冶炼用窑炉种类、耐火材料

1鼓风炉
鼓风炉广泛应用于铜、铅、铅锌、锑等金属的粗炼过程。
鼓风炉由炉顶、炉身、本床（也称咽喉口）、炉缸、风口装置等组成。
冶炼炉料（精矿、烧结矿等）、焦炭、熔剂、反料等固体物料，从炉顶加入，炉身下部侧面风口装置中鼓入的高压空气，在向上走的过程中，与向下的物料进行熔化、氧化、还原等反应，完成冶炼过程，液态金属、锍、炉渣从炉子下部的咽喉口或炉缸排出，烟气、烟尘、气态金属或金属氧化物从炉顶烟气出口排出。目前多为密闭炉顶，炉身为全水套，耐火材料只在咽喉口和炉缸使用，因其炉渣属碱性炉渣，故咽喉口部分主要用镁砖、镁铬砖、铝铬砖；炉缸侧壁和炉底上部用镁砖、镁铬砖、铝铬砖；炉底砌成反拱形。
2反射炉
反射炉有熔炼反射炉和精炼反射炉，其结构形式基本相同只是精炼反射炉规格较小。为长方形炉体，生产是连续的。
反射炉炉头操作温度一般为1400～1500℃，出炉烟气温度一般为1150～1200℃。炉底由下而上依次为石棉板、保温砖层、粘土砖层、镁铝砖或镁砖层。炉墙多采用镁铝砖或镁砖，有些重要部位为了延长使用寿命均采用镁铬砖砌筑，外墙一般采用粘土砖。炉顶采用吊挂式炉顶，小型反射炉炉顶采用砖拱，拱顶材质为镁铝砖。
我国炼铅（铜）工厂大多采用传统的烧结—鼓风炉熔炼流程，由于它存在着以下缺陷：
a、烧结过程中硫燃烧很不充分，返回料比率高；
b、鼓风炉炉料中铅（铜）含量低；
c、大量烟气污染环境。
因而人们一直在努力探索炼铅新工艺，其目的不外乎两个方面：
1、利用反应热进行熔炼；
2、用一步法工艺代替原来的多步法。
国外已成功地研究出艾萨炉（奥斯麦特炉）、卡尔多炉、QSL法、基夫赛特法、悉罗法、富氧炼铅炉等新型炼铅炉和新工艺。
3艾萨炉（奥斯麦特炉）
艾萨炉炉体为简单的竖式圆筒形，其技术核心是采用了浸没式顶吹燃烧喷枪，在多年小规模试验研究基础上，艾萨冶炼厂于1983年建成了一个处理量为5T/H的炼铅艾萨炉。溶池温度1170~1200℃艾萨熔炼工艺过程：炉体为具有耐火材料衬里的垂直圆柱体喷枪从炉顶中心插入炉内，喷枪头部浸没在熔池的熔渣层内，冶炼工艺所需的空气或者富氧空气通过喷枪送到渣面以下液态层中形成强烈搅动状态的熔池，炉料从炉顶加入直接落入处于强烈搅动的熔池，快速被卷入熔体与吹入的氧反应，炉料被迅速熔化，生成炉渣和铅（铜）。
由于艾萨炉炼铅（铜）工艺特点是物料混合时间很短，熔融金属、渣、酸气在炉子内发生强烈搅拌，因而也决定了其工作环境比传统炼铅（铜）法苛刻得多：
a、熔融铅（铜）、熔渣以及酸气对耐火炉衬的强烈冲刷；
b、铳对耐火炉衬的化学侵蚀、渗透；
c、热应力破坏。
因此，艾萨炉铅（铜）冶炼耐火材料炉衬必须具有以下优良使用性能，才能实现炉窑长寿、高效、低耗等目的：
a、具有较高的常温、高温耐压强度，较低的气孔率以抵抗物料和熔融金属、渣的冲刷；
b、用优质高纯原料制作，产品中低熔物很少，能有效抵御环境与炉衬发生化学反应而变质损毁并提高抗渗透性；
c、具有优质的热震稳定性能，受热应力（温度变化产生的应力破坏轻微）。
艾萨炉各部位的耐火材料配置
1、炉底
炉底一般为反拱，向放出口倾斜约2%，也可是平底，同样向放出口倾斜2%，内衬分三层：上面工作层用电熔再结合镁铬砖、半再结合镁铬砖；工作层下面为镁铬质捣打料；最下面是低气孔粘土砖。
2、炉墙
炉墙工作条件非常恶劣，下部（距炉底1000~2000mm的范围）受到了强烈搅动的熔体侵蚀、冲刷，因此采用耐高温、耐冲刷、抗侵蚀性能好的电熔再结合镁铬砖或半再结合镁铬砖。
上部受喷溅熔渣的侵蚀和高温烟气的冲刷也宜采用炉墙下部同材质或抗渣蚀能弱的直接结合镁铬砖。
3、炉顶
由于炉顶结构复杂，工作条件恶劣，宜用施工方便、耐侵蚀的镁铬浇注料，为增加其抗剥落性能，可在其中加入部分耐热钢纤维。
4卡尔多炉
卡尔多炉用耐火材料损毁的主要因素及对耐火材料的要求和艾萨炉（奥斯麦特炉）相同。
卡尔多炉又称氧气斜吹转炉，由于炉体倾斜而且旋转,增加了液态金属和液态渣的接触，提高了反应效率。由于炉体旋转,炉体受热均匀，侵蚀均匀，有利于延长炉子寿命。
由于使用了氧气,熔炼和吹炼都在同一炉内进行,故强化了熔炼过程,缩短了流程，且提高了烟气中SO2浓度。
正确地选择炉子内膛形状及尺寸，对于卡尔多炉冶炼过程化学反应的顺利进行，减少喷溅，减轻炉底侵蚀，制造及安装方便是很重要的。
吹炼是在1100～1300℃左右的高温中进行的，所以为保证一定的炉子寿命，必须选择合理的炉衬材质，并确定严格的砌筑方法。
卡尔多炉炉衬由电熔半再结合镁铬砖、直接结合镁铬砖、镁砂和耐火纤维毡组成，电熔半再结合镁铬砖在吹炼过程中直接与炉内液体金属、液态炉渣和炉气接触,受到强烈的化学侵蚀和机械冲刷；在炉体旋转过程中由于炉衬的自重作用而不断地产生应力改变；电熔半再结合镁铬耐火材料的结构兼具直接结合镁铬耐火材料和电熔再结合镁铬耐火材料的特点，制品抗渣侵蚀性强，并具有较好的热震稳定性。是合适的卡尔多炉内衬材料。直接结合镁铬砖作为永久衬耐火材料，具有抗热震、耐侵蚀性能，可以保护炉壳。砖与砖之间有一层镁砂填充料，以减轻镁铬砖热膨胀对炉壳的压力，并便于砌筑和拆炉。紧贴炉壳有厚度为10~30mm耐火纤维毡,起绝热保温作用。实践证明衬砖与炉壳之间铺设适当厚度的填充层,不但不会降低炉衬寿命，而且会减少炉体散热损失，节约燃料，同时又改善了炉子周围的操作条件。
设计内衬本应根据各部位的工作环境及主要侵蚀作用选用不同厚度、不同材质的耐火材料，以达到最合理配置，降低成本；但考虑到卡尔多炉的侵蚀速度平均比较快（寿命2～3个月），并为了现场砌筑管理的标准化和便捷及国际标准化趋势，采用同一厚度、同一材质的设计，并减少砖型。若需方另有要求，可按需方要求设计。
5氧气底吹炉
1、QLS法
QLS法在同一反应器内完成氧化和还原反应，其反应过程实际上分为两步。内衬的设计配置是否合理直接关系到炉子的寿命；内衬的设计配置包括两方面：一是确定合理的结构和尺寸；二是正确选择耐火材料。QLS法在我国只有白银有，炉衬厚度350mm，熔池上部选用电熔半再结合镁铬砖；熔池底部选用电熔再结合镁铬砖LDMGe－26。
2、气底吹富氧炼铅炉
氧气底吹富氧炼铅炉是一台水平圆柱形反应炉。熔池上部选用直接结合镁铬砖LZMGe－18；熔池底部选用电熔半再结合镁铬砖LDMGe－18。或全部选用电熔半再结合镁铬砖LDMGe－18。总用量约160吨。
6挥发窑
挥发窑是处理浸出渣，回收Zn、Pb、In、Ge等有价金属的回转窑。
挥发窑的特点是窑的砌体在高温下随窑壳一起转动，长期处于震动状态，同时还要承受炉料的磨损和撞击作用；其耐火材料的损毁主要表现为：
（1）熔融炉渣、金属的侵蚀。
（2）机械磨损。
（3）高温作用，窑中间断反应带的温度高达1300～1500℃。
所以在窑中间断反应带主要选用铝铬渣砖或镁铝铬砖以达到延长窑衬使用寿命的目的。
镁铝铬砖的特点是：
一是在生产时加入大颗粒的预合成尖晶石料，利用各种矿物高温下的膨胀不一致性使其内部产生微裂纹，从而提高制品热震稳定性；
二是铬矿中含有Fe2O3，Fe2O3向MgO中扩散，增强了方镁石和镁铝尖晶石的直接结合，促进颗粒与基质之间的结合，提高了材料的高温强度；
三是加入铬铁矿，其中的Cr2O3与Al2O3、MgO形成连续固溶体，提高了材料的致密度和耐磨性。
7倾动炉
为处理粗杂铜，贵冶引进德国ＭＡＥＲＺ公司倾动炉专利技术，包括倾动炉炉体、燃烧系统、铸锭系统、废热锅炉、收尘系统及其它辅助设施。
该倾动炉具有反射炉可加料和扒渣的特点，又有回转式阳极炉可根据不同操作周期改变炉位的优点，机械化和自动化程度高（倾转采用液压设备，加料采用灵活快捷的专用加料机），燃烧效率高，工人操作劳动强度低。贵冶350吨倾动炉为当前最大型号，可年处理含铜10万吨的物料。选用耐火材料为电熔再结合镁铬砖或电熔半再结合镁铬砖，Cr2O3含量18以上。
8闪速炉
闪速炉是芬兰奥托昆普公司发明的处理粉状硫化矿物的一种强化冶炼设备，一般由精矿喷嘴、反应塔、沉淀池、上升烟道等四个主要部分组成。干燥后的炉料和预热空气通过精矿喷嘴进行混合并高速喷入反应塔内，在高温作用下，迅速进行氧化脱硫、熔化、造渣等反应，形成的熔体进入沉淀池后进一步完成造渣过程，并分离成富集金属产品和炉渣，熔炼气体产物由上升烟道排出。
精矿喷嘴使用的耐火材料一般为高铝质耐火浇注料或捣打料。
反应塔是闪速炉内熔炼反应过程进行的主要场所，上部温度约为900～1100℃，下部温度可达1350～1550℃，要求耐火材料耐高温、耐冲刷、抗侵蚀、高温稳定性好。反应塔顶与上部塔壁温度较低，一般采用直接结合镁铬砖。中下部塔壁则采用电熔铸镁铬砖或电熔再结合镁铬砖。
沉淀池中，熔炼过程最终完成，熔体沉淀分离成为锍层和渣层，锍和渣通过不同的放出口放出。炉底和炉墙渣线部位以下选用电熔再结合镁铬砖，炉顶和炉墙渣线以上部为选用电熔半再结合镁铬砖或直接结合镁铬砖。
上升烟道是闪速炉烟气的排出口，其耐火材料主要是受夹带着熔渣和烟尘的高温烟气的冲刷和侵蚀，一般选用直接结合镁铬砖。
9诺兰达炉
大冶有色公司为了提高产能和改善环保，新建诺兰达熔炼工艺，1997年投产后，当时形成15万吨粗铜生产能力。
诺兰达熔炼工艺是加拿大诺兰达公司研究开发的，为一水平圆柱形反应炉，属富氧熔池熔炼，在一个反应炉内完成精矿干燥、焙烧、熔炼和吹炼造渣工艺。熔池及渣线部位用电熔半再结合镁铬砖18，其他部分直接结合镁铬砖16。
10转炉
火法炼铜生产过程中从铜硫到粗铜的冶炼过程绝大部分是在转炉中进行的，炼镍亦如此。
转炉是一横卧的圆柱形筒体，钢板筒体内衬耐火材料，上方有一进出物料的炉口，沿长度方向的一侧有一系列风口；转炉加入的大部分炉料是液态铜硫或低镍锍，在风口中鼓入高压空气的作用下进行脱硫，造渣反应，整个过程不用外加燃料，是自热熔炼过程，反应过程中产生的烟气不断炉口喷出沿烟罩进入收尘和制酸系统；反应过程中生成的渣定期停风后倾动炉体从炉口到出；最终的产品（粗铜或高镍锍）也是停风后倾动炉体从炉口到出。
由于吹炼一段时间后，需停风从炉口倒渣，倒完渣后再加入一批铜锍吹炼，如此循环几次直到加完预定的铜锍，并全部吹炼成粗铜，这一冶炼周期即告结束，在这一周期内转炉温度波动在800～1500℃之间，另外冶炼过程中还要加入一些冷料和石英石，因此要求耐火材料要有很好的抗高温急冷急热性，接触熔体和物料部分有较好的耐磨性，及抵抗酸性渣和碱性渣腐蚀的性能。
转炉耐火材料分为风口、风口区、炉口、炉身、端墙几个部分。风口选用电熔再结合镁铬砖26，风口区、炉口、炉身、端墙几个部分选用电熔再结合镁铬砖16或电熔半再结合镁铬砖16。
11阳极炉（精炼炉）
阳极炉也叫回转式精炼炉，适用于精炼熔融粗铜。
精炼作业为加料、氧化、还原、浇铸，产品为阳极板。在圆柱形炉体上设有炉口，用于装料和出铜，炉体侧面设有少量风口，在氧化期通入高压空气，在还原期通入还原剂；风口不操作时置于熔体面以上，进行氧化还原操作时，将炉子倾动使风口埋入熔体内。
第一，阳极炉的炉膛温度高于1350℃，与固定式炉不同的是没有固定的熔池(渣)线，炉渣的侵蚀和熔融金属的冲刷几乎涉及2/3以上的炉膛内表面；
第二，由于炉子需要经常转动，砌体与钢壳间必须紧密接触，加大砌体与钢壳间的静磨擦而克服转动扭矩以保持砌体的稳定性，因此不设轻质隔热层；
第三，为了减轻砌体荷重（以减少支撑装置的荷重，减小传动功率消耗）在钢壳表面温度允许的条件下（300℃）尽量减薄砌层厚度。
根据以上三个特点，该阳极炉筒体内衬选用380mm厚的电熔再结合镁铬砖、65mm厚的粘土砖，两端墙选用380mm厚的电熔再结合镁铬砖，加65mm厚的粘土砖，外贴10mm厚的耐火纤维板，出铜口和氧化还原口因风口区工作面温度波动最为剧烈，风眼区部位的内衬腐蚀较为严重，还要求受温度变化，经常需要检修，故采用组合砖组成孔口。另外在材质选择上，兼顾耐侵蚀和耐急冷急热性能，电熔半再结合镁铬砖制品抗渣侵蚀性强，并具有较好的热震稳定性。比较适应该部位。
另外，在加料的两个冲击区，考虑到加料时温度波动影响，在该部位也选择电熔半再结合镁铬砖。燃烧口、烟气出口因结构和施工方便，采用镁铬质捣打料打结。