謝華有,張興勇,蔡加武

（江西華贛瑞林稀貴金屬科技有限公司，江西豐城 331100）

在火法冶煉中， 耐火材料使用壽命是一項(xiàng)重要的生產(chǎn)指標(biāo)，嚴(yán)重影響著爐體作業(yè)率、生產(chǎn)成本。 耐火材料的使用環(huán)境要求其能夠抵抗溫度的損害、熱應(yīng)力的損壞和介質(zhì)的腐蝕。 因此， 選擇合適的耐火磚，延長(zhǎng)耐火磚壽命，對(duì)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本起著至關(guān)重要的作用[1]。

1 耐火磚的種類

目前， 耐火材料最常見的分類方式為化學(xué)成分分類，可分為硅石、鋁硅酸鹽、鎂質(zhì)、白云石質(zhì)和碳復(fù)合等耐火材料。

1.1 硅石耐火材料

硅石耐火材料是以SiO2為主要成分，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于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(dǎo)率、荷重軟化點(diǎn)高，抗酸性渣侵蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但最大的缺點(diǎn)是抗熱震穩(wěn)定性低。因此，該耐火材料主要用作焦?fàn)t、玻璃熔窯、酸性煉鋼爐及其他熱工設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料。

1.2 鋁硅酸鹽耐火材料

鋁硅酸鹽耐火材料是以Al2O3和SiO2為主要成分的耐火材料。按耐火材料中的Al2O3含量不同可分為半硅質(zhì)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%～30%）、黏土質(zhì)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%～48%）和高鋁質(zhì)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)>48%）耐火材料。 該耐火材料具有質(zhì)量輕、 熱穩(wěn)定性、 保溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其開始變形溫度為1 400 ℃。 因此，鋁硅酸鹽耐火材料在冶金行業(yè)一般用作保溫材料， 不用于工作層[2]。

1.3 鎂質(zhì)耐火材料

鎂質(zhì)耐火材料是以方鎂石為主晶相，MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于80%的耐火材料。受鎂質(zhì)原料成分的影響，鎂質(zhì)耐火材料主要組分為 MgO、FeO、Fe2O3、Al2O3、SiO2、CaO、Cr2O3[3]。MgO 的熔點(diǎn)高達(dá) 2 800 ℃，鎂質(zhì)耐火材料的耐火度達(dá)到2 000 ℃， 因此鎂質(zhì)耐火材料具有良好的耐高溫性能[4]。 鎂質(zhì)耐火材料包括鎂磚、鎂橄欖石質(zhì)耐火材料、鎂鋁尖晶石質(zhì)耐火材料、鎂鉻質(zhì)耐火材料、白玉石質(zhì)耐火材料。其中，鎂鉻質(zhì)耐火材料是由鎂砂和鉻鐵礦制成的， 并且以鎂砂為主要組分。與傳統(tǒng)鎂磚相比，鎂鉻質(zhì)耐火材料熱穩(wěn)定性更強(qiáng)，廣泛運(yùn)用于有色冶煉爐。但因六價(jià)鉻對(duì)環(huán)境和人體健康有嚴(yán)重危害，特別是會(huì)對(duì)水造成嚴(yán)重污染，因此在生產(chǎn)和制作過程中，需嚴(yán)格控制堿性介質(zhì)和氧分壓。

1.4 白云石質(zhì)耐火材料

白云石質(zhì)耐火材料是以白云石為主要原料，MgO 和CaO 為主要成分的堿性耐火材料，其中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～60%，氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%～40%。 白云石質(zhì)耐火材料的耐火溫度在1 780 ℃以上，0.2 MPa 荷重軟化開始溫度為1 550 ℃， 由此可見，其具有較好高溫穩(wěn)定性。白云石質(zhì)耐火材料屬于強(qiáng)堿性耐火材料，對(duì)堿性渣具有較強(qiáng)的抗渣性，但對(duì)酸性渣的抗渣性較差。因此，該耐火材料主要用于平爐爐墻和爐底、回轉(zhuǎn)窯燒成帶等。

1.5 碳復(fù)合耐火材料

碳復(fù)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(zhì)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(jié)合劑而制成的一種多相復(fù)合耐火材料[5]。 碳復(fù)合耐火材料的耐火度高、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性均好，荷重變形溫度和高溫強(qiáng)度優(yōu)異，抗渣性和抗熱震性都比其他耐火材料好， 但這一類制品都有易氧化的缺點(diǎn)。 因此， 該耐火材料主要用于冶煉不銹鋼、純凈鋼及低硫鋼等優(yōu)質(zhì)鋼種領(lǐng)域。

2 側(cè)吹爐耐火材料的選擇

2.1 側(cè)吹爐簡(jiǎn)介

側(cè)吹爐是生產(chǎn)粗銅的冶煉設(shè)備， 富氧空氣通過設(shè)置在渣線區(qū)的1 次風(fēng)口鼓入爐內(nèi)， 在高溫作用下進(jìn)行反應(yīng)，粗銅沉入熔池下部，排放到電爐，爐渣則集聚于熔池上部，通過溢流排放到電爐，反應(yīng)煙氣從煙道排放到鍋爐工藝[6]。

側(cè)吹爐爐體結(jié)構(gòu)采用固定式長(zhǎng)方形爐型， 由銅水套、耐火材料和鋼結(jié)構(gòu)組合而成。爐體自下而上分為爐缸、爐身、爐頂和煙道4 個(gè)部分。 用于存儲(chǔ)反應(yīng)產(chǎn)生的粗銅和渣的爐缸由耐火磚砌筑而成， 爐缸端部設(shè)置渣室進(jìn)行銅渣分離。 爐身又分為反應(yīng)區(qū)和煙氣區(qū)，反應(yīng)區(qū)由銅水套和1 次風(fēng)口組成，煙氣區(qū)由便于掛渣保護(hù)的開槽銅水套和2 次風(fēng)口組成。 反應(yīng)煙氣由水套組成的排煙口排出，進(jìn)入煙道。煙道空間尺寸根據(jù)煙氣流速進(jìn)行核算， 保證煙氣在煙道內(nèi)停留時(shí)間2 s 以上。 側(cè)吹爐主要的反應(yīng)區(qū)屬于銅水套保護(hù)位置，耐火材料使用位置主要是在爐缸、渣室和煙道[7-8],具體區(qū)域詳見圖1。

圖1 爐缸、渣室和煙道區(qū)域

2.2 側(cè)吹爐耐火材料成分的選擇

由側(cè)吹爐工作原理可知，側(cè)吹爐爐缸、渣室會(huì)受到熔體的侵蝕和沖刷，煙道會(huì)受少量熔渣的噴濺侵蝕和含塵煙氣的沖刷。 在正常爐況下，這3 個(gè)區(qū)域的溫度為1 100~1 300 ℃；但在爐況不穩(wěn)定情況下，這3 個(gè)區(qū)域的溫度可達(dá)1 400 ℃以上。 在實(shí)際生產(chǎn)過程中，側(cè)吹爐需供入富氧1 次風(fēng)和2 次風(fēng)，并在局部形成強(qiáng)氧化氣氛， 因此側(cè)吹爐應(yīng)選擇不易被氧化的耐火磚。熔渣的主要成分為 FeO、SiO2、CaO、Al2O3，高鋁質(zhì)耐火材料和硅石耐火材料會(huì)參與造渣， 不適合側(cè)吹爐使用。因此，側(cè)吹爐耐火材料需要具備耐高溫、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、荷重變形溫度高、耐壓強(qiáng)度高、抗氧化性、不參與造渣的特點(diǎn)。 結(jié)合耐火材料的特性，側(cè)吹爐應(yīng)選擇鎂質(zhì)耐火材料。 鎂質(zhì)耐火材料中Cr2O3的含量增加可以提高材料的抗渣侵蝕性，因此側(cè)吹爐爐缸、渣室和煙道的耐火磚選擇Cr2O3含量較高的鎂鉻質(zhì)耐火材料。

2.2 側(cè)吹爐耐火材料結(jié)合形式的選擇

根據(jù)鎂鉻質(zhì)耐火材料的結(jié)合形式的不同， 包括直接結(jié)合、 半再結(jié)合、 電熔再結(jié)合等鎂鉻質(zhì)耐火材料。其中，直接結(jié)合鎂鉻質(zhì)耐火材料是以高純燒結(jié)鎂砂和鉻鐵礦為原料，將電熔鎂砂與鉻礦直接燒結(jié)；半再結(jié)合鎂鉻質(zhì)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(jié)合成鎂鉻料作細(xì)粉， 高溫?zé)Y(jié)而成； 電熔再結(jié)合鎂鉻質(zhì)耐火材料是將鉻礦與電熔鎂砂在電爐中電熔，制得電熔鎂鉻砂,再高溫?zé)Y(jié)而成[9]。 3 類鎂鉻質(zhì)耐火磚材料特性對(duì)比，見表1。

表1 3 類鎂鉻質(zhì)耐火材料特性對(duì)比

由表1 可知， 電熔再結(jié)合鎂鉻質(zhì)耐火材料的性能最好，半再結(jié)合鎂鉻質(zhì)耐火材料的性能次之。結(jié)合側(cè)吹爐內(nèi)爐缸、 渣室和煙道區(qū)域?qū)δ突鸩牧蠐p耗情況，爐缸、渣室、煙道區(qū)域分別采用半再結(jié)合、電熔再結(jié)合、直接結(jié)合鎂鉻質(zhì)耐火材料。

2.3 側(cè)吹爐耐火材料化學(xué)成分和物理性能指標(biāo)

上述3 類鎂鉻質(zhì)耐火材料化學(xué)成分和物理性能指標(biāo)，見表2。

表2 3 類鎂鉻質(zhì)耐火材料化學(xué)成分和物理性能指標(biāo)[10]

4 結(jié)語(yǔ)

耐火材料使用壽命直接影響著生產(chǎn)作業(yè)率和生產(chǎn)成本，必須針對(duì)不同區(qū)域的工作環(huán)境，選擇合適的耐火材料種類和結(jié)合方式， 這是提高耐火材料使用壽命的最有效手段。