艾薩爐耐火磚爐外熱態(tài)挖補的實踐

董佳偉， 朱 江， 張 鑫， 張碧強， 石改華

(楚雄滇中有色金屬有限責任公司, 云南 楚雄 675000)

艾薩爐耐火磚爐外熱態(tài)挖補的實踐

董佳偉， 朱 江， 張 鑫， 張碧強， 石改華

(楚雄滇中有色金屬有限責任公司, 云南 楚雄 675000)

結(jié)合實際分析了艾薩爐耐火磚的損蝕情況及易損部位，在綜合考慮檢修時間、維修成本、安全等因素的基礎上，制定了艾薩爐耐火磚挖補方案——爐外熱態(tài)挖補，達到了縮短檢修時間、降低維修成本、延長爐壽的目的。

艾薩爐； 耐火磚； 熱態(tài)； 外部挖補； 爐壽

0 前言

艾薩煉銅法是一種頂吹熔池熔煉法。艾薩爐為圓筒豎式爐型，外部為鋼板，內(nèi)襯耐火材料、冷卻元件，設有噴槍、噴槍操作系統(tǒng)及其他附屬設施。艾薩爐內(nèi)襯由優(yōu)質(zhì)粘土磚、鎂鉻質(zhì)搗打料和鎂鉻耐火磚筑成。艾薩爐耐火材料直接與爐料和高溫熔體、煙氣接觸，受化學侵蝕、熱震損傷及高溫熔體、煙氣機械沖刷等作用，耐火磚會出現(xiàn)損耗。

楚雄滇中有色金屬有限責任公司(以下簡稱:滇中公司)艾薩爐按照10萬t/a粗銅產(chǎn)量配套設計，2010年5月投入生產(chǎn)，因未設計阻濺板煙氣區(qū)域北面耐火磚受鍋爐掉渣沖擊、煙氣洗刷發(fā)紅，2011年4月19日停爐檢修。

1 艾薩爐耐火磚的損耗情況

1.1 耐火磚腐蝕機理

艾薩爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。冶煉過程中，爐內(nèi)的耐火材料因化學、熱力學和機械磨損等原因會出現(xiàn)蝕損。

圖1 艾薩爐結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.1 化學因素的影響

爐內(nèi)耐火材料直接接觸爐料、煙氣，受到酸性渣、SO2、冰銅等侵蝕、以及氧化還原反應的作用，磚體內(nèi)部的連接部位受到破壞，加劇了耐火材料的損耗。主要反應如下：

2FeO·SiO2+2MgO=(Mg，F(xiàn)e)2SiO4

(1)

SO2+O2=SO3

(2)

SO3+MgO=MgSO4

(3)

MgO+H2O=Mg(OH)2

(4)

1.1.2 熱力學因素的影響

①高溫熔體對爐襯的滲透、沖刷。②生產(chǎn)不連續(xù)，作業(yè)率低，反復啟停，爐襯熱沖擊的次數(shù)多。③爐子運動產(chǎn)生的熱應力降低磚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)間的連接，耐火磚受熱面剝落。

1.1.3 機械方面因素的影響

①強烈的熔池攪動以及物料運動造成機械沖刷。②含塵煙氣對耐火材料受熱面沖刷。③爐子運動產(chǎn)生機械應力。④爐襯內(nèi)部張緊力耐火磚表面部分尖晶石顆粒被沖刷掉，耐火磚表面磨損。

1.2 耐火磚損壞的主要形式

1.2.1 高溫下化學熔蝕

在高溫下耐火材料礦物晶體表面與液態(tài)爐渣發(fā)生化學反應進入爐渣，爐渣逐漸向耐火材料內(nèi)部侵入，形成與原耐火磚結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同的變質(zhì)層。耐火材料礦物晶體被液相逐漸包圍、離解，顆粒間的結(jié)合力喪失，顆粒被沖刷進入爐渣。當爐內(nèi)溫度劇烈變化時，耐火材料內(nèi)部產(chǎn)生平行于工作面的裂紋，變質(zhì)層崩裂和剝落。熔體滲入越深，變質(zhì)層越厚，結(jié)構(gòu)剝落就越嚴重。

熔體向耐火材料中滲透的深度可由下式表示：

X=(rбcosθ/η×τ)0.5

(5)

式中：X為滲透深度；r為耐火材料孔隙的半徑；б為熔體的表面張力；η為熔體的黏度；τ為時間；θ為熔體在耐火材料上的接觸角。

1.2.2 磨損和機械沖刷

高溫下氣浪沖擊，密度大于耐火材料的熔體的強烈攪拌磨損，加速耐火材料的蝕損。

1.2.3 氣氛變化引起結(jié)構(gòu)疏松

耐火材料中的變價化合物在氣氛變化時發(fā)生氧化還原反應，使得耐火材料結(jié)構(gòu)逐漸疏松，強度下降，蝕損加快。尤其在煙氣區(qū)域，因保溫燒嘴和有塵煙氣二次燃燒，溫度變化較大。

1.3 艾薩爐耐火材料損耗情況

滇中公司2011年5月更換艾薩爐第一爐期耐火磚時，對整個耐火磚拆裝過程全程跟蹤，對爐磚損耗情況逐層測量、統(tǒng)計，據(jù)此進行分析，以掌握艾薩爐耐火磚的損耗情況及損傷嚴重區(qū)域的分布，見表1。

表1 耐火磚損傷情況

注：統(tǒng)計數(shù)據(jù)與工作層磚位置大致相對應，由下至上

1.3.1 熔池區(qū)耐火磚

熔池區(qū)(3 m以下)內(nèi)襯工作層磚用厚450 mm的鎂鉻磚砌筑，內(nèi)襯磚與爐殼之間為厚100 mm的低蠕變高鋁磚砌筑。從外觀看，整個熔池區(qū)域耐火磚燒損較輕，接近爐底的幾層基本無燒損。東面爐磚燒損范圍70～190 mm，南面爐磚燒損范圍50～110 mm，西面爐磚燒損范圍90～215 mm，北面爐磚燒損范圍80～170 mm，熔池區(qū)域耐火磚殘磚厚度250 mm左右。

1.3.2 直筒區(qū)

直筒區(qū)(不包括熔池區(qū))，爐身直段內(nèi)襯工作層全部用厚450 mm的鎂鉻磚砌筑，內(nèi)襯磚與爐殼之間為厚100 mm的低蠕變高鋁磚砌筑。第62層為直筒區(qū)和煙氣區(qū)的連接層，受到的沖擊和侵蝕最大，東面燒損200 mm，南面燒損80 mm，西面200 mm，北面燒損300 mm。直筒區(qū)爐磚越往下被洗刷燒損的越多，其中西面受保溫燒嘴的影響，比其他幾個面燒損要多。東面爐磚燒損范圍80～180 mm，，南面爐磚燒損范圍20～145 mm，西面爐磚燒損范圍90～200 mm，北面爐磚燒損范圍85～160 mm，其中第31～38層燒損較嚴重，各個面上少部分的爐磚出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，直筒區(qū)域耐火磚殘磚厚度在150～360 mm。

1.3.3 煙氣區(qū)域

煙氣區(qū)(錐體部分)工作層磚用厚350 mm的鎂鉻磚砌筑，鎂鉻磚與爐殼之間為76 mm的保溫磚。煙氣區(qū)各個面上的爐磚越往下洗刷燒損越嚴重，其中南面燒損最輕。東面爐磚燒損范圍0～220 mm，南面爐磚燒損范圍0～55 mm，西面爐磚燒損范圍0～205 mm，北面爐磚燒損范圍0～350 mm，第63層和第69層最嚴重，北面第63層至第64層延爐殼有2.5 m2已基本無耐火磚，縫隙內(nèi)為一層厚100 mm左右的爐渣。

2 艾薩爐耐火磚挖補實踐

滇中公司艾薩爐第一爐期由于煙氣區(qū)域北面一個點爐磚損耗較大，被迫停產(chǎn)更換爐磚。在更換耐火磚的過程中發(fā)現(xiàn)，有部分耐火磚損耗較小，仍可以繼續(xù)使用，造成了很大的浪費。為此公司在艾薩爐第二爐期，對耐火磚的使用和挖補方法進行了重點研究。

2.1 檢修方案

根據(jù)艾薩爐結(jié)構(gòu)及實際生產(chǎn)情況提出三種方案：整體耐火磚更換，爐內(nèi)局部挖補，爐外局部熱態(tài)挖補。三種方案的優(yōu)缺點對比見表2。

表2 艾薩爐耐火磚檢修方法優(yōu)缺點對比

通過對比，權衡利弊，滇中公司決定采取爐外局部熱態(tài)挖補方案，并在第二爐期進行了嘗試。

2.2 耐火磚爐外局部熱態(tài)挖補的實施

為保證外部挖補切除外部爐殼期間的強度，外部爐殼上提前加固筋板(見圖2)。

圖2 耐火磚外部熱態(tài)挖補加固筋板、砌筑示意圖

檢修具體實施步驟如下：

(1)搭建好檢修工作平臺、準備好使用工器具后實施挖補。

(2)以爐殼發(fā)紅處為中心，將爐殼整塊切除(外部加強筋板不切除)；檢查掉磚情況，切除位置、面積根據(jù)現(xiàn)場檢查掉磚情況適當調(diào)整。

(3)爐殼切除后檢查掉磚區(qū)域爐磚厚度，爐磚厚度低于150 mm清除進行挖補，挖補時最底層使用350 mm的磚找平逐層往上砌，根據(jù)現(xiàn)有耐火磚型搭配砌筑，新磚與舊磚之間的縫隙用小標磚加工后塞嚴密。砌筑方式為濕砌。

(4)爐磚挖補結(jié)束后，根據(jù)現(xiàn)場爐磚砌筑情況考慮爐殼是否進行恢復。

2.3實施效果

艾薩爐第二爐期自2012年11月17日爐磚出現(xiàn)發(fā)紅現(xiàn)象后，根據(jù)爐磚損耗位置、面積開始嘗試熱態(tài)挖補。至2014年1月3日，共進行爐磚外部熱態(tài)挖補6次，具體情況見表3。

表3 第二爐期爐磚挖補記錄

通過6次對艾薩爐耐火磚熱態(tài)挖補，第二爐期已成功延長使用壽命13個月。圖3為艾薩爐北面耐火磚內(nèi)部損傷及外部熱態(tài)挖補后示意圖。

圖3 艾薩爐北面耐火磚內(nèi)部損傷及外部熱態(tài)挖補后的圖片

2.4 方法特點

實踐表明，該方法具有如下特點：

(1)操作簡單、靈活，檢修時間短，均在10 h左右?？筛鶕?jù)艾薩爐系統(tǒng)的檢修計劃，結(jié)合爐磚損耗情況進行熱態(tài)挖補，大大縮短了檢修時間。

(2)對使用的爐磚要求不嚴格，可根據(jù)庫存由350 mm和450 mm的磚靈活搭配，提高了資源利用率，降低了庫存。

(3)若進入爐內(nèi)挖補，艾薩爐需停爐。艾薩爐每次停爐、開爐費用約80～100萬元，熱態(tài)挖補避免了頻繁停爐、開爐，故維修成本費用低。

(4)由于無需艾薩爐頻繁停爐、開爐，避免了停爐、開爐對其他耐火磚的損傷，有利于延長艾薩爐爐壽，提高單爐產(chǎn)能。

3 結(jié)語

艾薩爐爐壽是困擾銅冶金行業(yè)多年的問題，延長爐壽是一直關注和探討的課題。滇中公司經(jīng)過分析總結(jié)，制定出一套行之有效的外部挖補方法，并在艾薩爐第二爐期實施，有效延長了艾薩爐的使用壽命，艾薩爐壽已達到31個月,成效顯著。下一步工作目標是：更好地將挖補爐磚與舊磚結(jié)合，提高挖補質(zhì)量和效果；通過控制磁性鐵、渣型、操作溫度以及入爐物料組成等，增加爐墻掛渣，減少艾薩爐耐火磚的損耗，延長爐壽。

[1]彭容秋.銅冶金[M].長沙：中南大學出版社，2004.

[2]梅熾.有色冶金爐[M].北京：冶金工業(yè)出版社， 2006.

PracticeofthermalpatchingofrefractorybricksoutsideISAfurnace

DONG Jia-wei, ZHU Jiang, ZHANG Xin, ZHANG Bi-qiang, SHI Gai-hua

Based on the practice, the degradation and position easily injured of refractory bricks of ISA furnace were analyzed. Based on the consideration of factors like maintenance time, repair cost and safety, the plans of patching of refractory bricks of ISA furnace was made, that is thermal patching out side furnace. The goals of shortening maintenance time, reducing repair cost and prolonging service life of furnace were realized.

ISA furnace; refractory bricks; thermal; outside patching; service life of furnace

董佳偉(1959—)，男，云南劍川人，主要從事有色冶金企業(yè)管理工作。

TF806.05

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