铜锍熔炼用耐火材料

铜锍熔炼是火法炼铜最重要的冶炼过程，传统熔炼方法是在鼓风炉、反射炉和电炉内进行，这种工艺的主要缺点有两方面：一是不能充分利用炉料中硫化物氧化的化学反应热作为能量，矿物燃料量或电能消耗大；二是产出的SO2烟气浓度低，不能经济地生产硫酸，对环境造成严重污染。因此，传统熔炼工艺正逐渐被高效、节能和低污染的强化熔炼新工艺取代。
近半个世纪来，不少新的强化熔炼工艺已在工业上推广应用，可归纳为两大类：一类是闪速熔炼方法，如奥托昆普闪速熔炼、Inco氧气闪速熔炼、旋涡顶吹熔炼、氧气喷撒熔炼等；另一类是熔池熔炼方法，如诺兰达熔炼、三菱法熔炼、特尼恩特转炉熔炼、澳斯麦特/艾萨熔炼、瓦纽柯夫法、卡尔多炉熔炼、氧气顶吹熔炼、白银法和水口山法等。这些方法的共同特点是运用富氧技术，强化熔炼过程，充分利用精矿氧化反应热量，在自热或接近自热的条件下进行熔炼，产出高浓度SO2烟气以便有效地回收硫，制造硫酸或其他硫产品，消除污染，保护环境，节约能源，获取良好的经济效益。
闪速熔炼工艺
闪速熔炼（flash-smelting)是一种迅速发展起来的强化冶炼法，它将焙烧、熔炼和部分吹炼过程置于一个设备——闪速炉内结合进行，是现代火法炼铜的主要方法。其主要工艺为：将经过深度脱水（含水量小于0.3%)的粉状硫化精矿，在喷嘴中与空气或氧气混合后，以高速度（60~70m/s)从反应塔顶部喷入高温（1450~1550丈）的反应塔内。由于精矿颗粒悬浮在高温氧化性气流中，因此会迅速（2~3s)完成硫化矿物的分解、氧化反应和熔化等过程，故称之为闪速熔炼。生成的铜锍和炉淹在沉淀池中分离，并分别由放锍口和渣口排出，烟气从上升烟道进人废热锅炉及收尘、制酸系统。
闪速熔炼炉主要有两种，芬兰奥托昆普型闪速炉和加拿大Inco型闪速炉。芬兰奥托昆普型闪速炉（图1-2)是一种直立的U型炉，主要包括垂直的反应塔、水平的沉淀池和垂直的上升烟道三部分。其主要特点是精矿从反应塔顶部垂直吹人炉内，用预热空气或预热富氧空气氧化和熔炼精矿。加拿大Inco型闪速炉(图1-3)的主要特点是精矿从炉子端墙上的喷嘴水平喷入炉膛，采用不预热的工业氧来氧化熔炼精矿。
闪速培炼法于1949年首先在芬兰奥托昆普公司的哈里亚阀尔塔炼铜厂应用于工业生产，至今已经历了60余年的历程。与传统熔炼方法相比，闪速熔炼因充分利用了粉状硫化精矿的巨大比表面积和反应放热，故具有能耗低、烟气含SO2浓度高、生产效率高和能产出高品位冰铜等优点。因此，此法在全世界迅速发展，目前已广泛应用于r熔炼铜和铜镍4化精矿，以及处理硫化铅精矿及黄铁矿精矿等。据不完全统计，目前全世界27个国家已建闪速炉60余座，其中奥托昆普型闪速炉48座。闪速熔炼炼铜的生产能力约占粗铜冶炼能力的50%。此外，闪速炉不仅是铜生产中的主要的熔炼设备，.而且已开始取代传统的P-S转炉作为连续吹炼设备。
我国自1985年贵溪冶炼厂首次引进炼铜闪速炉以来，已陆续建立了许多闪速炉。
闪速熔炼法不足之处在于：对精矿干燥的要求高（含水小于0.3%)；渣含铜高，炉渣需经贫化后才能弃去；附属设备复杂，对耐火材料质量要求高。
闪速炉主要由反应塔、沉淀池与上升烟道等构成。各部分用耐火材料介绍如下。
反应塔。反应塔是闪速炉最重要的组成部分，含精矿粉的气固两相流由塔顶高速喷人，并在塔的上部瞬间完成化学反应并熔化成熔流高速向下运动进入沉降池。因此，气固两相和高温高速熔体对塔衬高速冲刷、侵蚀、磨蚀非常严重，反应塔内衬普遍采用镁铬砖，塔的钢壳采用淋水冷却降温。反应塔上部温度较低，约为900〜llOCTC,氧分压较高，塔壁形成了Fe3O4保护层，内衬采用直接结合镁铬砖；中下部温度较高，为1350~1550℃，并受熔体沿表面迅速流动与冲刷，炉衬易磨损、熔蚀，多采用熔铸镁铬砖作内衬并有水冷铜套加以保护；塔顶为球顶或吊挂平顶结构，通常用烧成镁铬砖吊挂砌筑，砖厚为350~450mm。
沉淀池。沉淀池为长方形熔池，高为2.5~5m，宽为3~10m。沉淀池.主要作用是进一步完成造猹反应并沉淀分离熔体。沉淀池的耐火材料工作环境也很恶劣，反应塔下部沉淀池的端墙和侧墙受高速下落的高温气流和熔体冲刷、侵蚀，与反应塔壁的工作条件相似。渣线区的炉墙，由于熔池液面不停波动冲刷是破坏最快的部位，该部位的镁铬耐火材料要求具有良好的抗锍渗透性和炉渣的侵蚀性。由于侧墙和炉顶承受夹带熔体和烟尘的高温烟气的冲刷、侵蚀，炉底承重并受高温和化学侵蚀，这些部位除用再结合镁铬砖砌筑外，同时设置水平铜板水套、冷却铜管，并在渣线附近的耐火砖外侧设置倾斜铜水套。沉淀池顶也是受高温气流冲刷严重的部位，通常在轴向上设带翅片水冷钢管外包耐火浇注料，上部为通冷却水的“H”型水冷梁夹砌在炉顶烧成镁铬砖中，以防止沉淀池顶的轴向变形。
排烟道。排烟道主要承受夹带烙渣和烟尘的高温烟气的冲刷、侵蚀，一般采用直接结合镁铬砖砌筑。
澳斯麦特熔炼与艾萨熔炼工艺
1、澳斯麦特熔炼与艾萨熔炼
澳斯麦特熔炼法与艾萨熔炼法是20世纪70年代由澳大利亚联邦科学工业研究组织（Common-wealthScientificandIndustrialResearchOrganization)矿业工程部J.M.Floyd博士领导的研究小组发明的，起初以“赛洛”（CSIRO,该组织的缩写）命名S最早的赛洛熔炼小型试验炉主要处理炉渣和锡的还原，随后与澳大利亚的锡冶炼厂、电解精炼和冶炼有限公司、铜精矿有限公司和芒特艾萨矿业有限公司合作建立了较大规模试验厂。1980年，规模为4t/h的赛洛喷枪锡烟化半工业试验炉投产。同年，Floyd离开赛洛并建立了澳斯麦特公司。赛洛喷枪锡烟化半工业试验炉在试验完毕后被出售给了芒特艾萨矿业公司，重新进行了安装，成为铅冶炼试验厂。
以后，芒特艾萨公司又向本国和外国出售了基于试验成功的“赛洛”熔炼技术，即现在大家所熟悉的艾萨熔炼法#Floyd的澳斯麦特公司与CSIRO重新谈判取得执照权后的该技术则称之为澳斯麦特熔炼法。澳斯麦特法和艾萨法的基础都是“赛洛”喷枪浸没熔炼工艺，两者具有共同的祖先。拥有喷枪技术的这两家公司，按各自的优势和方向，延伸并提高了该项技术，形成了各具特点的澳斯麦特法和艾萨法。
2、澳斯麦特熔炼炉与艾萨熔炼炉
澳斯麦特熔炼炉/艾萨焰炼炉是一直立的圆筒形炉体，内衬镁铬砖，有的外壳采用水幕冷却，炉体下部外壳和耐火砖之间衬有水套。喷枪从炉顶中心的插孔插人。将冶炼气体和燃料输送到渣面下的液态层中，喷枪头由不镑钢制成，正常操作时浸没于熔渣层内，将工艺气体喷射进炉渣层中。炉子上部设有加料口，各种物料由皮带输送，通过溜槽由加料口加入。烟道设于顶部，出口倾斜。炉体下部有两个排放口，可将冰铜和炉渣的混合物放人沉降炉中进行分离。冰铜送往吹炼炉，炉楂水淬后出售。澳斯麦特炉型与艾萨炉型分别如图1-4和图1-5所示。
MIM采用间断放熔体的排放方式，而Ausmelt采用溢流的方式连续排放熔体。
这两种熔炼炉有时炉体外壳采用水幕冷却，有时无水幕冷却。区别在于:前者靠水幕冷却来提高热导率，维持炉内温度的相对稳定，从而提高炉衬寿命，但能源消耗量大；后者靠炉体内“自燃熔炼”有效地节约能源维持相对稳定的炉温来维持炉子的寿命。
由于澳斯麦特/艾萨熔炼工艺具有熔炼速度快、建设投资少、原料适应性强、炉体密封性好、符合环保要求等优点，因此在有色冶金工业具有较广泛的应用，具体包括锡精矿熔炼，硫化铅精矿、铜精矿熔炼，炉渣烟化，阳极泥熔炼，铅锌渣、镍浸出渣的处理等。目前，采用澳斯麦特/艾萨熔炼技术的冶炼厂除了澳大利亚外，在荷兰、津巴布韦、韩国、印度、法国、德国、秘鲁、美国等国已达20余家。我国自1999年中条山有色金属公司侯马冶炼厂引进澳斯麦特技术后，2002年云南铜业引进的艾萨炉和云南锡业公司引进的澳斯麦特炉也相继建成并投产，2003年铜陵有色金属公司也采用了澳斯麦特熔炼炉来改造原有的工艺。
但这一熔炼技术对耐火材料要求较为苛刻。澳斯麦特/艾萨炉炉底工作衬一般采用镁质耐火材料，如镁铬捣打料等材质。炉墙则采用耐高温、耐冲刷、导热性能好的直接结合镁铬砖或熔铸镁铬砖等优质镁铬耐火材料。此外，对引进的技术消化吸收后，陈肇友等人通过热力学分析指出，铬铝尖晶石耐火材料是澳斯麦特/艾萨铜熔炼炉用适宜的耐火材料。
诺兰达熔炼工艺
诺兰达熔炼工艺是将铜精矿、石英石、燃料、返料等按冶金计算出的比例混合，通过抛料机从炉头抛入炉内，富氧空气从炉子一侧靠近加料端的一排浸没风眼鼓入，使熔体维持强烈搅动状态。熔体中的硫与铁元素在鼓风吹炼区与鼓人的氧气发生强烈的氧化反应，产生的反应热为熔炼热收入的主要来源。热能不足的部分由随炉料加人的燃料及炉头燃烧器补充。
该炉子沿长度方向分成吹炼区（或称反应区）和沉淀区。在吹炼区产生的铜锍与炉渣的熔体流到沉淀区澄清分离。铜锍口设在与风眼同一侧的沉淀区，髙品位（65%~73%或更高）的铜锍从该放出口放进铜锍包，再倒人转炉吹炼。含铜约5%的熔炼炉渣从炉尾一端放出或用包子装运到缓冷场缓冷，经破碎、磨浮选矿，回收渣中铜和铁，或直接进人电炉将渣进行贫化。烟气从反应炉炉口排出，经水冷密封烟罩、余热锅炉（或喷雾冷却烟道）、电收尘器送往硫酸系统制酸。
诺兰达反应炉是一个卧式圆筒形可转动的炉子，类似于常规吹炼铜锍的转炉，其结构如图1-6所示。在50mm或70mm厚的钢板卷成的钢壳内衬有镁铬质高级耐火材料。炉体支承在托轮上，驱动装置使炉体可在一定范围内正、反向转动。整个炉子沿炉长分为反应区（或吹炼区）和沉淀区。反应区一侧装设一排风眼。加料口（又称抛料口）设在炉头端墙上，并设有气封装置，此墙上还安装有燃烧器。沉淀区设有铜锍放出口、排烟用的炉口和熔体液面测量口。渣口开设在炉尾端墙上，此处一般还装有备用的渣端燃烧器。另外，在炉子外壁某些部位如炉口、放渣口等处装有局部冷却设施，一般均采用外部送风冷却。
诺兰达熔炼工艺是加拿大诺兰达矿业公司历经20余年（1964年-1989年）发展起来的一种自热熔炼技术。在不断改进之后，该方法已成为较为先进的颇具竞争力的一种铜熔炼方法。除在本国外，逐渐在世界上得到推广。1997年10月，我国大冶有色金属公司冶炼厂引进消化诺兰达熔炼工艺，建成年产100kt粗铜的诺兰达生产系统。
诺兰达炉炼铜工艺属富氧熔池熔炼，在一个反应炉内完成干燥、焙烧、熔炼和吹炼造渣工艺过程，熔炼强度大，熔池搅拌剧烈，为了保证工艺过程顺利进行、保证炉子的寿命，对炉衬设计和耐火材料提出了很高的要求。诺兰达炉的易损部位是风口区、炉口，加料端燃烧器及放渣端燃烧器对应的炉筒顶部以及沉淀区渣线上、下圆形墙和渣端墙。风口区由于大量的富氧空气进人熔体，激烈地搅拌与喷溅，化学反应剧烈，侵蚀严重，炉温冷热交替变化而产生频繁的热震，以及捅风眼造成的机械冲刷，使风口炉衬处于极为恶劣的环境中，损坏速度较快，所以风口区炉衬的寿命决定了诺兰达炉的寿命。
风口因受高温烟气的冲刷，以及机械清理炉渣时的撞击，也较易损坏:。沉淀区渣线上、下圆形墙和渣端墙，由于处在高温区，且放渣、放铜形成频繁的渣层波动，熔渣的严重侵蚀及高温烟气的冲刷，也较易损坏。加料端墙加料口，因炉料含水分及冷空气的进人，使加料口周围炉衬形成鼓肚变形，加料端燃烧器及放渣端燃烧器火焰所对应的炉顶圆周炉衬主要受火焰的直接冲刷，其损毁是由局部热负荷过大和大量冷空气的侵入引起的热震造成的。
根据诺兰达炉的生产条件，要求耐火材料纯度高、抗渣性好、强度大、耐冲刷、耐磨损、热震稳定性好。以前炉衬主要采用两种砖砌筑：一是熔铸镁铬砖，砌于易损部位；其余部位砌筑直接结合镁铬砖。熔铸镁铬砖的用量占总量的30%~40%。随着炉子设计的改进，有些易损部位的损坏程度大有改善，且耐火砖的质量提高，现在已采用熔粒再结合镁铬砖代替了熔铸镁铬砖。熔铸砖耐磨、耐侵蚀和机械冲刷，但耐急冷急热性差，价格昂贵。因此，现在除冰铜口用几块外，其他原来用熔铸镁铬砖砌筑的部位均已改用熔粒再结合镁铬砖，其余部位仍用直接结合镁铬砖砌筑。
白银法熔炼
白银炼铜法是我国20世纪70年代发明的一种造锍熔炼新工艺，因主要的发明单位为白银有色金属公司而将其命名为“白银炼铜法”。
含水分8%左右的硫化铜精矿配以返料、石英石和石灰石等，由圆盘给料机控制给料量，经慢速给料皮带和熔炼区炉顶加料口连续地加人到白银炉熔池中。落入熔池的炉料立即散布于由风口鼓入富氧空气所激烈搅动的熔体之中，迅速完成氧化反应和造渣反应。含O2为21%~50%的鼓风是由压缩空气和工业纯氧(含O2 95%~99%)混合而成。富氧空气通过熔炼区侧墙风口鼓人115℃的熔池。
熔炼区生成铜锍和炉渣的混合熔体，经隔墙下部通道进人沉淀区，进行炉渣和冰铜的分离，产出铜锍和炉渣。铜锍由虹吸放铜口间断放出供转炉吹炼，炉渣由排渣口排出弃去或经贫化处理。
高SO2浓度的高温烟气由熔炼区尾部直升烟道排出，经余热锅炉、漩涡收尘器、电除尘器后，再经排烟机送往硫酸车间生产工业硫酸。双室型白银炉沉淀区产出的含SO2很少的烟气先经水冷烟道，再经过辐射换热器、管式换热器，最后由排烟机送往烟囱排空。
白银炼铜法以动态熔炼为特征，即以压缩空气或富氧空气吹入熔体中，激烈搅动熔体。白银炼铜法的另一个重要特征是采用隔墙将熔池分区，在一个炉子内实现了动态熔炼和静态的渣和冰铜分离过程。与其他熔池熔炼炉相比，白银炉的本体结构和配套设备均比较简单，工艺过程稳定，易于被操作人员掌握。
白银炼铜法的工艺技术已达到了世界先进水平，但目前的装备仍比较落后，需进一步完善、提高。白银炉是一种直接将硫化铜精矿等炉料投如熔池进行造锍熔炼的侧吹固定式炉床，它是一个固定的长方形炉子。
炉内熔池有一道隔墙，将炉子分为熔炼区、沉淀区两部分，实现了在一个炉子内动态熔炼和静态的熔渣和冰铜分离。按炉膛空间的结构不同又可分为双室炉型和单室炉型。白银炉主体结构由炉基、炉底、炉墙、炉顶、隔墙、内虹吸池及炉体钢结构等部分组成。炉体上多处设置了铜水套，包括吹风水套、渣线水套、炉拱水套、侧墙立水套、压拱水套、加料口水套等。渣口、放铜锍口、返转炉渣口、燃烧器孔等均设置了铜水套。铜水套冷却件已成为白银炉炉体结构的重要组成部分。
白银炉在工作时，炉内温度在1100~1350℃，从风口喷吹的空气或富氧速度高达300m/s左右，在炉内强烈搅拌熔池，形成沸腾、喷溅状态。因此，白银炉内衬材料要求有较好的高温强度和抗侵蚀性等，主要采用镁质和镁铝质耐火材料。
耐火材料的易损部位是：熔炼区风口部位、熔炼区炉拱及中部隔墙附近的炉墙及沉淀区的渣线部位。风口区由于熔体搅动最激烈，化学反应集中，温度高，且承受捅风口时的机械冲击，所以耐火材料的工作条件最恶劣，是影响炉子维修周期的关键部位，采用电熔铸铬镁砖或再结合铬镁砖砌筑。炉拱顶采用镁铝砖，炉墙内衬采用镁砖砌筑，在渣线部位采用铜水套冷却。炉子中间的隔墙采用镁铝砖和镁砖砌筑，并采用冷却水套保护。白银熔炼炉炉床不宽（小于4m)，故炉顶为拱顶，用镁铝砖砌筑，炉底为反拱，用镁砖砌筑。