耐火材料在有色金屬冶煉爐窯上的應(yīng)用

□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(yīng)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(shè)備就是有色金屬冶煉爐窯，研究有色金屬冶煉工業(yè)技術(shù)進(jìn)步對耐火材料品種、質(zhì)量的需求應(yīng)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(chǎn)量主要的任務(wù)?，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(jìn)行介紹。

一、有色金屬冶煉爐窯現(xiàn)狀

1. 煉銅工業(yè)

銅的生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)，而轉(zhuǎn)爐吹煉和銅精煉基本上一致。

（1）閃速爐

由于閃速爐反應(yīng)塔內(nèi)溫度高，夾雜著熔體的高速氣流對反應(yīng)塔沖刷腐蝕，要求反應(yīng)塔培壁必須采用抗高溫、抗沖刷、耐腐蝕的優(yōu)質(zhì)耐火材料。目前均采用電熔鎂鉻磚，同時為保護(hù)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(shè)置水冷銅管或立式銅板水套，反應(yīng)塔頂及上部低溫區(qū)則使用普通鎂鉻磚砌筑。在反應(yīng)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(qiáng)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(zhì)鎂鉻磚的結(jié)構(gòu)。

沉淀池的主要作用是進(jìn)一步完成造渣反應(yīng)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(yīng)塔下部的側(cè)墻和端墻渣線附近，受高溫熔體的沖刷腐蝕非常嚴(yán)重，通常這些部位除采用預(yù)反應(yīng)鎂鉻磚、直接結(jié)合鎂鉻磚等優(yōu)質(zhì)材料外，還設(shè)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(yán)重的部位，通常在軸向上，設(shè)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(yīng)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(yīng)塔直徑也達(dá)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(jìn)。

（2）諾蘭達(dá)爐

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

諾蘭達(dá)爐爐襯損壞最厲害的是風(fēng)口區(qū)、風(fēng)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(jié)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(jié)合鎂鉻磚與爐殼之間的間隙采用鎂質(zhì)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(nèi)可以生產(chǎn)諾蘭達(dá)爐所用全部耐火材料，其性能與進(jìn)口磚相近，但價格優(yōu)勢明顯。

（3）澳斯麥特爐

澳斯麥特技術(shù)也稱頂吹浸沒熔煉技術(shù)，用于銅锍熔煉工藝中，澳斯麥特爐是其主體設(shè)備。澳斯麥特爐（見圖1）是一個圓柱體，上接呈收縮而向一側(cè)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(jìn)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(nèi)襯的耐火材料基本相同。由圖1可看到，原料、燃料、預(yù)熱空氣在爐內(nèi)形成強(qiáng)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(zhì)的耐高溫、耐沖刷的材料如電熔鎂鉻磚或熔粒再結(jié)合鎂鉻轉(zhuǎn)，有的爐子還應(yīng)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(shù)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(shè)備。氧氣底吹熔煉爐爐體結(jié)構(gòu)基本與回轉(zhuǎn)式陽極爐相似(如圖2)，只是在爐底有一組氧氣噴槍，進(jìn)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(qiáng)烈攪動下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)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(jī)械沖刷和化學(xué)侵蝕更嚴(yán)重。氧氣底吹熔煉爐的內(nèi)襯，全部采用優(yōu)質(zhì)鎂鉻質(zhì)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(zhì)耐磨材料。

圖2 典型的氧氣底吹煉爐結(jié)構(gòu)

（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(qiáng)，熔煉強(qiáng)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(chǔ)上，在兩側(cè)爐墻上增加若干風(fēng)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(jìn)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(shè)在熔煉區(qū)尾部（雙室白銀熔煉爐在沉淀區(qū)內(nèi)增設(shè)一排煙口），銅锍放出口及渣口均設(shè)在沉淀區(qū)端部爐墻兩側(cè)。

風(fēng)口區(qū)是白銀熔煉爐損壞最嚴(yán)重的部位，也是影響爐壽命最關(guān)鍵的部位，采用熔鑄鎂鉻磚或直接結(jié)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(jié)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(zhuǎn)爐

目前將銅锍冶煉成粗銅的主要設(shè)備是轉(zhuǎn)爐。轉(zhuǎn)爐工作條件惡劣：熔體被高壓空氣（或富氧空氣）強(qiáng)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(dá)1350℃以上，而在停風(fēng)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(zhì)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(zhuǎn)爐風(fēng)口磚和風(fēng)口區(qū)的磚是轉(zhuǎn)爐爐襯損壞最嚴(yán)重的部位，為了風(fēng)口的整體性和風(fēng)口位置的準(zhǔn)確性，目前風(fēng)口磚均用實體磚砌成整體，再用特殊鉆頭鉆風(fēng)眼，材質(zhì)采用電熔粒再結(jié)合鎂鉻磚或直接結(jié)合鎂鉻磚。風(fēng)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(zhì)燒結(jié)鎂磚。爐口砌磚是結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(fù)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(jī)械的碰撞和磨損、CuS2、SO2的侵蝕非常嚴(yán)重，內(nèi)襯工作條件極為惡劣。為此，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)采取措施，盡量減少磚型，減少結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)；在材質(zhì)選擇上，全部選用直接結(jié)合鎂鉻磚，提高爐體的整體壽命。

貴溪冶煉廠在引進(jìn)閃速爐的同時，還全套引進(jìn)了日本的轉(zhuǎn)爐技術(shù)和設(shè)備（包括全部耐火材料），通過對引進(jìn)設(shè)備的吸收和消化，從1990年開始，己經(jīng)全部采用國產(chǎn)的耐火材料維護(hù)檢修爐體，耐火材料消耗已經(jīng)達(dá)到1.932kg/tCu的世界先進(jìn)水平。

（7）粗銅精煉爐（陽極爐）

我國目前的粗銅精煉設(shè)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(nèi)層磚襯主要為鎂鋁磚和鎂磚，少量爐子渣線附近采用燒結(jié)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(guān)，小型爐，特別是鎂磚爐爐頂壽命一般為3~4月。

回轉(zhuǎn)式精煉爐是能夠回轉(zhuǎn)的筒形爐，但沒有轉(zhuǎn)爐中的大量風(fēng)口，只有兩個氧化還原孔，且作業(yè)時間較短。由于經(jīng)常轉(zhuǎn)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(nèi)表面，因此，一般要求內(nèi)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(jié)合鎂鉻磚或電熔粒再結(jié)合鎂鉻磚。目前，回轉(zhuǎn)式陽極爐所用的耐火材料已全部采用國產(chǎn)耐火材料。

2. 鉛鋅工業(yè)

（1）鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐

鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐是在一臺設(shè)備中同時冶煉出兩種金屬——鉛和鋅的特殊鼓風(fēng)爐。其特點是，使用800℃~850℃熱風(fēng)鼓風(fēng)；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(fēng)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(zhì)不定型耐火材料打結(jié)。鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐的前床均為電熱前床，其壽命比鼓風(fēng)爐低，主要是渣侵蝕沖刷渣線所致。目前國內(nèi)兩座鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐，其前床內(nèi)村分別采用鉻渣磚和鋁鉻鈦磚，爐齡雖可達(dá)1年以上，但仍低于鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐壽命。如何進(jìn)一步提高電熱前床的爐壽命，使之與鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐壽命相匹配，是提高鉛鋅密閉鼓風(fēng)爐作業(yè)率的關(guān)鍵。

（2）氧氣底吹煉鉛爐

氧氣底吹熔煉技術(shù)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(yīng)用的，圖2就是典型的氧氣底吹煉鉛爐，目前國內(nèi)鉛冶煉企業(yè)大量采用氧氣底吹熔煉技術(shù)，已有10幾臺氧氣底吹煉鉛爐投入生產(chǎn)。對氧氣底吹煉鉛爐耐火材料的研究已有良好的開端，進(jìn)一步改進(jìn)耐火材料耐火材料，提高爐壽命，是氧氣底吹熔煉技術(shù)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(shè)備，雖然爐內(nèi)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(kuò)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(zhì)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(nèi)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(yīng)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(nèi)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(yīng)熔鋅電爐

在濕法煉鋅工藝中，現(xiàn)均采用工頻感應(yīng)電爐進(jìn)行陰極片的重熔鑄錠。其爐體采用粘土磚砌筑，壽命較長。設(shè)備運行時，熔溝中的鋅液不斷沖刷感應(yīng)室，并對感應(yīng)室的耐火材料進(jìn)行滲透，一旦鋅液穿透感應(yīng)室，將會燒壞感應(yīng)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(yīng)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(yīng)室所處的溫度無法將搗制而成的耐火材料燒結(jié)成整體，只能使用粘結(jié)劑將其結(jié)合成整體，目前普遍使用的水玻璃粘土質(zhì)材料基本滿足要求。水玻璃的質(zhì)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(yīng)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(chǎn)企業(yè)不僅生產(chǎn)規(guī)模大，而且采用了一些較先進(jìn)的工藝，如再生銅領(lǐng)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(zhuǎn)流—多頭多流水平連鑄工藝等；再生鋁領(lǐng)域采用側(cè)井熔煉爐工藝、回轉(zhuǎn)爐工藝、三室反射爐工藝等；再生鉛領(lǐng)域采用短回轉(zhuǎn)窯熔煉工藝、氧氣底吹熔煉鼓風(fēng)爐還原煉鉛新技術(shù)等。

目前，再生金屬行業(yè)正深入落實再生有色金屬產(chǎn)業(yè)準(zhǔn)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)?；?、設(shè)備大型化、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化、技術(shù)不斷創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)升級速度加快的軌道。在這一過程中，采用先進(jìn)的再生金屬熔煉設(shè)備是很關(guān)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?zé)煔鈴呢Q爐下部進(jìn)入，預(yù)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?zé)煔獠荒艹浞掷谩６Q平爐則因為煙氣預(yù)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(qiáng)力摩擦，因此，豎爐的耐火材料選澤是非常關(guān)鍵的，國內(nèi)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(shè)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(guān)注。

圖3 豎平爐結(jié)構(gòu)圖

二、我國耐火材料生產(chǎn)現(xiàn)狀

我國有一批耐火材料企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模大、技術(shù)裝備先進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量高，其產(chǎn)品在有色企業(yè)中被廣泛使用，目前國內(nèi)先進(jìn)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(chǎn)規(guī)模小、技術(shù)裝備落后、產(chǎn)品質(zhì)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。

三、有色金屬用耐火材料發(fā)展的建議

1. 材質(zhì)

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(zhì)量鎂砂是高質(zhì)量堿性耐火材料的基礎(chǔ)。多年來，鎂砂生產(chǎn)沒有受到足夠的重視，相當(dāng)多的低質(zhì)鎂砂廉價出口，被外商處理后，制成優(yōu)質(zhì)耐火材料出售，獲取高額利潤。低質(zhì)鎂砂也是我國堿性耐火材料質(zhì)量不高的重要原因。因此，提高鎂砂質(zhì)量，即減少鎂砂雜質(zhì)（SiO2、CaO、FeO等）是提高堿性耐火材料的關(guān)鍵；同樣，應(yīng)提高對高鋁磚、硅磚，粘土磚原料的質(zhì)量，使各種耐火材料都有優(yōu)質(zhì)的原料。我國有豐富的鋯英石資源，應(yīng)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(jìn)行研究，以期開發(fā)出價廉、質(zhì)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(chǎn)量很低，但有些企業(yè)利用生產(chǎn)金屬鉻產(chǎn)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(yīng)用于有色冶金爐窯的一些特殊部位，目前應(yīng)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(dá)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(yīng)當(dāng)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(fēng)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(qiáng)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(nèi)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(yīng)該可以使用不定形耐火材料，耐火材料企業(yè)應(yīng)該與設(shè)計單位和生產(chǎn)企業(yè)共同研究此問題。

3. 耐火材料生產(chǎn)管理

目前，雖然我國耐火材料生產(chǎn)廠眾多，但多數(shù)為規(guī)模小、技術(shù)水平低，設(shè)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(yīng)該通過市場競爭機(jī)制，淘汰一大批技術(shù)落后的耐火材料廠，采用耐火材料行業(yè)準(zhǔn)入管理是當(dāng)務(wù)之急。應(yīng)該在加大技術(shù)改造及創(chuàng)新投入、加快淘汰落后產(chǎn)能、鼓勵行業(yè)兼并重組、完善產(chǎn)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(chǎn)走上健康發(fā)展的道路。