高温熔体对冶炼炉（艾萨炉）寿命的影响

李建平

（云南铜业股份有限公司西南铜业分公司，云南 昆明 650102）

目前我国钢铁行业普遍采用制粒－鼓风－矿热－熔炼技术，由于其技术水平较低，其生产过程中的主要问题有：①产品价格高，能耗高，平均每升重940公斤；②环境问题：因高炉烟气量大，SO2含量较少，同时存在大量的漏风现象，使制酸厂不能满足实际的要求。该矿全硫利用率只有68%，且SO2浓度较高；③在投入22年后，公司的年产率只有5×104吨，还没有达到原来的6×104t的规模，无法满足我国的经济发展需要，公司整体技术水平、设备水平相比较于国际国内先进水平的差距日益增大。目前，我国的电炉生产面临着高能耗、高环保、高效率、高效率、高效率、高技术、高自动化、高劳动生产率的生产技术。澳大利亚MIMPT公司的Isa冶炼技术是一项非常先进、非常成熟的技术。

1 艾萨炉工作机理概述

1.1 工艺流程

通过对国内外铜冶金技术发展现状的全面剖析，结合公司原材料状况和生产工艺不匹配的现状，介绍了艾萨炉的炼铜工艺，并进行了工艺技术的改进。本工艺的设计产能为125000t，以圆盘为原料，以破碎煤粉+柴油为原料，采用电炉沉淀法。该工艺的物料分配形式为抓斗式和仓型，物料分配系统由DCS控制。经喂料盘将原料经喂料带送入精矿槽，再经电动输送带送入制粒器，加工成8mm～10mm的球形颗粒，再抛出造粒器。经处理后的物料（铜精矿、熔剂）由多条输送带收集至主要输送带，再由艾萨炉的炉顶送入熔化槽，再由富氧气体注入熔炉中。排出的冰铜粉和熔渣加入原来2#矿热炉的贫化炉内，进行了一次净化，将冰铜熔渣与艾萨炉渣相结合，将磁铁还原，并生成了一种含硫的烟尘。艾萨炉的结构原理见图1。

图1 艾萨炉构造结构示意图

艾萨熔化是一种顶吹型的熔池冶炼设备。本发明采用垂直圆柱状结构，由顶部注入原料，由顶部注入的气体或氧气气体由顶部中央的浸没喷枪送入炉槽，喷射压力在0.1MPa左右，在1170℃～1200℃之间剧烈地搅拌。材料迅速进入熔体，熔化，形成铜屑和熔渣。需要补充的燃料，例如用破碎的煤炭，可以和原料一起添加到炉子里；若使用粉煤、燃油或煤气，则可用喷枪将其喷射到炉膛内。

艾萨烤箱通常为竖直式筒式，采用钢板焊制，其上端的钢板厚约25mm，而在熔池区内，则采用40mm厚的钢板，在熔化区域内设有加固框。通常情况下，炉身上都会有一定的倾斜角度，以避开中央喷枪，并设有排气口。

提升式烟囱的设计重点在于确保通风畅通，避免阻塞，易于清理。它的结构形式有斜坡和竖直坡两种：斜坡烟管的倾角在70°以上，可以将烟道中的渣滓自动回流到高炉，但缺点是烟道会形成粘连，难以清洗；竖向管道的内部温度很低，胶合剂易于脱落，易于清洗。

在铜冶炼过程中，主要控制着熔池温度、铜的味道和废渣中的磁铁矿。铁水中Fe3O4是一种氧气的载体，但当它的含铁量太大时，它就会形成气泡，从而引起炉喷事故，因为它要求Fe3O4的质量分数不超过15%，通常是8%。艾萨炉中铜锍的品位为40%～65%，可通过空气冶炼或富氧法冶炼，含氧量可达到60%以上。

1.2 工艺特点

艾萨是一种采用浸入富氧顶吹法进行冶炼的工艺，艾萨的炉身采用垂直圆柱状，内部采用耐火衬垫。将喷枪从炉顶中央插入，使喷枪浸泡在熔渣的内部，燃料、空气和氧气由喷枪注入熔炉中。熔剂、铜精矿石等由顶部供料孔中添加，由于喷射枪喷射出的高速度空气使熔池发生剧烈的搅拌，物料在高温和高湍动条件下熔融，发生激烈的物理和化学反应。

艾撒点加热炉具有结构紧凑、体积较少的特点；炉身没有通风口，由顶端的喷枪提供空气，可更换使用，使用简单；对原料的需求较低，原料含水量可达到9%，且颗粒尺寸不大，采用粉煤渣作冶炼燃油；在一定的条件下，可以调节富氧区的富氧量，从而可以提高富氧区的含氧量。

1.3 存在问题

首先，没有足够的使用时间。艾萨喷炮是艾萨加热炉的关键部件，它的作用是将反应气流和煤粉的燃油以较快的速度向熔池内喷射，使得熔池在猛烈的紊流中流动，从而为原料的反应提供有利的环境。在喷枪进入到熔池时，由于喷头附近的熔渣会被反应气流不断地降温并凝固，从而在喷嘴上产生一种保护性的渣膜，从而减少了喷枪头上的化学腐蚀。

其次，内胆使用时间较少。在生产前期，由于原料体系工作的不稳定，导致了熔体温度的变化，以及缺乏熟练的工作人员，导致了喷嘴经常被替换。高炉运行不平稳，内壁磨损和腐蚀很厉害。熔化过程中，熔化过程中的高温度和激烈的搅动，使熔池中的耐火物料受到更多的冲击。除了冲蚀以外，熔渣的酸性也会导致严重的化学侵蚀。

再次，配比体系不稳。在生产过程中，如何确保原材料组成的稳定性是生产过程中的一个关键问题。仓式原料的组成具有很大的不稳定性，难以掌握。由于化学成分的变化，使操作过程的控制不稳，难以满足高产量的需要。喂入体系的稳定性是保证炉膛稳定性的关键：进料流量的起伏会引起气流的变化；但在固定的空气流量下，若喂入的数量较少，会造成炉渣的过氧化性，黏度大，难以沉淀，易造成残渣的大量流失。

最后，贫化式熔炼炉的炉温不稳定，使职工的工作压力大。将2#矿热炉改造为艾萨炉的辅助装置，改造成了贫化炉，负责澄清、分离和渣贫化艾萨的工作，产出冰铜、炉渣和烟尘。电炉贫化法是利用电极在熔融渣层中产生电阻和电弧热，提温和澄清艾萨放出物，使其从炉渣中得到电热。

2 高温熔体导致的炉体结渣分析

2.1 成因分析

高炉排渣、积灰是一种较为复杂的物理、化工工艺，是炼铁工业中经常遇到的问题。冶炼炉结渣是有规律的，如果矿石来源或生产过程发生变化，则会造成炉渣的减少或加重，甚至会使炉膛内的结渣位置发生变化。根据其性质，可以将其划分成：在高热区和在后低对流区有污垢。前端的高温带一般由熔炉出口开始，然后再由整个烟气排至废热炉。这一段的主要的焦化作用是铁。

低温对流区域主要是指全废热锅炉，这一段的黏结性灰烬是由S,K,Na,As,Pb,Zn等物质的物质组成，S氧化燃烧产生的SO2与烟尘中的水分相溶，从而产生各种不同的低温物质。如果烟尘中含有很多上述物质，则会在低温区凝固，由于它是一种高黏度的溶质，因此会使其他的固体粒子与之发生黏合。

文中所述的艾萨高炉，因其烟尘组成、体系布局等因素，导致了其在前端的高热段出现了较大的焦炭。艾萨炉烟道的进气口，在1150℃～1200℃左右，它的残渣中，除含铜之外，还有更高的组分如铁，SiO2,S,As,Pb,Zn等。它的物性成分（来源）有：①入炉原料的成球性较差，进料后在烟气中凝结、烧结，造成结渣。②由于喷枪的总风流量较大，且由于喷枪的插入深度太小，导致溶液飞溅到烟气中凝结而成渣。③原料中易挥发的铅、锌、砷等易挥发的物料，由于不能充分的氧化，会直接通过烟道凝结在烟道壁上，从而产生高密度的积碳。④炉渣结构不够理想，炉渣的熔点会增加，会导致气体的外泄，会导致大量的飞沫产生渣块，这种类型的渣渣具有很高的黏性，具有良好的耐热抗震性能，而且更致密，不容易脱落。

2.2 缓解措施

2.2.1 烟尘率控制

对原材料的进料比例进行了控制，技术改造使制粒器的高度提高，提高了造粒器的充填能力和进料的充填时间，也提高了制粒的强度。根据生产圆盘角转速的调节，利用制粒器的倾角调节，制粒器的倾角调节到45度，对物料进行适当的注水量，将物料的含水量降到9.2%，制粒器的使用频率为48Hz～50Hz，确保物料的成球率和颗粒的强度，艾萨的主控制器对料斗的料位进行了严密的控制，防止了物料在漏斗中被碾碎。通过降低烟气中的粉尘含量，降低粉尘在烟气中的凝结。

2.2.2 负压控制技术

随着炉中压力的增大，吸入的气体数量和总的烟度都会增大，从而使铜精矿进入到锅炉的系统中，导致烟灰比增大，使炉膛中的烟灰发生化学反应以及产生烟道结焦。第一，在负压升高后，由于气体泄漏而增大，在管道内产生了大量的氧，导致了炉膛内的二次氧化，从而导致了炉膛的烧焦；第二，随着压力的增大，冷却速度加快，炉膛内的温度降低，导致炉膛内的积渣，调节了艾萨的负压，艾萨公司的负压调节为-40pa，确保了现场的烟尘间歇，降低了氧化氛围，降低了二次烧结。

2.2.3 熔体喷溅控制

在确保喷枪的降温条件下，减少艾萨喷枪总空气流量和流速，加大喷枪的插入时间，将喷枪的端压从8.5kpa提升到12kpa（从180mm增加到300mm），同时将，喷枪工艺风（ATLAS）的风量从16000Nm³/h降到12000Nm³/h。从而降低了熔体喷出的黏结渣。

3 高温熔体导致的耐火砖损耗分析

3.1 损耗机理分析

艾萨法是一种采用上吹熔炉进行冶炼的工艺。艾萨熔窑是一种圆柱形的垂直炉体，外部是钢板，内部是耐火材料，冷却元件，设有喷枪、喷枪操作系统及其所属设施。艾萨炉内层采用优质黏土砖、镁铬煅烧剂、镁铬耐磨砖等材料制成。艾萨炉窑的耐火材料，与炉料、高温熔体、烟气接触，在化学侵蚀、热冲击、高温熔体、烟气机、机、机等方面产生了影响。

从化学方面来说，炉料与炉料、烟气接触，受到酸性渣、S02、冰铜等侵蚀和氧化还原等影响，造成了炉料的内壁接触，使其损失增大。

从热力学的角度看，①高温熔料渗透、冲刷。②不间断地生产，操作效率低下，多次启动和停机，造成炉内的热震。③由于窑炉移动而引起的热量压力会使砖体内的连通性下降，使其受热表面脱落。

在力学方面，①剧烈的熔池搅拌和材料的移动导致了机器的冲蚀。②高温下的烟尘对受热表面的侵蚀。③由于熔炉的移动而引起了力学上的压力。④在炉内壁张紧力的情况下，炉体表面的尖晶石微粒会被冲蚀，而耐火材料的磨耗也会随之增加。

3.2 损坏的主要形式

首先，高温下的化学腐蚀是造成耐火砖破坏的重要原因之一，在温度较高时，其矿物结晶与熔融产物发生化学反应，进入炉中，并逐步侵入到耐火材料的内部，从而产生与原耐火砖结构和性能不同的变质层。随着时间推移，耐火物料的结晶逐渐被液体相包围、分离，失去了粘附性，粒子被冲入熔渣中。

其次，在高温条件下，热冲击波作用下，比耐火物料更致密的熔料发生剧烈的摩擦，使其腐蚀速度加快。

最后，当温度改变时，耐火原料中的可变成分会产生氧化-还原作用，从而导致耐火材料的结构变软、强度降低、腐蚀加速。

3.3 耐火砖挖补实践

根据艾萨炉的结构和实际生产情况，提出了更换整体耐火砖、局部挖补和局部热态检修三种方案。三种方案的优缺点对比见表1。

表1 艾萨炉耐火检修方法优缺点分析表

在外炉外壳上预先加强了加强筋，以确保从外挖修去除外炉壳时的强度（参见附图2）。检修的具体实施过程有：①施工检修工作平台，准备使用工具后进行检修。②以炉外壳的红色部分为核心，将整个炉壳（不切割外侧的加固筋）；对脱落的部位、面积进行了检测，根据现场的脱落程度进行相应的调节。③拆除炉体后，对剥落部位的砖块进行检测，如果砖块的厚度小于150mm，则进行修补，修补时，底部采用350mm的瓷砖，一层层向上，按照现有耐火砖型搭配砌筑，新砖与旧砖之间的裂缝用小标砖加工后塞紧密。采用湿法施工。④在掘进完成后，根据现场的烧砖状况，对炉体进行修复。

图2 艾萨炉北面耐火砖内部损伤和外部挖补后的情况示意图

对艾萨炉的耐火材料进行了6次热修，第二炉期的寿命达到了延长寿命。图2为艾萨炉北区的烧坏和外部的人工修复后的图形。

经实际应用，其优点是：①操作简单灵活，检修周期较少，一般为10小时。并可依据艾萨炉的维修进度，结合炉料损失，进行热状态维修，极大地减少了维修周期。②对所用的瓦片没有严格的规定，可以根据库存量选择350 mm和450mm的板坯进行弹性组合，从而增加了资源的利用，减少了存货。③艾萨炉需停炉，如进炉掘修。艾萨炉每次停炉和开炉费用大约在80-1百万元左右，通过热状态检修可以减少频繁停炉和开炉，因此维护费用较少。④艾萨炉不需要频繁停炉和开炉，可以防止停炉、开炉时对其他的耐火材料造成损害，从而可以延长艾萨炉寿，增加单位炉产量。

4 小结

艾萨铜冶炼工艺中的高温时段烟道出现了大量的积渣物，对艾萨高炉的运行和负载速度产生了一定的影响。烟道产生的结渣主要是由于喷溅、原料灰分在烟气中凝结，以及负压控制不当导致的二次烧结。艾萨炉寿问题是困扰我国铜铁界多年来的一个难题。下一阶段的工作目的是：将掘进炉砖与老式砖体相配合，改善维修质量和效益：控制磁性铁、渣型、操作温度、进炉材料成分等，使炉壁上的浮渣降低，从而延长炉龄。