銅锍轉(zhuǎn)爐設(shè)備耐火材料

1 銅锍吹煉的原理

銅精礦造锍熔煉所獲得的銅锍是一種中間產(chǎn)品，其主要成分是Cu2S、FeS、 FeO、Fe3O4,并含有少量的Pb、Zn、Ni、Co、As、Bi、Sb等元素的硫化物以及 金、銀和鉑族金屬。吹煉的任務(wù)是將銅锍吹煉成含銅98.5% ~ 99. 5%的粗銅。在 吹煉過程，銅锍中的鐵被氧化后進(jìn)人爐渣，硫以SO2的形式進(jìn)入煙氣，貴金屬如 金、銀、鉑、鈀以及硒碲等元素進(jìn)入粗銅。

銅锍的吹煉過程是間歇式周期性作業(yè)，整個過程可分為造渣期和造銅期兩個 階段。在吹煉的階段，銅锍中的FeS與鼓入空氣或富氧空氣中的氧發(fā)生強(qiáng)烈 的氧化反應(yīng)，此時銅锍中的FeS被氧化為FeO和SO2。添加熔劑后FeO會與熔劑 中的SiO2發(fā)生反應(yīng)進(jìn)行造渣，使锍中含銅量逐漸升高。由于銅锍與爐渣的相互 溶解度很小而且密度不同，所以在吹煉停風(fēng)時溶體會分成兩層，上層爐渣被定期 排出。這個階段持續(xù)到锍中含Cu 75%以上、含F(xiàn)e小于1%時結(jié)束，這時的锍常 被稱為白锍(含銅70%以上的白冰銅，或純Cu2S)。銅琉吹煉的階段以產(chǎn)出 大量爐渣為特征，故又稱為造渣期。造渣期發(fā)生的主要反應(yīng)為：

2FeS + 3O2 =2FeO + 2SO2 + 935. 484kJ(1-1)

2FeO + SiO2 =2FeO • SiO2 + 92. 796kJ(1-2)

當(dāng)銅锍中的Fe量降到1%以下時，也就是Fe幾乎全部被氧化之后，開始進(jìn) 入第二階段。在吹煉的第二階段，鼓入空氣中的氧與Cu2S (白锍)發(fā)生強(qiáng)烈的 氧化反應(yīng)，生成Cu2O和SO2, Cu2O又與未氧化的Cu2S反應(yīng)生成金屬Cu和SO2, 直到生成含銅98. 5%以上的粗銅時吹煉的第二階段結(jié)束。銅锍吹煉的第二階段不 加入溶劑、不造淹，以產(chǎn)出粗銅為特征，故又稱為造銅期。該階段發(fā)生的主要反 應(yīng)有：

Cu2S + yO2 — Cu2O + SO2(1-3)

Cu2S + 2Cu2O6Cu + SO2(1 -4)

總反應(yīng)式：

Cu2S + O2 =2Cu + SO2(1-5)

造渣期和造銅期煙氣經(jīng)余熱鍋爐后進(jìn)電收塵，收塵處理后的煙氣(含SO2達(dá) 5% ~ 15% )經(jīng)高溫風(fēng)機(jī)送去硫酸系統(tǒng)。

銅锍吹煉時加人的銅锍溫度一般約為1100℃，由于吹煉時發(fā)生的主要是鐵、 硫及其雜質(zhì)的氧化反應(yīng)以及FeO與石英的造渣反應(yīng)，放出的熱量足以抵償作業(yè)中 熱損耗并使溫度升至1150 ~ 1300℃，因此整個吹煉過程是自熱進(jìn)行的，為了 防止熔體溫度過高并充分利用反應(yīng)熱，通常需加人冷料。

2 銅锍吹煉主要熱工設(shè)備

2. 1 P-S 轉(zhuǎn)爐

火法煉銅生產(chǎn)過程中，從銅锍到粗銅的冶煉過程絕大部分是在轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行 的，目前世界各國多采用大中型臥式堿性轉(zhuǎn)爐，也稱Pierce-Smith轉(zhuǎn)爐，簡稱為 P-S轉(zhuǎn)爐，它是銅锍吹煉的主要設(shè)備。因具有工藝方法簡單、操作容易、效率高 等特點，被長期廣泛應(yīng)用于銅锍的吹煉過程中。目前，約有80%以上的銅锍是 在這種設(shè)備中吹煉的。

轉(zhuǎn)爐爐體中部設(shè)有爐口，用以加料、排煙、排渣和出銅，爐體一側(cè)沿水平方 向設(shè)置一排風(fēng)口，用以鼓人壓縮空氣或富氧空氣。不同冶煉廠家，由于轉(zhuǎn)爐爐 型、尺寸及冰銅品位不同，其吹煉操作有所區(qū)別，但其吹煉原理是一樣的，都是 通過將空氣或富氧空氣鼓人轉(zhuǎn)爐，攪拌爐內(nèi)的熔體，并與之進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)。

傳統(tǒng)的P-S轉(zhuǎn)爐存在一些明顯的不足之處。如銅轉(zhuǎn)爐在進(jìn)料和傾倒產(chǎn)物時， 爐氣逸出，污染環(huán)境;間歇式操作造成廢氣中SO2濃度波動較大，使回收SO2制酸過程控制復(fù)雜化。針對以上問題，人們對其進(jìn)行了改進(jìn)。主要改進(jìn)爐型有虹吸 式轉(zhuǎn)爐和特尼恩特轉(zhuǎn)爐。

2. 2 虹吸式轉(zhuǎn)爐

霍勃肯虹吸式轉(zhuǎn)爐爐體是圓筒形的，與普通轉(zhuǎn)爐相 似。在爐體的一端有一個特殊的倒U形的煙道，稱為虹吸煙道。轉(zhuǎn)爐煙氣經(jīng)由此煙道虹吸排出。由于虹吸煙道能與爐體一起轉(zhuǎn)動，因此不論爐子轉(zhuǎn)到哪個位置， 轉(zhuǎn)爐與煙道都能直接連通。虹吸煙道前端為水平的圓筒煙道，轉(zhuǎn)爐煙氣通過圓筒 煙道進(jìn)入固定的豎煙道，再經(jīng)變速排煙機(jī)、廢熱鍋爐后送往除塵和制酸系統(tǒng)。

虹吸式轉(zhuǎn)爐的主要優(yōu)點是：煙氣不會被稀釋，SO2的濃度達(dá)11%;不停風(fēng)就 可以加入固體或液體物料，送風(fēng)時率高，煙氣量穩(wěn)定，而且不會因停風(fēng)傾轉(zhuǎn)造成 煙氣外逸污染環(huán)境，吹煉時噴濺少，不需清理爐口;由于爐口處沒有煙罩和煙 道，因此可以無阻礙地從爐口處用勺取得熔體試樣。

目前，比利時的Hoboken冶煉廠、美國的Miami冶煉廠、智利的Paipot冶煉 廠以及巴西的Camiba冶煉廠等煉銅廠均采用了虹吸轉(zhuǎn)爐吹煉銅锍。

2. 3 特尼恩特轉(zhuǎn)爐

特尼恩特轉(zhuǎn)爐(Teniente Converter)又稱特尼恩特改良轉(zhuǎn)爐(Teniente Modi-fied Conrerter)， 簡稱 TMC 轉(zhuǎn)爐， 1977 年在智利的卡勒托內(nèi)斯 (Caletones) 冶煉 廠首先生產(chǎn)運用。TMC是一臺長筒形的轉(zhuǎn)爐。

銅锍通過排放口加人TMC內(nèi)，精礦和石英熔劑由各自料倉用皮帶運輸機(jī)經(jīng) 石英槍連續(xù)噴入爐內(nèi)。加料操作無需轉(zhuǎn)動爐體和停止吹風(fēng)。在爐內(nèi)靠側(cè)面吹入銅 锍層中的富氧空氣，實現(xiàn)精礦的自熱熔煉和完成吹煉的造渣期作業(yè)。特尼恩特轉(zhuǎn) 爐技術(shù)旨在反應(yīng)器中同時進(jìn)行銅锍的吹煉和銅精礦的自熱熔煉，產(chǎn)出高濃度SO2 (10% -20%)的煙氣、高品位的銅锍或白銅锍。吹煉時通過加料槍連續(xù)向爐內(nèi) 加入含水7% ~8%的濕精礦和硅質(zhì)熔劑。干精礦(含水0.2% ~0. 5%)由特殊 設(shè)計的風(fēng)口連續(xù)地注入，富氧空氣(含O2 28% ~33%)由常規(guī)的風(fēng)口連續(xù)地鼓 人，白銅锍(含Cu)和渣通過各自的水冷排放口間斷地放出。

3 銅锍吹煉技術(shù)的新進(jìn)展

由于轉(zhuǎn)爐吹煉過程是間歇式的周期性作業(yè)，產(chǎn)出的煙氣量和煙氣中SO2濃度 都在很大范圍內(nèi)波動，給制酸過程帶來很大的麻煩。另外，由于吹煉過程的進(jìn)料和放渣操作，使煙氣逸散到車間，惡化了生產(chǎn)勞動環(huán)境。為了解決上述問題，繼20世紀(jì)80年代日本三菱法連續(xù)熔煉成熟運用之后，新的連續(xù)吹煉工藝和設(shè)備不 斷地在研究和開發(fā)。1995年，美國的肯尼柯特公司和芬蘭的奧托昆普公司合作 開發(fā)的閃速吹煉技術(shù)投入工業(yè)生產(chǎn)，2007年我國陽谷祥光銅業(yè)有限公司引進(jìn)了閃速熔煉一閃速吹煉技術(shù)。20世紀(jì)80年代加拿大諾蘭達(dá)霍恩冶煉廠開發(fā)了連續(xù) 吹煉轉(zhuǎn)爐(亦稱諾蘭達(dá)轉(zhuǎn)爐)，1997年11月實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。1999年首臺澳斯麥特吹煉爐在我國中條山有色金屬公司侯馬冶煉廠投產(chǎn)，以及諸如氧氣頂吹等 其他吹煉技術(shù)，開始改變著傳統(tǒng)的P-S轉(zhuǎn)爐的主導(dǎo)局面。連續(xù)化的銅锍吹煉 新工藝將實現(xiàn)幾乎全部的硫回收、無SO2排放和低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

4 P-S轉(zhuǎn)爐用耐火材料現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)爐吹煉為間歇式操作，每一周期內(nèi)，有多次停風(fēng)進(jìn)料倒渣作業(yè)，吹煉過程 中爐內(nèi)溫度為1200 ~1300℃,而停風(fēng)進(jìn)料、倒渣、倒粗銅時，爐內(nèi)吸入大量冷空 氣，溫度迅速下降，一般加料時爐溫下降300 ~500℃，轉(zhuǎn)爐爐溫就會在800 ~ 1500℃波動。因此轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯的耐火材料要有很好的抗熱震性能。轉(zhuǎn)爐操作時高壓 空氣通過風(fēng)口吹出。在風(fēng)口周圍形成強(qiáng)烈的攪動，高溫熔體對爐襯有極強(qiáng)的沖刷 作用，因此轉(zhuǎn)爐的耐火材料尤其風(fēng)口區(qū)的耐火材料應(yīng)該有很好的耐磨性。同時, 轉(zhuǎn)爐冶煉時還要加入一些冷料及固態(tài)的造渣劑，在吹煉時加入石英石造渣，爐渣 主要成分有FeO、SiO2、CaO。吹煉中的渣型是從弱酸到強(qiáng)堿性，所以要求爐襯有良好的抗堿性渣的性能。

鎂鉻磚的耐急冷急熱性好，耐磨性好，有較好的抗堿性渣侵蝕性能，因此， 轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯主要為鎂鉻耐火材料。內(nèi)襯的易損部位主要是風(fēng)口及風(fēng)口區(qū)、爐口和端 墻等部位。尤其是風(fēng)口及風(fēng)口區(qū)，使用條件為苛刻，也是易損的部位。延長 風(fēng)口及風(fēng)口區(qū)用耐火材料的使用壽命，既可以降低整個轉(zhuǎn)爐爐襯的蝕損，也可以 大幅度地提高轉(zhuǎn)爐爐齡。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)采用電熔再結(jié)合鎂鉻磚或直接結(jié) 合鎂鉻磚。筒體和端墻在渣線部分采用鎂鉻磚或鎂磚。爐口砌磚是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 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、磚的加工難度 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，銅渣噴戳，煙氣沖刷，爐口清理機(jī)械的碰撞和磨損，Cu2S， 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。