耐火材料在有色金属冶炼炉窑上的应用

□文/萧治彭中国有色工程有限公司

耐火材料在有色金属冶炼炉窑上的应用

Refractory Material Used in Nonferrous Metal Smelting Furnaces

□文/萧治彭
中国有色工程有限公司

有色金属冶炼的主要设备就是有色金属冶炼炉窑，研究有色金属冶炼工业技术进步对耐火材料品种、质量的需求应该是耐火材料行业为有色金属冶炼炉窑延长寿命、提高产量主要的任务。现就铜、铅、锌等主要有色金属冶炼炉窑的现状和对耐火材料的要求进行介绍。

一、有色金属冶炼炉窑现状

1. 炼铜工业

铜的生产工艺流程是各种有色金属中方法最多的一种，我国铜的生产工艺流程不仅包括了世界上所有铜工艺流程，而且还包括我国独有的流程，如白银炼铜法和氧气底吹熔炼炉。

在火法炼铜流程中，其差别主要在于铜锍的生产，而转炉吹炼和铜精炼基本上一致。

（1）闪速炉

由于闪速炉反应塔内温度高，夹杂着熔体的高速气流对反应塔冲刷腐蚀，要求反应塔培壁必须采用抗高温、抗冲刷、耐腐蚀的优质耐火材料。目前均采用电熔镁铬砖，同时为保护电熔镁铬砖，在砖砌体中夹砌若干层水平铜板水套，在砖砌体与外壳之间设置水冷铜管或立式铜板水套，反应塔顶及上部低温区则使用普通镁铬砖砌筑。在反应塔与沉淀池顶的连接部分（同样沉淀池与上升烟道连接部分），要经受高温熔体及含尘高温气流的冲刷和强烈腐蚀，衬里极易损坏，故通常采用带翅片铜管捣固耐火浇注料或铜水套嵌砌优质镁铬砖的结构。

沉淀池的主要作用是进一步完成造渣反应并沉淀分离熔体（渣和锍在此分开）。沉淀池渣线附近，特别是反应塔下部的侧墙和端墙渣线附近，受高温熔体的冲刷腐蚀非常严重，通常这些部位除采用预反应镁铬砖、直接结合镁铬砖等优质材料外，还设置水平铜水套、冷却铜管和倾斜铜水套，以延长其使用寿命，沉淀池顶亦是受高温气流冲刷严重的部位，通常在轴向上，设置带翅水冷铜管外包耐火浇注料，通冷却水的“H”型水冷梁夹砌在炉顶砖中，以防止沉淀池顶的轴向变形。

目前，闪速炉的发展方向是更大型化，其反应塔直径7m的闪速炉已经在萨姆松厂出现，贵溪冶炼厂闪速炉反应塔直径也达到6.8m。炉子大型化对耐火材料的要求更高是显而易见的，我国一些耐火材料企业在这方面做了积极的跟进。

（2）诺兰达炉

诺兰达炉是我国成功引进的又一种大型冶炼铜锍炉型。由于在同一炉内要完成精矿干燥、焙烧、熔炼、吹炼造渣等工艺过程，炉内有强烈的搅拌，同时炉体还需转动，因此，对炉衬和炉用耐火材料有很高的要求。

诺兰达炉炉衬损坏最厉害的是风口区、风口区对面的炉墙、渣线附近、铜锍放出口、渣口、炉口和加料口等部位。铜锍放出口砖采用熔铸镁铬砖，其他部位采用熔粒镁铬砖，炉身及端墙采用直接结合镁铬砖，底部砌瓦形高铝砖。熔粒镁铬砖与炉壳之间的间隙采用碳化硅耐火泥填充，直接结合镁铬砖与炉壳之间的间隙采用镁质耐火泥填充，炉身上部与炉壳之间的间隙不填充任何耐火材料，作膨胀缝之用。

目前，国内可以生产诺兰达炉所用全部耐火材料，其性能与进口砖相近，但价格优势明显。

（3）澳斯麦特炉

澳斯麦特技术也称顶吹浸没熔炼技术，用于铜锍熔炼工艺中，澳斯麦特炉是其主体设备。澳斯麦特炉（见图1）是一个圆柱体，上接呈收缩而向一侧偏斜的锥体部分，再通过过渡段与余热锅炉的垂直上升烟道连接，其锥体上部分别开有喷枪口、进料口、备用烧嘴口和取样观察口，在炉子底部则分别开有金属放出口和渣口，渣口稍高，整个炉体由钢壳包裹。澳斯麦特炉在铜、铅、锡冶炼过程中，虽然工艺条件不完全相同，但内衬的耐火材料基本相同。由图1可看到，原料、燃料、预热空气在炉内形成强烈的搅动，炉身和上部炉衬受到固体原料、碱性液体渣、高温气体混合物的冲刷，条件极其恶劣。这些部位需要优质的耐高温、耐冲刷的材料如电熔镁铬砖或熔粒再结合镁铬转，有的炉子还应用了铬铝尖晶石砖。

图1 澳斯麦特炉示意图

（4）氧气底吹熔炼炉

氧气底吹熔炼技术是我国自行开发的铜、铅冶炼工艺，氧气底吹熔炼炉是其核心设备。氧气底吹熔炼炉炉体结构基本与回转式阳极炉相似(如图2)，只是在炉底有一组氧气喷枪，进料口、出烟口、金属出口、渣口等有其本身的要求。由于固态和液态物料在高压氧气的强烈搅动下发生化学反应并产生高温，炉衬是在极其恶劣的环境下工作，特别是氧枪口区砖体，所受机械冲刷和化学侵蚀更严重。氧气底吹熔炼炉的内衬，全部采用优质镁铬质耐火砖或不定型耐火材料，以及包括铬铝尖晶石砖等优质耐磨材料。

图2 典型的氧气底吹炼炉结构

（5）白银炼铜炉

白银炼铜炉是我国自行开发研究的铜锍熔炼新工艺，以取代原铜精矿反射炉熔炼工艺，属于熔池熔炼范畴，现已基本实现富氧自热熔炼。该熔炼工艺对原料实用性强，熔炼强度大，燃料品种要求宽松，综合能耗低，出炉烟气二氧化硫浓度高，环境条件好等。

原始的白银炼铜炉是在反射炉的基础上，在两侧炉墙上增加若干风口，鼓入高压空气（150~210kPa），以略高于熔池面的隔墙将熔炼区和沉淀区隔开（下部熔体相通），称为单室白银熔炼炉。改进后，将隔墙砌至炉顶，分成熔炼区和沉淀区两个部分，称为双室白银熔炼炉。排烟口设在熔炼区尾部（双室白银熔炼炉在沉淀区内增设一排烟口），铜锍放出口及渣口均设在沉淀区端部炉墙两侧。

风口区是白银熔炼炉损坏最严重的部位，也是影响炉寿命最关键的部位，采用熔铸镁铬砖或直接结合镁铬砖砌筑，可以保证炉寿命在一年以上：渣线附近及隔墙通道，采用铜水套冷却：其他部位用烧结镁砖或镁铝砖砌筑。白银熔炼炉炉床不宽（＜4m），因此，炉顶为拱顶，用镁铝砖砌筑，炉底为反拱，用镁砖砌筑。

（6）转炉

目前将铜锍冶炼成粗铜的主要设备是转炉。转炉工作条件恶劣：熔体被高压空气（或富氧空气）强力搅拌，炉衬受到猛烈冲刷，特别是加入大量的固态冷料和熔剂，加剧了对炉衬的冲刷；温度波动大，吹炼时炉温可达1350℃以上，而在停风加料（铜锍、熔剂、冷料）和倒渣时，炉温迅速降至1000C，甚至更低；冶炼过程中渣的性质不断变化，从弱碱性逐渐变成酸性。故对炉衬耐火材料提出了很高的要求。

转炉风口砖和风口区的砖是转炉炉衬损坏最严重的部位，为了风口的整体性和风口位置的准确性，目前风口砖均用实体砖砌成整体，再用特殊钻头钻风眼，材质采用电熔粒再结合镁铬砖或直接结合镁铬砖。风口区也采用上述材料。筒体和端墙在渣线部分采用优质烧结镁砖。炉口砌砖是结构强度最薄弱的部位，特别是炉口与圆形筒体的交接处，因形状复杂、砖的加工量大、砖缝多而难以掌握；炉口又是加料、倒渣，排烟的通道，工艺操作极为频繁，温度变化频繁、铜渣喷溅、烟气冲刷。炉口清理机械的碰撞和磨损、CuS2、SO2的侵蚀非常严重，内衬工作条件极为恶劣。为此，在结构上应采取措施，尽量减少砖型，减少结构上的薄弱环节；在材质选择上，全部选用直接结合镁铬砖，提高炉体的整体寿命。

贵溪冶炼厂在引进闪速炉的同时，还全套引进了日本的转炉技术和设备（包括全部耐火材料），通过对引进设备的吸收和消化，从1990年开始，己经全部采用国产的耐火材料维护检修炉体，耐火材料消耗已经达到1.932kg/tCu的世界先进水平。

（7）粗铜精炼炉（阳极炉）

我国目前的粗铜精炼设备还有不少是阳极反射炉，炉床面积6.4~25m2，装入量20~140吨，内层砖衬主要为镁铝砖和镁砖，少量炉子渣线附近采用烧结镁铬砖。由于阳极反射炉炉宽较小（＜4m），一般为拱顶，炉顶寿命与阳极反射炉的炉龄密切相关，小型炉，特别是镁砖炉炉顶寿命一般为3~4月。

回转式精炼炉是能够回转的筒形炉，但没有转炉中的大量风口，只有两个氧化还原孔，且作业时间较短。由于经常转动，没有固定的渣线，炉渣的侵蚀和熔融金属的冲刷，几乎占据了2/3以上的炉膛内表面，因此，一般要求内衬镁铬砖Cr2O3的含量大于22%，在氧化还原口和出铜口处，因要求更高，经常采用直接结合镁铬砖或电熔粒再结合镁铬砖。目前，回转式阳极炉所用的耐火材料已全部采用国产耐火材料。

2. 铅锌工业

（1）铅锌密闭鼓风炉

铅锌密闭鼓风炉是在一台设备中同时冶炼出两种金属——铅和锌的特殊鼓风炉。其特点是，使用800℃~850℃热风鼓风；炉顶保持1050℃~1100℃的高温；炉缸只有渣口，前床出铅。铅锌密闭鼓风炉炉缸采用镁砖砌筑，炉腹是水套，炉身采用高铝砖砌筑，炉顶用高铝质不定型耐火材料打结。铅锌密闭鼓风炉的前床均为电热前床，其寿命比鼓风炉低，主要是渣侵蚀冲刷渣线所致。目前国内两座铅锌密闭鼓风炉，其前床内村分别采用铬渣砖和铝铬钛砖，炉龄虽可达1年以上，但仍低于铅锌密闭鼓风炉寿命。如何进一步提高电热前床的炉寿命，使之与铅锌密闭鼓风炉寿命相匹配，是提高铅锌密闭鼓风炉作业率的关键。

（2）氧气底吹炼铅炉

氧气底吹熔炼技术的开发，是从铅冶炼工艺的改造开始，也是首先在粗铅冶炼中得到应用的，图2就是典型的氧气底吹炼铅炉，目前国内铅冶炼企业大量采用氧气底吹熔炼技术，已有10几台氧气底吹炼铅炉投入生产。对氧气底吹炼铅炉耐火材料的研究已有良好的开端，进一步改进耐火材料耐火材料，提高炉寿命，是氧气底吹熔炼技术的开发的重要条件。

（3）锌精矿流态化焙烧炉

锌精矿流态化焙烧炉（沸腾炉）是湿法炼锌和蒸馏法炼锌处理锌精矿不可缺少的热工设备，虽然炉内气氛不同（分酸化焙烧和氧化焙烧）、炉型不同（圆形炉、圆形一级扩大炉、方形炉），但都采用粘土砖砌筑而成，炉底分布板，加料前室、排料口等部分也有采用粘土质耐火混凝土捣制。流态化焙烧炉的发展方向是大型化，国内已经有140m2的沸腾炉。流态化焙烧炉的另一发展方向应该是采用不定型耐火材料，氢氧化铝流态化焙烧炉的炉内环境比锌精矿流态化焙烧炉更恶劣，它可以全部采用不定型耐火材料，锌精矿流态化焙烧炉也完全可以采用不定型耐火材料。

（4）感应熔锌电炉

在湿法炼锌工艺中，现均采用工频感应电炉进行阴极片的重熔铸锭。其炉体采用粘土砖砌筑，寿命较长。设备运行时，熔沟中的锌液不断冲刷感应室，并对感应室的耐火材料进行渗透，一旦锌液穿透感应室，将会烧坏感应器，迫使电炉停炉。由于熔沟是采用锌铸成的环状体，很难制造与之相应的砖，只能将其安装好以后，采用不定形耐火材料捣制。锌的熔点低（419℃），熔液温度低（480℃~500℃），感应室所处的温度无法将捣制而成的耐火材料烧结成整体，只能使用粘结剂将其结合成整体，目前普遍使用的水玻璃粘土质材料基本满足要求。水玻璃的质量、数量、骨料、掺和料的粒度、配比，促凝剂的种类以及捣筑工艺对感应室的寿命影响极大。

3. 再生金属工业

目前，一些再生金属的生产企业不仅生产规模大，而且采用了一些较先进的工艺，如再生铜领域采用竖平炉工艺、倾动炉精炼工艺、再生黄铜棒电炉熔炼—潜液转流—多头多流水平连铸工艺等；再生铝领域采用侧井熔炼炉工艺、回转炉工艺、三室反射炉工艺等；再生铅领域采用短回转窑熔炼工艺、氧气底吹熔炼鼓风炉还原炼铅新技术等。

目前，再生金属行业正深入落实再生有色金属产业准入制度，再生金属行业已经走上了形式多样化、企业规模化、设备大型化、质量标准化、技术不断创新及产业升级速度加快的轨道。在这一过程中，采用先进的再生金属熔炼设备是很关键的，而其耐火材料起着重要的作用。以竖平炉（见图3）工艺为例：熔铜和熔铝的竖平炉是在反射炉（平炉）的尾部砌筑竖式通道（竖炉），因而称之为竖平炉。物料从竖炉顶部加入，反射炉的高温烟气从竖炉下部进入，预热物料后从竖炉上部排出。反射炉的最大缺点是热效率低，1100℃~1350℃的高温烟气不能充分利用。而竖平炉则因为烟气预热了物料，排出竖炉时仅400℃~600℃，大大提高了炉子的热效率。但竖炉炉壁受到固体物料的强力摩擦，因此，竖炉的耐火材料选泽是非常关键的，国内某厂采用铬刚玉砖和铬刚玉浇注料砌筑，效果不错。再生金属与原生金属的冶炼，虽然原理相同，但由于物料种类不同，冶炼方法和使用的设备（炉窑）也不相同。对再生金属炉窑及其耐火材料也有不同的要求，值得耐火材料行业关注。

图3 竖平炉结构图

二、我国耐火材料生产现状

我国有一批耐火材料企业生产规模大、技术装备先进、产品质量高，其产品在有色企业中被广泛使用，目前国内先进企业的水平与国外企业相近，价格优势也很明显。但是我国耐火材料企业的水平相差很大，大量耐火材料企业生产规模小、技术装备落后、产品质量差，使我国整体耐火材料企业的水平比较低，这在有色企业使用的耐火材料中体现得尤为明显。

三、有色金属用耐火材料发展的建议

1. 材质

有色金属用耐火材料，尤其是重金属冶炼炉窑用耐火材料，以碱性耐火材料为主。我国有丰富的镁矿资源，高质量镁砂是高质量碱性耐火材料的基础。多年来，镁砂生产没有受到足够的重视，相当多的低质镁砂廉价出口，被外商处理后，制成优质耐火材料出售，获取高额利润。低质镁砂也是我国碱性耐火材料质量不高的重要原因。因此，提高镁砂质量，即减少镁砂杂质（SiO2、CaO、FeO等）是提高碱性耐火材料的关键；同样，应提高对高铝砖、硅砖，粘土砖原料的质量，使各种耐火材料都有优质的原料。我国有丰富的锆英石资源，应充分利用氧化锆的耐高温、耐腐蚀、抗冲刷的优良性能，开展对含锆耐火材料进行研究，以期开发出价廉、质优、适合有色金属工业用的新型含锆耐火材料。我国铬资源很少，金属铬的产量很低，但有些企业利用生产金属铬产生的渣，研制出耐高温、耐冲刷、耐腐蚀的铬铝尖晶石制品，解决了不少有色冶金炉窑的炉寿问题。如株洲冶炼厂锌渣挥发窑在使用了该企业的铬铝尖晶石制品后，炉寿提高了几倍，深受该厂的欢迎。碳化硅、氮化硅等高级耐火材料，已应用于有色冶金炉窑的一些特殊部位，目前应着重在降低其成本上下功夫。

2. 不定形耐火材料

不定形耐火材料包括耐火浇注料、耐火可塑料、耐火捣打料等，在有色冶金炉窑使用较多，如氢氧化铝焙烧的流态化炽烧炉，使用不定形耐火材料己达50%~70%，而炉型与之相似的锌精矿流态化焙烧炉，则基本上采用砖砌筑，很少使用不定形耐火材料。应当将氢氧化铝焙烧的流态化焙烧炉使用不定形耐火材料的经验，尽快移植到锌精矿流态化焙烧炉上来，以缩短锌精矿流态化焙烧炉的筑炉时间，降低筑炉成本。

在有色冶金炉窑上采用不定形耐火材料有很大的发展余地，如铅鼓风炉炉缸底部、铜阳极炉炉底、一些电炉炉顶、锡反射炉炉底等部位，均可以使用不定形耐火材料，使用不定形耐火材料，不仅省时、省钱，还可以加强炉体部位整体性，提高炉寿命。澳斯麦特炉、氧气底吹熔炼炉等向炉内熔体喷吹空气物料的炉子，与炼钢电炉有其相似之处，炼钢电炉基本是用不定形耐火材料筑成，有色冶金的这些炉子也应该可以使用不定形耐火材料，耐火材料企业应该与设计单位和生产企业共同研究此问题。

3. 耐火材料生产管理

目前，虽然我国耐火材料生产厂众多，但多数为规模小、技术水平低，设备落后的企业，它们占据了大量资源，对耐火材料工业的发展非常不利。应该通过市场竞争机制，淘汰一大批技术落后的耐火材料厂，采用耐火材料行业准入管理是当务之急。应该在加大技术改造及创新投入、加快淘汰落后产能、鼓励行业兼并重组、完善产业发展政策、充分发挥行业协会作用等方面制定切实可行的措施，使耐火材料工业的生产走上健康发展的道路。