铜锍转炉设备耐火材料

1 铜锍吹炼的原理

铜精矿造锍熔炼所获得的铜锍是一种中间产品，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、银和铂族金属。吹炼的任务是将铜锍吹炼成含铜98.5% ~ 99. 5%的粗铜。在 吹炼过程，铜锍中的铁被氧化后进人炉渣，硫以SO2的形式进入烟气，贵金属如 金、银、铂、钯以及硒碲等元素进入粗铜。

铜锍的吹炼过程是间歇式周期性作业，整个过程可分为造渣期和造铜期两个 阶段。在吹炼的阶段，铜锍中的FeS与鼓入空气或富氧空气中的氧发生强烈 的氧化反应，此时铜锍中的FeS被氧化为FeO和SO2。添加熔剂后FeO会与熔剂 中的SiO2发生反应进行造渣，使锍中含铜量逐渐升高。由于铜锍与炉渣的相互 溶解度很小而且密度不同，所以在吹炼停风时溶体会分成两层，上层炉渣被定期 排出。这个阶段持续到锍中含Cu 75%以上、含Fe小于1%时结束，这时的锍常 被称为白锍(含铜70%以上的白冰铜，或纯Cu2S)。铜琉吹炼的阶段以产出 大量炉渣为特征，故又称为造渣期。造渣期发生的主要反应为：

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

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

当铜锍中的Fe量降到1%以下时，也就是Fe几乎全部被氧化之后，开始进 入第二阶段。在吹炼的第二阶段，鼓入空气中的氧与Cu2S (白锍)发生强烈的 氧化反应，生成Cu2O和SO2, Cu2O又与未氧化的Cu2S反应生成金属Cu和SO2, 直到生成含铜98. 5%以上的粗铜时吹炼的第二阶段结束。铜锍吹炼的第二阶段不 加入溶剂、不造淹，以产出粗铜为特征，故又称为造铜期。该阶段发生的主要反 应有：

Cu2S + yO2 — Cu2O + SO2(1-3)

Cu2S + 2Cu2O6Cu + SO2(1 -4)

总反应式：

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

造渣期和造铜期烟气经余热锅炉后进电收尘，收尘处理后的烟气(含SO2达 5% ~ 15% )经高温风机送去硫酸系统。

铜锍吹炼时加人的铜锍温度一般约为1100℃，由于吹炼时发生的主要是铁、 硫及其杂质的氧化反应以及FeO与石英的造渣反应，放出的热量足以抵偿作业中 热损耗并使温度升至1150 ~ 1300℃，因此整个吹炼过程是自热进行的，为了 防止熔体温度过高并充分利用反应热，通常需加人冷料。

2 铜锍吹炼主要热工设备

2. 1 P-S 转炉

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Pierce-Smith转炉，简称为 P-S转炉，它是铜锍吹炼的主要设备。因具有工艺方法简单、操作容易、效率高 等特点，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。

转炉炉体中部设有炉口，用以加料、排烟、排渣和出铜，炉体一侧沿水平方 向设置一排风口，用以鼓人压缩空气或富氧空气。不同冶炼厂家，由于转炉炉 型、尺寸及冰铜品位不同，其吹炼操作有所区别，但其吹炼原理是一样的，都是 通过将空气或富氧空气鼓人转炉，搅拌炉内的熔体，并与之进行物理化学反应。

传统的P-S转炉存在一些明显的不足之处。如铜转炉在进料和倾倒产物时， 炉气逸出，污染环境;间歇式操作造成废气中SO2浓度波动较大，使回收SO2制酸过程控制复杂化。针对以上问题，人们对其进行了改进。主要改进炉型有虹吸 式转炉和特尼恩特转炉。

2. 2 虹吸式转炉

霍勃肯虹吸式转炉炉体是圆筒形的，与普通转炉相 似。在炉体的一端有一个特殊的倒U形的烟道，称为虹吸烟道。转炉烟气经由此烟道虹吸排出。由于虹吸烟道能与炉体一起转动，因此不论炉子转到哪个位置， 转炉与烟道都能直接连通。虹吸烟道前端为水平的圆筒烟道，转炉烟气通过圆筒 烟道进入固定的竖烟道，再经变速排烟机、废热锅炉后送往除尘和制酸系统。

虹吸式转炉的主要优点是：烟气不会被稀释，SO2的浓度达11%;不停风就 可以加入固体或液体物料，送风时率高，烟气量稳定，而且不会因停风倾转造成 烟气外逸污染环境，吹炼时喷溅少，不需清理炉口;由于炉口处没有烟罩和烟 道，因此可以无阻碍地从炉口处用勺取得熔体试样。

目前，比利时的Hoboken冶炼厂、美国的Miami冶炼厂、智利的Paipot冶炼 厂以及巴西的Camiba冶炼厂等炼铜厂均采用了虹吸转炉吹炼铜锍。

2. 3 特尼恩特转炉

特尼恩特转炉(Teniente Converter)又称特尼恩特改良转炉(Teniente Modi-fied Conrerter)， 简称 TMC 转炉， 1977 年在智利的卡勒托内斯 (Caletones) 冶炼 厂首先生产运用。TMC是一台长筒形的转炉。

铜锍通过排放口加人TMC内，精矿和石英熔剂由各自料仓用皮带运输机经 石英枪连续喷入炉内。加料操作无需转动炉体和停止吹风。在炉内靠侧面吹入铜 锍层中的富氧空气，实现精矿的自热熔炼和完成吹炼的造渣期作业。特尼恩特转 炉技术旨在反应器中同时进行铜锍的吹炼和铜精矿的自热熔炼，产出高浓度SO2 (10% -20%)的烟气、高品位的铜锍或白铜锍。吹炼时通过加料枪连续向炉内 加入含水7% ~8%的湿精矿和硅质熔剂。干精矿(含水0.2% ~0. 5%)由特殊 设计的风口连续地注入，富氧空气(含O2 28% ~33%)由常规的风口连续地鼓 人，白铜锍(含Cu)和渣通过各自的水冷排放口间断地放出。

3 铜锍吹炼技术的新进展

由于转炉吹炼过程是间歇式的周期性作业，产出的烟气量和烟气中SO2浓度 都在很大范围内波动，给制酸过程带来很大的麻烦。另外，由于吹炼过程的进料和放渣操作，使烟气逸散到车间，恶化了生产劳动环境。为了解决上述问题，继20世纪80年代日本三菱法连续熔炼成熟运用之后，新的连续吹炼工艺和设备不 断地在研究和开发。1995年，美国的肯尼柯特公司和芬兰的奥托昆普公司合作 开发的闪速吹炼技术投入工业生产，2007年我国阳谷祥光铜业有限公司引进了闪速熔炼一闪速吹炼技术。20世纪80年代加拿大诺兰达霍恩冶炼厂开发了连续 吹炼转炉(亦称诺兰达转炉)，1997年11月实现了工业化生产。1999年首台澳斯麦特吹炼炉在我国中条山有色金属公司侯马冶炼厂投产，以及诸如氧气顶吹等 其他吹炼技术，开始改变着传统的P-S转炉的主导局面。连续化的铜锍吹炼 新工艺将实现几乎全部的硫回收、无SO2排放和低生产成本的目标。

4 P-S转炉用耐火材料现状

转炉吹炼为间歇式操作，每一周期内，有多次停风进料倒渣作业，吹炼过程 中炉内温度为1200 ~1300℃,而停风进料、倒渣、倒粗铜时，炉内吸入大量冷空 气，温度迅速下降，一般加料时炉温下降300 ~500℃，转炉炉温就会在800 ~ 1500℃波动。因此转炉内衬的耐火材料要有很好的抗热震性能。转炉操作时高压 空气通过风口吹出。在风口周围形成强烈的搅动，高温熔体对炉衬有极强的冲刷 作用，因此转炉的耐火材料尤其风口区的耐火材料应该有很好的耐磨性。同时, 转炉冶炼时还要加入一些冷料及固态的造渣剂，在吹炼时加入石英石造渣，炉渣 主要成分有FeO、SiO2、CaO。吹炼中的渣型是从弱酸到强碱性，所以要求炉衬有良好的抗碱性渣的性能。

镁铬砖的耐急冷急热性好，耐磨性好，有较好的抗碱性渣侵蚀性能，因此， 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，使用条件为苛刻，也是易损的部位。延长 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。为了风口的整体性和风口位置的准确性，目前风口砖均 用实体砖砌成整体，再用特殊钻头钻风眼，材质采用电熔再结合镁铬砖或直接结 合镁铬砖。筒体和端墙在渣线部分采用镁铬砖或镁砖。炉口砌砖是结构强度 薄弱的部位，特别是炉口与圆形筒体的交接处，因形状复杂、砖的加工难度 大、砖缝多而难以掌握，炉口又是加料、倒渣、排烟的通道，工艺操作极为频 繁，温度变化频繁，铜渣喷戳，烟气冲刷，炉口清理机械的碰撞和磨损，Cu2S， SO2的侵蚀非常严重，内衬工作条件极为恶劣。为此，在结构上应采取措施，尽量减少砖型，减少结构上的薄弱环节。在材质选择上，全部选用直接结合镁铬砖，提高炉体的整体寿命。