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)。
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,而且還包括我國自有的流程,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)塔塔壁須采用抗高溫、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(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烈腐蝕,襯里易損壞,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(jié)構(gòu)。
沉淀池的主要作用是進一步完成造渣反應(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)合鎂鉻磚等材質(zhì)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,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(yīng)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(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。
諾蘭達爐爐襯損壞厲害的是風(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,作為膨脹縫之用。
目前國內(nèi)可生產(chǎn)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)奧斯邁特爐
奧斯邁特技術(shù)也稱頂吹浸沒熔煉技術(shù),用于銅锍熔煉工藝中,奧斯邁特爐是其主體設(shè)備。奧斯邁特爐是一個圓柱體,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(nèi)襯的耐火材料基本相同。原料、燃料、預(yù)熱空氣在爐內(nèi)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(jié)合鎂鉻磚,有的爐子還應(yīng)用了鉻鋁尖晶石磚。
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(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生高溫,爐襯是在惡劣的環(huán)境下工作,特別是氧槍口區(qū)磚體,所受機械沖刷和化學(xué)侵蝕更嚴重。氧氣底吹熔煉爐的內(nèi)襯,全部采用鎂鉻質(zhì)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(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(chǔ)上,在兩側(cè)爐墻上增加若干風(fēng)口,鼓入高壓空氣,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(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)是白銀熔煉爐損壞嚴重的部位,也是影響爐壽命關(guān)鍵的部位,用熔鑄鎂鉻磚或直接結(jié)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(jié)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(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(fēng)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(zhì)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(zhuǎn)爐風(fēng)口磚和風(fēng)口區(qū)的磚是轉(zhuǎn)爐爐襯損壞嚴重的部位,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,再以特殊鉆頭鉆風(fēng)眼,材質(zhì)采用電熔再結(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燒結(jié)鎂磚。爐口砌磚是結(jié)構(gòu)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(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(nèi)襯工作條件惡劣。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。
7)粗銅熔煉爐(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,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,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(guān),小爐型,特別是鎂磚爐頂壽命一般為3~4個月。
回轉(zhuǎn)式精煉爐是能夠回轉(zhuǎn)的筒型爐,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)襯鎂鉻磚的Cr2O3含量大于22,在氧化還原口和出銅口處要求更高,經(jīng)常采用直接結(jié)合鎂鉻磚或電熔再結(jié)合鎂鉻磚。
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)不定形耐火材料打結(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)襯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(fēng)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(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,目前國內(nèi)鉛冶煉企業(yè)大量采用氧氣底吹熔煉技術(shù),已有十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(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—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(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,另一發(fā)展方向應(yīng)該是采用不定形耐火材料。