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如何选镁铬耐火材料才能提高熔炼炉炉衬寿命

4月,11,2018

金川公司铜自热熔炼炉是用来处理含镍铜精矿的。含镍铜精矿是高镍锍经缓冷和磨浮分选后得到的铜精矿,其成分为:Ni3.5%,Cu67%~69%,Fe3%~4%,S20%~22%。这种铜精矿含镍高、含铁低、含硫低,不含脉石,不同于天然矿石选出的铜精矿。
金川含镍铜精矿的冶炼工艺,从20世纪60年代借鉴传统的处理一般铜精矿的工艺流程开始,经过多个发展阶段而演变为现行工艺。20世纪90年代初,金川公司采用了从俄罗斯引进的俄罗斯镍设计院和北镍公司联合开发的原本处理镍矿的氧气顶吹自热炉技术与设备经自己改装、研制为处理铜精矿的新技术,建立了我国的新工艺,该工艺于1994年试产成功。
2氧气顶吹自热熔炼
1自热炉生产的工艺特性与技术性能
氧气顶吹自热炉属于熔池熔炼的高效冶炼设备,氧枪为非浸没式氧枪,由炉顶集烟罩上的氧枪口伸入炉膛,将高压工业氧气吹入溶渣层内,使熔体搅动、翻腾。重油经氧枪内特设的导管从枪口喷出,以补充尽应热量的不足。炉料不断从集烟罩上的炉料孔加入,炉料进入翻腾的熔池后很快熔化并进行各种物理化学变化。硫化铜因其密度较大而沉入底层,炉渣则浮于上面。
由于鼓入炉内的是氧气,因此烟气二氧化硫浓度高,且连续稳定,经净化后即送往硫酸厂制酸。
自热炉熔炼技术与其他相关技术相比具有以下优点:
(1)熔炼过程中物理化学反应速度快,炉床生产能力高,产量大。
(2)利用工业氧气吹炼,烟气量小,烟气带走的热量少,炉子热损失小,由于实现自燃(补充部分重油),充分利用放热反应的热量,热利用率高,节约大量能源。
(3)烟气中二氧化硫浓度高且连续稳定,有利于制酸。提高了资源综合利用水平,且保护了生态环境。
(4)炉子体积小,结构简单,工程投资小。
(5)对物料要求不严铬,可以处理不同粒度和含一定水分的物料。
(6)操作简单、灵活,可连续作业,且能有效地控制产品质量。
因此,自热炉熔炼是一种高效、节能、可连续作业、投资少、烟气可以回收制酸避免环境污染的冶金工艺,是当前世界上处理含镍铜精矿的一项先进的技术。
2自热炉的结构
自热炉是竖式圆柱形炉型,外形直径为4m,高为7.5m,炉体由炉基、炉底、炉墙、炉顶、放出口组成。主要附属设备有氧气枪、烟气冷却器等。
A 炉基和炉底
炉基是整个炉子的基础,由钢筋混凝土浇灌而成。自热炉正常作业时炉底温度在250℃以上,需要有良好的通风冷却,所以炉基上设有通风道,全部外包耐火砖,其上方架设有工字钢梁,钢梁上铺设有厚度为40mm的钢板,厚钢板上再铺设小型工字钢和钢板。在钢板上砌筑炉底,炉底由镁铬砖砌成,总厚度为1200mm。
B 炉墙
炉墙外壳用20mm钢板围成,炉墙外层砌黏土砖,内层砌铬镁砖。炉墙与外壳之间充填10mm的石棉板和厚约50mm的镁砂。为了延长炉衬的使用寿命,在反应高温区炉墙内设置有水冷铜水套。
C 炉顶
炉顶呈斜锥形,钢质外壳内用铬镁砖砌筑,并附设有氧枪口、加料口,烟气从炉顶排烟口引出,直接与烟气汽化冷却器的进口连接。
D 放出口
自热炉设有放铜口、放渣口、事故放空口,三个放出口作用不同。放铜口距炉底650mm,用于正常生产时放铜;放渣口距炉底1250mm,正常生产时排渣;距炉底0mm的事故放空口,用于发生事故或需要检修时,将炉内熔体放干净。
E 氧枪机
氧枪机主要由氧枪、氧枪机架、左右行走机构和传动机构组成。为了保证生产的顺利进行,氧枪机架上安装有两只氧枪,一只使用,一只备用。为了延长氧枪的使用寿命,氧枪采用强制水冷却。
F 烟气汽化冷却器
在炉顶烟气出口直接安装了烟气汽化冷却器,它实质上是一种小型的烟道余热利用设备。一方面以蒸汽的形式回收利用自热炉烟气的余热,降低烟气温度,以利于电收尘的工作;另一方面烟气冷却器可沉降一部分烟尘并加以回收。
3铜自热熔炼炉用耐火材料的研究
对于这种新型熔炼设备用的耐火材料的问题俄罗斯并没有解决,一切需从头开始J.为此,在总结已有镁铬耐火材料及镁铝耐火材料应用经验的基础上,提出三个研究方案:硅酸盐结合镁铬砖、直接结合镁铬砖和优质镁铬砖。
1硅酸盐结合镁铬砖
硅酸盐结合镁铬砖的理化性能见表1,本试验用于砌筑炉体和炉顶。几次试验结果表明,使用寿命均在4个月以内,效果甚不理想。这表明此方案不可取。
2直接结合镁铬砖
直接结合镁铬砖的理化性能列于表2。这是一种具有较高抗侵蚀性能和高温强度的材料。使用后寿命有所提高,达到6个月左右,但仍远未达到生产要求。原因在于:炉体部位镁铬砖出现铜的渗透而引起结构剥落;炉顶部位出现热剥落和机械剥落,即机械应力的作用导致耐火材料的断裂。
3优质镁铬砖及炉顶砌筑结构
本项研究从材料及砌筑结构两方面同时进行试验,试验过程和效果具体情况如下。
A材料的选取
以我们之前发过的高性能镁铬耐火材料的研究结果和上述几次试验的炉况为依据,确定选材原则为:
(1)炉顶材料的选择原则。热稳定性好,抗SO2气氛侵蚀性能好,以及高温强度大等。
(2)炉体材料选择原则。抗锍渗透性强,耐渣、锍、气冲刷性能好,以及高温强度大等。
根据以上原则选取优质镁络砖为炉体材料,镁铝尖晶石砖为炉顶材料。
B炉顶砌筑结构的调整
为了消除由于炉顶砌筑不合理而引起的热应力,在采用优质镁铬砖的同时对砌筑结构进行了调整。
原设计炉顶镁铬砖为平砌拉柱法,砌筑简图如图2所示。采用该设计砌筑的炉顶在氧枪管及加料管部位掉砖严重,炉顶钢壳烧穿而被迫停炉检修,使用寿命短。
为此,将原设计的平砌拉柱法改进为垂直炉壁拱形砌筑法。该法以确立消除应力等诸因素为重点,创立了一种独具特色的垂直炉壁拱形砌筑结构。
C使用效果
使用结果表明,采用方镁石结合镁铝尖晶石砖垂直炉壁拱形砌筑结构的炉顶共试验3次。炉顶用方镁石结合镁铝尖晶石砖,炉体仍用镁铬砖。
第一次:使用砖型为:460mm×150mm×85/65mm;460mm×150mm×85/50mm;异型砖;300mm×150mm×75/65mm。使用4个月后因年度检修而提前中修。此次测得几个关键点的残砖状况如下:
(1)加料管、氧枪管之间及周边区域残砖长约在250~280rmn,仍为炉顶最薄弱的区域;
(2)炉顶其他部位砖的蚀损尺寸约为100~200mm;
(3)炉顶砖的渣化层厚度在30mm以内;
(4)炉顶内衬结有50mm左右的渣壳,这是以前从未发现的良好现象。
第二次:使用的砖型与第一次相同。使用6个月后因工厂为了确保下半年生产强行停炉检修。对炉身、炉顶的烧蚀情况不明。
第三次:使用砖型与第一次相同。使用9个月后停炉检修。停炉后,对残砖进行了检查和分析,得知:
(1)观察到炉顶内表面的结渣层较之前两次更厚,达到了100mm以上,而砖的渣化层厚度仍在30mm之内。
(2)方镁石结合镁铝尖晶石砖较之反应镁铬砖更能适应自热炉顶部的使用环境,具有更优异的表现:镁铝砖的抗浓SO2烟气及熔渣的冲刷和侵蚀能力强,渣化层薄;高温性能优越,能形成覆盖整个拱顶内表面的渣壳,渣壳厚度可达100mm;常温强度高,高温结构稳定性好,荷重软化温度高等性能成功地解决了加料管、氧枪管周边等易损区域寿命过低的难题。
(3)从残砖断面分析可见,炉顶部易损部位在9个月的生产过程中,蚀损尺寸为290mm,残余长度为160mm以上。按32mm/月的平均蚀损速度(290/9=32mm/月)推算,结合到炉顶衬层初期易损、中后期蚀损慢的特点,考虑1996年2月中修后曾因原料短缺而停炉保温半个月的不利影响,可以预测,该炉的实际使用寿命可达到16个月以上。
4结论
通过多次生产试验证明,方镁石结合镁铝尖晶石砖和垂直炉壁拱形砌筑结构的使用,已成功地解决了自热炉投产以来一度存在的炉顶损坏快、炉衬寿命短的难题,使炉顶的使用寿命由起初的不足两个月提高到目前的16个月以上,并且,炉顶、炉身部位的检修不同步的难题也随之得以解决,彻底改变了该炉需一年检修5~6次的状况,为生产创造了有利的时间条件。

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