陳繼平， 李春俠

(銅陵有色集團控股有限公司金冠銅業(yè)分公司， 安徽 銅陵 244000)

銅陵有色4 000 t/a銅陽極泥處理系統(tǒng)，引進瑞典Outotec公司卡爾多爐火法工藝，其工藝核心設備為卡爾多爐，該爐爐膛采用半再結合鎂鉻磚砌筑。投產后，卡爾多爐爐襯平均單爐使用壽命在75爐，年需要更換內襯4～5套，耐材消耗大，造價高。較短的爐修間隔時間，縮短了有效作業(yè)時間，減少了陽極泥處理量，制約了產能的提高。因此，開展了提高卡爾多爐使用壽命的技術研究，通過對內襯耐材的組成、規(guī)格、砌筑及設備維護等一系列的改進與優(yōu)化，延長了卡爐使用壽命，達到提高經濟效益的目的。

1 卡爾多爐單爐次使用壽命短的原因分析

1.1 爐內襯侵蝕

內襯損耗快、壽命短，直接導致爐壽命降低。卡爾多爐內襯的主要腐蝕部位在渣線區(qū)，當渣線區(qū)內襯腐蝕很薄時，會出現(xiàn)兩個問題：一是渣線區(qū)內襯侵蝕過大，只剩下80～100 mm，其他侵蝕較小的部分，厚度仍然有150～200 mm，上下內襯之間厚度差距較大，會導致內襯整體倒塌的危險；二是內襯過薄，造成外殼的溫度超過鋼殼變形溫度，導致鋼殼變形。所以一般內襯工作層的厚度達到80～100 mm后必須報廢，整體更換工作層內襯。

1.2 爐外殼沒有冷卻裝置

為防止外殼溫度過高導致鋼殼形變，設定警戒溫度停爐，影響了卡爾多爐的整體壽命。當卡爾多爐的內襯變薄以后，鋼殼溫度達到450 ℃以上后，鋼殼易發(fā)生形變，因此，在卡爾多爐爐運行過程中設定爐鋼殼溫度達450 ℃時,停爐檢修，更換新內襯。

2 爐內襯的優(yōu)化選擇與研究

2.1 卡爾多爐內襯侵蝕機理研究

卡爾多爐爐內襯的侵蝕機理主要包括以下幾個方面：

(1)鎂鉻磚水化溶解侵蝕:卡爾多爐爐磚采用電熔鎂鉻磚，未經過相應的抗侵蝕處理。在冶煉初期，加入返回料文丘里泥水分高達30%，鎂鉻磚容易水化溶解，結構會變得疏松，抗磨損、抗侵蝕能力會急劇下降。

(2)高溫熔體滲透侵蝕：卡爾多爐在不同作業(yè)階段爐膛溫度發(fā)生急劇變化，正常作業(yè)時爐膛溫度達到1 200～1 250 ℃，倒出合金后，爐膛溫度急劇下降到900 ℃左右，當下一批爐料入爐時，爐膛溫度又急冷到600 ℃左右，甚至更低。在冶煉過程中，熔體渣相中CaO、SiO2、FeO甚至還包括金屬蒸氣、CO氣體等滲入耐火材料內部，沉集在耐火材料的毛細孔道中，造成耐火材料工作面的物理化學性能與原耐火材料基體的不連續(xù)性，在轉爐操作的溫度急變下，出現(xiàn)裂紋、剝落和結構疏松，這就要求耐火內襯材要有很好的熱震穩(wěn)定性，能耐溫度的急劇變化。

(3)機械沖擊和磨損：在轉速8～10 r/min的條件下，熔體和熔渣與電熔鎂鉻磚之間存在很大的摩擦，電熔鎂鉻磚強度低，不耐磨，操作時高速旋轉促進了物料和內襯的摩擦，高速壓縮空氣流沖擊內襯，機械力的作用加快了內襯損壞。

(4)化學侵蝕：造渣時加入的酸性石英石輔料,在冶煉造渣的過程中，由于卡爾多爐造的渣量大，在渣相成份復雜且較強酸性的條件下，堿性電熔鎂鉻磚極容易被侵蝕。

機械力、熱應力和化學腐蝕的共同作用是造成內襯壽命較低的主要原因。內襯壽命短，直接導致卡爾多爐的整體壽命縮短。

2.2 卡爾多爐爐磚磚型研究

卡爾多爐采用兩層耐火內襯，靠近鋼殼為安全層，靠近爐膛為工作層，鋼殼和安全層之間為保溫層，起隔熱保溫的作用，安全層和工作層之間為搗打膨脹層，減輕內襯磚膨脹對爐殼的壓力。工作層直接與物料接觸，工作層厚度為350 mm。在正常情況下不會與物料接觸，只是起保護、隔熱降溫的作用，安全層厚度為114 mm。

2.3 卡爾多爐內襯材質和磚型的選擇優(yōu)化

根據(jù)對原進口卡爾多爐內襯腐蝕監(jiān)測結果及侵蝕機理研究，為提高單爐壽命周期，在爐磚材質、磚型方面進行了相應研究及改進工作。

2.3.1 優(yōu)化爐內襯材質，提升性能

一是對爐內襯的工作層爐磚進行浸鹽處理，提高耐材抗水化性能，使其更適合在長周期、潮濕環(huán)境下使用，同時增加磚的致密性，使其抗渣滲透的能力更強，抗結構剝落性也更好；二是提高工作層磚Cr2O3的含量，雜質含量減小，抗渣侵蝕性能也得以加強；三是通過添加超微粉，降低氣孔率，提高燒結溫度和保溫時間使二次尖晶石段帶的厚度加大，從而提高高溫強度、提高耐磨性能。改進后爐磚內襯性能比較見表1。

2.3.2 改進內襯磚型，增加工作層長度，減少安全層厚度

針對重點受侵蝕的渣線區(qū)域，將渣線區(qū)加長50 mm，工作層厚度由原來的350 mm提高到400 mm，同時將安全層縮短50 mm，保證了爐膛容積不變。同時為了確保工作層消耗到80～100 mm時，外殼溫度仍然在一定范圍內，加厚安全層與鋼殼之間的保溫棉厚度，將原一層保溫棉改為兩層，大大降低了溫度梯度，減低了外殼溫度。

2.4 耐火內襯砌筑方式的優(yōu)化

卡爾多爐的砌筑分為爐底、爐身、爐頂三部分。內襯三部分選用了不同的磚型和砌筑方法。爐底首先砌筑一塊圓形中心磚，圍繞中心磚的是四層雙楔形磚，爐底的最外層是單楔形磚，爐底采用實心圓形砌筑。爐身工作設計兩種楔形磚，采用空心環(huán)形砌筑。爐頂?shù)撞恳粚雍蜖t口封口磚采用單楔形磚、中間層采用雙楔形磚，采用空心環(huán)形砌筑。設計楔形磚環(huán)的砌筑方法，雖然增加了磚型種類和砌磚難度，但楔形爐磚磚環(huán)不采用直行磚，減少了砌筑時爐磚之間縫隙、減少殘磚脫落、盡可能減短殘磚尺寸從而延長使用壽命，滿足卡爾多爐圓形爐殼、高速旋轉、驟冷驟熱作業(yè)對內襯材料的嚴苛要求。

表1 卡爾多爐內襯改造前后內襯磚性能比較

整個卡爾多爐均用火泥濕砌，磚縫錯開，卡爾多爐砌筑示意圖見圖1。

圖1 卡爾多爐爐砌筑示意圖

第一步：爐底。砌磚前，先將隔熱材料粘貼在鋼殼內壁上。再砌筑安全層，并用搗打料將磚與內壁的間隙搗打結實。在安全層上面鋪上一層約10 mm厚的澆注料，找平。工作層先砌筑爐子最中心軸處的“中心”磚，然后圍著中心磚一圈一圈砌筑爐底工作層。最后砌拱腳磚。所有縫隙用澆注料自然填滿。

第二步：爐身?？夸摎ふ迟N一層隔熱材料，再砌筑114 mm厚的安全層。所有縫隙用澆注料自然填滿。最里層砌磚要與鋼殼法蘭圈平齊，確保爐頂扣上時沒有縫隙。

第三步：爐頂。先將爐頂拱腳磚直接砌在爐頂?shù)匿摪搴弯摎ど厦妗ｄ摪搴痛u之間的縫隙以及鋼殼和磚之間的縫隙，用澆注料搗打。然后直接砌筑工作層。工作層與鋼殼的縫隙必須用澆注料搗打。最后一步，砌筑爐頂頂部一層，形成的爐口要求與爐頂鋼殼平齊或稍稍伸出。

2.5 操作控制條件的優(yōu)化

(1)控制入爐物料含水率小于3%，大塊物料破碎，物料粒度不大于50 mm；

(2)穩(wěn)定爐溫，最高溫度不超過1 250 ℃，最低溫度不低于850 ℃，減少熱應力損傷；

(3)控制熔劑加入量，降低渣的酸度，延緩內襯的化學腐蝕；

(4)根據(jù)爐內熔體調整噴槍位置，根據(jù)爐襯的消耗情況，改變渣線的高度和吹煉時液面的高度，拉長渣線，減少內襯消耗；

(5)控制好爐體砌筑、烘烤、掛爐環(huán)節(jié)操作質量。

2.6 耐火內襯檢測及報廢

隨著內襯的不斷損耗，工作層的厚度不斷變薄，達到極限后，會導致安全層倒塌，所以必須實時對卡爾多爐的內襯進行監(jiān)測。

2.6.1 運用測溫儀對外殼進行測溫，熱成像仿真監(jiān)控內襯

隨著內襯的不斷損耗，工作層的厚度不斷變薄，外殼溫度會不斷升高，達到450 ℃以上后，會導致外殼鋼板退火、變形，托輪受高溫炙烤，會導致軸承潤滑油粘度下降、壽命降低，導致機械故障。所以通過熱成像實時監(jiān)控，可以參考內襯的消耗程度，保證內襯的安全運行的。外殼和爐體溫度檢測見圖2、圖3，外殼測溫統(tǒng)計表見表2。

圖2 外殼測溫圖像

圖3 爐膛內部(空爐時)測溫圖像

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2.6.2 采用專用的爐膛測厚儀對爐膛內徑進行監(jiān)測

測厚儀利用杠桿原理，工作時將測厚儀深入爐膛，打開測厚儀的測量桿，測量桿打開的內徑就是爐膛的內徑，數(shù)據(jù)傳到到爐外的測桿上，通過測桿的進出長度測量爐膛的內徑，誤差不到10 mm。與外殼溫度檢測配合使用，有效檢測爐膛尺寸，保證安全運行。

改造后，內襯腐蝕點上移、腐蝕面增大，延長了內襯的整體壽命，詳見圖4。

圖4 改造前后的內襯腐蝕比較圖

3 強制冷卻裝置的研究

3.1 導致外殼溫度過高的原因

(1)內襯薄是外殼溫度過高的最主要原因。

(2)卡爾多爐外殼沒有采取強制冷卻系統(tǒng)，導致大量的熱量集聚在鋼殼表面，未能得到及時傳導，導致表面過熱變形。

卡爾多爐鋼殼在內襯變薄后未能采取強制冷卻措施將表面的熱量冷卻，加劇了鋼殼表面溫度的上升，縮短了卡爾多爐的整體壽命。

3.2 采用風冷方式，對爐外殼進行強制冷卻

為了改變原來卡爾多爐外殼靠爐罩風機排氣，自然冷卻，外殼溫度高的狀況，在卡爾多爐渣包坑道墻上安裝兩臺型號為t-35-11-3.15A、風壓237 Pa、風量4 141 m3/h的冷卻風扇，強制對旋轉電機進行冷卻；在爐殼外表面敷設DN32冷卻風管，對外殼進行強制冷卻。徹底解決了旋轉電機溫度高和外殼溫度過高的問題。卡爾多爐旋轉電機強制冷卻裝置見圖5。

圖5 卡爾多爐旋轉電機強制冷卻裝置圖

3.3 卡爾多爐改造前后單爐壽命統(tǒng)計

卡爾多爐改造前后單爐壽命統(tǒng)計見表3，爐襯平均單爐使用壽命由75爐提高到100爐以上，爐修次數(shù)由4次/年降為3次/年，可增加銅陽極泥處理量150 t以上。

4 結語

通過對處理陽極泥的卡爾多爐單爐使用壽命的研究與應用，保證了設備正常運行；爐后期啟動風冷對爐殼進行冷卻，有效控制了爐殼升溫速度；新型內

表3 卡爾多爐改造前后單爐壽命統(tǒng)計

襯材質和磚型的運用，提高了卡爾多爐的耐蝕、耐磨和熱震穩(wěn)定性。同時，減少了爐磚切割、砌筑造成環(huán)境污染，處理廢內襯的數(shù)量減少，減少污水排放，獲得了一定的環(huán)保效益。

[1] 李楠,顧華志,趙惠忠.耐火材料學[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2010.

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