□文/蕭治彭中國有色工程有限公司
耐火材料在有色金屬冶煉爐窯上的應用
Refractory Material Used in Nonferrous Metal Smelting Furnaces
□文/蕭治彭
中國有色工程有限公司
有色金屬冶煉的主要設備就是有色金屬冶煉爐窯,研究有色金屬冶煉工業(yè)技術進步對耐火材料品種、質量的需求應該是耐火材料行業(yè)為有色金屬冶煉爐窯延長壽命、提高產量主要的任務?,F(xiàn)就銅、鉛、鋅等主要有色金屬冶煉爐窯的現(xiàn)狀和對耐火材料的要求進行介紹。
1. 煉銅工業(yè)
銅的生產工藝流程是各種有色金屬中方法最多的一種,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,而且還包括我國獨有的流程,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,要求反應塔培壁必須采用抗高溫、抗沖刷、耐腐蝕的優(yōu)質耐火材料。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(qū)則使用普通鎂鉻磚砌筑。在反應塔與沉淀池頂?shù)倪B接部分(同樣沉淀池與上升煙道連接部分),要經(jīng)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固耐火澆注料或銅水套嵌砌優(yōu)質鎂鉻磚的結構。
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、直接結合鎂鉻磚等優(yōu)質材料外,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?shù)妮S向變形。
目前,閃速爐的發(fā)展方向是更大型化,其反應塔直徑7m的閃速爐已經(jīng)在薩姆松廠出現(xiàn),貴溪冶煉廠閃速爐反應塔直徑也達到6.8m。爐子大型化對耐火材料的要求更高是顯而易見的,我國一些耐火材料企業(yè)在這方面做了積極的跟進。
(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型。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。
諾蘭達爐爐襯損壞最厲害的是風口區(qū)、風口區(qū)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,作膨脹縫之用。
目前,國內可以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(yōu)勢明顯。
(3)澳斯麥特爐
澳斯麥特技術也稱頂吹浸沒熔煉技術,用于銅锍熔煉工藝中,澳斯麥特爐是其主體設備。澳斯麥特爐(見圖1)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。澳斯麥特爐在銅、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。由圖1可看到,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。這些部位需要優(yōu)質的耐高溫、耐沖刷的材料如電熔鎂鉻磚或熔粒再結合鎂鉻轉,有的爐子還應用了鉻鋁尖晶石磚。
圖1 澳斯麥特爐示意圖
(4)氧氣底吹熔煉爐
氧氣底吹熔煉技術是我國自行開發(fā)的銅、鉛冶煉工藝,氧氣底吹熔煉爐是其核心設備。氧氣底吹熔煉爐爐體結構基本與回轉式陽極爐相似(如圖2),只是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(tài)和液態(tài)物料在高壓氧氣的強烈攪動下發(fā)生化學反應并產生高溫,爐襯是在極其惡劣的環(huán)境下工作,特別是氧槍口區(qū)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,全部采用優(yōu)質鎂鉻質耐火磚或不定型耐火材料,以及包括鉻鋁尖晶石磚等優(yōu)質耐磨材料。
圖2 典型的氧氣底吹煉爐結構
(5)白銀煉銅爐
白銀煉銅爐是我國自行開發(fā)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(xiàn)已基本實現(xiàn)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(huán)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(150~210kPa),以略高于熔池面的隔墻將熔煉區(qū)和沉淀區(qū)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(qū)和沉淀區(qū)兩個部分,稱為雙室白銀熔煉爐。排煙口設在熔煉區(qū)尾部(雙室白銀熔煉爐在沉淀區(qū)內增設一排煙口),銅锍放出口及渣口均設在沉淀區(qū)端部爐墻兩側。
風口區(qū)是白銀熔煉爐損壞最嚴重的部位,也是影響爐壽命最關鍵的部位,采用熔鑄鎂鉻磚或直接結合鎂鉻磚砌筑,可以保證爐壽命在一年以上: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(<4m),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(tài)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1000C,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。故對爐襯耐火材料提出了很高的要求。
轉爐風口磚和風口區(qū)的磚是轉爐爐襯損壞最嚴重的部位,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,再用特殊鉆頭鉆風眼,材質采用電熔粒再結合鎂鉻磚或直接結合鎂鉻磚。風口區(qū)也采用上述材料。筒體和端墻在渣線部分采用優(yōu)質燒結鎂磚。爐口砌磚是結構強度最薄弱的部位,特別是爐口與圓形筒體的交接處,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(huán)節(jié);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。
貴溪冶煉廠在引進閃速爐的同時,還全套引進了日本的轉爐技術和設備(包括全部耐火材料),通過對引進設備的吸收和消化,從1990年開始,己經(jīng)全部采用國產的耐火材料維護檢修爐體,耐火材料消耗已經(jīng)達到1.932kg/tCu的世界先進水平。
(7)粗銅精煉爐(陽極爐)
我國目前的粗銅精煉設備還有不少是陽極反射爐,爐床面積6.4~25m2,裝入量20~140噸,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。由于陽極反射爐爐寬較?。ǎ?m),一般為拱頂,爐頂壽命與陽極反射爐的爐齡密切相關,小型爐,特別是鎂磚爐爐頂壽命一般為3~4月。
回轉式精煉爐是能夠回轉的筒形爐,但沒有轉爐中的大量風口,只有兩個氧化還原孔,且作業(yè)時間較短。由于經(jīng)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(jù)了2/3以上的爐膛內表面,因此,一般要求內襯鎂鉻磚Cr2O3的含量大于22%,在氧化還原口和出銅口處,因要求更高,經(jīng)常采用直接結合鎂鉻磚或電熔粒再結合鎂鉻磚。目前,回轉式陽極爐所用的耐火材料已全部采用國產耐火材料。
2. 鉛鋅工業(yè)
(1)鉛鋅密閉鼓風爐
鉛鋅密閉鼓風爐是在一臺設備中同時冶煉出兩種金屬——鉛和鋅的特殊鼓風爐。其特點是,使用800℃~850℃熱風鼓風;爐頂保持1050℃~1100℃的高溫;爐缸只有渣口,前床出鉛。鉛鋅密閉鼓風爐爐缸采用鎂磚砌筑,爐腹是水套,爐身采用高鋁磚砌筑,爐頂用高鋁質不定型耐火材料打結。鉛鋅密閉鼓風爐的前床均為電熱前床,其壽命比鼓風爐低,主要是渣侵蝕沖刷渣線所致。目前國內兩座鉛鋅密閉鼓風爐,其前床內村分別采用鉻渣磚和鋁鉻鈦磚,爐齡雖可達1年以上,但仍低于鉛鋅密閉鼓風爐壽命。如何進一步提高電熱前床的爐壽命,使之與鉛鋅密閉鼓風爐壽命相匹配,是提高鉛鋅密閉鼓風爐作業(yè)率的關鍵。
(2)氧氣底吹煉鉛爐
氧氣底吹熔煉技術的開發(fā),是從鉛冶煉工藝的改造開始,也是首先在粗鉛冶煉中得到應用的,圖2就是典型的氧氣底吹煉鉛爐,目前國內鉛冶煉企業(yè)大量采用氧氣底吹熔煉技術,已有10幾臺氧氣底吹煉鉛爐投入生產。對氧氣底吹煉鉛爐耐火材料的研究已有良好的開端,進一步改進耐火材料耐火材料,提高爐壽命,是氧氣底吹熔煉技術的開發(fā)的重要條件。
(3)鋅精礦流態(tài)化焙燒爐
鋅精礦流態(tài)化焙燒爐(沸騰爐)是濕法煉鋅和蒸餾法煉鋅處理鋅精礦不可缺少的熱工設備,雖然爐內氣氛不同(分酸化焙燒和氧化焙燒)、爐型不同(圓形爐、圓形一級擴大爐、方形爐),但都采用粘土磚砌筑而成,爐底分布板,加料前室、排料口等部分也有采用粘土質耐火混凝土搗制。流態(tài)化焙燒爐的發(fā)展方向是大型化,國內已經(jīng)有140m2的沸騰爐。流態(tài)化焙燒爐的另一發(fā)展方向應該是采用不定型耐火材料,氫氧化鋁流態(tài)化焙燒爐的爐內環(huán)境比鋅精礦流態(tài)化焙燒爐更惡劣,它可以全部采用不定型耐火材料,鋅精礦流態(tài)化焙燒爐也完全可以采用不定型耐火材料。
(4)感應熔鋅電爐
在濕法煉鋅工藝中,現(xiàn)均采用工頻感應電爐進行陰極片的重熔鑄錠。其爐體采用粘土磚砌筑,壽命較長。設備運行時,熔溝中的鋅液不斷沖刷感應室,并對感應室的耐火材料進行滲透,一旦鋅液穿透感應室,將會燒壞感應器,迫使電爐停爐。由于熔溝是采用鋅鑄成的環(huán)狀體,很難制造與之相應的磚,只能將其安裝好以后,采用不定形耐火材料搗制。鋅的熔點低(419℃),熔液溫度低(480℃~500℃),感應室所處的溫度無法將搗制而成的耐火材料燒結成整體,只能使用粘結劑將其結合成整體,目前普遍使用的水玻璃粘土質材料基本滿足要求。水玻璃的質量、數(shù)量、骨料、摻和料的粒度、配比,促凝劑的種類以及搗筑工藝對感應室的壽命影響極大。
3. 再生金屬工業(yè)
目前,一些再生金屬的生產企業(yè)不僅生產規(guī)模大,而且采用了一些較先進的工藝,如再生銅領域采用豎平爐工藝、傾動爐精煉工藝、再生黃銅棒電爐熔煉—潛液轉流—多頭多流水平連鑄工藝等;再生鋁領域采用側井熔煉爐工藝、回轉爐工藝、三室反射爐工藝等;再生鉛領域采用短回轉窯熔煉工藝、氧氣底吹熔煉鼓風爐還原煉鉛新技術等。
目前,再生金屬行業(yè)正深入落實再生有色金屬產業(yè)準入制度,再生金屬行業(yè)已經(jīng)走上了形式多樣化、企業(yè)規(guī)?;⒃O備大型化、質量標準化、技術不斷創(chuàng)新及產業(yè)升級速度加快的軌道。在這一過程中,采用先進的再生金屬熔煉設備是很關鍵的,而其耐火材料起著重要的作用。以豎平爐(見圖3)工藝為例:熔銅和熔鋁的豎平爐是在反射爐(平爐)的尾部砌筑豎式通道(豎爐),因而稱之為豎平爐。物料從豎爐頂部加入,反射爐的高溫煙氣從豎爐下部進入,預熱物料后從豎爐上部排出。反射爐的最大缺點是熱效率低,1100℃~1350℃的高溫煙氣不能充分利用。而豎平爐則因為煙氣預熱了物料,排出豎爐時僅400℃~600℃,大大提高了爐子的熱效率。但豎爐爐壁受到固體物料的強力摩擦,因此,豎爐的耐火材料選澤是非常關鍵的,國內某廠采用鉻剛玉磚和鉻剛玉澆注料砌筑,效果不錯。再生金屬與原生金屬的冶煉,雖然原理相同,但由于物料種類不同,冶煉方法和使用的設備(爐窯)也不相同。對再生金屬爐窯及其耐火材料也有不同的要求,值得耐火材料行業(yè)關注。
圖3 豎平爐結構圖
我國有一批耐火材料企業(yè)生產規(guī)模大、技術裝備先進、產品質量高,其產品在有色企業(yè)中被廣泛使用,目前國內先進企業(yè)的水平與國外企業(yè)相近,價格優(yōu)勢也很明顯。但是我國耐火材料企業(yè)的水平相差很大,大量耐火材料企業(yè)生產規(guī)模小、技術裝備落后、產品質量差,使我國整體耐火材料企業(yè)的水平比較低,這在有色企業(yè)使用的耐火材料中體現(xiàn)得尤為明顯。
1. 材質
有色金屬用耐火材料,尤其是重金屬冶煉爐窯用耐火材料,以堿性耐火材料為主。我國有豐富的鎂礦資源,高質量鎂砂是高質量堿性耐火材料的基礎。多年來,鎂砂生產沒有受到足夠的重視,相當多的低質鎂砂廉價出口,被外商處理后,制成優(yōu)質耐火材料出售,獲取高額利潤。低質鎂砂也是我國堿性耐火材料質量不高的重要原因。因此,提高鎂砂質量,即減少鎂砂雜質(SiO2、CaO、FeO等)是提高堿性耐火材料的關鍵;同樣,應提高對高鋁磚、硅磚,粘土磚原料的質量,使各種耐火材料都有優(yōu)質的原料。我國有豐富的鋯英石資源,應充分利用氧化鋯的耐高溫、耐腐蝕、抗沖刷的優(yōu)良性能,開展對含鋯耐火材料進行研究,以期開發(fā)出價廉、質優(yōu)、適合有色金屬工業(yè)用的新型含鋯耐火材料。我國鉻資源很少,金屬鉻的產量很低,但有些企業(yè)利用生產金屬鉻產生的渣,研制出耐高溫、耐沖刷、耐腐蝕的鉻鋁尖晶石制品,解決了不少有色冶金爐窯的爐壽問題。如株洲冶煉廠鋅渣揮發(fā)窯在使用了該企業(yè)的鉻鋁尖晶石制品后,爐壽提高了幾倍,深受該廠的歡迎。碳化硅、氮化硅等高級耐火材料,已應用于有色冶金爐窯的一些特殊部位,目前應著重在降低其成本上下功夫。
2. 不定形耐火材料
不定形耐火材料包括耐火澆注料、耐火可塑料、耐火搗打料等,在有色冶金爐窯使用較多,如氫氧化鋁焙燒的流態(tài)化熾燒爐,使用不定形耐火材料己達50%~70%,而爐型與之相似的鋅精礦流態(tài)化焙燒爐,則基本上采用磚砌筑,很少使用不定形耐火材料。應當將氫氧化鋁焙燒的流態(tài)化焙燒爐使用不定形耐火材料的經(jīng)驗,盡快移植到鋅精礦流態(tài)化焙燒爐上來,以縮短鋅精礦流態(tài)化焙燒爐的筑爐時間,降低筑爐成本。
在有色冶金爐窯上采用不定形耐火材料有很大的發(fā)展余地,如鉛鼓風爐爐缸底部、銅陽極爐爐底、一些電爐爐頂、錫反射爐爐底等部位,均可以使用不定形耐火材料,使用不定形耐火材料,不僅省時、省錢,還可以加強爐體部位整體性,提高爐壽命。澳斯麥特爐、氧氣底吹熔煉爐等向爐內熔體噴吹空氣物料的爐子,與煉鋼電爐有其相似之處,煉鋼電爐基本是用不定形耐火材料筑成,有色冶金的這些爐子也應該可以使用不定形耐火材料,耐火材料企業(yè)應該與設計單位和生產企業(yè)共同研究此問題。
3. 耐火材料生產管理
目前,雖然我國耐火材料生產廠眾多,但多數(shù)為規(guī)模小、技術水平低,設備落后的企業(yè),它們占據(jù)了大量資源,對耐火材料工業(yè)的發(fā)展非常不利。應該通過市場競爭機制,淘汰一大批技術落后的耐火材料廠,采用耐火材料行業(yè)準入管理是當務之急。應該在加大技術改造及創(chuàng)新投入、加快淘汰落后產能、鼓勵行業(yè)兼并重組、完善產業(yè)發(fā)展政策、充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會作用等方面制定切實可行的措施,使耐火材料工業(yè)的生產走上健康發(fā)展的道路。