粗铜冶炼侧吹炉如何选择耐火材料？
2023-06-20 16:48:24 点击：
在火法冶炼中，耐火材料使用(yòng)寿命是一项重要的生产指标，严重影响着炉體(tǐ)作业率、生产成本。耐火材料的使用(yòng)环境要求其能(néng)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，延長(cháng)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(yòng)。
1、耐火砖的种类
目前，耐火材料常见的分(fēn)类方式為(wèi)化學(xué)成分(fēn)分(fēn)类，可(kě)分(fēn)為(wèi)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為(wèi)主要成分(fēn)，SiO₂质量分(fēn)数不小(xiǎo)于93%的耐火材料，可(kě)以為(wèi)定形，也可(kě)以為(wèi)不定形耐火材料。该耐火材料具有(yǒu)热导率、荷重软化点高，抗酸性渣侵蚀能(néng)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(yòng)作焦炉、玻璃熔窑、酸性炼钢炉及其他(tā)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為(wèi)主要成分(fēn)的耐火材料。按耐火材料中的AI₂O₃含量不同可(kě)分(fēn)為(wèi)半硅质(质量分(fēn)数15%~30%)、黏土质(质量分(fēn)数30%~48%)和高铝质(质量分(fēn)数>48%)耐火材料。该耐火材料具有(yǒu)质量轻、热稳定性、保温性能(néng)好等优点，但其开始变形温度為(wèi)1400℃。因此，铝硅酸盐耐火材料在冶金行业一般用(yòng)作保温材料，不用(yòng)于工作层。
1.3 镁质耐火材料
镁质耐火材料是以方镁石為(wèi)主晶相，MgO质量分(fēn)数大于80%的耐火材料。受镁质原料成分(fēn)的影响，镁质耐火材料主要组分(fēn)為(wèi)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(yǒu)良好的耐高温性能(néng)。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，并且以镁砂為(wèi)主要组分(fēn)。与传统镁砖相比，镁铬质耐火材料热稳定性更强，广泛运用(yòng)于有(yǒu)色冶炼炉。但因六价铬对环境和人體(tǐ)健康有(yǒu)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(fēn)压。
1.4 白云石质耐火材料
白云石质耐火材料是以白云石為(wèi)主要原料，MgO和CaO為(wèi)主要成分(fēn)的碱性耐火材料，其中CaO的质量分(fēn)数為(wèi)40%~60%，氧化镁质量分(fēn)数為(wèi)30%~40%。白云石质耐火材料的耐火温度在1780℃以上，0.2MPa荷重软化开始温度為(wèi)1550℃，由此可(kě)见，其具有(yǒu)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(yǒu)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(yòng)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為(wèi)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(wù)(MgO、CaO、Al₂O₃、ZrO₂等)和碳素材料及非氧化物(wù)材料為(wèi)原料，用(yòng)碳素材料作為(wèi)结合剂而制成的一种多(duō)相复合耐火材料。碳复合耐火材料的耐火度高、导热性和导電(diàn)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(tā)耐火材料好，但这一类制品都有(yǒu)易氧化的缺点。因此，该耐火材料主要用(yòng)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線(xiàn)區(qū)的1次风口鼓入炉内，在高温作用(yòng)下进行反应，粗铜沉入熔池下部，排放到電(diàn)炉，炉渣则集聚于熔池上部，通过溢流排放到電(diàn)炉，反应烟气从烟道排放到锅炉工艺气
侧吹炉炉體(tǐ)结构采用(yòng)固定式長(cháng)方形炉型，由铜水套、耐火材料和钢结构组合而成。炉體(tǐ)自下而上分(fēn)為(wèi)炉缸、炉身、炉顶和烟道4个部分(fēn)。用(yòng)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(fēn)离。炉身又(yòu)分(fēn)為(wèi)反应區(qū)和烟气區(qū)，反应區(qū)由铜水套和1次风口组成，烟气區(qū)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。侧吹炉主要的反应區(qū)属于铜水套保护位置，耐火材料使用(yòng)位置主要是在炉缸、渣室和烟道,具體(tǐ)區(qū)域详见图1。
图1 炉缸、渣室和烟道區(qū)域
2.2 侧吹炉耐火材料成分(fēn)的选择
由侧吹炉工作原理(lǐ)可(kě)知，侧吹炉炉缸、渣室会受到熔體(tǐ)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个區(qū)域的温度為(wèi)1100~1300℃;但在炉况不稳定情况下，这3个區(qū)域的温度可(kě)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(fēn)為(wèi)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(yòng)。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(kě)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、電(diàn)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為(wèi)原料，将電(diàn)熔镁砂与铬矿直接烧结;半再结合镁铬质耐火材料是以電(diàn)熔镁铬砂作属粒，加入部分(fēn)铬矿和镁砂或烧结合成镁铬料作细粉，高温烧结而成;電(diàn)熔再结合镁铬质耐火材料是将铬矿与電(diàn)熔镁砂在電(diàn)炉中電(diàn)熔，制得電(diàn)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(kě)知，電(diàn)熔再结合镁铬质耐火材料的性能(néng)好，半再结合镁铬质耐火材料的性能(néng)次之。结合侧吹炉内炉缸、渣室和烟道區(qū)域对耐火材料损耗情况，炉缸、渣室、烟道區(qū)域分(fēn)别采用(yòng)半再结合、電(diàn)熔再结合、直接结合镁铬质耐火材料。
2.4 侧吹炉耐火材料化學(xué)成分(fēn)和物(wù)理(lǐ)性能(néng)指标
上述3类镁铬质耐火材料化學(xué)成分(fēn)和物(wù)理(lǐ)性能(néng)指标，见表2。
表2 3类镁铬质耐火材料化學(xué)成分(fēn)和物(wù)理(lǐ)性能(néng)指标
3、结 语
耐火材料使用(yòng)寿命直接影响着生产作业率和生产成本，须针对不同區(qū)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(yòng)寿命的有(yǒu)效手段。
