高溫熔體對冶煉爐（艾薩爐）壽命的影響

李建平

（云南銅業股份有限公司西南銅業分公司，云南 昆明 650102）

目前我國鋼鐵行業普遍采用制粒－鼓風－礦熱－熔煉技術，由于其技術水平較低，其生產過程中的主要問題有：①產品價格高，能耗高，平均每升重940公斤；②環境問題：因高爐煙氣量大，SO2含量較少，同時存在大量的漏風現象，使制酸廠不能滿足實際的要求。該礦全硫利用率只有68%，且SO2濃度較高；③在投入22年后，公司的年產率只有5×104噸，還沒有達到原來的6×104t的規模，無法滿足我國的經濟發展需要，公司整體技術水平、設備水平相比較于國際國內先進水平的差距日益增大。目前，我國的電爐生產面臨著高能耗、高環保、高效率、高效率、高效率、高技術、高自動化、高勞動生產率的生產技術。澳大利亞MIMPT公司的Isa冶煉技術是一項非常先進、非常成熟的技術。

1 艾薩爐工作機理概述

1.1 工藝流程

通過對國內外銅冶金技術發展現狀的全面剖析，結合公司原材料狀況和生產工藝不匹配的現狀，介紹了艾薩爐的煉銅工藝，并進行了工藝技術的改進。本工藝的設計產能為125000t，以圓盤為原料，以破碎煤粉+柴油為原料，采用電爐沉淀法。該工藝的物料分配形式為抓斗式和倉型，物料分配系統由DCS控制。經喂料盤將原料經喂料帶送入精礦槽，再經電動輸送帶送入制粒器，加工成8mm～10mm的球形顆粒，再拋出造粒器。經處理后的物料（銅精礦、熔劑）由多條輸送帶收集至主要輸送帶，再由艾薩爐的爐頂送入熔化槽，再由富氧氣體注入熔爐中。排出的冰銅粉和熔渣加入原來2#礦熱爐的貧化爐內，進行了一次凈化，將冰銅熔渣與艾薩爐渣相結合，將磁鐵還原，并生成了一種含硫的煙塵。艾薩爐的結構原理見圖1。

圖1 艾薩爐構造結構示意圖

艾薩熔化是一種頂吹型的熔池冶煉設備。本發明采用垂直圓柱狀結構，由頂部注入原料，由頂部注入的氣體或氧氣氣體由頂部中央的浸沒噴槍送入爐槽，噴射壓力在0.1MPa左右，在1170℃～1200℃之間劇烈地攪拌。材料迅速進入熔體，熔化，形成銅屑和熔渣。需要補充的燃料，例如用破碎的煤炭，可以和原料一起添加到爐子里；若使用粉煤、燃油或煤氣，則可用噴槍將其噴射到爐膛內。

艾薩烤箱通常為豎直式筒式，采用鋼板焊制，其上端的鋼板厚約25mm，而在熔池區內，則采用40mm厚的鋼板，在熔化區域內設有加固框。通常情況下，爐身上都會有一定的傾斜角度，以避開中央噴槍，并設有排氣口。

提升式煙囪的設計重點在于確保通風暢通，避免阻塞，易于清理。它的結構形式有斜坡和豎直坡兩種：斜坡煙管的傾角在70°以上，可以將煙道中的渣滓自動回流到高爐，但缺點是煙道會形成粘連，難以清洗；豎向管道的內部溫度很低，膠合劑易于脫落，易于清洗。

在銅冶煉過程中，主要控制著熔池溫度、銅的味道和廢渣中的磁鐵礦。鐵水中Fe3O4是一種氧氣的載體，但當它的含鐵量太大時，它就會形成氣泡，從而引起爐噴事故，因為它要求Fe3O4的質量分數不超過15%，通常是8%。艾薩爐中銅锍的品位為40%～65%，可通過空氣冶煉或富氧法冶煉，含氧量可達到60%以上。

1.2 工藝特點

艾薩是一種采用浸入富氧頂吹法進行冶煉的工藝，艾薩的爐身采用垂直圓柱狀，內部采用耐火襯墊。將噴槍從爐頂中央插入，使噴槍浸泡在熔渣的內部，燃料、空氣和氧氣由噴槍注入熔爐中。熔劑、銅精礦石等由頂部供料孔中添加，由于噴射槍噴射出的高速度空氣使熔池發生劇烈的攪拌，物料在高溫和高湍動條件下熔融，發生激烈的物理和化學反應。

艾撒點加熱爐具有結構緊湊、體積較少的特點；爐身沒有通風口，由頂端的噴槍提供空氣，可更換使用，使用簡單；對原料的需求較低，原料含水量可達到9%，且顆粒尺寸不大，采用粉煤渣作冶煉燃油；在一定的條件下，可以調節富氧區的富氧量，從而可以提高富氧區的含氧量。

1.3 存在問題

首先，沒有足夠的使用時間。艾薩噴炮是艾薩加熱爐的關鍵部件，它的作用是將反應氣流和煤粉的燃油以較快的速度向熔池內噴射，使得熔池在猛烈的紊流中流動，從而為原料的反應提供有利的環境。在噴槍進入到熔池時，由于噴頭附近的熔渣會被反應氣流不斷地降溫并凝固，從而在噴嘴上產生一種保護性的渣膜，從而減少了噴槍頭上的化學腐蝕。

其次，內膽使用時間較少。在生產前期，由于原料體系工作的不穩定，導致了熔體溫度的變化，以及缺乏熟練的工作人員，導致了噴嘴經常被替換。高爐運行不平穩，內壁磨損和腐蝕很厲害。熔化過程中，熔化過程中的高溫度和激烈的攪動，使熔池中的耐火物料受到更多的沖擊。除了沖蝕以外，熔渣的酸性也會導致嚴重的化學侵蝕。

再次，配比體系不穩。在生產過程中，如何確保原材料組成的穩定性是生產過程中的一個關鍵問題。倉式原料的組成具有很大的不穩定性，難以掌握。由于化學成分的變化，使操作過程的控制不穩，難以滿足高產量的需要。喂入體系的穩定性是保證爐膛穩定性的關鍵：進料流量的起伏會引起氣流的變化；但在固定的空氣流量下，若喂入的數量較少，會造成爐渣的過氧化性，黏度大，難以沉淀，易造成殘渣的大量流失。

最后，貧化式熔煉爐的爐溫不穩定，使職工的工作壓力大。將2#礦熱爐改造為艾薩爐的輔助裝置，改造成了貧化爐，負責澄清、分離和渣貧化艾薩的工作，產出冰銅、爐渣和煙塵。電爐貧化法是利用電極在熔融渣層中產生電阻和電弧熱，提溫和澄清艾薩放出物，使其從爐渣中得到電熱。

2 高溫熔體導致的爐體結渣分析

2.1 成因分析

高爐排渣、積灰是一種較為復雜的物理、化工工藝，是煉鐵工業中經常遇到的問題。冶煉爐結渣是有規律的，如果礦石來源或生產過程發生變化，則會造成爐渣的減少或加重，甚至會使爐膛內的結渣位置發生變化。根據其性質，可以將其劃分成：在高熱區和在后低對流區有污垢。前端的高溫帶一般由熔爐出口開始，然后再由整個煙氣排至廢熱爐。這一段的主要的焦化作用是鐵。

低溫對流區域主要是指全廢熱鍋爐，這一段的黏結性灰燼是由S,K,Na,As,Pb,Zn等物質的物質組成，S氧化燃燒產生的SO2與煙塵中的水分相溶，從而產生各種不同的低溫物質。如果煙塵中含有很多上述物質，則會在低溫區凝固，由于它是一種高黏度的溶質，因此會使其他的固體粒子與之發生黏合。

文中所述的艾薩高爐，因其煙塵組成、體系布局等因素，導致了其在前端的高熱段出現了較大的焦炭。艾薩爐煙道的進氣口，在1150℃～1200℃左右，它的殘渣中，除含銅之外，還有更高的組分如鐵，SiO2,S,As,Pb,Zn等。它的物性成分（來源）有：①入爐原料的成球性較差，進料后在煙氣中凝結、燒結，造成結渣。②由于噴槍的總風流量較大，且由于噴槍的插入深度太小，導致溶液飛濺到煙氣中凝結而成渣。③原料中易揮發的鉛、鋅、砷等易揮發的物料，由于不能充分的氧化，會直接通過煙道凝結在煙道壁上，從而產生高密度的積碳。④爐渣結構不夠理想，爐渣的熔點會增加，會導致氣體的外泄，會導致大量的飛沫產生渣塊，這種類型的渣渣具有很高的黏性，具有良好的耐熱抗震性能，而且更致密，不容易脫落。

2.2 緩解措施

2.2.1 煙塵率控制

對原材料的進料比例進行了控制，技術改造使制粒器的高度提高，提高了造粒器的充填能力和進料的充填時間，也提高了制粒的強度。根據生產圓盤角轉速的調節，利用制粒器的傾角調節，制粒器的傾角調節到45度，對物料進行適當的注水量，將物料的含水量降到9.2%，制粒器的使用頻率為48Hz～50Hz，確保物料的成球率和顆粒的強度，艾薩的主控制器對料斗的料位進行了嚴密的控制，防止了物料在漏斗中被碾碎。通過降低煙氣中的粉塵含量，降低粉塵在煙氣中的凝結。

2.2.2 負壓控制技術

隨著爐中壓力的增大，吸入的氣體數量和總的煙度都會增大，從而使銅精礦進入到鍋爐的系統中，導致煙灰比增大，使爐膛中的煙灰發生化學反應以及產生煙道結焦。第一，在負壓升高后，由于氣體泄漏而增大，在管道內產生了大量的氧，導致了爐膛內的二次氧化，從而導致了爐膛的燒焦；第二，隨著壓力的增大，冷卻速度加快，爐膛內的溫度降低，導致爐膛內的積渣，調節了艾薩的負壓，艾薩公司的負壓調節為-40pa，確保了現場的煙塵間歇，降低了氧化氛圍，降低了二次燒結。

2.2.3 熔體噴濺控制

在確保噴槍的降溫條件下，減少艾薩噴槍總空氣流量和流速，加大噴槍的插入時間，將噴槍的端壓從8.5kpa提升到12kpa（從180mm增加到300mm），同時將，噴槍工藝風（ATLAS）的風量從16000Nm3/h降到12000Nm3/h。從而降低了熔體噴出的黏結渣。

3 高溫熔體導致的耐火磚損耗分析

3.1 損耗機理分析

艾薩法是一種采用上吹熔爐進行冶煉的工藝。艾薩熔窯是一種圓柱形的垂直爐體，外部是鋼板，內部是耐火材料，冷卻元件，設有噴槍、噴槍操作系統及其所屬設施。艾薩爐內層采用優質黏土磚、鎂鉻煅燒劑、鎂鉻耐磨磚等材料制成。艾薩爐窯的耐火材料，與爐料、高溫熔體、煙氣接觸，在化學侵蝕、熱沖擊、高溫熔體、煙氣機、機、機等方面產生了影響。

從化學方面來說，爐料與爐料、煙氣接觸，受到酸性渣、S02、冰銅等侵蝕和氧化還原等影響，造成了爐料的內壁接觸，使其損失增大。

從熱力學的角度看，①高溫熔料滲透、沖刷。②不間斷地生產，操作效率低下，多次啟動和停機，造成爐內的熱震。③由于窯爐移動而引起的熱量壓力會使磚體內的連通性下降，使其受熱表面脫落。

在力學方面，①劇烈的熔池攪拌和材料的移動導致了機器的沖蝕。②高溫下的煙塵對受熱表面的侵蝕。③由于熔爐的移動而引起了力學上的壓力。④在爐內壁張緊力的情況下，爐體表面的尖晶石微粒會被沖蝕，而耐火材料的磨耗也會隨之增加。

3.2 損壞的主要形式

首先，高溫下的化學腐蝕是造成耐火磚破壞的重要原因之一，在溫度較高時，其礦物結晶與熔融產物發生化學反應，進入爐中，并逐步侵入到耐火材料的內部，從而產生與原耐火磚結構和性能不同的變質層。隨著時間推移，耐火物料的結晶逐漸被液體相包圍、分離，失去了粘附性，粒子被沖入熔渣中。

其次，在高溫條件下，熱沖擊波作用下，比耐火物料更致密的熔料發生劇烈的摩擦，使其腐蝕速度加快。

最后，當溫度改變時，耐火原料中的可變成分會產生氧化-還原作用，從而導致耐火材料的結構變軟、強度降低、腐蝕加速。

3.3 耐火磚挖補實踐

根據艾薩爐的結構和實際生產情況，提出了更換整體耐火磚、局部挖補和局部熱態檢修三種方案。三種方案的優缺點對比見表1。

表1 艾薩爐耐火檢修方法優缺點分析表

在外爐外殼上預先加強了加強筋，以確保從外挖修去除外爐殼時的強度（參見附圖2）。檢修的具體實施過程有：①施工檢修工作平臺，準備使用工具后進行檢修。②以爐外殼的紅色部分為核心，將整個爐殼（不切割外側的加固筋）；對脫落的部位、面積進行了檢測，根據現場的脫落程度進行相應的調節。③拆除爐體后，對剝落部位的磚塊進行檢測，如果磚塊的厚度小于150mm，則進行修補，修補時，底部采用350mm的瓷磚，一層層向上，按照現有耐火磚型搭配砌筑，新磚與舊磚之間的裂縫用小標磚加工后塞緊密。采用濕法施工。④在掘進完成后，根據現場的燒磚狀況，對爐體進行修復。

圖2 艾薩爐北面耐火磚內部損傷和外部挖補后的情況示意圖

對艾薩爐的耐火材料進行了6次熱修，第二爐期的壽命達到了延長壽命。圖2為艾薩爐北區的燒壞和外部的人工修復后的圖形。

經實際應用，其優點是：①操作簡單靈活，檢修周期較少，一般為10小時。并可依據艾薩爐的維修進度，結合爐料損失，進行熱狀態維修，極大地減少了維修周期。②對所用的瓦片沒有嚴格的規定，可以根據庫存量選擇350 mm和450mm的板坯進行彈性組合，從而增加了資源的利用，減少了存貨。③艾薩爐需停爐，如進爐掘修。艾薩爐每次停爐和開爐費用大約在80-1百萬元左右，通過熱狀態檢修可以減少頻繁停爐和開爐，因此維護費用較少。④艾薩爐不需要頻繁停爐和開爐，可以防止停爐、開爐時對其他的耐火材料造成損害，從而可以延長艾薩爐壽，增加單位爐產量。

4 小結

艾薩銅冶煉工藝中的高溫時段煙道出現了大量的積渣物，對艾薩高爐的運行和負載速度產生了一定的影響。煙道產生的結渣主要是由于噴濺、原料灰分在煙氣中凝結，以及負壓控制不當導致的二次燒結。艾薩爐壽問題是困擾我國銅鐵界多年來的一個難題。下一階段的工作目的是：將掘進爐磚與老式磚體相配合，改善維修質量和效益：控制磁性鐵、渣型、操作溫度、進爐材料成分等，使爐壁上的浮渣降低，從而延長爐齡。