銅锍轉爐設備耐火材料

1 銅锍吹煉的原理

銅精礦造锍熔煉所獲得的銅锍是一種中間產品，其主要成分是Cu2S、FeS、 FeO、Fe3O4,并含有少量的Pb、Zn、Ni、Co、As、Bi、Sb等元素的硫化物以及 金、銀和鉑族金屬。吹煉的任務是將銅锍吹煉成含銅98.5% ~ 99. 5%的粗銅。在 吹煉過程，銅锍中的鐵被氧化后進人爐渣，硫以SO2的形式進入煙氣，貴金屬如 金、銀、鉑、鈀以及硒碲等元素進入粗銅。

銅锍的吹煉過程是間歇式周期性作業，整個過程可分為造渣期和造銅期兩個 階段。在吹煉的階段，銅锍中的FeS與鼓入空氣或富氧空氣中的氧發生強烈 的氧化反應，此時銅锍中的FeS被氧化為FeO和SO2。添加熔劑后FeO會與熔劑 中的SiO2發生反應進行造渣，使锍中含銅量逐漸升高。由于銅锍與爐渣的相互 溶解度很小而且密度不同，所以在吹煉停風時溶體會分成兩層，上層爐渣被定期 排出。這個階段持續到锍中含Cu 75%以上、含Fe小于1%時結束，這時的锍常 被稱為白锍(含銅70%以上的白冰銅，或純Cu2S)。銅琉吹煉的階段以產出 大量爐渣為特征，故又稱為造渣期。造渣期發生的主要反應為：

2FeS + 3O2 =2FeO + 2SO2 + 935. 484kJ(1-1)

2FeO + SiO2 =2FeO • SiO2 + 92. 796kJ(1-2)

當銅锍中的Fe量降到1%以下時，也就是Fe幾乎全部被氧化之后，開始進 入第二階段。在吹煉的第二階段，鼓入空氣中的氧與Cu2S (白锍)發生強烈的 氧化反應，生成Cu2O和SO2, Cu2O又與未氧化的Cu2S反應生成金屬Cu和SO2, 直到生成含銅98. 5%以上的粗銅時吹煉的第二階段結束。銅锍吹煉的第二階段不 加入溶劑、不造淹，以產出粗銅為特征，故又稱為造銅期。該階段發生的主要反 應有：

Cu2S + yO2 — Cu2O + SO2(1-3)

Cu2S + 2Cu2O6Cu + SO2(1 -4)

總反應式：

Cu2S + O2 =2Cu + SO2(1-5)

造渣期和造銅期煙氣經余熱鍋爐后進電收塵，收塵處理后的煙氣(含SO2達 5% ~ 15% )經高溫風機送去硫酸系統。

銅锍吹煉時加人的銅锍溫度一般約為1100℃，由于吹煉時發生的主要是鐵、 硫及其雜質的氧化反應以及FeO與石英的造渣反應，放出的熱量足以抵償作業中 熱損耗并使溫度升至1150 ~ 1300℃，因此整個吹煉過程是自熱進行的，為了 防止熔體溫度過高并充分利用反應熱，通常需加人冷料。

2 銅锍吹煉主要熱工設備

2. 1 P-S 轉爐

火法煉銅生產過程中，從銅锍到粗銅的冶煉過程絕大部分是在轉爐中進行 的，目前世界各國多采用大中型臥式堿性轉爐，也稱Pierce-Smith轉爐，簡稱為 P-S轉爐，它是銅锍吹煉的主要設備。因具有工藝方法簡單、操作容易、效率高 等特點，被長期廣泛應用于銅锍的吹煉過程中。目前，約有80%以上的銅锍是 在這種設備中吹煉的。

轉爐爐體中部設有爐口，用以加料、排煙、排渣和出銅，爐體一側沿水平方 向設置一排風口，用以鼓人壓縮空氣或富氧空氣。不同冶煉廠家，由于轉爐爐 型、尺寸及冰銅品位不同，其吹煉操作有所區別，但其吹煉原理是一樣的，都是 通過將空氣或富氧空氣鼓人轉爐，攪拌爐內的熔體，并與之進行物理化學反應。

傳統的P-S轉爐存在一些明顯的不足之處。如銅轉爐在進料和傾倒產物時， 爐氣逸出，污染環境;間歇式操作造成廢氣中SO2濃度波動較大，使回收SO2制酸過程控制復雜化。針對以上問題，人們對其進行了改進。主要改進爐型有虹吸 式轉爐和特尼恩特轉爐。

2. 2 虹吸式轉爐

霍勃肯虹吸式轉爐爐體是圓筒形的，與普通轉爐相 似。在爐體的一端有一個特殊的倒U形的煙道，稱為虹吸煙道。轉爐煙氣經由此煙道虹吸排出。由于虹吸煙道能與爐體一起轉動，因此不論爐子轉到哪個位置， 轉爐與煙道都能直接連通。虹吸煙道前端為水平的圓筒煙道，轉爐煙氣通過圓筒 煙道進入固定的豎煙道，再經變速排煙機、廢熱鍋爐后送往除塵和制酸系統。

虹吸式轉爐的主要優點是：煙氣不會被稀釋，SO2的濃度達11%;不停風就 可以加入固體或液體物料，送風時率高，煙氣量穩定，而且不會因停風傾轉造成 煙氣外逸污染環境，吹煉時噴濺少，不需清理爐口;由于爐口處沒有煙罩和煙 道，因此可以無阻礙地從爐口處用勺取得熔體試樣。

目前，比利時的Hoboken冶煉廠、美國的Miami冶煉廠、智利的Paipot冶煉 廠以及巴西的Camiba冶煉廠等煉銅廠均采用了虹吸轉爐吹煉銅锍。

2. 3 特尼恩特轉爐

特尼恩特轉爐(Teniente Converter)又稱特尼恩特改良轉爐(Teniente Modi-fied Conrerter)， 簡稱 TMC 轉爐， 1977 年在智利的卡勒托內斯 (Caletones) 冶煉 廠首先生產運用。TMC是一臺長筒形的轉爐。

銅锍通過排放口加人TMC內，精礦和石英熔劑由各自料倉用皮帶運輸機經 石英槍連續噴入爐內。加料操作無需轉動爐體和停止吹風。在爐內靠側面吹入銅 锍層中的富氧空氣，實現精礦的自熱熔煉和完成吹煉的造渣期作業。特尼恩特轉 爐技術旨在反應器中同時進行銅锍的吹煉和銅精礦的自熱熔煉，產出高濃度SO2 (10% -20%)的煙氣、高品位的銅锍或白銅锍。吹煉時通過加料槍連續向爐內 加入含水7% ~8%的濕精礦和硅質熔劑。干精礦(含水0.2% ~0. 5%)由特殊 設計的風口連續地注入，富氧空氣(含O2 28% ~33%)由常規的風口連續地鼓 人，白銅锍(含Cu)和渣通過各自的水冷排放口間斷地放出。

3 銅锍吹煉技術的新進展

由于轉爐吹煉過程是間歇式的周期性作業，產出的煙氣量和煙氣中SO2濃度 都在很大范圍內波動，給制酸過程帶來很大的麻煩。另外，由于吹煉過程的進料和放渣操作，使煙氣逸散到車間，惡化了生產勞動環境。為了解決上述問題，繼20世紀80年代日本三菱法連續熔煉成熟運用之后，新的連續吹煉工藝和設備不 斷地在研究和開發。1995年，美國的肯尼柯特公司和芬蘭的奧托昆普公司合作 開發的閃速吹煉技術投入工業生產，2007年我國陽谷祥光銅業有限公司引進了閃速熔煉一閃速吹煉技術。20世紀80年代加拿大諾蘭達霍恩冶煉廠開發了連續 吹煉轉爐(亦稱諾蘭達轉爐)，1997年11月實現了工業化生產。1999年首臺澳斯麥特吹煉爐在我國中條山有色金屬公司侯馬冶煉廠投產，以及諸如氧氣頂吹等 其他吹煉技術，開始改變著傳統的P-S轉爐的主導局面。連續化的銅锍吹煉 新工藝將實現幾乎全部的硫回收、無SO2排放和低生產成本的目標。

4 P-S轉爐用耐火材料現狀

轉爐吹煉為間歇式操作，每一周期內，有多次停風進料倒渣作業，吹煉過程 中爐內溫度為1200 ~1300℃,而停風進料、倒渣、倒粗銅時，爐內吸入大量冷空 氣，溫度迅速下降，一般加料時爐溫下降300 ~500℃，轉爐爐溫就會在800 ~ 1500℃波動。因此轉爐內襯的耐火材料要有很好的抗熱震性能。轉爐操作時高壓 空氣通過風口吹出。在風口周圍形成強烈的攪動，高溫熔體對爐襯有極強的沖刷 作用，因此轉爐的耐火材料尤其風口區的耐火材料應該有很好的耐磨性。同時, 轉爐冶煉時還要加入一些冷料及固態的造渣劑，在吹煉時加入石英石造渣，爐渣 主要成分有FeO、SiO2、CaO。吹煉中的渣型是從弱酸到強堿性，所以要求爐襯有良好的抗堿性渣的性能。

鎂鉻磚的耐急冷急熱性好，耐磨性好，有較好的抗堿性渣侵蝕性能，因此， 轉爐內襯主要為鎂鉻耐火材料。內襯的易損部位主要是風口及風口區、爐口和端 墻等部位。尤其是風口及風口區，使用條件為苛刻，也是易損的部位。延長 風口及風口區用耐火材料的使用壽命，既可以降低整個轉爐爐襯的蝕損，也可以 大幅度地提高轉爐爐齡。為了風口的整體性和風口位置的準確性，目前風口磚均 用實體磚砌成整體，再用特殊鉆頭鉆風眼，材質采用電熔再結合鎂鉻磚或直接結 合鎂鉻磚。筒體和端墻在渣線部分采用鎂鉻磚或鎂磚。爐口砌磚是結構強度 薄弱的部位，特別是爐口與圓形筒體的交接處，因形狀復雜、磚的加工難度 大、磚縫多而難以掌握，爐口又是加料、倒渣、排煙的通道，工藝操作極為頻 繁，溫度變化頻繁，銅渣噴戳，煙氣沖刷，爐口清理機械的碰撞和磨損，Cu2S， SO2的侵蝕非常嚴重，內襯工作條件極為惡劣。為此，在結構上應采取措施，盡量減少磚型，減少結構上的薄弱環節。在材質選擇上，全部選用直接結合鎂鉻磚，提高爐體的整體壽命。