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閃速爐是一種大型有色冶煉爐，是冶煉廠最主要的設(shè)備之一，在運(yùn)行過程中，為了完成生產(chǎn)任務(wù)及取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，不可隨便停爐，必須有計(jì)劃地停爐檢修為此，爐內(nèi)襯材料的質(zhì)量和砌筑質(zhì)量就顯得十分重要根據(jù)閃速爐內(nèi)襯幾次改革的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，閃速爐內(nèi)襯在選擇耐火材料時(shí)，必須滿足以下幾點(diǎn)：
A、荷重軟化點(diǎn)要高。耐火材料應(yīng)在高溫作用下具有不易軟化的性能;
B、高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大。耐火材料在受到爐子熔體、砌體荷重和其他機(jī)械震動(dòng)，在高溫下具有抗彎曲的能力;
C、熱穩(wěn)定性要好。當(dāng)耐火材料在爐內(nèi)受到溫度驟變引起材料各部位溫度不均勻時(shí)，具有抵抗破裂和剝落的能力;
D、抗渣能力強(qiáng)。耐火材料在使用過程中，必須要有抵抗?fàn)t渣、金屬腐蝕的能力;
E、在熔煉爐，熔池內(nèi)襯所選耐火磚必須是低顯氣孔率的;
F、高溫體積膨脹、收縮參數(shù)。耐火材料在高溫使用過程中，磚內(nèi)部會(huì)發(fā)生物理化學(xué)變化，使材料體積產(chǎn)生膨脹或收縮。無論是膨脹還是收縮，都是筑爐必須要了解的技術(shù)參數(shù);
G、外形尺寸公差要小。
閃速爐內(nèi)主要用磚以鎂鉻磚為主，鎂鉻磚從20世紀(jì)60年代起，逐步提高原料純度和燒成溫度，物理性能不斷提高，品種日益增多，按化學(xué)成分、物理性能和制造工藝，可分為化學(xué)直接結(jié)合燒成鎂鉻磚、半再結(jié)合鎂鉻磚、電熔再結(jié)合鎂鉻磚(熔粒鎂鉻磚)、熔鑄鎂鉻磚、不燒結(jié)鎂鉻磚、預(yù)反應(yīng)鎂鉻磚、全合成鎂鉻磚等，使鎂鉻磚得到更廣泛的應(yīng)用。閃速爐基本上采用前4種鎂格磚(目前熔鑄鎂鉻磚采用的較少)。
閃速爐耐火材料的選擇與應(yīng)用
閃速爐是一種大型有色熔煉爐，結(jié)構(gòu)主要由進(jìn)行爐料反應(yīng)的反應(yīng)塔、儲(chǔ)存并分離銅锍及爐渣的沉淀池和將煙氣排入余熱鍋爐的上升煙道三大部分。
煉銅閃速爐結(jié)構(gòu)示意圖
由于閃速爐反應(yīng)過程和爐子結(jié)構(gòu)上的特殊性，其每個(gè)部位所選用的耐火材料的品種、砌筑要求等也不相同主要筑爐耐火材料理化參數(shù)見表1。(點(diǎn)擊圖片可查看高清大圖)
表1 閃速爐主要耐火材料理化參數(shù)表
2.1反應(yīng)塔
反應(yīng)塔是物料快速反應(yīng)的關(guān)鍵部位，物料在熔煉過程中的化學(xué)反應(yīng)主要是在反應(yīng)塔內(nèi)進(jìn)行。塔內(nèi)最高溫度達(dá)1400℃?1500℃?？焖俜磻?yīng)的高溫爐料在幾秒鐘內(nèi)快速到達(dá)沉淀池，部分熔體沿著反應(yīng)塔內(nèi)壁流下，這些混合物料和高溫氣流直接沖刷爐壁，這種沖刷和物料的侵蝕直接影響到耐火磚的使用壽命。由于反應(yīng)塔體吊裝在沉淀池上部，耐火磚砌筑在兩水平水套之間，更換極不方便。所以，塔體本身必須選擇具有良好的耐高溫、抗沖刷、耐侵蝕性很強(qiáng)的電熔再結(jié)合鎂鉻磚或電鑄鎂鉻磚。
對(duì)反應(yīng)塔頂部?jī)?nèi)襯的要求要低一些，因?yàn)樗敳恐皇茌椛錈?，溫度也較低。由于物料不直接沖刷，所以受到侵蝕程度也輕，可選擇不同的半再結(jié)合鎂鉻磚或優(yōu)級(jí)直接結(jié)合鎂鉻磚雖然目前有些閃速爐采用一只中央精礦噴嘴，高純度富氧冶煉，由于加強(qiáng)了塔頂?shù)睦鋮s，仍可不需要很昂貴的高檔鎂鉻磚選用直接結(jié)合鎂鉻磚或半再結(jié)合鎂鉻磚均可。
2.2沉淀池
沉淀池設(shè)在反應(yīng)塔與上升煙道的下面，主要起到儲(chǔ)存及熔體分離作用，使用的耐火材料品種比反應(yīng)塔、上升煙道多。
2.2.1沉淀池內(nèi)表面層
沉淀池上部空間是高溫氣體流動(dòng)的通道氣體溫度在1350℃以上，這個(gè)區(qū)域不直接受液體侵蝕，氣體流速慢，沖刷力不強(qiáng)，耐火磚損耗沒有渣線區(qū)域和反應(yīng)塔本體嚴(yán)重所以，在沉淀池頂部多采用半再結(jié)合鎂鉻磚或優(yōu)級(jí)直接結(jié)合鎂鉻磚。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了延長(zhǎng)使用壽命，在沉淀池頂部還采用水冷梁冷卻爐頂結(jié)構(gòu)，以降低爐頂溫度，增強(qiáng)耐火磚表面的抗腐蝕、抗氣流沖刷能力。
沉淀池渣線是熔池內(nèi)最容易被侵蝕的部位，也是損耗最嚴(yán)重的部位。由于閃速爐熔渣呈堿性，主要由Cu、Fe、S、Pb、Zn的氧化物和SiO2等組成，其中FeO占35%?42%，SiO2占28%?34%，對(duì)耐火磚侵蝕最嚴(yán)重。雖然閃速爐在操作過程中，為了降低渣中含銅量，經(jīng)常調(diào)節(jié)SiO2含量和Fe/SiO2的比值。但是，熔渣對(duì)耐火磚的侵蝕能力是無法改變的。另一個(gè)容易被侵蝕的部位是反應(yīng)塔下面沉淀池的三個(gè)面，這三個(gè)面直接受到?jīng)_刷和熔體的侵蝕。該區(qū)域是閃速爐溫度最高、最容易被侵蝕處，在閃速爐內(nèi)襯設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高該部位的抗侵蝕能力，通常還采用多種冷卻方式。所以，這些部位必須選用抗渣、抗沖刷性能強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)半再結(jié)合鎂鉻磚。由于渣線區(qū)域還受銅锍放出次數(shù)頻繁的影響。所以，渣線部位選用電熔再結(jié)合鎂鉻磚比較合適。
爐底與渣線區(qū)以及整個(gè)熔池爐墻相比，沖刷、侵蝕程度要輕的多。但是，對(duì)這個(gè)部位用磚性能要求不比其它部位低。這是因?yàn)闋t底是爐內(nèi)襯的基礎(chǔ)。而且該部位的耐火磚至少有一個(gè)面直接與液體相接觸，熔體在池內(nèi)要有一定的停留時(shí)間，如果耐火磚選擇不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)液體滲漏，這是決不允許的。所以，要求爐底的耐火磚要有很高的耐壓強(qiáng)度，而且顯氣孔率要小，荷重軟化溫度要高，能長(zhǎng)期在高溫液體的浸泡、壓迫下正常工作在渣線以下及爐底選用耐壓強(qiáng)度高的半再結(jié)合鎂鉻磚或電熔再結(jié)合鎂鉻磚比較理想用優(yōu)級(jí)直接結(jié)合鎂鉻磚也可以，但理化指標(biāo)必須滿足要求。
在爐墻鎂鉻磚外側(cè)通常選用鎂鉻澆注料內(nèi)埋冷卻銅管或耐火粘土磚與搗打料結(jié)構(gòu)形式。
2.2.2爐底中下層
爐底中下層用磚，除了耐火磚具有保溫作用外，爐底用磚的耐壓強(qiáng)度也是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。因此，在爐底選磚上，必須考慮耐火磚的單位面積下的壓強(qiáng)根據(jù)我們多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，在閃速熔煉爐爐底上，熔煉溫度在1550℃以下，單位面積壓強(qiáng)必須大于8.0MPa以上所以，在最下層所選用的是壓強(qiáng)大于30.0MPa的耐火粘土磚和壓強(qiáng)大于10.0MPa的高溫保溫磚。
2.2.3連接部
反應(yīng)塔和上升煙道與沉淀池的連接部均為垂直相交，受氣流沖刷最為嚴(yán)重。采用數(shù)根冷卻銅管為骨架，填充不定形耐火澆注料的結(jié)構(gòu)。不定形耐火澆注料在高溫下必須具有良好的抗腐蝕、耐沖刷性能，而在施工時(shí)必須要有很好的流動(dòng)性，以確保施工質(zhì)量。成型后必須要有足夠的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，以達(dá)到所要求的性能。
2.3上升煙道
上升煙道是閃速爐煙氣匯集排出的通道，在設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少煙塵含量，通常設(shè)計(jì)煙氣入口處的煙氣上升速度較慢，一般為5.0?6.6m/s。煙氣在流動(dòng)過程中有部分煙塵會(huì)粘結(jié)在內(nèi)襯表面，表現(xiàn)最突出的是斜頂和煙氣出口處。為了減輕煙氣出口處的結(jié)瘤，通常提高出口處煙氣速度(出口處煙氣速度一般高于煙氣入口處，為6.0?9.0m/s)。雖然氣流對(duì)耐火磚有一定的沖刷、侵蝕，當(dāng)粘結(jié)物滲入到耐火磚一定深度后(稱掛渣)，還可起到保護(hù)耐火磚的作用。但對(duì)煙氣出口處的結(jié)瘤必須按時(shí)清理，以免影響煙氣的正常排出。上升煙道區(qū)域的溫度比反應(yīng)塔、沉淀池要低，正常運(yùn)行時(shí)在1250"℃?1300"℃之間，一般選用半再結(jié)合鎂鉻磚或直接結(jié)合鎂鉻磚?？拷恋沓夭糠趾团旁谏戏綔囟绕撸瑲饬髯兿蛴幸欢ǖ臎_刷，選用半再結(jié)合鎂鉻磚為好。目前有些國(guó)家為了減少上升煙道的維修量，在上升煙道直墻上增設(shè)多層水平銅板水套，以延長(zhǎng)耐火磚的使用壽命。
從對(duì)以上三部分的分析得出，對(duì)耐火磚的選擇，必須根據(jù)具體情況來決定，并非選用的材質(zhì)越高越好，主要是要選擇得當(dāng)。
不定形耐火材料
不定形耐火材料是筑爐的輔助材料，可分為兩大類:搗打料和澆注料在工業(yè)爐窯上應(yīng)用，主要用在不便使用耐火磚砌筑的部分、冷卻元件的部分和爐子底部不定形耐火材料品種很多，但用在閃速爐上可按化學(xué)成分大體分為4大類，如鎂鉻質(zhì)、鎂質(zhì)、高鋁質(zhì)、粘土質(zhì)。
閃速爐是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的爐種，使用不定形耐火材料的部位比較多，如反應(yīng)塔頂H形梁、沉淀池頂H形梁、上升煙道頂H形梁以及連接部、爐墻和爐底等處。選材是根據(jù)使用部位而定。如H形梁內(nèi)多采用鎂鉻質(zhì)澆注料，連接部可用鎂鉻質(zhì)澆注料、鎂質(zhì)或高純鋁質(zhì)澆注料，在普通爐墻處應(yīng)根據(jù)砌磚結(jié)構(gòu)要求，可選用鎂鉻質(zhì)或鎂質(zhì)澆注料，在這些部位的澆注料要求流動(dòng)性要好，輕微震動(dòng)便可流動(dòng)到需要的位置。在爐子底部，在鎂鉻磚下層多為鎂鉻質(zhì)搗打料，在粘土耐火磚下通常使用粘土搗打料。爐子底部使用的搗打料不要求流動(dòng)性，而且對(duì)搗打料的含水量還有一定的要求。
不定形耐火材料的施工大都在工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，僅有少量的不定形耐火材料產(chǎn)品是在工廠制作，如燒嘴磚、預(yù)制梁等。
不定形耐火材料在施工時(shí)，必須按供貨商提供的施工工藝要求，按順序進(jìn)行施工、養(yǎng)護(hù)。
閃速爐內(nèi)襯的改進(jìn)與發(fā)展
目前生產(chǎn)廠家為了使鎂鉻磚更廣泛適應(yīng)各類爐子的需要，提高爐內(nèi)襯使用壽命，都在不斷地改變生產(chǎn)工藝，研究新配方，以提高鎂鉻磚Cr2O3、MgO的純度和含量，降低SiO2、Fe2O3等雜質(zhì)的含量;提高鎂鉻磚的燒成溫度和延長(zhǎng)燒成時(shí)間，以滿足內(nèi)襯設(shè)計(jì)的壽命和減少維修量的要求。
4.1反應(yīng)塔
反應(yīng)塔隨著耐火材料的發(fā)展，變化比較大。過去認(rèn)為比較理想的電鑄磚反應(yīng)塔內(nèi)襯，目前已被電熔再結(jié)合鎂鉻磚所代替。因?yàn)殡婅T磚雖具有很強(qiáng)的抗沖刷性能，但抗剝落性差。電熔再結(jié)合鎂鉻磚(也稱熔粒再結(jié)合鎂鉻磚)在高溫下抗沖刷低于電鑄磚，但具有很強(qiáng)的抗剝落性能為了提高電熔再結(jié)合鎂鉻磚在高溫下抗沖刷性能，擴(kuò)大電熔再結(jié)合鎂鉻磚在閃速爐上的應(yīng)用，使電熔再結(jié)合鎂鉻磚在反應(yīng)塔內(nèi)襯達(dá)到電鑄磚的抗沖刷性能，目前采用多層水套之間砌筑電熔再結(jié)合鎂鉻磚的方法，降低電熔再結(jié)合鎂鉻磚表面溫度根據(jù)國(guó)內(nèi)閃速爐反應(yīng)塔改造運(yùn)行情況，證明這種改進(jìn)是成功的。
4.2連接部
反應(yīng)塔和上升煙道與沉淀池的冷卻銅管為骨架的連接部，目前有的工廠已不再采用冷卻銅管為骨架的連接部，改為垂直沉淀池的銅水套鑲耐火磚的結(jié)構(gòu)形式，將垂直水套固定在爐體上，耐火磚鑲?cè)胨?。這種耐火磚是經(jīng)過專門加工、燒制而成，與耐火澆注料相比，更具有抗沖刷、耐腐蝕的性能。加上有水套冷卻，這種結(jié)構(gòu)形式是冷卻銅管為骨架澆注不定形耐火材料結(jié)構(gòu)形式無法相比的，而且施工、維修方便。
爐襯的使用壽命
爐內(nèi)襯的使用壽命與爐子尺寸、操作工藝和實(shí)際運(yùn)行的容積熱強(qiáng)度等有密切的關(guān)系反應(yīng)塔的尺寸是根據(jù)反應(yīng)塔的單位容積熔化量和單位最佳容積熱強(qiáng)度計(jì)算得到的，這一尺寸可以獲得理想的爐內(nèi)襯使用壽命。增加單位容積熔化量，提高容積熱強(qiáng)度，都會(huì)縮短爐內(nèi)襯的使用壽命。根據(jù)我國(guó)閃速爐的運(yùn)行情況分析，年投料量15萬t，反應(yīng)塔內(nèi)容積熱負(fù)荷1035MJ/(m3·h)，其大修時(shí)間一般為10年。當(dāng)投料量增加到20萬t，反應(yīng)塔容積熱負(fù)荷增加到1246MJ/(m3·h)時(shí)，反應(yīng)塔使用壽命降低，此時(shí)反應(yīng)塔內(nèi)熱負(fù)荷過重，可以增加水套冷卻面積，以降低爐內(nèi)襯的表面溫度。
沉淀池最容易損壞的部位是渣線區(qū)，還有就是連接部，每年根據(jù)生產(chǎn)具體情況檢修一次。如果繼續(xù)增加投料量，提高熱負(fù)荷，必須改進(jìn)爐內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)。
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