艾萨炉耐火砖炉外热态挖补的实践

董佳伟， 朱 江， 张 鑫， 张碧强， 石改华

(楚雄滇中有色金属有限责任公司, 云南 楚雄 675000)

艾萨炉耐火砖炉外热态挖补的实践

董佳伟， 朱 江， 张 鑫， 张碧强， 石改华

(楚雄滇中有色金属有限责任公司, 云南 楚雄 675000)

结合实际分析了艾萨炉耐火砖的损蚀情况及易损部位，在综合考虑检修时间、维修成本、安全等因素的基础上，制定了艾萨炉耐火砖挖补方案——炉外热态挖补，达到了缩短检修时间、降低维修成本、延长炉寿的目的。

艾萨炉； 耐火砖； 热态； 外部挖补； 炉寿

0 前言

艾萨炼铜法是一种顶吹熔池熔炼法。艾萨炉为圆筒竖式炉型，外部为钢板，内衬耐火材料、冷却元件，设有喷枪、喷枪操作系统及其他附属设施。艾萨炉内衬由优质粘土砖、镁铬质捣打料和镁铬耐火砖筑成。艾萨炉耐火材料直接与炉料和高温熔体、烟气接触，受化学侵蚀、热震损伤及高温熔体、烟气机械冲刷等作用，耐火砖会出现损耗。

楚雄滇中有色金属有限责任公司(以下简称:滇中公司)艾萨炉按照10万t/a粗铜产量配套设计，2010年5月投入生产，因未设计阻溅板烟气区域北面耐火砖受锅炉掉渣冲击、烟气洗刷发红，2011年4月19日停炉检修。

1 艾萨炉耐火砖的损耗情况

1.1 耐火砖腐蚀机理

艾萨炉结构如图1所示。冶炼过程中，炉内的耐火材料因化学、热力学和机械磨损等原因会出现蚀损。

图1 艾萨炉结构示意图

1.1.1 化学因素的影响

炉内耐火材料直接接触炉料、烟气，受到酸性渣、SO2、冰铜等侵蚀、以及氧化还原反应的作用，砖体内部的连接部位受到破坏，加剧了耐火材料的损耗。主要反应如下：

2FeO·SiO2+2MgO=(Mg，Fe)2SiO4

(1)

SO2+O2=SO3

(2)

SO3+MgO=MgSO4

(3)

MgO+H2O=Mg(OH)2

(4)

1.1.2 热力学因素的影响

①高温熔体对炉衬的渗透、冲刷。②生产不连续，作业率低，反复启停，炉衬热冲击的次数多。③炉子运动产生的热应力降低砖体内部结构间的连接，耐火砖受热面剥落。

1.1.3 机械方面因素的影响

①强烈的熔池搅动以及物料运动造成机械冲刷。②含尘烟气对耐火材料受热面冲刷。③炉子运动产生机械应力。④炉衬内部张紧力耐火砖表面部分尖晶石颗粒被冲刷掉，耐火砖表面磨损。

1.2 耐火砖损坏的主要形式

1.2.1 高温下化学熔蚀

在高温下耐火材料矿物晶体表面与液态炉渣发生化学反应进入炉渣，炉渣逐渐向耐火材料内部侵入，形成与原耐火砖结构和性质不同的变质层。耐火材料矿物晶体被液相逐渐包围、离解，颗粒间的结合力丧失，颗粒被冲刷进入炉渣。当炉内温度剧烈变化时，耐火材料内部产生平行于工作面的裂纹，变质层崩裂和剥落。熔体渗入越深，变质层越厚，结构剥落就越严重。

熔体向耐火材料中渗透的深度可由下式表示：

X=(rбcosθ/η×τ)0.5

(5)

式中：X为渗透深度；r为耐火材料孔隙的半径；б为熔体的表面张力；η为熔体的黏度；τ为时间；θ为熔体在耐火材料上的接触角。

1.2.2 磨损和机械冲刷

高温下气浪冲击，密度大于耐火材料的熔体的强烈搅拌磨损，加速耐火材料的蚀损。

1.2.3 气氛变化引起结构疏松

耐火材料中的变价化合物在气氛变化时发生氧化还原反应，使得耐火材料结构逐渐疏松，强度下降，蚀损加快。尤其在烟气区域，因保温烧嘴和有尘烟气二次燃烧，温度变化较大。

1.3 艾萨炉耐火材料损耗情况

滇中公司2011年5月更换艾萨炉第一炉期耐火砖时，对整个耐火砖拆装过程全程跟踪，对炉砖损耗情况逐层测量、统计，据此进行分析，以掌握艾萨炉耐火砖的损耗情况及损伤严重区域的分布，见表1。

表1 耐火砖损伤情况

注：统计数据与工作层砖位置大致相对应，由下至上

1.3.1 熔池区耐火砖

熔池区(3 m以下)内衬工作层砖用厚450 mm的镁铬砖砌筑，内衬砖与炉壳之间为厚100 mm的低蠕变高铝砖砌筑。从外观看，整个熔池区域耐火砖烧损较轻，接近炉底的几层基本无烧损。东面炉砖烧损范围70～190 mm，南面炉砖烧损范围50～110 mm，西面炉砖烧损范围90～215 mm，北面炉砖烧损范围80～170 mm，熔池区域耐火砖残砖厚度250 mm左右。

1.3.2 直筒区

直筒区(不包括熔池区)，炉身直段内衬工作层全部用厚450 mm的镁铬砖砌筑，内衬砖与炉壳之间为厚100 mm的低蠕变高铝砖砌筑。第62层为直筒区和烟气区的连接层，受到的冲击和侵蚀最大，东面烧损200 mm，南面烧损80 mm，西面200 mm，北面烧损300 mm。直筒区炉砖越往下被洗刷烧损的越多，其中西面受保温烧嘴的影响，比其他几个面烧损要多。东面炉砖烧损范围80～180 mm，，南面炉砖烧损范围20～145 mm，西面炉砖烧损范围90～200 mm，北面炉砖烧损范围85～160 mm，其中第31～38层烧损较严重，各个面上少部分的炉砖出现断裂现象，直筒区域耐火砖残砖厚度在150～360 mm。

1.3.3 烟气区域

烟气区(锥体部分)工作层砖用厚350 mm的镁铬砖砌筑，镁铬砖与炉壳之间为76 mm的保温砖。烟气区各个面上的炉砖越往下洗刷烧损越严重，其中南面烧损最轻。东面炉砖烧损范围0～220 mm，南面炉砖烧损范围0～55 mm，西面炉砖烧损范围0～205 mm，北面炉砖烧损范围0～350 mm，第63层和第69层最严重，北面第63层至第64层延炉壳有2.5 m2已基本无耐火砖，缝隙内为一层厚100 mm左右的炉渣。

2 艾萨炉耐火砖挖补实践

滇中公司艾萨炉第一炉期由于烟气区域北面一个点炉砖损耗较大，被迫停产更换炉砖。在更换耐火砖的过程中发现，有部分耐火砖损耗较小，仍可以继续使用，造成了很大的浪费。为此公司在艾萨炉第二炉期，对耐火砖的使用和挖补方法进行了重点研究。

2.1 检修方案

根据艾萨炉结构及实际生产情况提出三种方案：整体耐火砖更换，炉内局部挖补，炉外局部热态挖补。三种方案的优缺点对比见表2。

表2 艾萨炉耐火砖检修方法优缺点对比

通过对比，权衡利弊，滇中公司决定采取炉外局部热态挖补方案，并在第二炉期进行了尝试。

2.2 耐火砖炉外局部热态挖补的实施

为保证外部挖补切除外部炉壳期间的强度，外部炉壳上提前加固筋板(见图2)。

图2 耐火砖外部热态挖补加固筋板、砌筑示意图

检修具体实施步骤如下：

(1)搭建好检修工作平台、准备好使用工器具后实施挖补。

(2)以炉壳发红处为中心，将炉壳整块切除(外部加强筋板不切除)；检查掉砖情况，切除位置、面积根据现场检查掉砖情况适当调整。

(3)炉壳切除后检查掉砖区域炉砖厚度，炉砖厚度低于150 mm清除进行挖补，挖补时最底层使用350 mm的砖找平逐层往上砌，根据现有耐火砖型搭配砌筑，新砖与旧砖之间的缝隙用小标砖加工后塞严密。砌筑方式为湿砌。

(4)炉砖挖补结束后，根据现场炉砖砌筑情况考虑炉壳是否进行恢复。

2.3实施效果

艾萨炉第二炉期自2012年11月17日炉砖出现发红现象后，根据炉砖损耗位置、面积开始尝试热态挖补。至2014年1月3日，共进行炉砖外部热态挖补6次，具体情况见表3。

表3 第二炉期炉砖挖补记录

通过6次对艾萨炉耐火砖热态挖补，第二炉期已成功延长使用寿命13个月。图3为艾萨炉北面耐火砖内部损伤及外部热态挖补后示意图。

图3 艾萨炉北面耐火砖内部损伤及外部热态挖补后的图片

2.4 方法特点

实践表明，该方法具有如下特点：

(1)操作简单、灵活，检修时间短，均在10 h左右。可根据艾萨炉系统的检修计划，结合炉砖损耗情况进行热态挖补，大大缩短了检修时间。

(2)对使用的炉砖要求不严格，可根据库存由350 mm和450 mm的砖灵活搭配，提高了资源利用率，降低了库存。

(3)若进入炉内挖补，艾萨炉需停炉。艾萨炉每次停炉、开炉费用约80～100万元，热态挖补避免了频繁停炉、开炉，故维修成本费用低。

(4)由于无需艾萨炉频繁停炉、开炉，避免了停炉、开炉对其他耐火砖的损伤，有利于延长艾萨炉炉寿，提高单炉产能。

3 结语

艾萨炉炉寿是困扰铜冶金行业多年的问题，延长炉寿是一直关注和探讨的课题。滇中公司经过分析总结，制定出一套行之有效的外部挖补方法，并在艾萨炉第二炉期实施，有效延长了艾萨炉的使用寿命，艾萨炉寿已达到31个月,成效显著。下一步工作目标是：更好地将挖补炉砖与旧砖结合，提高挖补质量和效果；通过控制磁性铁、渣型、操作温度以及入炉物料组成等，增加炉墙挂渣，减少艾萨炉耐火砖的损耗，延长炉寿。

[1]彭容秋.铜冶金[M].长沙：中南大学出版社，2004.

[2]梅炽.有色冶金炉[M].北京：冶金工业出版社， 2006.

PracticeofthermalpatchingofrefractorybricksoutsideISAfurnace

DONG Jia-wei, ZHU Jiang, ZHANG Xin, ZHANG Bi-qiang, SHI Gai-hua

Based on the practice, the degradation and position easily injured of refractory bricks of ISA furnace were analyzed. Based on the consideration of factors like maintenance time, repair cost and safety, the plans of patching of refractory bricks of ISA furnace was made, that is thermal patching out side furnace. The goals of shortening maintenance time, reducing repair cost and prolonging service life of furnace were realized.

ISA furnace; refractory bricks; thermal; outside patching; service life of furnace

董佳伟(1959—)，男，云南剑川人，主要从事有色冶金企业管理工作。

TF806.05

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