側吹還原爐噴槍耐火磚侵蝕分析與對策

張云良

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤冶煉分公司鉛廠, 云南 曲靖 655011)

云南馳宏鋅鍺股份有限公司會澤冶煉分公司鉛廠粗鉛系統(tǒng)采用富氧頂吹熔煉—液態(tài)鉛渣側吹還原煉鉛工藝。其中側吹還原爐為矩形結構，兩側分別安裝8支噴槍，爐外部為鋼爐殼，并襯裝水套，內部用鎂鉻質耐火磚砌筑，其中噴槍磚與爐底、爐墻磚砌筑形成一個整體。

噴槍磚的使用壽命與側吹還原爐的整體爐齡密切相關，國內其它側吹還原爐整體爐齡在12個月左右，而噴槍磚壽命僅有3～6個月，延長噴槍磚壽命對于提高全流程的效率具有重要意義。

1 氧氣側吹還原工藝原理

艾薩爐產出的液態(tài)富鉛渣直接經熱渣口進入還原爐，還原爐兩側有煤氣噴嘴、工業(yè)氧噴槍為爐內提供熱源；塊煤和碎焦作為還原劑,石灰石、鐵焙砂作為熔劑經配料由冷料口加入，原料經還原熔煉產出粗鉛、還原渣，還原渣經電熱前床至煙化爐回收有價金屬，煙氣經余熱鍋爐回收余熱、布袋收塵、尾氣脫硫處理后達標排放。爐內的主要反應有：

CH4+1.5O2=CO+2H2O

(1)

CH4+2O2=CO2+2H2O

(2)

C+O2=CO2

(3)

2C+O2=2CO

(4)

CO2+C=2CO

(5)

2CO+O2=2CO2

(6)

PbO+C=Pb+CO

(7)

PbO+CO=Pb+CO2

(8)

PbO·SiO2+CO= Pb+CO2+SiO2

(9)

2 側吹爐耐火材料及特性要求

側吹還原爐呈矩形，主要包含爐基、爐殼、爐底、爐身、爐頂，其中爐身有噴槍區(qū)、熔池區(qū)，外部由水套、鋼殼組成，內部砌筑耐火材料。由于耐火材料直接與高溫熔渣、鉛液及燃燒火焰接觸，耐火材料的使用壽命直接影響著還原爐的壽命。

側吹還原爐內的耐火材料為鎂鉻磚，鎂鉻磚是以氧化鎂(MgO)和三氧化二鉻 (Cr2O3)為主要成分、方鎂石和尖晶石為主要礦物組分的耐火材料制品，其耐火度高，高溫強度大，抗堿性渣侵蝕性強，熱穩(wěn)定性優(yōu)良，對酸性渣也有一定的適應性。

常用耐火材料的理化指標有：

(1)耐火度：在足夠高的溫度下不軟化、不熔融的性能，表征指標為耐火度。

(2)荷重軟化溫度：在高溫下能夠承受大荷載及其他熱機械應力，且不喪失結構強度、不發(fā)生變形坍塌的性能，表征指標為荷重軟化溫度。

(3)高溫體積穩(wěn)定性：在使用過程中，不產生過大的體積膨脹或收縮，以免影響高溫設備的結構穩(wěn)定性或嚴密性，表征指標為重燒線變化。

(4)熱震穩(wěn)定性：抵抗溫度急劇變化而不發(fā)生開裂、剝落的能力，表征指標為熱膨脹系數和抗熱震性指標。

(5)抗渣性：使用過程中抵抗各種侵蝕性物質的化學作用而不被蝕損的能力。

(6)耐磨性：抵抗高速流動的火焰、含固體顆粒的煙氣、液態(tài)金屬和熔渣、固體物料等物質的直接沖刷或磨蝕的能力。

側吹還原爐耐火材料鎂鉻磚的理化指標為荷重軟化開始溫度≥1 700 ℃，熱震穩(wěn)定性1 100 ℃,水冷≥7次，體積密度3.44 g/cm3。

3 側吹爐噴槍磚侵蝕分析

側吹還原爐噴槍磚是還原爐爐體耐火材料的重要部分，噴槍磚燒損、侵蝕速度過快不僅影響還原爐噴槍使用壽命，還會造成噴槍磚上部區(qū)域耐火磚掉落、垮塌等問題，影響還原爐爐齡。

3.1 高溫熔渣和鉛液侵蝕

側吹爐高溫熔渣沖刷侵蝕部分是由于高溫熔體流動造成的，主要表現在側吹爐進料、排放過程1 150 ℃左右的高溫熔渣流動對噴槍區(qū)流動侵蝕、沖刷；另一個原因是爐內強烈攪拌作用，熔煉過程中熔渣在噴槍作用下產生強烈的攪拌，高溫爐渣具有強烈的侵蝕和浸透能力，當爐渣、鉛液滲入耐火材料，造成各部分磚之間膨脹系數不同引起剝落。

3.2 耐火磚中礦物與熔渣反應

側吹爐噴槍區(qū)鎂鉻磚的主要成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、Cr2O3等，還原爐熔煉過程中產生的渣主要含CaO、SiO2、Fe2O3等， CaO、SiO2會侵蝕鎂鉻磚工作面，并且沿氣孔滲透到鎂鉻磚內部，與方鎂石反應生成低熔物。

3.3 高溫燒損侵蝕

側吹爐噴槍區(qū)域處于熔渣高溫區(qū)和流動沖刷區(qū)，當側吹爐進液態(tài)鉛渣時，爐渣的比重約5.0，液態(tài)渣含鉛約40%～55%，該渣具有較好的流動性和沖刷能力，此時處于還原初期，爐內溫度較低，約950～1 050 ℃。隨著還原劑的加入，側吹爐內還原爐氣氛增強，爐內溫度逐步升高，反應區(qū)溫度可高達到1 150～1 250 ℃，當達到還原終點放渣時，爐內最高溫度在1 250 ℃以上，放渣后溫度逐步降低。冶煉周期性溫度變化對噴槍磚的侵蝕影響較大。

由于還原爐作業(yè)制度為周期性操作，生產過程中溫度發(fā)生變化時會引起耐火磚產生裂紋，嚴重時會引發(fā)耐火磚表面剝落，并加劇熔渣的滲透和侵蝕，影響冶金爐爐齡。

3.4 噴槍侵蝕

3.4.1 噴槍安裝不合理

噴槍安裝位置不合理會造成側吹爐噴槍磚高溫燒損、侵蝕。如果噴槍爐內部分距離槍口磚內側過近，會造成噴槍竄火導致槍口磚燒損。另外噴槍伸入爐內過長，噴槍火焰會直接噴燃到對面噴槍區(qū)域造成高溫侵蝕，加劇噴槍燒損。

3.4.2 噴槍燒損

噴槍燒損時，噴槍壓力明顯降低，火焰不能直接穿透熔渣，而是轉向噴槍出口、槍口磚區(qū)域，高速燃燒的火焰對槍口磚沖刷，并該區(qū)域的煤氣、氧氣燃燒形成局部高溫區(qū)，溫度可達1 250～1 300 ℃，加劇噴槍磚的燒損、侵蝕。

4 降低側吹爐噴槍磚侵蝕速度的措施

4.1 控制停開爐溫度

檢修更換爐內耐火材料重新啟動的側吹還原爐，要嚴格按升溫曲線控制升溫、保溫時間，升溫過程中發(fā)生熄火等情況時，要按升溫曲線(見圖1)緩慢重新升溫，避免降溫和升溫過快造成爐內耐火材料剝落、崩塌等。

圖1 升溫曲線

4.2 嚴格控制操作溫度

還原爐正常熔煉時爐內溫度1 100～1 200 ℃，保持還原爐爐內溫度均勻穩(wěn)定是降低噴槍磚侵蝕、沖刷速度和延長還原爐爐齡的重要手段。溫度控制首先要保持側吹還原爐煤氣、氧氣的壓力和流量穩(wěn)定，嚴格控制還原劑的加入速度和配入量。

4.3 選擇合理的冶煉渣型

還原爐內襯采用的是鎂鉻質耐火磚，其為堿性耐火材料，如果冶煉渣型選擇不當，會嚴重影響耐火材料使用壽命。因此還原冶煉渣型為SiO2/Fe=0.6～1.1 ，CaO/SiO2=0.2～0.6。

4.4 精細操作

還原爐熔池液面高度是生產中一個關鍵參數，熔池液面過高，爐內靜壓力過高，易造成渣口、鉛口跑渣等事故，也會使噴槍阻力過大，堵塞、燒損噴槍，加快噴槍磚的侵蝕、沖刷速度，縮短還原爐爐齡。因此，還原爐熔池深度嚴格控制在1.5～1.8 m，熔渣淹沒噴槍約500～800 mm。

4.5 噴槍控制合理

噴槍安裝進入爐墻內側，約30～50 mm顯露于還原爐爐膛直接與高溫熔渣接觸，避免安裝不當對噴槍區(qū)域耐火材料造成嚴重侵蝕。嚴格執(zhí)行噴槍壓力、流量巡檢制度，發(fā)現噴槍堵塞、燒損及時處理。

5 結語

對側吹爐噴槍磚侵蝕機理及原因進行分析，通過控制渣型、優(yōu)化操作、控制合理的冶煉溫度等措施，有效降低了還原爐噴槍磚侵蝕速度，避免了頻繁更換噴槍區(qū)耐火材料對其它區(qū)域耐火材料造成的損傷，不僅降低了檢修成本，也有效提高了還原爐爐齡，為富氧頂吹艾薩爐—熱渣側吹還原爐—煙化爐長周期穩(wěn)定運行奠定了基礎。