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采用富氧頂吹熔煉—液態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、熔池區，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，熱穩定性優良，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定性或嚴密性，表征指標為重燒線變化。

(4)熱震穩定性：抵抗溫度急劇變化而不發生開裂、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

側吹爐噴槍區域處于熔渣高溫區和流動沖刷區，當側吹爐進液態鉛渣時，爐渣的比重約5.0，液態渣含鉛約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。

由于還原爐作業制度為周期性操作，生產過程中溫度發生變化時會引起耐火磚產生裂紋，嚴重時會引發耐火磚表面剝落，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、槍口磚區域，高速燃燒的火焰對槍口磚沖刷，并該區域的煤氣、氧氣燃燒形成局部高溫區，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域耐火材料造成嚴重侵蝕。嚴格執行噴槍壓力、流量巡檢制度，發現噴槍堵塞、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耐火材料對其它區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—煙化爐長周期穩定運行奠定了基礎。