提高铜熔炼底吹炉寿命的探讨

2018-06-13高红霞

中国有色冶金 2018年3期

高红霞

(中条山有色金属集团有限公司垣曲冶炼厂，山西垣曲 043700)

富氧底吹熔炼是我国具有自主知识产权的熔池熔炼技术，在国内外铜冶炼的生产实践中取得了成功应用。该熔炼技术具有熔化速度快，对炉料适应性强，熔炼过程可以达到少加或不添加任何熔剂和燃料，基本实现完全自热熔炼。熔炼过程能耗较低，自动化程度高，操作方便，SO2浓度高，有利于制酸，现场环境条件好。主要设备是富氧底吹熔炼炉，北方铜业垣曲冶炼厂2014年技改新建一座φ4.8×20 m的富氧底吹熔炼炉，年处理精矿量50万t。炉寿命是衡量底吹炉生产水平的重要指标，一直受到各生产厂家的重点关注，通过4年的生产实践，确定了影响底吹炉寿命的关键因素，摸索了一些提高炉寿命的措施，与大家共同探讨。

1 底吹炉基本情况

1.1 底吹炉结构

富氧底吹熔炼炉是一座可以转动的卧式圆筒形炉子，通过熔池下部的喷枪将富氧空气吹入熔池，使熔池处于强烈的搅拌状态。炉料从炉子顶部加入到熔池表面，被迅速卷入搅拌的熔体中，形成良好的传热和传质条件，氧化反应释放出大量的热量，使炉料很快熔化，生成铜锍和炉渣。铜锍由侧墙放锍口放出送转炉吹炼，渣从端墙渣口放出。烟气由上部的排烟口排出，进入余热锅炉经降温除尘后送硫酸车间制酸。

底吹炉主要由炉体、传动部分、托轮装置、氧枪、各部水冷水套等组成。炉体包括炉壳、炉衬、进料口、烟气出口、氧枪口、烧嘴口、渣口、冰铜口等。炉壳采用厚度为70 mm材质为Q345R钢板焊接而成，底吹炉炉衬采用380 mm厚的优质镁铬砖砌筑，在铜锍口、渣口以及烟气出口处等易损坏部位设置水套保护，保证其使用寿命。氧枪口区的砖体结构是特殊设计的，砖的材质和性能更好，可以延长氧枪寿命和枪口区砖体的寿命。底吹炉炉体结构示意图见图1。

氧枪是底吹熔炼炉至关重要的部件。根据底吹炉处理能力，一般设置一定数量的氧枪，氧枪的基本结构为双层套管，内管向炉内输送氧气，外管通压缩空气，主要用以冷却保护氧枪。氧枪的喷枪管是自耗式的，当氧枪的前段腐蚀、烧损到一定长度就必须更换喷枪管。

底吹熔炼炉是一种强化冶炼设备，炉体受高温熔体与气流的机械冲刷和化学侵蚀，工作条件恶劣，合理地采用水冷技术是保证底吹炉寿命致关重要的因素。在铜锍口、渣口、加料口以及烟气出口处采用铜水套冷却，保护该部位减少铜锍、熔炼渣和烟气对耐火砖的冲刷，延长耐火材料的使用寿命。

图1 底吹炉结构示意图

1.2 底吹炉寿命的现状

底吹炉寿命是衡量熔炼炉生产水平的重要指标，虽然在设计时采用了较多保护耐火材料的措施，但由于富氧底吹炉属于强化冶炼设备，富氧浓度70%～75%，熔炼温度在1 150～1 250 ℃之间，氧枪中氧气和空气压力为0.4～0.7 MPa,炉内熔体在压缩气流的搅动下,炉体受高温熔体与气流的机械冲刷和化学侵蚀，工作条件恶劣。

根据目前各使用铜底吹炉厂家寿命，一般1～1.5年进行一次停炉挖修，3～5年一次大修。垣曲冶炼厂从2014年2月份投产以来，底吹炉使用周期分别为14个月、11个月、10个月(大修)。对每次挖修炉砖的使用情况进行了统计，结果见表1。统计发现，炉衬各处损坏的严重程度不同，炉衬损坏最严重的部位是氧枪区和渣线区，其次是出烟口、渣口、加料口以及放铜口，炉顶和炉端墙损坏较轻。

表1 底吹炉各部位耐火砖厚度的使用情况统计表 mm

2 影响炉寿命的因素

2.1 机械力的作用

主要是指高温熔体对炉衬的冲刷磨损和清理更换氧枪不当对炉衬所造成的损坏。

氧气底吹熔炼熔池的运动是由氧枪喷入氧气和其他气体的结果。当气体射流由氧枪喷出后，沿射流的纵轴向熔池面伸展，气体到达熔池面时便逸出，熔池则再向下流动形成回流，形成熔池熔液不断循环流动。气泡膨胀、上升过程和流体环流对炉壁造成的冲刷，使炉衬遭到损坏。这些情况与氧气和空气进入熔体的压力有关，气体压力越大，这种机械力的作用对渣线区和氧枪区耐火材料的冲刷更明显。

底吹熔炼生产实践发现，氧枪与氧枪砖相互依存，互为保护。在氧气通道的外围高速流过隋性气体或空气，不仅能强化冷却氧枪，而且在流出氧枪口之后，在氧气外围有一层隋性气体或空气遮护，阻隔氧气和熔液直接接触，从而对氧枪起保护作用，使之蚀损缓慢，延长使用寿命。用于炼铜的氧枪，操作条件合适时，熔炼过程中在氧枪出口周围生成结瘤，习惯上称为“蘑菇头”，蘑菇头使氧枪端头及其四周耐火砖与熔液隔开，更有效地保护了氧枪及其四周耐火砖，大大延长了氧枪和氧枪砖的使用寿命。如果氧枪喷出气体的压力和枪结构选择不当，会出现严重的“气泡后座”现象，气泡敲打和冲击炉底，成为损坏炉底的重要原因。严重的喷溅，造成熔池振荡现象，甚至气流射穿熔池，严重损坏渣线区的耐火材料。

2.2 热应力的作用

(1)温度变化。底吹炉正常作业一般运行3～5天，需要转炉清理氧枪和其他附属设施，或故障转炉停风，在供风和停风时炉内温度变化较大，从而引起耐火材料掉片和剥落。由于温度的剧烈变化，产生很大的热应力。耐火材料尤其是含Cr2O3高的耐火材料，抗热振性较差，会造成被熔体浸入的耐火砖前部100 mm左右爆裂或断砖现象。由于底吹炉不是每年大修，在局部挖修时，对于底吹炉降温，需要缓慢自然冷却，如果采用吹风强制冷却，影响下一个周期的炉寿命。

(2)铜锍品位。硫化亚铁造渣反应是放热反应，保证熔炼反应需要的热量，硫化亚铁造渣化学反应是：

当提高铜锍品位时，会造成熔体温度升高，熔体温度越高，机械力、热应力和化学侵蚀三种力作用对炉衬的损害越严重。

“老大爷您好！”杨力生向老人家问候了一声。老人点头向他还礼：“嗯，你好。”说着，让他坐在办公桌前的凳子上，老人给他倒上了一杯水，然后自己也坐好，便问：“小伙子来找我有什么事？”

从生产实践也可以得到验证，底吹炉在第一个生产周期，铜锍品位58%左右，炉寿命达到14个月，2015年6月调整底吹炉铜锍品位为70%，后两个生产周期的炉寿命大幅降低，尤其是渣线区和氧枪区的耐火砖冲刷腐蚀比较明显。当铜锍品位高于75%时，渣线区的耐火材料腐蚀加剧，两家同类企业底吹炉就出现了渣线区跑铜的事故，分析主要原因就是铜锍品位控制过高。当铜锍品位达到78%以上时，有金属铜生成，在清理氧枪时可以发现明铜。金属铜粘度很小，能顺着耐火砖的气孔渗透到砖体内部，使方镁石晶体、铬矿晶粒间的距离增大，从而使耐火砖结构疏松，加剧耐火材料的烧损。

2.3 化学侵蚀

化学侵蚀主要是炉渣熔体的侵蚀。富氧底吹炉熔炼产出的炉渣为二元渣型，即硅铁渣，主要成分为铁橄榄石(2FeO.SiO2)，它对耐火砖中的方镁石和铬矿侵蚀严重，它不仅从耐火砖的颗粒表面进行溶解，而且铁的氧化物能使方镁石和铬铁矿晶粒饱和，并能形成固熔体，造成Mg—Cr砖的化学破损，大幅度地降低了耐火材料性能。温度愈高，MgO在炉渣中溶解度愈大。在同一温度下，渣中SiO2含量增大，MgO在渣中的溶解度总的趋势是升高的，这说明高温下含SiO2高的炉渣对镁质耐火材料侵蚀严重。因此，生产中严格控制炉温和熔炼渣的Fe/SiO2。

2.4 其他影响因素

铜锍口、渣口、加料口以及烟气出口处采用铜水套，保护该部位耐火砖的冲刷，但是当水套结构不合理，在铜锍、熔炼渣、入炉物料和高温烟气的冲刷磨损下，水套出现漏水现象，造成局部耐火砖损坏，从而影响整炉寿命。2015年和2016年出现出烟口水套漏水，水套停水后，在高温烟气的冲刷下，烟口水套和炉口底座短时间内均被烧损，炉口砖缺少了水套的保护，径向炉口砖出现脱落现象，影响正常生产。

3 提高炉寿命的措施

3.1 提高耐火砖、砌炉和烤炉质量，制定氧枪砖更换制度

3.1.1 提高耐火砖质量

在渣线和氧枪容易损坏的部位砌优质镁铬砖有较好的抗损坏效果。耐火材料的选择有以下要求：耐火度高，高温结构强度大，热稳定性好，抗渣能力强，高温体积稳定，外形尺寸规整、公差小。目前市场上优质的镁铬质耐火材料能满足以上要求。

3.1.2 提高耐火砖、砌炉和烤炉质量

底吹炉砌炉要求采用专业砌筑队伍，严格按照要求对于前后相邻砖和上下相邻砖层的砖缝应交错，并放置膨胀纸消除耐火材料升温膨胀裕量。氧枪砖热换挖补时，要保护好围砖，避免因拆除氧枪砖而损坏到围砖。

3.1.3 制定氧枪砖更换制度

氧枪区和渣线区耐火砖的寿命就是炉寿命，氧枪砖可以定期挖补热换，起到保护氧枪区耐火砖的寿命。建立氧枪砖测厚台帐，定期测量氧枪砖厚度，当氧枪砖长度小于320 mm时，及时热换氧枪砖。定期更换渣口砖。

3.2 严格控制工艺条件

稳定铜锍品位在70%～73%，控制渣型Fe/SiO2在1.6～2.0之间。当发现铜锍品位超过74%，及时调节配料和工艺参数，在4 h内将品位降下来。稳定铜锍品位，重点加强自产精矿、各种外购精矿和渣精矿的配比，建立配比函数关系，稳定入炉精矿的S/Cu。建立入炉物料配料的函数模型，确保生产的铜锍品位稳定，排渣顺畅。

控制铜锍温度在1 150～1 170 ℃，渣温在1 150～1 160 ℃，采用红外线测量仪测量，每天用热电偶校检一次，当温度高时，通过调整氧料比，分批加入冷料；当熔体温度偏低时，排渣困难，需要及时调高氧料比，适当增加粉煤的用量，控制冷料的加入量。