粗铜冶炼侧吹炉耐火材料的选择

发布时间：2023/6/20 16:44:25

在火法冶炼中，耐火材料使用寿命是一项重要的生产指标，严重影响着炉体作业率、生产成本。耐火材料的使用环境要求其能够抵抗温度的损害、热应力的损坏和介质的腐蚀。因此，选择合适的耐火砖，延长耐火砖寿命，对提高生产效率，降低生产成本起着至关重要的作用。

1、耐火砖的种类

目前，耐火材料常见的分类方式为化学成分分类，可分为硅石、铝硅酸盐、镁质、白云石质和碳复合等耐火材料。

1.1 硅石耐火材料

硅石耐火材料是以SiO₂为主要成分，SiO₂质量分数不小于93%的耐火材料，可以为定形，也可以为不定形耐火材料。该耐火材料具有热导率、荷重软化点高，抗酸性渣侵蚀能力强等优点，但大的缺点是抗热震稳定性低。因此，该耐火材料主要用作焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉及其他热工设备的结构材料。

1.2 铝硅酸盐耐火材料

铝硅酸盐耐火材料是以AI₂O₃和SiO₂为主要成分的耐火材料。按耐火材料中的AI₂O₃含量不同可分为半硅质(质量分数15%~30%)、黏土质(质量分数30%~48%)和高铝质(质量分数>48%)耐火材料。该耐火材料具有质量轻、热稳定性、保温性能好等优点，但其开始变形温度为1400℃。因此，铝硅酸盐耐火材料在冶金行业一般用作保温材料，不用于工作层。

1.3 镁质耐火材料

镁质耐火材料是以方镁石为主晶相，MgO质量分数大于80%的耐火材料。受镁质原料成分的影响，镁质耐火材料主要组分为MgO、FeO、Fe₂O₃、AI₂O₃、SiO₂、CaO、Cr₂O₃。MgO的熔点高达2800℃，镁质耐火材料的耐火度达到2000℃，因此镁质耐火材料具有良好的耐高温性能。镁质耐火材料包括镁砖、镁橄榄石质耐火材料、镁铝尖晶石质耐火材料、镁铬质耐火材料、白玉石质耐火材料。其中，镁铬质耐火材料是由镁砂和铬铁矿制成的，并且以镁砂为主要组分。与传统镁砖相比，镁铬质耐火材料热稳定性更强，广泛运用于有色冶炼炉。但因六价铬对环境和人体健康有严重危害，特别是会对水造成严重污染，因此在生产和制作过程中，需严格控制碱性介质和氧分压。

1.4 白云石质耐火材料

白云石质耐火材料是以白云石为主要原料，MgO和CaO为主要成分的碱性耐火材料，其中CaO的质量分数为40%~60%，氧化镁质量分数为30%~40%。白云石质耐火材料的耐火温度在1780℃以上，0.2MPa荷重软化开始温度为1550℃，由此可见，其具有较好高温稳定性。白云石质耐火材料属于强碱性耐火材料，对碱性渣具有较强的抗渣性，但对酸性渣的抗渣性较差。因此，该耐火材料主要用于平炉炉墙和炉底、回转窑烧成带等。

1.5 碳复合耐火材料

碳复合耐火材料也称为含碳耐火材料，是以两种或两种以上不同性质的耐火氧化物(MgO、CaO、Al₂O₃、ZrO₂等)和碳素材料及非氧化物材料为原料，用碳素材料作为结合剂而制成的一种多相复合耐火材料。碳复合耐火材料的耐火度高、导热性和导电性均好，荷重变形温度和高温强度优异，抗渣性和抗热震性都比其他耐火材料好，但这一类制品都有易氧化的缺点。因此，该耐火材料主要用于冶炼不锈钢、纯净钢及低硫钢等钢种领域。

2、侧吹炉耐火材料的选择

2.1 侧吹炉简介

侧吹炉是生产粗铜的冶炼设备，富氧空气通过设置在渣线区的1次风口鼓入炉内，在高温作用下进行反应，粗铜沉入熔池下部，排放到电炉，炉渣则集聚于熔池上部，通过溢流排放到电炉，反应烟气从烟道排放到锅炉工艺气

侧吹炉炉体结构采用固定式长方形炉型，由铜水套、耐火材料和钢结构组合而成。炉体自下而上分为炉缸、炉身、炉顶和烟道4个部分。用于存储反应产生的粗铜和渣的炉缸由耐火砖砌筑而成，炉缸端部设置渣室进行铜渣分离。炉身又分为反应区和烟气区，反应区由铜水套和1次风口组成，烟气区由便于挂渣保护的开槽铜水套和2次风口组成。反应烟气由水套组成的排烟口排出，进入烟道。烟道空间尺寸根据烟气流速进行核算，保证烟气在烟道内停留时间2s以上。侧吹炉主要的反应区属于铜水套保护位置，耐火材料使用位置主要是在炉缸、渣室和烟道,具体区域详见图1。

图1 炉缸、渣室和烟道区域

2.2 侧吹炉耐火材料成分的选择

由侧吹炉工作原理可知，侧吹炉炉缸、渣室会受到熔体的侵蚀和冲刷，烟道会受少量熔渣的喷溉侵蚀和含尘烟气的冲刷。在正常炉况下，这3个区域的温度为1100~1300℃;但在炉况不稳定情况下，这3个区域的温度可达1400℃以上。在实际生产过程中，侧吹炉需供入富氧1次风和2次风，并在局部形成强氧化气氛，因此侧吹炉应选择不易被氧化的耐火砖。熔渣的主要成分为FeO、SiO₂、CaO、AI₂O₃，高铝质耐火材料和硅石耐火材料会参与造渣，不适合侧吹炉使用。因此，侧吹炉耐火材料需要具备耐高温、热稳定性强、荷重变形温度高、耐压强度高、抗氧化性、不参与造渣的特点。结合耐火材料的特性，侧吹炉应选择镁质耐火材料。镁质耐火材料中Cr₂O₃的含量増加可以提高材料的抗渣侵蚀性，因此侧吹炉炉缸、渣室和烟道的耐火砖选择Cr₂O₃含量较高的镁铬质耐火材料。

2.3 侧吹炉耐火材料结合形式的选择

根据镁铬质耐火材料的结合形式的不同，包括直接结合、半再结合、电熔再结合等镁铬质耐火材料。其中，直接结合镁铬质耐火材料是以高纯烧结镁砂和铬铁矿为原料，将电熔镁砂与铬矿直接烧结;半再结合镁铬质耐火材料是以电熔镁铬砂作属粒，加入部分铬矿和镁砂或烧结合成镁铬料作细粉，高温烧结而成;电熔再结合镁铬质耐火材料是将铬矿与电熔镁砂在电炉中电熔，制得电熔镁铬砂，再高温烧结而成。3类镁铬质耐火砖材料特性对比，见表1。

表1 3类镁铬质耐火材料特性对比

由表1可知，电熔再结合镁铬质耐火材料的性能好，半再结合镁铬质耐火材料的性能次之。结合侧吹炉内炉缸、渣室和烟道区域对耐火材料损耗情况，炉缸、渣室、烟道区域分别采用半再结合、电熔再结合、直接结合镁铬质耐火材料。

2.4 侧吹炉耐火材料化学成分和物理性能指标

上述3类镁铬质耐火材料化学成分和物理性能指标，见表2。

表2 3类镁铬质耐火材料化学成分和物理性能指标

3、结 语

耐火材料使用寿命直接影响着生产作业率和生产成本，须针对不同区域的工作环境，选择合适的耐火材料种类和结合方式，这是提高耐火材料使用寿命的有效手段。