镍闪速熔炼系统单喷嘴配套国产风机在富氧工艺风系统中的应用

0 引言

金川集团有限公司是采、选、冶、化配套的大型有色冶金、化工联合企业，生产镍、铜、钴、稀贵金属等金属产品，硫酸、烧碱、液氯、盐酸、亚硫酸钠等化工产品以及有色金属深加工产品，镍和铂族金属产量占中国90%以上，是中国最大的镍钴生产基地，被誉为中国的“镍都”。

目前，金川集团有限公司拥有两大镍生产系统，分别是镍闪速炉熔炼系统和富氧顶吹镍熔炼系统。作为亚洲第一、世界第五的金川镍闪速熔炼系统，自1992年10月建成投产以来，累计产出高镍锍含镍量66万t，为推动金川集团公司持续跨越式发展做出了巨大贡献。但是，经过近二十年长周期高负荷的运行，在闪速炉炉体、各附属系统及技术经济指标等方面，均暴露出炉体变形严重、高铜锍品位控制困难、闪速炉渣贫化能力不足，配套的干燥系统、转炉系统、循环水系统等能力不足的问题，无法适应闪速炉生产能力扩大的要求[1]。

精矿喷嘴在镍闪速熔炼生产中起着关键的作用，它的工作状况对整个镍闪速熔炼炉的工作状况起着至关重要的作用，对镍闪速炼熔炼系统的生产能力、铜锍品位的控制、富氧工艺风中氧的利用率等都会产生重大影响。原镍闪速熔炼炉的反应塔配置4个精矿喷嘴，入炉强化掺混的物料和风量分配平衡难以控制，导致了炉内反应不完全、对原料的适应性差、烟尘产率高和烟气量大(富氧浓度无法提高)等问题。

闪速熔炼技术采用富氧强化熔炼，是目前铜、镍冶炼工艺中技术成熟、环保良好、装备先进、单一设备产量大的一种先进冶炼技术[2]，具有生产设备密闭性能好，自动化水平高[3]的特点。经过多次技术论证，在最近一次冷修中，将镍闪速熔炼炉的四个精矿喷嘴改为了单喷嘴工艺，并通过镍闪速熔炼系统冷修解决了诸多技术难题。

1 镍闪速熔炼炉精矿单喷嘴概况

镍闪速熔炼炉的精矿单喷嘴是由芬兰Outotec公司专门为高固体加料量设计、生产的，它是一个高强度中心喷射分配型单精矿喷嘴，具有灵活控制、调节工艺风的流量、流速和物料量的功能，适用于闪速熔炼炉(FSF)。

1.1 精矿单喷嘴的构成及物料喷射效果

Outotec精矿喷嘴的主要结构由7个主要部件组成，见图1。

1-中央喷枪； 2-分料器； 3-进料盒(CJD部件)； 4-中心喷射分料器(CJD)； 5-风箱； 6-鸟巢水套； 7-环绕水套
图1 精矿单喷嘴结构图

金川镍闪速熔炼炉采用了精矿单喷嘴，根据大量的流场计算模拟，通过试生产并结合精矿粒子燃烧模型，调整了单喷嘴的各主要参数，特别是富氧工艺风的风速、风压和富氧浓度，最终得到了最佳物料喷射及熔化效果，见图2。

图2 精矿喷嘴物料喷射效果图

1.2 富氧工艺风技术参数

精矿主要助燃气体是富氧工艺风，在镍闪速熔炼炉的反应塔中，固体精矿与富氧工艺风充分均匀混合，燃烧熔化。

镍闪速熔炼炉的精矿单喷嘴富氧工艺风技术参数见表1。

2 喷嘴改造前后配套风机选择对比

在镍闪速熔炼炉系统的生产过程中，富氧空气是由氧气与风机鼓出空气混合而成的。风机在富氧空气生产中起着关键作用，通过灵活调节工艺风流量、流速，可以提高反应风中氧的利用率，满足镍闪速熔炼炉的工作需求。

2.1 原镍闪速熔炼炉精矿四喷嘴配套风机选择

原镍闪速熔炼炉精矿四喷嘴富氧工艺风主要技术参数见表2。

表1 镍闪速熔炼炉的精矿单喷嘴富氧工艺风技术参数

表2 原镍闪速熔炼炉的精矿四喷嘴富氧工艺风主要技术参数

风机选用重庆九鑫矿山设备有限公司的9- 19No16型号通风机，9- 19No16型号通风机主要性能参数见表3。原镍闪速熔炼系统中的富氧工艺风系统配置见图3。

表3 9- 19No16型号通风机主要技术参数

1-离心式通风机； 2-入口过滤器； 3-入口气动调节阀； 4-电动阀； 5-混氧器； 6-精矿四喷嘴； 7-镍闪速熔炼炉； 8-氧气调节阀
图3 原富氧工艺风供风示意

2.2 镍闪速熔炼炉精矿单喷嘴配套风机选择

镍闪速熔炼系统冷修选用1400 SI BB24型号离心式高压鼓风机作为单喷嘴配套富氧工艺风风机。1400 SI BB24型号离心式高压鼓风机主要性能参数见表4，镍闪速熔炼系统中的富氧工艺风系统配置见图4。

表4 1400 SI BB24型号离心式高压鼓风机主要技术参数

1-离心式高压鼓风机； 2-入口过滤器； 3-入口气动调节阀； 4-气动放空阀； 5-放散消音器； 6-检测柜； 7-混氧器； 8-精矿单喷嘴； 9-镍闪速熔炼炉； 10-氧气调节阀
图4 富氧工艺风供风示意

2.3 1400 SI BB24离心式高压鼓风机概述

1400 SI BB24型号离心式鼓风机主要由电动机、转子组件、机壳、密封组件、轴承、润滑装置、配电柜以及其他辅助零部件等组成。

1)转子组件。转子组件是鼓风机的主要部件，它是由叶轮、主轴、主轴密封组件、联轴器等部件组成。其中叶轮是鼓风机中最主要的部件，其全部零件均由优质钢制成，叶轮由轮盘、轮盖和叶片焊接而成。再通过加热退火炉，对焊接后的叶轮均作整体退火处理，以消除叶轮的焊接残余应力。离心式高压鼓风机消除叶轮组焊后的残余应力，对保证风机的可靠、平稳运行非常重要，可以防止在风机运转过程中，由于叶轮残余应力逐渐释放，引起的叶轮变形，以及使风机产生的振动甚至破坏。其主要作用是使通过叶轮后的气体压力增大、速度升高。

2)密封组件。密封组件的作用是为了防止鼓风机在运行时润滑油泄漏及灰尘、水分等进入轴承。离心式高压鼓风机轴端的密封采用了先进的浮动轴封结构，此结构在风机运行时，能自动调节定位，消除了风机运行时机壳受热膨胀和安装引起的轴封与主轴不同心而引起的轴封磨损，大大地提高了轴封的密封性能，延长了轴封的使用寿命，降低了气体的泄漏。

3)轴承。滑动轴承是支持转子、保证转子能平稳旋转的转子组件部件。

4)检测柜。离心式高压鼓风机配套检测柜对风机轴承温度、电机轴承温度、定子温度及振动进行检测,当温度达到65 ℃,振动达到5.6 mm/S时发出声光报警,温度达80 ℃,振动达到6.3 mm/S时会与主电机联锁停机。电机电流及功率以4～20 mA信号可送入DCS,在DCS系统显示风机运行参数,同时保护信号联锁停机。

3 风机在运行中出现的问题及解决方案

镍闪速熔炼炉生产过程中，由1400SJBB24型号离心式高压鼓风机提供的空气在混氧装置中与氧气混合成富氧工艺风，经精矿喷嘴进入闪速炉中，与精矿发生化学反应。

鼓风机通过电机驱动转子高速旋转,将空气从轴向吸入高速旋转的叶轮，空气被吸入后变成径向流动并被加速,然后进入扩压器，又因改变流动方向而减速。扩压器将高速旋转的气流所具有的动能转化为压力能(势能)，使风机出口保持稳定的流量和压力。

3.1 振动及解决方案

离心式高压鼓风机启动后，逐渐增加管路进口气动阀门开度，达到正常工况，但其振动速度均方根值在4.0～5.6 mm/s，无法长时间运行，被迫停车检修，发现转子加工质量差，焊逢焊接高低不平，存在气孔夹渣焊接缺陷，没有进行转子动平衡检测，这是国产离心式高压鼓风机的主要缺陷。

转子不平衡是指一个旋转体的质量轴线(惯量轴线)与实际的旋转轴线不重合。通俗的讲，转子的不平衡是指转子的重量分布不均匀。造成转子不平衡的因素很多，例如：转子材质的不均匀性，联轴器的不平衡、键槽不对称，转子加工误差，转子在运动过程中产生的腐蚀、磨损及热变形等。这些因素造成的不平衡量一般都是随机的，无法进行计算，需要通过重力试验(静平衡)，和旋转试验(动平衡)来测定和校正，使它降低到允许的范围内[4]。

通过工艺平衡法对转子组件进行动平衡测定和校正，使它的剩余不平衡量在许用不平衡量的规定范围内，满足转子在动态情况使用。此校正解决了因为离心式高压鼓风机本体转子组件不平衡，在风机运行中产生的振动问题。

3.2 漏油及解决方案

离心式高压鼓风机轴承座采用强制稀油润滑方式，保证了轴承运行的可靠性，延长了轴承的使用寿命。轴承座采用了独特的迷宫和梳齿复合密封结构，可保证正常使用时，轴承座不漏油。但是在风机试运行时，发现轴承座漏油严重，不仅是采用了独特的迷宫和梳齿复合密封结构的轴密封处出现明显的向外渗油，而且轴承座底部也漏油。

在现场对风机进行解体，发现离心式高压鼓风机轴的加工精度达不到滑动轴承的使用标准，通过现场研磨，更换复合密封结构的轴密封，初步解决了滑动轴承座轴端向外明显漏油的问题，但是没有彻底解决。

由于轴承座底在铸造时存在着明显的裂纹，强制循环的润滑油通过裂纹漏出，通过更换轴承座底部，漏油问题得到解决。

3.3 喘振及解决方案

在镍闪速熔炼炉生产过程中，DCS控制系统根据投料量来调节精矿喷嘴的富氧工艺风的流量和氧浓度。但是，由于提供工艺风的离心式高压鼓风机自身缺少防喘振调节系统，在流量压力大范围波动情况下极易发生喘振，这也是国产离心式高压鼓风机的一个主要缺陷。

离心式高压鼓风机自身缺少调节系统，只有通过检测柜对风机轴承温度、电机轴承温度、定子温度及振动进行检测。当温度达到65 ℃,振动达到5.6 mm/S时发出声光报警；温度达80 ℃,振动达到6.3 mm/S时会与主电机联锁停机。电机电流及功率以4～20 mA信号送入DCS控制系统,在DCS控制系统上显示风机运行参数,同时保护信号联锁停机。对离心式高压鼓风机而言，在流量压力大范围波动情况下极易发生喘振，喘振一旦发生，会进一步使压力、流量大幅度波动，破坏工艺系统的稳定性，使风机叶片强烈振动，叶轮应力大大增加，机组发生强烈振动，以致损坏轴承和密封件，造成严重的事故。

离心式高压鼓风机自身缺少防喘振调节系统，试运行时，多次出现风机喘振。

镍闪速熔炼系统冷修关键部分的单喷嘴，结构复杂，控制点多，连锁复杂，对控制系统要求高，其通过DCS软硬件及连锁部分组态，实现了单喷嘴控制部分的氧气调节连锁、停料连锁、富氧风排放速度控制中央氧切断阀连锁、中央氧流量连锁、冷却风切断阀连锁、分散风流量连锁、中央油流量连锁、加料设备启动顺序连锁等主要连锁控制。通过在供风系统中设置入口气动蝶阀和放空阀、中央控制室操作人员手动输入投料量、DCS控制系统自动计算出富氧工艺风的流量和氧浓度、通过DCS控制系统中的加料设备启动顺序连锁控制、调节入口气动蝶阀和放空阀的开度等几项措施，完成防喘振控制调节。

3.4 实际生产中的风机选择

镍闪速炉系统冷修引进Autotec公司精矿单喷嘴技术及设备，该设备自动化程度高，反应塔风速可实现60～130 m/s的自动调节。针对反应塔塔壁挂渣情况，调节分散风与富氧工艺风之间的分散角度为5～9°，这样，既能保证塔壁挂渣的均匀，又可以控制入炉物料在反应塔空间的反应完全程度。投料量在50～130 t/h的范围内可调，生产组织灵活，试生产仅用一周的时间就使镍闪速炉实现了80 t/h的设计生产能力，一个月时间精矿处理能力就达到了100 t/h。但是，1400 SI BB24型号离心式鼓风机的振动、渗油、喘振等问题直接影响着镍闪速炉系统的生产，9- 19No16型号离心式通风机被迫投入使用。同时，根据精矿单喷嘴的大量流场计算模拟，通过试生产，发现单喷嘴风压调整入口压力为10 kPa(g)左右时可以使用，满足精矿喷嘴物料喷射及熔化效果。

镍闪速熔炼系统中的富氧工艺风系统配置见图5。

1-离心式高压鼓风机； 2-入口过滤器； 3-入口气动调节阀； 4-气动放空阀； 5-放散消音器； 6-稀油润滑站； 7-混氧器； 8-精矿喷嘴； 9-镍闪速熔炼炉； 10-氧气调节阀； 11-离心式通风机
图5 富氧工艺风系统配置

1400 SI BB24型号离心式鼓风机配套主电机功率为630 kW，而9- 19No16型号离心式通风机配套主电机功率为300 kW。在满足精矿喷嘴物料喷射及熔化效果的工艺风风压、风量前提下，从设备节能方面考虑，选择9- 19No16型号离心式通风机作为单喷嘴配套富氧工艺风的主风机，1400 SI BB24型号离心式鼓风机作为备用风机，每年节约耗电约300万kW·h。

4 结论

在镍闪速炉系统冷修后的试生产期间，镍闪速炉系统采用单喷嘴是冷修的关键部分，通过DCS软硬件及连锁部分组态，实现了单喷嘴控制部分氧气调节连锁、停料连锁、富氧风排放速度控制中央氧切断阀连锁、中央氧流量连锁、冷却风切断阀连锁、分散风流量连锁、中央油流量连锁、加料设备启动顺序连锁等多项主要连锁控制，满足精矿处理能力低、中、高负荷(100 t/h及以上)状态下的长期稳定生产。无论是国产的9- 19No16型号离心式通风机，还是国产的1400 SI BB24型号离心式鼓风机，通过在富氧工艺风系统中设置入口气动蝶阀和放空阀,中央控制室操作人员手动输入投料量,DCS控制系统自动计算出富氧工艺风的流量和氧浓度,采用DCS控制系统中的加料设备启动顺序连锁控制,调节入口气动蝶阀和放空阀的开度等措施，完成防喘振控制调节。并通过控制调节单喷嘴配套富氧工艺风的流量、流速，提高了反应风中氧的利用率。改造后，镍闪速炉实现了超高强度冶炼[5]，使整个镍闪速炉熔炼炉的化料状况达到最佳效果。