粗銅冶煉側吹爐耐火材料的選擇

發布時間：2023/6/20 16:44:25

在火法冶煉中，耐火材料使用壽命是一項重要的生產指標，嚴重影響著爐體作業率、生產成本。耐火材料的使用環境要求其能夠抵抗溫度的損害、熱應力的損壞和介質的腐蝕。因此，選擇合適的耐火磚，延長耐火磚壽命，對提高生產效率，降低生產成本起著至關重要的作用。

1、耐火磚的種類

目前，耐火材料常見的分類方式為化學成分分類，可分為矽石、鋁矽酸鹽、鎂質、白雲石質和碳複合等耐火材料。

1.1 矽石耐火材料

矽石耐火材料是以SiO₂為主要成分，SiO₂質量分數不小於93%的耐火材料，可以為定形，也可以為不定形耐火材料。該耐火材料具有熱導率、荷重軟化點高，抗酸性渣侵蝕能力強等優點，但大的缺點是抗熱震穩定性低。因此，該耐火材料主要用作焦爐、玻璃熔窯、酸性煉鋼爐及其他熱工設備的結構材料。

1.2 鋁矽酸鹽耐火材料

鋁矽酸鹽耐火材料是以AI₂O₃和SiO₂為主要成分的耐火材料。按耐火材料中的AI₂O₃含量不同可分為半矽質(質量分數15%~30%)、黏土質(質量分數30%~48%)和高鋁質(質量分數>48%)耐火材料。該耐火材料具有質量輕、熱穩定性、保溫性能好等優點，但其開始變形溫度為1400℃。因此，鋁矽酸鹽耐火材料在冶金行業一般用作保溫材料，不用於工作層。

1.3 鎂質耐火材料

鎂質耐火材料是以方鎂石為主晶相，MgO質量分數大於80%的耐火材料。受鎂質原料成分的影響，鎂質耐火材料主要組分為MgO、FeO、Fe₂O₃、AI₂O₃、SiO₂、CaO、Cr₂O₃。MgO的熔點高達2800℃，鎂質耐火材料的耐火度達到2000℃，因此鎂質耐火材料具有良好的耐高溫性能。鎂質耐火材料包括鎂磚、鎂橄欖石質耐火材料、鎂鋁尖晶石質耐火材料、鎂鉻質耐火材料、白玉石質耐火材料。其中，鎂鉻質耐火材料是由鎂砂和鉻鐵礦製成的，並且以鎂砂為主要組分。與傳統鎂磚相比，鎂鉻質耐火材料熱穩定性更強，廣泛運用於有色冶煉爐。但因六價鉻對環境和人體健康有嚴重危害，特別是會對水造成嚴重汙染，因此在生產和製作過程中，需嚴格控製堿性介質和氧分壓。

1.4 白雲石質耐火材料

白雲石質耐火材料是以白雲石為主要原料，MgO和CaO為主要成分的堿性耐火材料，其中CaO的質量分數為40%~60%，氧化鎂質量分數為30%~40%。白雲石質耐火材料的耐火溫度在1780℃以上，0.2MPa荷重軟化開始溫度為1550℃，由此可見，其具有較好高溫穩定性。白雲石質耐火材料屬於強堿性耐火材料，對堿性渣具有較強的抗渣性，但對酸性渣的抗渣性較差。因此，該耐火材料主要用於平爐爐牆和爐底、回轉窯燒成帶等。

1.5 碳複合耐火材料

碳複合耐火材料也稱為含碳耐火材料，是以兩種或兩種以上不同性質的耐火氧化物(MgO、CaO、Al₂O₃、ZrO₂等)和碳素材料及非氧化物材料為原料，用碳素材料作為結合劑而製成的一種多相複合耐火材料。碳複合耐火材料的耐火度高、導熱性和導電性均好，荷重變形溫度和高溫強度優異，抗渣性和抗熱震性都比其他耐火材料好，但這一類製品都有易氧化的缺點。因此，該耐火材料主要用於冶煉不鏽鋼、純淨鋼及低硫鋼等鋼種領域。

2、側吹爐耐火材料的選擇

2.1 側吹爐簡介

側吹爐是生產粗銅的冶煉設備，富氧空氣通過設置在渣線區的1次風口鼓入爐內，在高溫作用下進行反應，粗銅沉入熔池下部，排放到電爐，爐渣則集聚於熔池上部，通過溢流排放到電爐，反應煙氣從煙道排放到鍋爐工藝氣

側吹爐爐體結構采用固定式長方形爐型，由銅水套、耐火材料和鋼結構組合而成。爐體自下而上分為爐缸、爐身、爐頂和煙道4個部分。用於存儲反應產生的粗銅和渣的爐缸由耐火磚砌築而成，爐缸端部設置渣室進行銅渣分離。爐身又分為反應區和煙氣區，反應區由銅水套和1次風口組成，煙氣區由便於掛渣保護的開槽銅水套和2次風口組成。反應煙氣由水套組成的排煙口排出，進入煙道。煙道空間尺寸根據煙氣流速進行核算，保證煙氣在煙道內停留時間2s以上。側吹爐主要的反應區屬於銅水套保護位置，耐火材料使用位置主要是在爐缸、渣室和煙道,具體區域詳見圖1。

圖1 爐缸、渣室和煙道區域

2.2 側吹爐耐火材料成分的選擇

由側吹爐工作原理可知，側吹爐爐缸、渣室會受到熔體的侵蝕和衝刷，煙道會受少量熔渣的噴溉侵蝕和含塵煙氣的衝刷。在正常爐況下，這3個區域的溫度為1100~1300℃;但在爐況不穩定情況下，這3個區域的溫度可達1400℃以上。在實際生產過程中，側吹爐需供入富氧1次風和2次風，並在局部形成強氧化氣氛，因此側吹爐應選擇不易被氧化的耐火磚。熔渣的主要成分為FeO、SiO₂、CaO、AI₂O₃，高鋁質耐火材料和矽石耐火材料會參與造渣，不適合側吹爐使用。因此，側吹爐耐火材料需要具備耐高溫、熱穩定性強、荷重變形溫度高、耐壓強度高、抗氧化性、不參與造渣的特點。結合耐火材料的特性，側吹爐應選擇鎂質耐火材料。鎂質耐火材料中Cr₂O₃的含量増加可以提高材料的抗渣侵蝕性，因此側吹爐爐缸、渣室和煙道的耐火磚選擇Cr₂O₃含量較高的鎂鉻質耐火材料。

2.3 側吹爐耐火材料結合形式的選擇

根據鎂鉻質耐火材料的結合形式的不同，包括直接結合、半再結合、電熔再結合等鎂鉻質耐火材料。其中，直接結合鎂鉻質耐火材料是以高純燒結鎂砂和鉻鐵礦為原料，將電熔鎂砂與鉻礦直接燒結;半再結合鎂鉻質耐火材料是以電熔鎂鉻砂作屬粒，加入部分鉻礦和鎂砂或燒結合成鎂鉻料作細粉，高溫燒結而成;電熔再結合鎂鉻質耐火材料是將鉻礦與電熔鎂砂在電爐中電熔，製得電熔鎂鉻砂，再高溫燒結而成。3類鎂鉻質耐火磚材料特性對比，見表1。

表1 3類鎂鉻質耐火材料特性對比

由表1可知，電熔再結合鎂鉻質耐火材料的性能好，半再結合鎂鉻質耐火材料的性能次之。結合側吹爐內爐缸、渣室和煙道區域對耐火材料損耗情況，爐缸、渣室、煙道區域分別采用半再結合、電熔再結合、直接結合鎂鉻質耐火材料。

2.4 側吹爐耐火材料化學成分和物理性能指標

上述3類鎂鉻質耐火材料化學成分和物理性能指標，見表2。

表2 3類鎂鉻質耐火材料化學成分和物理性能指標

3、結 語

耐火材料使用壽命直接影響著生產作業率和生產成本，須針對不同區域的工作環境，選擇合適的耐火材料種類和結合方式，這是提高耐火材料使用壽命的有效手段。