有色金屬冶金爐用稀土耐磨材料的研究

1色金爐及納米材料的消耗近年來，隨著我國鉻技術的快速發展，鉻開采廠不斷采用新的工藝和技術，以及鉻開采和高效化對建筑材料提出了許多新要求。越來越多的材料使用條件是生產的重要因素之一。為此,各國對有色冶金爐及其耐火材料進行了廣泛的研究,并取得了顯著的效果。據資料統計,有色冶金爐用耐火材料的消耗占耐火材料總產量的5%左右,不定形耐火材料的消耗比例不斷增加。例如,中條山冶煉廠引進了澳大利亞的Ausmelt爐,不定形耐火材料的消耗量>1000t,日本1992年有色冶煉用不定形耐火材料的消耗增加到了47%。這就是說,有色冶金爐用耐火材料中,不定形耐火材料已占了2/5,而且還有繼續增加的趨勢。2氧化鋁工業產品1997年,世界原鋁總產量為2400萬t,中國的原鋁產量為200萬t,僅次于鋼鐵,居各種有色金屬之首位,遠遠超過其它有色金屬,鋁工業每年消耗的耐火材料比銅、鉛、鋅冶煉消耗的耐火材料總量還多得多。金屬鋁是用鋁礬土制成氧化鋁,并經電解和熔煉后制取的,其主要熱工設備有煅燒爐、電解槽和熔煉爐。2.1研制氧化鋁氣體懸浮焙燒爐,產品符合我國最生產氧化鋁的原理是:首先用純堿或石灰處理鋁礬土,得到Al(OH)3,再將Al(OH)3焙燒為Al2O3.Al(OH)3,焙燒爐最初采用回轉窯生產Al2O3,為了提高Al2O3廠的生產水平和技術裝備水平,降低單位產品熱耗和提高產品質量,山西鋁廠、中州鋁廠、平果鋁廠先后從西德和丹麥引進了氧化鋁閃速焙燒和氧化鋁氣體懸浮焙燒爐,這些爐體的工作溫度約1200℃,由于所處理的氧化鋁物料硬度較大、流動性好,對氧化鋁產品的質量又有很嚴格要求,內襯任何雜質的混入都直接影響產品的質量,澆注料必須耐高溫、耐磨損、強度高、耐熱震穩定性好、施工性能好、整體性好及密封性強,洛耐集團公司研制的澆注料,以特級焦寶石和特級礬土為主要原料,采用合適的結合劑,配合加入適當的超細粉,產品達到或超過了丹麥Smith公司要求的氧化鋁氣體懸浮焙燒澆注料的性能指標,見表1。2.2高鋁土基材料電解槽是生產電解鋁的核心設備,電解槽的型式有側插棒式自焙陽極電解槽、上插棒式自焙陽極電解槽和預焙陽極電解槽三種,并向大型化的方向發展。目前鋁電解槽用碳塊、耐火磚和保溫磚砌筑,在耐火磚和保溫磚之間鋪設半保溫性能的材料,其作用是保護里層內襯,防止鈉蒸氣及電解質滲透,該層通常稱為電解槽的防滲層。據資料介紹,雷諾鋁業公司研制出的低水泥耐火澆注料,應用效果很好,經濟效益十分顯著,國內已于1993年研制成功了一種低水泥澆注料,用于電解槽防滲隔板,該澆注料具有較強的抗電解質侵蝕和抗金屬滲透能力、及耐火耐磨等性能,采用莫來石作骨料及復合結合劑以及超微粉技術。澳大利亞C.L.Crozcer研制出一種特殊低水泥高鋁料用來作阻擋層,其性能大致如下:Al2O367.5%,SiO220.6%,Na2O+K2O<0.1%,1500℃熱導率2.0W/(m·K),體積密度2.7g/cm3,氣孔率≤15%,1100℃燒后抗折強度≥11MPa,1000℃燒后耐壓強度>9MPa。亦有采用不加水的干式振動料用作防滲保溫料,其原理是依靠加入助燒結劑或原材料自身含有的低熔點結合相在高溫使用過程中相互擴散而形成結合。2.3應力熔鋁爐的研制電解鋁應根據不同用途調整成分,廢舊鋁需經過熔化后方能使用。因此,經常采用反射爐、轉爐和感應坩堝爐進行熔煉鋁及鋁合金,這些爐子內鋁液或鋁合金溫度雖然只有700～1200℃,但鋁及其合金中鎂、硅、錳都是活潑的,很易與耐火材料中一些組分反應,如:Al+3/2SiO2→Al2O3+3/2Si3Mg+Al2O3→3MgO+2Al2Al+3R2O→Al2O3+6R這些反應與作用導致耐火材料變質,結構疏松和損壞。針對熔鋁爐用耐火材料的損毀機理,我公司開發了抗鋁滲透型澆注料,采取的主要方法為①在澆注料中加入不與鋁液潤濕的組分,如:碳化硅、氮化硅、硫酸鋇等;②引入超微粉技術,使澆注料氣孔微細化,透氣度降低,減少鎂蒸氣的滲入;③提高原料的純度,降低SiO2、K2O、Na2O含量,增強澆注料抗鋁滲透能力。抗鋁滲透型澆注料的理化性能見表2:采用上述材料綜合砌筑的兩臺60t、一臺40t的熔鋁爐整體工作內襯,非工作層采用容重為1.0g/cm3的輕質澆注料,抗鋁滲透優良,保溫效果好,用戶反映良好。鋁熔煉感應坩鍋爐也是較常用的設備,其內襯一般采用鋁含量為70%～80%的高鋁質耐火澆注料或耐火搗打料制作,也有用剛玉質耐火混凝火作內襯的,該爐使用壽命一般為3200～6000爐次。國內某廠5t有芯感應熔鋁爐,采用的濕法澆注料(XL304)性能指標如下:Al2O383%,CaO4%,燒后耐壓強度:1100℃×3h66.3MPa,燒后線變化率850℃×6h—0.16%。此外,感應熔鋁爐爐襯亦采用干法成型材料進行施工,美國鑄造學會推薦的干式料化學成分如下:Al2O389.0%,SiO27.0%,TiO22.0%,Fe2O30.6%,Na2O30.3%,其它1.1%。由于整個爐襯制作過程中不加水,而且耐火材料經過高溫煅燒除去結晶水,故不存在爐襯脫水收縮問題,因而爐襯燒結后很少有裂紋,使用壽命較長。例如,美國北美耐火公司一臺容量30m3的特大型無芯感應爐,其爐襯壽命可達4年。3火法煉銅工藝煉鎳與煉銅過程基本相似,僅在以下方面有差異:煉銅轉爐的產品為粗銅,而煉鎳為高冰鎳(鎳锍);銅電解精煉用的是銅陽極板;而鎳電解精煉則是Ni3S2陽極板。傳統的火法煉銅方法包括反射爐、鼓風爐和電爐熔煉工藝,它們在能耗、環境保護方面存在相當大的缺陷。為了提高生產率,降低能耗,減少污染,近年來在銅、鎳熔煉中,火法冶煉新工藝得到了迅速發展,主要有:閃速爐熔煉技術包括奧托昆普閃速爐、純氧閃速爐和氧焰閃速爐;熔池熔煉法瓦紐柯夫爐,白銀煉銅法和諾蘭達法;三菱連續銅法;Ausmelt浸沒噴吹煉銅法及頂吹旋轉爐煉銅法等。這些新技術的采用,對耐火材料提出了更高的要求,其中不定形耐材使用量增大,應用范圍更加廣泛。3.1鎳礦的干燥、燒燒、燒結對礦石進行預處理,便于后期熔煉工序的操作,一般對銅精礦,鎳精礦采用回轉爐進行干燥、焙燒、燒結處理。采用鋼纖維增強澆注整體澆注的爐襯,具有高強、耐磨、熱震穩定性好的特點;在金川回轉爐上,使用壽命超過2年,澆注料的性能指標見表3。3.2爐爐襯素質及材料特點自1949年世界上第一臺煉銅閃速爐在芬蘭投產以來,全世界目前已有45座閃速爐,其中煉銅閃速爐38座,我國貴溪冶煉廠、金川有色金屬公司有此種閃速爐煉銅和煉鎳。此種煉銅方法生產能力大、能耗和污染低,主要由反應塔、沉淀池與上升煙道構成。反應塔與沉降池的連接處是閃速爐爐襯壽命最低的部位,芬蘭閃速爐的反應塔與沉降池頂的連接處,采取水冷管套強化冷卻,并澆注鎂鉻質耐火澆注料作保護襯,獲得了良好的使用效果。日本閃速爐沉降池底和側墻的構造為,先在床底砌輕質磚和粘土磚,再用鎂鉻質耐火搗打料搗制成船形墊層,然后用鎂鉻磚砌筑工作層,其總厚度應大于1m。閃速爐爐襯上的各種孔洞,用磚難以砌筑,一般采用鎂鉻質耐火澆注料澆注或鎂鉻質耐火可塑料搗打,均獲得了較好的使用效果。閃速爐的基礎是用高鋁水泥耐火澆注料澆注的。為降低棄渣棄銅(鎳),閃速爐普遍采用了電熱貧化區。貧化區爐頂采用重輕質復合爐襯,工作襯采用高強高鋁澆注料,非工作層采用輕質澆注料,節能降耗效果明顯。貴溪冶煉廠閃速爐上升煙道的水平頂部受高溫煙氣沖刷、侵蝕而易耗,將吊掛耐火磚改為以水冷“H”梁為骨架,現場澆注鉻鎂質耐火混凝土,提高了爐頂的整體致密性的組織結構強度,延長了使用壽命。3.3爐型向大型化發展粗銅熔煉爐普遍采用轉爐,目前,各國主要用臥式轉爐生產粗銅,臥式轉爐的種類比較多,使用最普遍的是PS(peirce-smith)型側吹轉爐。近年來,該爐型也向大型化的方向發展。日本煉銅轉爐的內襯,一般采用徑向砌磚法砌筑。在砌磚前,用鹵水結合鎂質搗打料搗制永久襯,厚度為50～100mm,然后開始砌磚,一般采用直接結合鎂鉻磚,或熔鑄鎂鉻磚砌筑,西歐一些國家永久襯一般采用粘土磚砌筑或堿性耐火搗打料搗制,厚度為25～125mm。轉爐爐襯損毀后,可采用耐火噴補料進行熱噴補。例如,國外某冶煉廠轉爐爐襯出現過較大的坑洞,經噴補后爐齡延長了6個月。國內煉銅轉爐爐襯損毀后,也進行過熱噴補試驗,同樣獲得了延長爐襯壽命的效果。3.4奧斯麥特ausmelt爐中條山冶煉廠引進的奧斯麥特(Ausmelt)浸沒熔煉工藝是一種新型的熔煉、吹煉技術,與我國的火法熔煉銅技術相比,不論在規模、自動化水平還是在耗能及環境保護方面,都更加先進。云南冶煉廠也計劃引進該爐,以擴大產量。奧斯麥特(Ausmelt)爐耐火材料總用量為1390t,其中不定形耐火材料約27.2%,而不定形材料又以鎂鋁鉻搗打料的用量最大。其應用部位為熔化爐、吹煉爐的整體爐頂及其整個爐底,洛耐集團公司研制的鎂鋁鉻搗打料需按奧鎂公司AS13402交貨驗收,該搗打料的性能指標見表4:3.5爐蓋和爐蓋的鋪設精煉是把含銅98.5%～98.7%的轉爐粗銅進一步精煉成含銅99.0%～99.5%的陽極銅,爐型通常為反射爐,側墻的內襯是從外側按鎂質搗打層—粘土磚—鎂質磚的順序砌筑。精煉爐的爐襯壽命較長,生產2～3年才小修一次。陽極銅中仍有1%左右的雜質,需通過電解來提純,電解槽用鋼筋混凝土構筑,表面涂抹耐酸涂料層,其上再襯以鉛板或合成樹脂材料,也有用密實性水玻璃耐酸混凝土作內襯的。回轉陽極爐爐蓋通常采用低水泥高強澆注料整體澆注。國內某廠進口料的化學指標為:Al2O373.19%,Fe2O30.40%,SiO222.87%。3.6助熔劑和高溫通常使用有芯感應爐或無芯感應爐進行有色金屬的加工,爐型已向大噸位、高頻率感應熔銅(鎳)爐方向發展,其中的關鍵技術難點之一在于耐火材料,特別是熔溝用不定形耐火材料。無芯感應熔銅爐一般采用酸性搗打料作爐襯,料中含SiO290%以上,使用過程中可發生再膨脹。例如,國外的HF5B1O純石英干式料,SiO2含量>98%,可振動(亦可搗打)成形,采用B2O3作助熔劑,最大粒度3mm,顆料分布均勻,其中細粉中<0.088mm占總量的27%左右,并添加了在使用過程中使內部氣孔被排出到表面、且能產生一定的抗滲效果的特殊添加劑,使用效果良好。熔煉黃銅時可添加電熔剛玉,能形成耐火性能很強的鋅尖晶石(ZnO·Al2O3),以有效抑制硅鋅礦(2ZnO·SiO2)的產生。含磷、錳和鎳的合金,對酸性耐火材料的侵蝕性很強,可使用半塑料或干式剛玉搗打料,或以鎂砂和電剛玉為原料的干搗打料,這種后膨脹的料可形成鎂鋁尖晶石。例如,洛耐集團公司研制的剛玉尖晶石搗打料具有良好的熱震穩定性和抗化學侵蝕性,高溫強度高,在金川無芯感應爐上使用,爐齡達93次。引進的有芯感應熔銅熔溝廣泛采用莫來石質、剛玉質等耐火材料,打結方法為干法或可塑成型,材料普遍具有優良的抗銅侵蝕性能,其使用壽命熔煉爐一般在6～12個月,最長達4年以上,保溫爐平均在4年以上。美國聯合礦業公司推薦的基本爐襯澆注料(V—Cast426A)的性能為Al2O3≥80%,SiC≥5%,抗折強