耐火材料在煉銅工業的應用

 

煉銅工業

 

銅的生產工藝流程是各種有色金屬中方法比較多的一種，我國銅的生產工藝流程不僅包括了世界上所有銅工藝流程，而且還包括我國有的流程，如白銀煉銅法和氧氣底吹熔煉爐。

 

在火法煉銅流程中，其差別主要在于銅锍的生產，而轉爐吹煉和銅精煉基本上一致。

 

1、閃速爐

 

由于閃速爐反應塔內溫度高，夾雜著熔體的高速氣流對反應塔沖刷腐蝕，要求反應塔塔壁必須采用抗高溫、抗沖刷、耐腐蝕的耐火材料。目前均采用電熔鎂鉻磚，同時為保護電熔鎂鉻磚，在磚砌體中夾砌若干層水平銅板水套，在磚砌體與外殼之間設置水冷銅管或立式銅板水套，反應塔頂及上部低溫區則使用普通鎂鉻磚砌筑。在反應塔與沉淀池頂的連接部分（同樣沉淀池與上升煙道連接部分），要經受高溫熔體及含塵高溫氣流的沖刷和強烈腐蝕，襯里極易損壞，故通常采用帶翅片銅管搗鼓耐火澆注料或銅水套嵌砌鎂鉻磚的結構。

 

 

沉淀池的主要作用是進一步完成造渣反應并沉淀分離熔體（渣和锍在此分開）。沉淀池渣線附近，特別是反應塔下部的側墻和端墻渣線附近，受高溫熔體的沖刷腐蝕非常嚴重，通常這些部位除采用預反應鎂鉻磚、直接結合鎂鉻磚等材質外，還設置水平銅水套，冷卻銅管和傾斜銅水套，以延長其使用壽命，沉淀池頂亦是受高溫氣流沖刷嚴重的部位，通常在軸向上，設置帶翅水冷銅管外包耐火澆注料，通冷卻水的“H”型水冷梁夾砌在爐頂磚中，以防止沉淀池頂的軸向變形。

 

目前閃速爐的發展方向是更大型化，爐子大型化對耐火材料的要求更高是顯而易見的，耐火材料應做積極的跟進。

 

2、諾蘭達爐

 

諾蘭達爐是我國成功引進的又一種大型冶煉銅锍爐形。由于在同一爐內要完成精礦干燥、焙燒、熔煉、吹煉造渣等工藝過程，爐內有強烈的攪拌，同時爐體還需轉動，因此，對爐襯和爐用耐火材料有很高的要求。

 

 

諾蘭達爐爐襯損壞厲害的是風口區、風口區對面的爐墻、渣線附近、銅锍放出口、渣口、爐口和加料口等部位。銅锍放出口磚采用熔鑄鎂鉻磚，其他部位采用熔粒鎂鉻磚，爐身及端墻采用直接結合鎂鉻磚，底部砌瓦形高鋁磚。熔粒鎂鉻磚與爐殼之間的間隙采用碳化硅耐火泥填充，直接結合鎂鉻磚與爐殼之間的間隙采用鎂質耐火泥填充，爐身上部與爐殼之間的間隙不填充任何耐火材料，作為膨脹縫之用。

 

目前國內可生產諾蘭達爐所用全部耐火材料，其性能與進口磚相近，但價格優勢明顯。

 

3、奧斯邁特爐

 

奧斯邁特技術也稱頂吹浸沒熔煉技術，用于銅锍熔煉工藝中，奧斯邁特爐是其主體設備。奧斯邁特爐是一個圓柱體，上接呈收縮而向一側偏斜的錐體部分，再通過過渡段與余熱鍋爐的垂直上升煙道連接，其錐體上部分別開有噴槍口、進料口、備用燒嘴口和取樣觀察口，在爐子底部則分別開有金屬放出口和渣口，渣口稍高，整個爐體由鋼殼包裹。奧斯邁特爐在銅、鉛、錫冶煉過程中，雖然工藝條件不完全相同，但內襯的耐火材料基本相同。原料、燃料、預熱空氣在爐內形成強烈的攪動，爐身和上部爐襯受到固體原料、堿性液體渣、高溫氣體混合物的沖刷，條件極其惡劣。這些部位需要的耐高溫、耐沖刷的材料如電熔鎂鉻磚或熔粒再結合鎂鉻磚，有的爐子還應用了鉻鋁尖晶石磚。

 

 

4、氧氣底吹熔煉爐

 

氧氣底吹熔煉技術是我國自行開發的銅、鉛冶煉工藝，氧氣底吹熔煉爐是其核心設備，氧氣底吹熔煉爐在爐底有一組氧氣噴槍，進料口、出煙口、金屬出口、渣口等有其本身的要求。由于固態和液態物料在高壓氧氣的強烈攪動下發生化學反應并產生高溫，爐襯是在極其惡劣的環境下工作，特別是氧槍口區磚體，所受機械沖刷和化學侵蝕更嚴重。氧氣底吹熔煉爐的內襯，全部采用鎂鉻質耐火磚或不定形耐火材料，以及包括鉻鋁尖晶石磚等耐磨材料。

 

 

5、白銀煉銅爐

 

白銀煉銅爐是我國自行開發研究的銅锍熔煉新工藝，以取代原銅精礦反射爐熔煉工藝，屬于熔池熔煉范疇，現已基本實現富氧自熱熔煉。該熔煉工藝對原料實用性強，熔煉強度大，燃料品種要求寬松，綜合能耗低，出爐煙氣二氧化硫濃度高，環境條件好等。

 

原始的白銀煉銅爐是在反射爐的基礎上，在兩側爐墻上增加若干風口，鼓入高壓空氣，以略高于熔池面的隔墻將熔煉區和沉淀區隔開（下部熔體相通），稱為單室白銀熔煉爐。改進后將隔墻砌至爐頂，分成熔煉區和沉淀區兩個部分，稱為雙室白銀熔煉爐。排煙口設在熔煉區尾部（雙室白銀熔煉爐在沉淀區內增設一排煙口），銅锍放出口及渣口均設在沉淀區端部爐墻兩側。

 

風口區是白銀熔煉爐損壞嚴重的部位，也是影響爐壽命關鍵的部位，用熔鑄鎂鉻磚或直接結合鎂鉻磚砌筑，可以保證壽命在一年以上，渣線附近及隔墻通道，采用銅水套冷卻，其他部位用燒結鎂磚或鎂鋁磚砌筑。白銀熔煉爐爐床不寬，因此爐頂為拱頂，用鎂鋁磚砌筑，爐底為反拱，用鎂磚砌筑。

 

6、轉爐

 

目前將銅锍冶煉成粗銅的主要設備是轉爐。轉爐工作條件惡劣：熔體被高壓空氣（或富氧空氣）強力攪拌，爐襯受到猛烈沖刷，特別是加入大量的固態冷料和熔劑，加劇了對爐襯的沖刷，溫度波動大，吹煉時爐溫可達1350℃以上，而在停風加料（銅锍、熔劑、冷料）和倒渣時，爐溫迅速降至1000℃甚至更低，冶煉過程中渣的性質不斷變化，從弱堿性逐漸變成酸性，故對耐火材料提出很高的要求。

 

 

轉爐風口磚和風口區的磚是轉爐爐襯損壞嚴重的部位，為了風口的整體性和風口位置的準確性，目前風口磚均用實體磚砌成整體，再以特殊鉆頭鉆風眼，材質采用電熔再結合鎂鉻磚或直接結合鎂鉻磚。風口區也采用上述材料。筒體和端墻在渣線部分采用燒結鎂磚。爐口砌磚是結構強度薄弱的部位，特別是爐口和圓形筒體的交接處，因形狀復雜、磚的加工量大、磚縫多而難以掌握，爐口又是加料、倒渣、排煙的通道，工藝操作極為頻繁，溫度變化頻繁、銅渣噴濺、煙氣沖刷。爐口清理機械的碰撞和磨損、CuS2、SO2的侵蝕非常嚴重，內襯工作條件極為惡劣。為此在結構上應采取措施，盡量減少磚型，減少結構上的薄弱環節，在材質選擇上，全部選用直接結合鎂鉻磚，提高爐體的整體壽命。

 

7、粗銅熔煉爐（陽極爐）

 

我國目前的粗銅精煉設備還有不少是陽極反射爐，內層磚襯主要為鎂鋁磚和鎂磚，少量爐子渣線附近采用燒結鎂鉻磚，陽極反射爐爐寬較小，一般為拱頂，爐頂壽命與陽極反射爐的爐齡密切相關，小爐型，特別是鎂磚爐頂壽命一般為3~4個月。

 

回轉式精煉爐是能夠回轉的筒型爐，但沒有轉爐中的大量風口，只有兩個氧化還原孔，且作業時間較短。由于經常轉動，沒有固定的渣線，爐渣的侵蝕和熔融金屬的沖刷，幾乎占據了2/3以上的爐膛內表面，因此，一般要求內襯鎂鉻磚的Cr2O3含量大于22，在氧化還原口和出銅口處要求更高，經常采用直接結合鎂鉻磚或電熔再結合鎂鉻磚。