火法炼铜转炉用镁铬耐火材料的结构优化与配置要求

火法炼铜生产过程中，从铜锍到粗铜的冶炼过程绝大部分是在转炉中进行的，目前世界各国多采用大中型卧式碱性转炉，也称Kerce-Smith转炉，简称为P-S转炉。因具有工艺方法简单，操作容易、效率高等特点，因而被长期广泛应用于铜锍的吹炼过程中，目前，约有80%以上的铜锍是在这种设备中吹炼的。

本文将结合转炉用耐火材料的热场分布结果，详细讨论转炉用镁铬耐火材料及其损毁机理。

P-S转炉内衬主要为镁铬耐火材料，内衬的易损部位主要是风口及风口区、炉口和端墙等部位。尤其是风口及风口区，使用条件最为苛刻，也是最易损的部位。解决风口及风口区用耐火材料的使用寿命，既可以降低整个转炉炉衬的蚀损，也可以大幅度地提高转炉炉龄。

转炉用耐火材料的消耗在重有色金属的火法冶金中所占比例最大，所以解决转炉用耐火材料的使用寿命不仅可以大幅度地降低消耗，还可以充分挖掘吹炼的生产潜力，解决好此问题具有显著的社会效益和经济效益。

1、转炉用耐火材料的优化配置

P-S转炉用耐火材料在各个部位的损毁情况不一样，风口与风口区不仅温度波动大而且频繁，因此要求耐火材料不仅要抗熔蚀和冲刷，而且要有良好的抗热剥落和结构剥落等性能。

根据熔体及炉衬的温度场仿真和镁铬耐火材料性能、损毁的研究，我们确定选材原则为：热稳定性好，抗SO2气氛侵蚀性能好，抗炉渣侵蚀性好，抗锍渗透性强以及高温强度大等。根据这一原则，风口及风口区炉衬材料选用电熔再结合镁铬耐火材料，其他部位选用直接结合镁铬耐火材料。选用镁铬耐火材料的物理化学性能列于表6-30。

转炉耐火材料的综合配置图如图6-93所示。

2、炉体结构及砌筑方法优化

为了消除由于炉衬砌筑不合理而引起的结构应力和热应力，在采用优质镁铬耐火材料的同时对砖型和砌筑结构进行了调整。

1）砖型改进

风口区是吹炼反应最强烈、熔体冲刷最严重的部位。加上风口维护时捅风眼机钢钎的冲击，风口区损坏而停炉修理。风口耐火材料的使用寿命代表着转炉炉龄（在一个风口耐火材料更换期内转炉作业的炉次）。

风口耐火材料一般采用直接结合镁铬耐火材料或电熔再结合铬镁耐火材料，以往的砖型设计为每个风口由两块风口砖组成，砖的宽度为风口中心距减去砖缝厚度2mm。由于大型转炉采用多钎式捅风眼机进行风口维护，因此，对风口中心距、风口角、风口中心线的水平度等都有严格的要求。一般风口砖每隔一块砖插入2mm厚纸板一块，不钻风眼的部分每隔3块砖插入2mm厚的纸板一块。风眼砌砖如图6-94a所示。以往风口砖的砖型设计为每个风口由两块风口砖组成，如图6-94b(上)所示。根据减小炉衬应力集中和铜锍沿砖缝渗透的原则，设计了新型风口耐火材料。

该砖型由于一头大一头小，风口直接在砖中钻成。因此，在砌筑时无需添加异形砖，而且风口砖砌好后，其受力中心和转炉的中心位于同一圆心上，从而缓解了结构应力。同时，由于该砖是一整体，减少了铜锍等沿砖缝的渗透。

2）炉口处炉衬的改进

转炉炉口砌砖是结构强度最薄弱的部位，特别在炉口与圆形筒体的交接处，形状复杂，砖的加工量多，砖缝多而厚度难以掌握；而炉口又是加料（铜锍、石英熔剂、冷料）、倒渣、排烟的通道，工艺操作极为频繁，吹烟时排烟温度高达1450℃以上。温度周期性的波动、铜渣喷溅和烟气的冲刷、炉口清理的机械碰撞磨损、Cu2S和S02的侵蚀等，内衬工作条件极为恶劣，使用寿命最短。生产过程中往往因炉口掉砖或损坏被迫停炉修理，影响转炉的工作效率。

炉口横截面形状为鼓形，上、下口是半径为的拱形壁面，左、右拱形壁面的衬砖厚度有两种结构形式，如图6-95a、b所示，a式衬砖厚度不变，均为230mm，b式衬砖厚度是变化的，对上炉口的内口衬砖厚度为230mm，外口厚度为180mm，对下炉口的外口衬砖厚度为230mm，内口厚度为180mm。贵溪冶炼厂铜硫吹炼转炉炉口衬砖原为b式结构，现改为a式结构（取消上炉口衬板，并取消连接部的加强筋板而增硇一道反拱，下炉口衬板下移50mm并加长至炉壳，上下炉口衬砖厚度均改为230mm)，改善了上炉口的结构强度，提高了炉口区炉衬使用寿命。

3）端墙砌砖的改进

转炉端墙有两种结构形式：直形端墙和球形端墙，其砌砖结构如图6-96所示。

以前，转炉多采用直形端墙。球形端墙在砌筑时采用环形砌筑法，因而有效地减轻了应力集中，改善了炉衬的受力状态。

3、操作制度优化

1）吹炼制度

转炉的吹炼制度有三种：单炉吹炼、炉交换吹炼和期交换吹炼。目前，国内多采用单台吹炼炉交换吹炼。

A.单炉吹炼

工厂一般只有两台转炉，其中一台操作，一台备用。一炉吹炼作业完成后，重新加入铜锍，进行另一炉次的吹炼作业。单炉吹炼示意图如图6-97所示。

B.炉交换吹炼

工厂一般有三台转炉时，一台备用，两台交替作业。在2号炉结束全炉吹炼作业之后，1号炉立即进行另一炉次的吹炼作业。但1号炉可在2号炉结束吹炼之前预先加入铜锍，2号炉可在1号炉投人吹炼作业之后排出祖铜，从而缩短了停吹时间。

C.期交换吹炼

工厂一般有三台转炉时，一台备用，两台交替作业m在1号炉的S1期与S2期之间，穿插进行2号炉的B2期吹炼。将排渣、放粗铜、清理风眼等作业安排在另一台转炉投入送风吹炼后进行。仅在两台转炉切换作业时短暂停吹，缩短了停吹时间。

以每炉处理145t品位为50%的铜锍为例，按三种吹炼制度进行比较，鼓风量为32000m3/h(标准状态），其结果见表6-31。

贵冶采用期交换吹炼，其目的在于提高转炉车间送风时率，改善向硫酸车间供烟气的连续性，保证闪速熔炼炉比较均匀地排放铜锍。

2）熔体温度

炉龄是转炉工作好坏的一项重要的技术经济指标。炉衬损毁的主要原因有三：化学侵蚀、机械损毁以及热应力。转炉损毁的三个主要原因都与温度有关。因此，在实际操作过程中，应杜绝高温作业。根据耐火材料的性质，一般造渣期温度控制在（1250±10)℃，造铜期温度控制在（1180±10)℃。影响炉温的主要因素有：

(1)铜锍量。铜锍初始温度与开始吹炼的时间有直接的关系，铜锍初始温度越高、铜锍量越大，至开吹的时间越短，则炉温越高；反之，则炉温越低。

(2)熔剂加入速度。熔剂加人速度越快，会使熔体温度局部降低，加入速度过慢，则化学反应放出的热量不足以使温度迅速升高。

(3)鼓风强度。鼓风强度处于合理的风料比时，反应比较强烈，导致熔体温度显著上升；鼓风强度过小，反应所需的氧供应不足，熔体温度的升高将会受到限制。

(4)冷料量。在铜锍吹炼过程屮，加人冷料是为了消耗掉反应生成的过剩热量，避免高温作业，以减少炉壁用耐火材料的损耗。冷料量是决定转炉热状态的重要因素，冷料量过少，则炉内温度高，徒然加速内衬砖的消耗；冷料量过多，则炉内温度过低，给吹炼过程造成困难，或者不能形成好的炉渣，或者吹炼时间异常地延长。

3）操作停风时间

操作间隙停风时间将影响熔体温度，停风时间越长，温度下降越大。表明了停风时间对炉衬内不同部位温度时变速率的影响。停风时间越长，炉衬温度时变速率越大。

4）氧气含量范围

尽管富氧吹炼能使生产率得到提高，并可解决利用烟气制酸问题，但目前世界上所有铜转炉富氧鼓风的氧含量仍低于30%。若氧含量高于这个水平，则转炉风口带的耐火材料的损坏会加大。

4、炉口尺寸优化

炉口面积的大小对转炉生产有着直接影响，炉口过小会使铜锍加入和炉渣、粗铜的排出速度变慢，冷料加人困难，烟气流速过快，恶化操作条件，使炉口经常黏结大量的熔渣，增加停风清理次数；炉口过大则削弱了筒体的强度和刚度，热损失过大，特别是当加料、排料等停风时，炉体过多的热损失会引起炉温大的波动，使炉衬过早损坏。为此，本部分将利用仿真技术优化炉口尺寸范围。

1）造渣期炉口面积大小对熔体温度的影响

在造渣期，鼓风強度相同时，随着炉口尺寸的变大，熔体的温度降低；炉口尺寸固定时，随着鼓风强度的增加，熔体的温度逐渐升高。

造铜期与造渣期的趋势相似，即鼓风强度相同时，随着炉口尺寸的变大，熔体的温度降低；炉口尺寸固定时，随着鼓风强度的增加，熔体的温度逐渐升高。

炉口面积的大小对转炉生产有着直接影响，从仿真结果中可以看出：在相同的鼓风强度下，熔体的温度随炉口面积比（炉口面积与最大炉膛面积之比）增大而明显降低（图6-107）。

炉口过小会使铜锍加入和炉渣、粗铜的倒出速度变慢，冷料加入困难，使炉口经常黏结大量的熔渣，增加停风清理次数；炉口过大则削弱了筒体的强度和刚度，热损失过大，特别是当加料、排料等停风时，炉体过多的热损失会引起炉温波动大，使炉衬过早损坏。

根据热场仿真计算和实际操作经验，炉口面积与熔体表面积之比在0.18~0.25之间为宜，炉口处烟气流速约为6~8m/s。炉口面积确定后，炉口的长宽比在1.15~1.35之间。

5、总结

(1)对大型铜转炉用耐火材料的配置进行了优化。选用电熔再结合镁铬耐火材料/半再结合镁铬耐火材料作为风口区用耐火材料，而在其他操作环境不太苛刻的区域选用半再结合镁铬耐火材料/直接结合镁铬耐火材料作为炉衬材料；同时对砖型、炉体结构以及炉衬的合理砌筑进行了优化；此配置在贵溪冶炼厂200t转炉上使用，效果良好，将炉衬寿命提高到250炉次以上。

(2)炉口面积对熔体温度影响的仿真结果表明，在相同的鼓风强度下，熔体稳定温度随炉口面积比（炉口面积与最大炉膛面积之比）增大而明显降低;炉口面积与熔体表面积之比在0.18~0.25之间为宜，炉口的长宽比在1.15〜1.35之间。