù)爐和固定爐的插管作業(yè)的區(qū)別 

連續(xù)爐和固定爐一樣，每一爐次都分為4個作業(yè)階段，但插管作業(yè)上明顯不同。

第1個作業(yè)階段，固定爐為“加料熔化”作業(yè)，將常溫的廢雜銅原料逐次加入固定爐，并加熱熔化成銅液，直到爐內(nèi)銅液量到達(dá)爐容量;而連續(xù)爐為“蓄液提溫”作業(yè)，只負(fù)責(zé)接收豎爐提供的銅液。兩者都不進(jìn)行插管作業(yè)。 

第2個作業(yè)階段，固定爐為“氧化精煉”，是把氧化管插入爐內(nèi)銅液中，經(jīng)氧化管輸入壓縮空氣以氧化雜質(zhì)并與熔劑造渣，脫除雜質(zhì);連續(xù)爐同樣為“氧化精煉”，作業(yè)方法與固定爐基本相同，區(qū)別是蓄積的銅液量達(dá)到爐容的50%后，就需要開始插管作業(yè)。 

第3個作業(yè)階段，固定爐為“還原精煉”，是把還原管插入爐內(nèi)銅液中，通過還原劑與銅液中的氧結(jié)合而脫氧;連續(xù)爐同樣為“還原精煉”，作業(yè)方法與固定爐基本相同，但插管作業(yè)在“氧化精煉”后開始，必須在爐內(nèi)蓄積的銅液達(dá)到爐容上限前完成。 

第4個作業(yè)階段，固定爐為“保溫(澆鑄)”作業(yè)，連續(xù)爐為“還原(澆鑄)”作業(yè)，兩者都是打開放銅口，把銅液輸送到澆鑄工序，當(dāng)爐內(nèi)銅液量降到下限后，該爐次作業(yè)結(jié)束。固定爐“保溫(澆鑄)”作業(yè)中不進(jìn)行還原，不插管操作;而連續(xù)爐“還原(澆鑄)”作業(yè)時同時連續(xù)補(bǔ)充豎爐銅液，需要繼續(xù)向銅液內(nèi)通入還原劑脫除新補(bǔ)充的銅液中的氧，產(chǎn)生插管作業(yè)。 

對比可見，每爐次的作業(yè)中，固定爐只有2個作業(yè)階段需插管作業(yè)，連續(xù)爐則有3個作業(yè)階段需要插管作業(yè);這是因為連續(xù)爐在澆鑄作業(yè)開始后，仍在接收豎爐提供的銅液，為脫除新補(bǔ)充的豎爐銅液中的氧，需要繼續(xù)插管還原。 

聯(lián)合精煉工藝相較于傳統(tǒng)一段法工藝是一種強(qiáng)化冶煉作業(yè)，爐型相同的情況下，用于聯(lián)合精煉工藝的1#連續(xù)爐較作為固定爐的2#爐的日產(chǎn)量增加275%;連續(xù)爐的插管作業(yè)時間也大幅攀升，增加幅度超過了產(chǎn)量：2#連續(xù)爐作為固定爐生產(chǎn)時，每天插管作業(yè)時間2～4h，1#連續(xù)爐每天插管作業(yè)時間則高達(dá)12～18h。 

2.3連續(xù)爐的插管作業(yè)的負(fù)面效應(yīng) 

相比固定爐，連續(xù)爐插管時間長，會產(chǎn)生以下三個負(fù)面作用。 

2.3.1湍流沖擊加劇 

插管時噴入氣體具有初始速度，其動能對銅液做功[2]，使銅液產(chǎn)生不規(guī)則的湍流運(yùn)動。湍流銅液又對爐底做功，產(chǎn)生機(jī)械沖擊。插管作業(yè)時間的大幅增加，意味著插管作用區(qū)域內(nèi)的爐底反拱磚承受湍流作用的時間也相應(yīng)大幅增加，由量變到質(zhì)變，導(dǎo)致爐底局部耐火磚加速損耗，最終發(fā)展至浮磚。 

每爐役第一塊浮磚，總是出現(xiàn)在通風(fēng)道2處的測點(diǎn)⑦的正上方的爐底處，為主要插管區(qū)域，該處在反拱弧的腰部，恰好是氧化管、還原管氣流的作用區(qū)。 

插管作業(yè)時，氣體射流噴入銅液中后，射流對周圍銅液的卷吸使得射流不斷擴(kuò)張并且運(yùn)動速度降低[3]，插管時氣體射流產(chǎn)生的湍流能可視為定值，顯然，爐內(nèi)銅液的液位越低，容納銅液量越少，銅液吸納的湍流能無疑更少，湍流能將更多的由爐底反拱承受，加劇了爐底磚的損耗速度。固定爐始終在接近滿液位的高度插管，不存在這個問題。而連續(xù)爐由于工藝的需要，需在低液位時插管(見表2);插管時爐內(nèi)銅液量可低至20%。插管時液位低到一定程度，高速氣流甚至直接沖擊到爐底，加劇了這一問題。 

通常，固定爐的爐底磚表面會形成一定厚度的爐結(jié)，該爐結(jié)含有較高Fe3O4，致密堅硬、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。爐結(jié)的存在，雖然縮小了爐容量，但也堵塞了熔渣滲透的途徑，保護(hù)耐火磚不會受到銅液、熔渣的進(jìn)一步侵蝕。然而檢查發(fā)現(xiàn)，連續(xù)爐在長時間插管伴生的湍流作用下，從未形成爐結(jié)保護(hù)層。 

2.3.2局部過熱升溫 

高溫銅液湍流對爐底做功的同時，在作用范圍內(nèi)產(chǎn)生過熱。爐底承受的湍流能越多，湍流時間越長，作用范圍越集中，插管區(qū)域的局部爐底在較高過熱下的升溫就越顯著。 

連續(xù)爐相比固定爐多出的插管時間，主要是還原插管時間，還原劑從還原管管口噴出，與銅液中氧反應(yīng)，釋放熱量，加劇了插管區(qū)域的局部溫升。局部溫度變化和湍流也會引起耐火材料的不對稱侵蝕[4]，形成局部的過快損蝕。通入還原劑時，產(chǎn)生溫度越高，銅液流動性越好，越容易滲入耐火磚的孔隙及磚縫中，加大反應(yīng)接觸面，加劇侵蝕;熔渣對耐火材料的物理溶解和機(jī)械沖刷也隨溫度升高而加劇。 

2.3.3爐底散熱不良的矛盾加劇 

連續(xù)爐與固定爐的爐底架空放置于爐基上，爐底下方為60個400mm高的粘土磚臺，粘土磚臺的間距150～240mm，作為爐底熱量散發(fā)的通道，稱為“通風(fēng)道”。由于長度的原因，縱向通風(fēng)道散熱作用可以忽略，主要起作用的是橫向通風(fēng)道。1#連續(xù)爐沿爐體縱向設(shè)11條橫向條通風(fēng)道，然而其中7條橫向通風(fēng)孔內(nèi)放置橫向拉桿，通風(fēng)道兩側(cè)出口被橫向拉桿立柱阻擋，散熱效果較差，實際起通風(fēng)道作用的只有4條(如圖1)。爐底通風(fēng)道數(shù)量少、寬度小，自然散熱能力差，爐底部分區(qū)域出現(xiàn)高溫后就居高不下，最終影響該處爐底磚的壽命。 

白銀公司的固定爐砌筑實踐中，曾嘗試縮小了爐底橫向道面積，造成爐底過熱，爐底板和底部拉桿嚴(yán)重發(fā)紅，被迫沿通風(fēng)道強(qiáng)制通風(fēng)冷卻，才避免了高溫銅液滲漏事故發(fā)生。某公司的固定爐因為湍流強(qiáng)度小，爐底局部過熱問題不突出,對爐底散熱能力相對要求不高。但在聯(lián)合精煉生產(chǎn)模式下，局部爐底會出現(xiàn)高溫，此時爐底熱量難以散放的矛盾就變得突出。 

2.4爐底損耗機(jī)理的驗證 

最終判斷，高負(fù)荷插管作業(yè)帶來湍流沖擊、局部過熱和爐底散熱不良共同作用，造成連續(xù)爐局部爐底的快速損耗，它們的共同作用，表觀反映在該局部爐底的溫度變化上。 

根據(jù)測量的結(jié)果，以生產(chǎn)天數(shù)為變量x，通風(fēng)道2處的爐底溫度測點(diǎn)⑦溫度為因變量y，繪制散點(diǎn)圖，。 

可以看到，爐底溫度隨著生產(chǎn)天數(shù)的增加有著顯著提高的趨勢，兩者相關(guān)性明顯。進(jìn)行回歸分析，計算可得到回歸方程式： 

y=244.6397e0.0010x，(1) 

R2=0.7386，則R=0.859>0.7，說明回歸方程式是高度可信的。 

從回歸方程看到，生產(chǎn)天數(shù)越長，爐底溫度越高。 

根據(jù)幾年來的生產(chǎn)實踐，連續(xù)爐的爐底通風(fēng)道2處的爐底溫度測點(diǎn)⑦溫度突破400℃后，通常1～3月內(nèi)，就會出現(xiàn)第一塊浮磚，400℃是該爐役期進(jìn)入倒計時的臨界點(diǎn)。 

于是采用延伸預(yù)測法，假設(shè)1#工作門爐底溫度y達(dá)到400℃，將y=400代入式(1)，計算得到：x=492天。即，爐役期達(dá)到492天，預(yù)測爐底最高溫度達(dá)到臨界點(diǎn)溫度400℃，實際上，該爐役生產(chǎn)到521天達(dá)到400℃(549天出現(xiàn)浮磚)，與臨界點(diǎn)時間相差29天，說明回歸方程的可信度是很高的,對爐壽管理具有指導(dǎo)意義。 

3、改進(jìn)方向 

根據(jù)連續(xù)爐的爐底損耗機(jī)理，相應(yīng)從工藝、砌筑方面進(jìn)行改進(jìn)。 

3.1工藝完善 

針對聯(lián)合精煉工藝導(dǎo)致的連續(xù)爐的湍流沖擊與局部過熱問題，針對性地調(diào)整作業(yè)方式，進(jìn)行工藝完善。 

(1)規(guī)定還原插管時，爐內(nèi)銅液高度原則上不少于50t，減少湍流沖擊。 

(2)盡可能在2#工作門插管，減少1#工作門插管，1#工作門處進(jìn)行的插管作業(yè)減少到60%;在2#工作門處進(jìn)行的插管作業(yè)增加到40%。 

(3)插管作業(yè)時，必須頻繁移動插管位置，嚴(yán)禁停留在某一個點(diǎn)。 

(4)在滿足陽極銅成分要求的前提下，改深度氧化為淺氧化，減少氧化插管時間;氧化程度減少也會相應(yīng)減少還原插管時間。以改善爐底局部過熱。 

3.2砌筑改進(jìn) 

工藝過程強(qiáng)化會產(chǎn)生較高的熱通量，從而加速耐火材料損蝕，需要注重對冶金爐實施最佳冷卻[6]，以延長冶金爐壽命，才能充分發(fā)揮高強(qiáng)度工藝的優(yōu)勢。于是針對連續(xù)爐、固定爐共性的爐底散熱不良問題，優(yōu)化了爐底降溫設(shè)計。 

3.2.1強(qiáng)制通風(fēng)冷卻 

針對插管導(dǎo)致的局部高溫過熱問題，每條橫向通風(fēng)道內(nèi)安裝一根風(fēng)管，風(fēng)管出口對著測點(diǎn)⑦位置，用一臺7.5kW的離心式通風(fēng)機(jī)供風(fēng)，對爐底的高溫區(qū)域局部進(jìn)行降溫。 

3.2.2增加通風(fēng)散熱面積 

重新設(shè)計了爐底基礎(chǔ)，在確保粘土磚臺對爐體承載能力的前提下，縮小磚臺尺寸，增加通風(fēng)道數(shù)量，把通風(fēng)道從11條增加到15條;有效通風(fēng)道實際從4條增加到8條，且寬度一律為230mm(一磚長)，有效通風(fēng)面積增加136%。 

采取以上措施后，連續(xù)爐的爐底溫度情況顯著改善，爐役期的18個月內(nèi)，爐底最高溫度控制在300℃以內(nèi)，到第36個月，爐底最高溫度才達(dá)到350℃。迄今為止，爐底壽命已經(jīng)超過了42個月，實現(xiàn)了改進(jìn)目標(biāo)。 

4、結(jié)語 

隨著市場競爭的日益激烈，強(qiáng)化冶煉將是工藝升級的主要方向，冶煉過程強(qiáng)化會產(chǎn)生很多意想不到的變化，對冶金爐的爐壽產(chǎn)生難以預(yù)料的影響。連續(xù)精煉爐遭遇的爐壽問題，也可能發(fā)生在其他冶金爐。連續(xù)爐的爐壽管理中，開始局限于常規(guī)思維，遲遲無法找到問題的癥結(jié)所在，勞而無功。最終通過轉(zhuǎn)換思路，通過跟蹤分析，找到了關(guān)鍵的影響因素，發(fā)現(xiàn)高負(fù)荷插管作業(yè)帶來湍流沖擊、局部過熱和爐底散熱不良共同作用，造成連續(xù)爐局部爐底的快速損耗。最終，采取并不復(fù)雜的、成本不高的方案，就成功抵消冶煉強(qiáng)度提升的負(fù)面影響，解決了連續(xù)爐爐壽問題，可以作為其它冶金爐在強(qiáng)化冶煉中進(jìn)行爐壽管理工作的借鑒。