延長密閉鼓風爐爐缸使用壽命的生產實踐

收稿日期：2023-11-13

作者簡介：蘇鳳來（1973—），男，河北昌黎人，高級工程師。研究方向：有色冶煉。

摘要：本文以剛果（金）某密閉還原熔煉鼓風爐為例，結合鼓風爐爐缸特點和多次大修時檢查的爐缸耐火材料侵蝕特征，分析其耐火材料侵蝕的主要影響因素，并結合生產實踐，闡述延長鼓風爐爐缸使用壽命的措施。研究發現，耐火材料侵蝕主要受爐渣化學侵蝕、銅锍滲透以及熔體沖刷等因素影響。相應措施實行后，鼓風爐爐缸的使用壽命可至少延長5個月。

關鍵詞：鼓風爐；耐火材料；爐缸；使用壽命

中圖分類號：TF813 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）01-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.016

Production Practice of Extending the Service Life of Closed Blast Furnace Hearth

SU Fenglai， WANG Guobiao， ZHAO Yong

（Zijin Mining Group Musonoie Mining Simple Co.， Ltd.， Lualaba， Congo （Kinshasa））

Abstract： Taking a closed reduction smelting blast furnace in Congo （Kinshasa） as an example， combined with the characteristics of the blast furnace hearth and the erosion characteristics of refractory materials inspected during multiple major repairs， this paper analyzes the main influencing factors of refractory material erosion， and combines production practice to explain measures to extend the service life of the blast furnace hearth. Research has found that the erosion of refractory materials is mainly affected by factors such as slag chemical erosion， copper matte infiltration， and melt erosion. After the corresponding measures are implemented， the service life of the blast furnace hearth can be extended by at least

5 months.

Keywords： blast furnace; refractory materials; hearth; service life

剛果（金）位于非洲中部，首都為金沙薩，有色金屬儲量豐富，其中，銅礦儲量約為7 500萬t，約占全球銅礦資源的15%，鈷礦儲量為450萬t，約占全球鈷礦資源的50%。剛果（金）某企業的銅礦礦種以孔雀石為主，這類礦石的處理技術主要有兩種。一是采用濕法處理品位1%～3%的低品位礦石，二是采用火法冶煉處理高品位氧化銅精礦。當地缺乏電力資源，濕法生產需要大量電力，采用密閉鼓風爐冶煉處理碎磨浮選富集后的氧化礦更為適宜[1-3]。

該企業冶煉廠鼓風爐于2017年建成投產，采用傳統工藝，按焦炭、石灰石及銅精礦的順序均勻布料，經鼓風爐內復雜的氧化還原反應，得到金屬銅、冰銅及爐渣組成的熔體。爐缸的金屬銅和冰銅積累到一定量后由銅口放至銅模中澆鑄成銅塊；渣則通過渣口排出，再經過水淬，對外銷售。由于火法冶煉的特性，其爐缸耐火材料壽命成為制約鼓風爐使用壽命的關鍵因素。冶煉廠運行初期，鼓風爐爐缸壽命平均為8個月。鼓風爐使用末期，耐火材料腐蝕減薄，爐缸側壁爐殼鋼板的平均溫度達500 ℃，局部甚至超過600 ℃，嚴重影響鼓風爐安全運行。本文結合鼓風爐生產經驗，分析多次鼓風爐大修時爐缸耐火材料的損耗部位，結合工藝優化，對耐火材料消耗嚴重的部位進行改造。

1 鼓風爐爐缸的結構

爐缸是構成鼓風爐爐體的核心部件之一。熔煉時，爐頂分批加入爐料（精礦、熔劑、焦炭），爐身下風口鼓氣，爐缸出料口排出熔體。由于熔煉性質的不同，粗銅（冰銅）及爐渣在爐缸內的比重存在差異，熔煉產物實現分離，粗銅從底部排出，爐渣從爐缸上部渣口排出。典型的鼓風爐剖面構造如圖1所示。缸體內層的耐火材料砌體直接與高溫熔融物接觸，受熔體的滲透和化學侵蝕作用強烈，故該部位耐火材料的抗侵蝕性要求高。這部分一般都采用電熔再結合鎂鉻質（或鎂質）耐火材料，爐缸外部為焊接式鋼殼，對爐缸砌體起約束形變和保護作用。爐缸整體采用自然散熱形式，爐缸內部耐火材料被消耗后，一旦熔融的銅液接觸鋼制爐殼，就會造成鼓風爐爐缸內的熔體泄漏，易造成重大生產事故，甚至人員傷亡。

2 爐缸耐火材料消耗特點和原因分析

2.1 爐缸耐火材料消耗特點

每次鼓風爐大修期間，拆除水套并清理爐內物料進行檢查。結果發現，爐缸內襯耐火材料基本呈蘋果狀腐蝕，即在爐缸高度方向，爐缸中下部接觸熔融狀態粗銅和冰銅的位置消耗較多，兩端侵蝕較少。耐火材料消耗最為嚴重的位置為渣口附近，整個渣口附近殘余的耐火磚呈喇叭狀，即越靠近渣口位置，耐火磚越薄，遠離渣口的耐火磚厚度與爐缸其余位置基本一致。爐缸大修周期壽命結束時，耐火材料的腐蝕情況如圖2所示。

經測量，渣口附近耐火磚剩余厚度僅為160 mm左右，爐缸側壁其余位置耐火材料均剩余300 mm以上，對比大修時耐火材料砌筑的460 mm，渣口位置耐火材料已經被腐蝕65%以上。這與爐墻溫度監測時的數據一致，鼓風爐壽命末期，渣口附近爐墻外殼溫度一直居高不下，這是造成鼓風爐被迫停爐大修的主要原因。

2.2 耐火材料的侵蝕原因分析

有色冶煉爐窯耐火材料壽命的影響因素主要有化學因素（熔體滲透侵蝕、氣體侵蝕、水化作用）、熱學因素以及機械因素等[4-7]。結合實際生產工藝，該鼓風爐爐襯耐火材料侵蝕主要有3個原因。

2.2.1 爐渣侵蝕消耗

受當地氧化銅精礦高硅低鐵限制，若采用國內硫化礦冶煉中常用的FeO-SiO2渣系，則將在輔料配料中添加大量的氧化鐵，增加輔料消耗，并且過量的氧化鐵會被鼓風爐爐內強烈的還原氣氛還原成單質鐵，形成合金隨粗銅一起排出，降低粗銅產品的質量。基于還原熔煉過程化學反應和渣型相圖理論分析，以FeO-CaO-SiO2三元渣型為基礎，選取適用于高硅低鐵型精礦的三元系渣型。熔渣對耐火材料的侵蝕主要體現在鎂鉻質耐火材料接觸熔渣時發生化學反應。該礦渣的CaO和SiO2含量較高，因此在鼓風爐爐缸耐火材料中，礦渣的組成物質CaO和MgO可以發生多個反應，如式（1）至式（3）所示。無論是鎂鈣橄欖石還是鎂黃長石，都會形成低熔點物質，這從CaO-MgO-SiO2的三元系相圖可以看出。耐火磚中CaO或CaSiO4的含量過高也會使它的破壞進程加快。

2MgO+SiO2→2MgO·SiO2（1）

2MgO·SiO2+CaO→CaO·MgO·SiO2+MgO（2）

2MgO·SiO2+2CaO+SiO2→2CaO·MgO·2SiO2+MgO（3）

2.2.2 熔锍在耐火材料中的滲透

由于氧化精礦含有約0.6%的硫，含硫的氧化精礦進入密閉鼓風爐還原熔煉時，除了生產粗銅外，還會形成部分冰銅，冰銅層處于粗銅和熔渣層之間，共同儲存在鼓風爐爐缸內。熔融狀態銅的流動性較好。銅锍會接觸耐火磚的表面，沿毛細管通道（如磚體氣孔）或裂縫滲入磚內。因為離磚中心越近，氧勢就越高，所以當銅锍滲透進入耐火磚內部時，極易發生氧化反應，如式（4）至式（6）所示。

2Cu2S+3O2→2Cu2O+2SO2（4）

Cu2S+2Cu2O→6Cu+SO2（5）

4Cu+O2→2Cu2O（6）

由于耐火磚的主晶和基質之間存在反應后產生的Cu2O，熔融氧化銅的滲透會引起磚的導熱增加，同時Cu氧化為CuO或Cu2O，體積分別膨脹75%、64%。爐襯的強透熱、剝落和膨脹會隨之產生。從微觀結構上看，主要是銅的滲透、反應及其產生的化學結構應力作用導致爐缸耐火材料的侵蝕。冰銅層基本處于爐缸的中間層，這也是爐缸中部耐火磚侵蝕速度比底部快，形成爐缸側壁蘋果狀侵蝕的原因。

2.2.3 沖刷侵蝕

在耐火材料的使用過程中，熔渣以較小的速度向耐火材料遷移，熔渣可以在其表面形成飽和熔液（接觸層），將耐火材料熔化在熔渣中，這時再熔化就停止。但接觸層可能被沖刷掉或流走，同時進一步帶走表面層下的耐火材料粗顆粒。新的接觸層經沖刷后將再次形成在原內層上。由于不間斷的放渣作業，渣口附近的耐火磚持續受爐渣沖刷作用，較爐缸內壁其他位置要大得多。持續的爐渣沖刷還會造成耐火材料表面的局部細小的剝落，從而加劇沖刷侵蝕。在化學腐蝕和沖刷侵蝕的雙重作用下，渣口附近的耐火磚成為鼓風爐爐缸被侵蝕最為嚴重的地方，故在爐修期間檢查耐火材料時呈喇叭狀，也是影響鼓風爐爐缸壽命的薄弱點。

3 延長爐缸使用壽命的措施

3.1 優化爐缸結構

該鼓風爐爐缸側壁砌筑采用銅冶煉行業廣泛使用的鎂鉻磚，但受還原熔煉鼓風爐內復雜熔體和氣氛的影響，渣口附近的耐火材料仍被快速侵蝕。針對渣口、銅口等熔體沖刷劇烈的地方，冶煉廠在砌筑爐缸時對耐火材料的選型進行優化，在渣口和銅口采用添加純度高、粒度小的氧化鉻的高鉻鎂鉻磚。高鉻鎂鉻磚中，Cr2O3含量比普通鎂鉻磚高，增加鎂鉻尖晶石的結合度，同時在燒結過程中生成大量的尖晶石，使得高鉻鎂鉻磚的強度更高，抗渣性能進一步提高，使熔體侵蝕爐磚的速度變慢[8]。在砌筑爐缸時，優化爐缸側壁結構，通過局部增加耐火材料厚度，使原來與爐缸側壁平齊的渣口位置向爐缸內部延伸50 mm，達到抵御熔體侵蝕的目的。渣口及銅口位置實際砌筑結構優化如圖3所示。雖然局部增加爐缸耐火材料的厚度，但爐缸有效容積僅減少1%，而且增加的耐火磚厚度可以抵抗爐渣侵蝕1個月。因此，犧牲爐缸的小部分容積換取延長1個月的爐缸使用壽命，在鼓風爐生產中具有良好的經濟效益。

3.2 調整渣型組成

普通鼓風爐銅冶煉原料主要為硅含量較低（14%左右）、鐵含量較高（25%～30%）的硫化銅精礦。該冶煉廠的氧化礦則與之相反，其硅含量更高（30%～45%），鐵含量更低（2%）。實踐中，為了使爐子能正常穩定地操作，該鼓風爐配入石灰石，采用FeO-CaO-SiO2三元渣型，在不添加額外的FeO作為輔料時，產生的渣中含SiO2 42%、CaO 30%、FeO 1.8%。根據渣型優化研究結果[9]，在保證產品粗銅品位和低渣含銅的前提下，在輔料石灰石中配入小比例的赤鐵礦，以增加爐渣中FeO含量，渣型調整后的爐渣含FeO 2.5%，爐渣中FeO含量提高，適當降低爐渣溫度，在生產實踐中，爐渣的黏度會有提升，但依舊能保持放渣需要的流動性，能夠滿足正常工藝生產需求。渣型優化后，渣黏度上升，因黏性效應，能在耐火材料表面形成更厚的爐渣保護層，同時渣溫度下降，可減緩爐渣對耐火材料的化學侵蝕。

3.3 加強爐缸運行監測與維護

對于爐缸耐火材料維護，最為重要的是開爐階段的烘爐。借鑒同行業相關生產經驗，該冶煉廠在耐火材料砌筑完成后分2個階段進行烘爐升溫。低溫預烘爐階段，采用木柴作為燃料，通過在鼓風爐爐缸兩端安裝熱電偶，確保整個爐缸耐火材料受熱均衡，升溫穩定，并嚴格按照預烘爐升溫曲線將砌筑的新爐缸在4 ｄ內逐步升溫至450 ℃。預烘爐階段主要是去除砌筑階段耐火材料中的自然水分，避免高溫烘爐階段耐火材料內殘余水分導致耐火材料產生裂紋甚至崩落。預烘爐完成后，進入正式烘爐階段。通過加入焦炭提高烘爐溫度，使爐缸內溫度達到耐火材料的工作溫度。

在鼓風爐生產過程中，適當延長停風檢修周期。渣型優化后，爐渣溫度下降，黏度適當上升，渣口磚的侵蝕速度變緩，鼓風爐定修爐缸耐火材料渣口的周期已從2017年最開始的6 d延長至14～17 d。定修周期的延長減少鼓風爐停風停爐的頻次，從而減少停風時耐火磚熱負荷變化的影響。定修渣口時測量爐缸壁厚，以便掌握爐缸耐火材料的侵蝕情況，從而給鼓風爐停爐檢修提供數據參考。

4 結語

該冶煉廠對爐渣渣型和爐缸砌筑進行優化，在生產實踐中進行精細操作，目前，鼓風爐爐缸耐火材料壽命得到大幅提升。2022年，鼓風爐爐缸使用壽命達13.7個月，對比優化前平均壽命，延長5個月以上。鼓風爐缸體耐火材料壽命的延長不僅可提高冶煉廠整套系統的設備運轉率，為企業創造更多的效益，而且可減少鼓風爐大修次數，減少耐火材料的噸精礦單耗，從而節約運行費用。通過對鼓風爐爐缸耐火材料使用壽命的延長，樹立鼓風爐穩定運行、安全長壽的操作理念，通過定期的溫度監測實時掌握爐缸耐火材料的消耗情況，及時制定大修停爐計劃，從根本上解決鼓風爐爐缸跑銅的安全隱患，為傳統鼓風爐在剛果（金）特定環境下低成本安全運行，提升工藝路線競爭力做出貢獻。

參考文獻

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