火法煉銅生產(chǎn)過(guò)程中，從銅锍到粗銅的冶煉過(guò)程絕大部分是在轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行的，目前世界各國(guó)多采用大中型臥式堿性轉(zhuǎn)爐，也稱Kerce-Smith轉(zhuǎn)爐，簡(jiǎn)稱為P-S轉(zhuǎn)爐。因具有工藝方法簡(jiǎn)單，操作容易、效率高等特點(diǎn)，因而被長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用于銅锍的吹煉過(guò)程中，目前，約有80%以上的銅锍是在這種設(shè)備中吹煉的。
本文將結(jié)合轉(zhuǎn)爐用耐火材料的熱場(chǎng)分布結(jié)果，詳細(xì)討論轉(zhuǎn)爐用鎂鉻耐火材料及其損毀機(jī)理。
P-S轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯主要為鎂鉻耐火材料，內(nèi)襯的易損部位主要是風(fēng)口及風(fēng)口區(qū)、爐口和端墻等部位。尤其是風(fēng)口及風(fēng)口區(qū)，使用條件最為苛刻，也是最易損的部位。解決風(fēng)口及風(fēng)口區(qū)用耐火材料的使用壽命，既可以降低整個(gè)轉(zhuǎn)爐爐襯的蝕損，也可以大幅度地提高轉(zhuǎn)爐爐齡。
轉(zhuǎn)爐用耐火材料的消耗在重有色金屬的火法冶金中所占比例最大，所以解決轉(zhuǎn)爐用耐火材料的使用壽命不僅可以大幅度地降低消耗，還可以充分挖掘吹煉的生產(chǎn)潛力，解決好此問(wèn)題具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
1、轉(zhuǎn)爐用耐火材料的優(yōu)化配置
P-S轉(zhuǎn)爐用耐火材料在各個(gè)部位的損毀情況不一樣，風(fēng)口與風(fēng)口區(qū)不僅溫度波動(dòng)大而且頻繁，因此要求耐火材料不僅要抗熔蝕和沖刷，而且要有良好的抗熱剝落和結(jié)構(gòu)剝落等性能。
根據(jù)熔體及爐襯的溫度場(chǎng)仿真和鎂鉻耐火材料性能、損毀的研究，我們確定選材原則為：熱穩(wěn)定性好，抗SO2氣氛侵蝕性能好，抗?fàn)t渣侵蝕性好，抗锍滲透性強(qiáng)以及高溫強(qiáng)度大等。根據(jù)這一原則，風(fēng)口及風(fēng)口區(qū)爐襯材料選用電熔再結(jié)合鎂鉻耐火材料，其他部位選用直接結(jié)合鎂鉻耐火材料。
2、爐體結(jié)構(gòu)及砌筑方法優(yōu)化
為了消除由于爐襯砌筑不合理而引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力，在采用優(yōu)質(zhì)鎂鉻耐火材料的同時(shí)對(duì)磚型和砌筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整。
1）磚型改進(jìn)
風(fēng)口區(qū)是吹煉反應(yīng)最強(qiáng)烈、熔體沖刷最嚴(yán)重的部位。加上風(fēng)口維護(hù)時(shí)捅風(fēng)眼機(jī)鋼釬的沖擊，風(fēng)口區(qū)損壞而停爐修理。風(fēng)口耐火材料的使用壽命代表著轉(zhuǎn)爐爐齡（在一個(gè)風(fēng)口耐火材料更換期內(nèi)轉(zhuǎn)爐作業(yè)的爐次）。
風(fēng)口耐火材料一般采用直接結(jié)合鎂鉻耐火材料或電熔再結(jié)合鉻鎂耐火材料，以往的磚型設(shè)計(jì)為每個(gè)風(fēng)口由兩塊風(fēng)口磚組成，磚的寬度為風(fēng)口中心距減去磚縫厚度2mm。由于大型轉(zhuǎn)爐采用多釬式捅風(fēng)眼機(jī)進(jìn)行風(fēng)口維護(hù)，因此，對(duì)風(fēng)口中心距、風(fēng)口角、風(fēng)口中心線的水平度等都有嚴(yán)格的要求。一般風(fēng)口磚每隔一塊磚插入2mm厚紙板一塊，不鉆風(fēng)眼的部分每隔3塊磚插入2mm厚的紙板一塊。風(fēng)眼砌磚如圖6-94a所示。以往風(fēng)口磚的磚型設(shè)計(jì)為每個(gè)風(fēng)口由兩塊風(fēng)口磚組成。根據(jù)減小爐襯應(yīng)力集中和銅锍沿磚縫滲透的原則，設(shè)計(jì)了新型風(fēng)口耐火材料。
該磚型由于一頭大一頭小，風(fēng)口直接在磚中鉆成。因此，在砌筑時(shí)無(wú)需添加異形磚，而且風(fēng)口磚砌好后，其受力中心和轉(zhuǎn)爐的中心位于同一圓心上，從而緩解了結(jié)構(gòu)應(yīng)力。同時(shí)，由于該磚是一整體，減少了銅锍等沿磚縫的滲透。
2）爐口處爐襯的改進(jìn)
轉(zhuǎn)爐爐口砌磚是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最薄弱的部位，特別在爐口與圓形筒體的交接處，形狀復(fù)雜，磚的加工量多，磚縫多而厚度難以掌握；而爐口又是加料（銅锍、石英熔劑、冷料）、倒渣、排煙的通道，工藝操作極為頻繁，吹煙時(shí)排煙溫度高達(dá)1450℃以上。溫度周期性的波動(dòng)、銅渣噴濺和煙氣的沖刷、爐口清理的機(jī)械碰撞磨損、Cu2S和S02的侵蝕等，內(nèi)襯工作條件極為惡劣，使用壽命最短。生產(chǎn)過(guò)程中往往因爐口掉磚或損壞被迫停爐修理，影響轉(zhuǎn)爐的工作效率。
爐口橫截面形狀為鼓形，上、下口是半徑為的拱形壁面，左、右拱形壁面的襯磚厚度有兩種結(jié)構(gòu)形式，a式襯磚厚度不變，均為230mm，b式襯磚厚度是變化的，對(duì)上爐口的內(nèi)口襯磚厚度為230mm，外口厚度為180mm，對(duì)下?tīng)t口的外口襯磚厚度為230mm，內(nèi)口厚度為180mm。貴溪冶煉廠銅硫吹煉轉(zhuǎn)爐爐口襯磚原為b式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)改為a式結(jié)構(gòu)（取消上爐口襯板，并取消連接部的加強(qiáng)筋板而增硇一道反拱，下?tīng)t口襯板下移50mm并加長(zhǎng)至爐殼，上下?tīng)t口襯磚厚度均改為230mm)，改善了上爐口的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高了爐口區(qū)爐襯使用壽命。
3）端墻砌磚的改進(jìn)
轉(zhuǎn)爐端墻有兩種結(jié)構(gòu)形式：直形端墻和球形端墻。
以前，轉(zhuǎn)爐多采用直形端墻。球形端墻在砌筑時(shí)采用環(huán)形砌筑法，因而有效地減輕了應(yīng)力集中，改善了爐襯的受力狀態(tài)。
3、操作制度優(yōu)化
1）吹煉制度
轉(zhuǎn)爐的吹煉制度有三種：?jiǎn)螤t吹煉、爐交換吹煉和期交換吹煉。目前，國(guó)內(nèi)多采用單臺(tái)吹煉爐交換吹煉。
A.單爐吹煉
工廠一般只有兩臺(tái)轉(zhuǎn)爐，其中一臺(tái)操作，一臺(tái)備用。一爐吹煉作業(yè)完成后，重新加入銅锍，進(jìn)行另一爐次的吹煉作業(yè)。
B.爐交換吹煉
工廠一般有三臺(tái)轉(zhuǎn)爐時(shí)，一臺(tái)備用，兩臺(tái)交替作業(yè)。在2號(hào)爐結(jié)束全爐吹煉作業(yè)之后，1號(hào)爐立即進(jìn)行另一爐次的吹煉作業(yè)。但1號(hào)爐可在2號(hào)爐結(jié)束吹煉之前預(yù)先加入銅锍，2號(hào)爐可在1號(hào)爐投人吹煉作業(yè)之后排出祖銅，從而縮短了停吹時(shí)間。
C.期交換吹煉
工廠一般有三臺(tái)轉(zhuǎn)爐時(shí)，一臺(tái)備用，兩臺(tái)交替作業(yè)m在1號(hào)爐的S1期與S2期之間，穿插進(jìn)行2號(hào)爐的B2期吹煉。將排渣、放粗銅、清理風(fēng)眼等作業(yè)安排在另一臺(tái)轉(zhuǎn)爐投入送風(fēng)吹煉后進(jìn)行。僅在兩臺(tái)轉(zhuǎn)爐切換作業(yè)時(shí)短暫停吹，縮短了停吹時(shí)間。
以每爐處理145t品位為50%的銅锍為例，按三種吹煉制度進(jìn)行比較，鼓風(fēng)量為32000m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）。
貴冶采用期交換吹煉，其目的在于提高轉(zhuǎn)爐車間送風(fēng)時(shí)率，改善向硫酸車間供煙氣的連續(xù)性，保證閃速熔煉爐比較均勻地排放銅锍。
2）熔體溫度
爐齡是轉(zhuǎn)爐工作好壞的一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。爐襯損毀的主要原因有三：化學(xué)侵蝕、機(jī)械損毀以及熱應(yīng)力。轉(zhuǎn)爐損毀的三個(gè)主要原因都與溫度有關(guān)。因此，在實(shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)杜絕高溫作業(yè)。根據(jù)耐火材料的性質(zhì)，一般造渣期溫度控制在（1250±10)℃，造銅期溫度控制在（1180±10)℃。影響爐溫的主要因素有：
(1)銅锍量。銅锍初始溫度與開(kāi)始吹煉的時(shí)間有直接的關(guān)系，銅锍初始溫度越高、銅锍量越大，至開(kāi)吹的時(shí)間越短，則爐溫越高；反之，則爐溫越低。
(2)熔劑加入速度。熔劑加人速度越快，會(huì)使熔體溫度局部降低，加入速度過(guò)慢，則化學(xué)反應(yīng)放出的熱量不足以使溫度迅速升高。
(3)鼓風(fēng)強(qiáng)度。鼓風(fēng)強(qiáng)度處于合理的風(fēng)料比時(shí)，反應(yīng)比較強(qiáng)烈，導(dǎo)致熔體溫度顯著上升；鼓風(fēng)強(qiáng)度過(guò)小，反應(yīng)所需的氧供應(yīng)不足，熔體溫度的升高將會(huì)受到限制。
(4)冷料量。在銅锍吹煉過(guò)程屮，加人冷料是為了消耗掉反應(yīng)生成的過(guò)剩熱量，避免高溫作業(yè)，以減少爐壁用耐火材料的損耗。冷料量是決定轉(zhuǎn)爐熱狀態(tài)的重要因素，冷料量過(guò)少，則爐內(nèi)溫度高，徒然加速內(nèi)襯磚的消耗；冷料量過(guò)多，則爐內(nèi)溫度過(guò)低，給吹煉過(guò)程造成困難，或者不能形成好的爐渣，或者吹煉時(shí)間異常地延長(zhǎng)。
3）操作停風(fēng)時(shí)間
操作間隙停風(fēng)時(shí)間將影響熔體溫度，停風(fēng)時(shí)間越長(zhǎng)，溫度下降越大。表明了停風(fēng)時(shí)間對(duì)爐襯內(nèi)不同部位溫度時(shí)變速率的影響。停風(fēng)時(shí)間越長(zhǎng)，爐襯溫度時(shí)變速率越大。
4）氧氣含量范圍
盡管富氧吹煉能使生產(chǎn)率得到提高，并可解決利用煙氣制酸問(wèn)題，但目前世界上所有銅轉(zhuǎn)爐富氧鼓風(fēng)的氧含量仍低于30%。若氧含量高于這個(gè)水平，則轉(zhuǎn)爐風(fēng)口帶的耐火材料的損壞會(huì)加大。
4、爐口尺寸優(yōu)化
爐口面積的大小對(duì)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)有著直接影響，爐口過(guò)小會(huì)使銅锍加入和爐渣、粗銅的排出速度變慢，冷料加人困難，煙氣流速過(guò)快，惡化操作條件，使?fàn)t口經(jīng)常黏結(jié)大量的熔渣，增加停風(fēng)清理次數(shù)；爐口過(guò)大則削弱了筒體的強(qiáng)度和剛度，熱損失過(guò)大，特別是當(dāng)加料、排料等停風(fēng)時(shí)，爐體過(guò)多的熱損失會(huì)引起爐溫大的波動(dòng)，使?fàn)t襯過(guò)早損壞。為此，本部分將利用仿真技術(shù)優(yōu)化爐口尺寸范圍。
1）造渣期爐口面積大小對(duì)熔體溫度的影響
在造渣期，鼓風(fēng)強(qiáng)度相同時(shí)，隨著爐口尺寸的變大，熔體的溫度降低；爐口尺寸固定時(shí)，隨著鼓風(fēng)強(qiáng)度的增加，熔體的溫度逐漸升高。
造銅期與造渣期的趨勢(shì)相似，即鼓風(fēng)強(qiáng)度相同時(shí)，隨著爐口尺寸的變大，熔體的溫度降低；爐口尺寸固定時(shí)，隨著鼓風(fēng)強(qiáng)度的增加，熔體的溫度逐漸升高。
爐口面積的大小對(duì)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)有著直接影響，從仿真結(jié)果中可以看出：在相同的鼓風(fēng)強(qiáng)度下，熔體的溫度隨爐口面積比（爐口面積與最大爐膛面積之比）增大而明顯降低。
爐口過(guò)小會(huì)使銅锍加入和爐渣、粗銅的倒出速度變慢，冷料加入困難，使?fàn)t口經(jīng)常黏結(jié)大量的熔渣，增加停風(fēng)清理次數(shù)；爐口過(guò)大則削弱了筒體的強(qiáng)度和剛度，熱損失過(guò)大，特別是當(dāng)加料、排料等停風(fēng)時(shí)，爐體過(guò)多的熱損失會(huì)引起爐溫波動(dòng)大，使?fàn)t襯過(guò)早損壞。
根據(jù)熱場(chǎng)仿真計(jì)算和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，爐口面積與熔體表面積之比在0.18~0.25之間為宜，爐口處煙氣流速約為6~8m/s。爐口面積確定后，爐口的長(zhǎng)寬比在1.15~1.35之間。
5、總結(jié)
(1)對(duì)大型銅轉(zhuǎn)爐用耐火材料的配置進(jìn)行了優(yōu)化。選用電熔再結(jié)合鎂鉻耐火材料/半再結(jié)合鎂鉻耐火材料作為風(fēng)口區(qū)用耐火材料，而在其他操作環(huán)境不太苛刻的區(qū)域選用半再結(jié)合鎂鉻耐火材料/直接結(jié)合鎂鉻耐火材料作為爐襯材料；同時(shí)對(duì)磚型、爐體結(jié)構(gòu)以及爐襯的合理砌筑進(jìn)行了優(yōu)化；此配置在貴溪冶煉廠200t轉(zhuǎn)爐上使用，效果良好，將爐襯壽命提高到250爐次以上。
(2)爐口面積對(duì)熔體溫度影響的仿真結(jié)果表明，在相同的鼓風(fēng)強(qiáng)度下，熔體穩(wěn)定溫度隨爐口面積比（爐口面積與最大爐膛面積之比）增大而明顯降低;爐口面積與熔體表面積之比在0.18~0.25之間為宜，爐口的長(zhǎng)寬比在1.15~1.35之間。