浅析艾萨炉耐火材料寿命影响因素及控制措施

浅析艾萨炉耐火材料寿命影响因素及控制措施

朱银,杨鹏,李超航,周容乐

云南铜业股份有限公司西南铜业分公司 云南省昆明市 650000

摘要：近年来我国铜冶炼技术快速发展，在产业规模和装备技术方面取得了显著的进步。耐火材料作为冶炼反应容器材料，是保证铜冶炼生产运行和技术发展的关键，本文对影响艾萨炉耐火材料使用寿命的诸多因素进行了系统地讨论，并针对蚀损原因提出了减缓耐火材料蚀损速度的实践措施，以期能为铜冶炼行业工程技术人员延长炉窑寿命提供参考依据。

关键词：艾萨炉；耐火材料；蚀损；控制

0 引言

铜是一种具有优异导电、导热性能的金属材料，因而铜及其合金材料被广泛应用于电子电气、制造、通讯、基建、交通等行业领域。近年来，随着铜冶炼行业规模和技术装备水平的高速发展，全球精炼铜产能也不断增涨，据统计2020年中国精炼铜产量达1002.5万吨，同比增长7.4%[1]。当前精炼铜主要是通过火法冶炼生产的，艾萨炉熔池熔炼技术是现代铜强化富氧熔炼工艺的代表之一，其具有原料适应性强、自动化程度高、环保性能好等优点。耐火材料作为反应容器材料参与到铜富氧熔炼反应的过程中，在铜冶炼生产中起到了支撑作用，是保证铜冶炼生产运行和技术发展必不可少的基本材料。艾萨炉熔池熔炼技术由于其独特的工艺操作特点，使耐火材料的使用环境更为严苛，进而造成艾萨炉炉衬使用寿命偏短，给铜冶炼企业的经营效益造成不利影响。本文系统的分析了影响耐火材料使用寿命的诸多因素，并针对蚀损原因提出了减缓耐火材料侵蚀速度的一些实践措施，可为铜冶炼行业工程技术人员提供延长炉窑寿命提供参考依据，具有一定的现实意义。

1艾萨炉耐火材料选用

艾萨熔炼起源于澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）发明的赛洛熔炼法，其基本原理是将含水约8%的铜精矿经混合制粒后，通过加料皮带从炉顶加料口连续加入炉内熔体中，富氧空气、燃料经浸没于熔体中的钢制喷枪喷入熔体中，强烈搅动熔体，使熔炼的物理化学过程在气、液、固三相乳状体中剧烈发生，生成的冰铜和炉渣间断排入贫化电炉中进行分离。艾萨熔池熔炼技术在生产过程中具有以下特点：第一是火法铜冶炼的原料为硫化铜精矿，熔炼过程中会产生大量的SO2、SO3高温烟气；第二，熔炼过程为进行造渣反应，会加入大量的SiO2熔剂，因此熔渣组分主要是Fe-SiO2渣系；第三，铜熔炼过程是在喷枪的强烈搅拌下进行的，因而熔渣会对炉衬材料造成强烈的冲刷。基于上述艾萨炉冶炼过程的特点，对艾萨炉耐火材料的选用需要考虑以下因素：第一，由于反应过程有大量SO2烟气，因此含碳耐火材料不适用于艾萨炉；第二，熔炼渣组份为Fe-SiO2渣系，根据不同耐火氧化物与铁硅系渣的三元系相图，可知含CaO多的耐火材料在FeO-SiO2渣中溶解度很大，与铁硅渣形成的液相区最大，因此MgO-CaO质耐火材料在艾萨炉中的使用效果差，而Cr2O3、镁铬尖晶石具有较强的抗Fe-SiO2渣系侵蚀和剥落能力，因此含Cr2O3耐火材料是铜冶炼炉窑首选炉衬材料。目前艾萨炉使用最为广泛的耐火材料为MgO-Cr2O3系耐火材料，随着耐火材料原料、基质、颗粒配级方面技术的进步，耐火材料性能也得到了显著提升，形成了直接结合、电熔再结合等多种类型的镁铬质耐火材料，根据耐火材料性能特点，不同类型镁铬砖可应用于不同特点的炉窑区域。

2艾萨炉耐火材料侵蚀原因

在艾萨炉冶炼过程中，影响耐火材料使用寿命的因素按作用原理可分为：化学因素、热学作用和机械因素[3~5]。在实际的生产过程中，这些影响因素多是以交叉复合的形式出现，同时耐火材料的损毁可以是连续的溶蚀和侵蚀、或者是不连续的开裂和剥落。

2.1 化学因素

化学因素作为影响艾萨炉耐火材料使用寿命的关键因素，其主要作用方式如下：第一，高温液态熔渣、铜的硫化物和氧化物及其反应产物对耐火材料的熔融渗透作用，生产过程中，耐火材料与熔渣接触，其中的MgO和 Al2O3相会与Fe-SiO2系熔渣反应，产生缓慢的溶解效果，随着MgO在渣中的增多，固态橄榄石将以[2(Mg,Fe)O·SiO2]形式存在，而熔渣中FeO与耐火材料中的MgO反应形成镁铁的一种固溶体，在有氧存在的环境下，各自形成磁铁矿、二氧化硅和铁酸镁，体系内碱金属和碱土金属促进了Cr3+转变成Cr6+，从而加剧耐火材料在高温条件下的侵蚀速率。第二，在特殊情况下，耐火材料与水接触，其中MgO相与水在40 ~ 120℃反应生成水镁石Mg(OH)2，水化反应伴随着高达 115%的体积膨胀，使耐火材料产生的微裂纹，这种裂纹会在宏观裂纹起始点形成，极端条件下会导致耐火材料瓦解成沙粒状结构。

2.2热学作用

虽然艾萨炉所用耐火材料的可使用温度远高于艾萨炉生产过程中的实际冶炼温度，但是艾萨炉生产中的熔池温度对于耐火材料的连续性侵蚀起到了重要作用。耐火材料在使用过程中，由于熔池温度的剧烈波动，被炉渣浸蚀后形成的变质层在热应力的作用下产生平行于工作面的裂纹，导致变质层崩裂和剥落。同时通过与熔池中物质发生界面反应，导致耐火砖高温强度显著降低，而升高温度会明显导致了高热熔渣黏度降低，使熔渣的扩散性增强，进而导致耐火材料侵蚀速度加快。

2.3机械因素

机械因素主要包括艾萨炉内物料（如冰铜、炉渣、炉料、充满尘埃的高温烟气等）运动引起的磨损、下料或通风所引起的冲击应力和炉衬砌筑不当引起的应力。结合艾萨炉的生产工艺特点，耐火材料的机械侵蚀主要包括：高温烟气冲刷和熔体冲刷，实际生产中高温烟气冲刷主要影响阻溅板以上烟气区炉体耐材，而熔体冲刷主要影响艾萨炉体下部熔池区耐材。

3 艾萨炉耐火材料侵蚀控制措施

通过上述艾萨炉耐火材料蚀损因素分析，并结合艾萨炉铜冶炼生产实践，提出了以下延长艾萨炉耐材寿命的措施：（1）熔池温度波动会使耐火砖内部产生应力，这种应力一旦超过极限值，会导致耐火砖内部产生裂纹，加速耐材侵蚀。因此在铜冶炼过程中维持长周期生产和熔池温度的稳定控制，减少停复产时间和次数是铜熔炼炉炉寿提升的重要举措。（2）艾萨炉的炉体反应区为圆柱形，生产过程中通过顶部喷枪鼓入富氧空气，使高温熔体产生强烈的搅拌，因此为延长炉寿可在炉窑设计阶段考虑适当的增加炉体直径。增加炉体直径一方面可以减弱熔渣等的冲刷侵蚀，另外艾萨炉的作业特点是间歇式排放，炉体直径增大后排放次数可有效减少，从而减弱因熔池高度频繁变化带来的熔体温度波动。（3）生产实践中，要提高配料合格率，稳定熔渣组分，减小生产波动，生产允许的范围内适当提高熔渣Fe3O4含量，提高渣粘度，在耐火材料与熔体之间形成的致密的挂渣，从而减弱侵蚀作用。（4）修正和改进艾萨喷枪结构与工况参数获得最佳的喷吹特性，从而减小高温烟气对炉墙的冲刷侵蚀。

4 结论

综上所述，影响艾萨炉耐火材料使用寿命的关键因素有高温熔体的熔融渗透、艾萨炉内的熔池温度及温度的剧烈波动、物料（烟气、熔体、炉料）等在艾萨炉内壁产生的强烈搅动。采取维持长周期生产和熔池温度的稳定控制、增加炉体直径、提高熔渣Fe3O4含量和改进喷枪参数可有助于延长艾萨炉炉衬耐材使用寿命。

参考文献：

[1]2020年我国精炼铜产量增长7.4%[J].铸造工程,2021,45(02):76.

[2]张原. 炼铜转炉用镁铬质耐火材料侵蚀机理的研究. 郑州大学, 2014.

[3]云斯宁. ISA/Ausmelt炉用镁铬耐火材料侵蚀机理的研究[D]. 西安建筑科技大学.

[4]李勇. 铜冶金用镁铬耐火材料[M]. 冶金工业出版社, 2014.

作者简介：朱银（1993-），男，四川广安人，助理工程师，研究方向为铜冶炼。