Рассмотрим в качестве примера самонагревающуюся медеплавильную печь предприятия, которая в основном используется для переработки никельсодержащего медного концентрата. Этот медный концентрат имеет высокое содержание никеля, низкое содержание железа, низкое содержание серы и не содержит пустой породы. Исходя из условий работы печи и следуя принципам выбора огнеупорных материалов, мы используем высококачественные магнезиально-хромовые кирпичи в качестве материала корпуса печи и магнезиально-алюминиевые шпинельные кирпичи в качестве материала верхней части крыши печи.
Принципы выбора огнеупорных материалов для самонагревающихся медеплавильных печей
- (1) Принципы выбора верхнего слоя: хорошая термическая стабильность, хорошая устойчивость к эрозии в атмосфере SO2 и высокая высокотемпературная прочность.
- (2) Принципы выбора материала корпуса печи: высокая устойчивость к проникновению штейна, хорошая устойчивость к эрозии шлаком, штейном и газом, а также высокая высокотемпературная прочность.
Корректировка кладки крыши печи для самонагревающейся плавильной печи компании
Для устранения термических напряжений, вызванных неправильной кладкой крыши печи, была проведена корректировка кладки с использованием высококачественного магнезиально-хромового кирпича.
В первоначальном проекте использовался метод плоской кладки с использованием анкерных колонн для магнезиально-хромового кирпича крыши печи, как показано на рисунке 1. Эта конструкция привела к значительной потере кирпича в местах расположения кислородных фурм и загрузочных труб, что вызвало прогорание стальной оболочки крыши печи и вынужденную остановку для технического обслуживания, что привело к сокращению срока службы.
1, 3 — Предварительно прореагировавший магнезиально-хромовый кирпич; 2 — Магниевый порошковый наполнитель; 4 — Магнезиально-хромовый кирпич, непосредственно связанный между собой
Поэтому первоначальный метод плоской кладки с использованием анкерных колонн был усовершенствован до метода вертикальной арочной кладки стен печи. Этот метод направлен на устранение напряжений и других факторов, создавая уникальную вертикальную арочную кладку стен печи, как показано на рисунке 2.
1, 2 — Магнезиально-хромовые кирпичи прямого соединения; 3, 4 — Магнезиально-хромовые треугольные кирпичи; 5, 6 — Предварительно прореагировавшие магнезиально-хромовые кирпичи
Улучшенные результаты эксплуатации
Результаты эксплуатации показали, что конструкция крыши печи, построенная из магнезиально-алюминиевых шпинелевых кирпичей, связанных периклазом, в виде вертикальной арки стенки печи, была испытана трижды. В каждом испытании наблюдались срок службы печи и состояние технического обслуживания. Для крыши печи использовались магнезиально-алюминиевые шпинелевые кирпичи, связанные ударным способом, в то время как корпус печи оставался выполненным из магнезиально-хромовых кирпичей.
Первое испытание: Использовались следующие типы кирпичей: 460 мм × 150 мм × 85/65 мм, 460 мм × 150 мм × 85/50 мм, кирпичи неправильной формы и 300 мм × 150 мм × 75/65 мм. После четырех месяцев эксплуатации был проведен досрочный среднесрочный ремонт в связи с ежегодным техническим обслуживанием. Состояние оставшейся кирпичной кладки в нескольких ключевых точках было измерено следующим образом:
- (1) Длина оставшейся кирпичной кладки между загрузочной трубой и трубой кислородного фурмы и вокруг них составляла приблизительно 250-280 мм, что являлось самым слабым местом крыши печи.
- (2) Размер эрозии кирпичей в других частях крыши печи составлял приблизительно 100-200 мм.
- (3) Толщина шлакового слоя на кирпичах крыши печи составляла менее 30 мм.
- (4) На внутренней футеровке верхней части печи образовалась шлаковая оболочка толщиной приблизительно 50 мм – ранее не наблюдавшееся положительное явление.
Второй тест: Использовался тот же тип кирпича, что и в первом тесте. После 6 месяцев эксплуатации завод принудительно остановил печь для технического обслуживания, чтобы обеспечить производство во второй половине года. Степень эрозии на корпусе и верхней части печи неизвестна.
Третий тест: Использовался тот же тип кирпича, что и в первом тесте. Печь была остановлена для технического обслуживания после 9 месяцев эксплуатации. После остановки оставшиеся кирпичи были осмотрены и проанализированы, что показало следующее:
- (1) Слой шлака на внутренней поверхности верхней части печи был толще, чем в двух предыдущих испытаниях, превышая 100 мм. Толщина слоя шлака на кирпичах оставалась в пределах 30 мм.
- (2) Магнезиально-глиноземные шпинелевые кирпичи лучше подходят для условий эксплуатации самонагревающейся верхней части печи, чем реактивные магнезиально-хромовые кирпичи, демонстрируя превосходные характеристики. Магнезиально-глиноземные кирпичи обладают высокой устойчивостью к истиранию и эрозии концентрированными дымовыми газами SO2 и расплавленным шлаком, что приводит к образованию тонкого слоя шлака. Они обладают превосходными высокотемпературными характеристиками, образуя шлаковую оболочку, покрывающую всю внутреннюю поверхность купола, толщиной шлаковой оболочки до 100 мм. Высокая прочность при комнатной температуре, хорошая структурная стабильность при высоких температурах и высокая температура размягчения под нагрузкой успешно решают проблему короткого срока службы в уязвимых местах, таких как подающая труба и труба кислородной фурмы.
- (3) Анализ поперечного сечения остаточного кирпича показывает, что в течение 9-месячного производственного процесса размер коррозии уязвимых частей в верхней части печи составил 290 мм, а остаточная длина превысила 160 мм. Исходя из средней скорости коррозии 32 мм/месяц (290/9 = 32 мм/месяц) и учитывая начальную уязвимость и более медленную коррозию верхней футеровки печи, фактический срок службы этой печи достиг более 16 месяцев.
Что представляет собой процесс пирометаллургической плавки меди?
Наблюдения за магнезиально-хромовыми кирпичами, используемыми в печи NGL, показывают, что эрозия огнеупорных материалов расплавленным Cu–CuxO происходит в основном за счет проникновения. Этот расплавленный материал проникает глубоко в структуру магнезиально-хромового кирпича, достигая глубины более 260 мм. Объемная плотность и пористость огнеупорного материала изменяются по мере проникновения расплавленного материала. Пористость проникшего слоя в остаточном кирпиче значительно ниже, чем у исходного кирпичного слоя, в то время как объемная плотность соответственно увеличивается, отражая значительные изменения внутренней структуры и свойств материала.
Поверхностное распределение элементов в магнезиально-хромовом кирпиче (проникшем слое) и характерные пики Cu₂O в энергетическом спектре четко демонстрируют морфологию проникновения расплавленного Cu–CuxO и других металлических расплавленных материалов. Проникновение (ярко-белая область) на границе раздела между расплавленным магнезиальным песком и матрицей из хромитовой шпинели в основном состоит из элементов Cu и O. На границе раздела между зернами периклаза и матрицей из хромитовой шпинели преобладает проникновение расплавленного оксида меди(I) (Cu₂O).
Содержание примесей в медном ломе, полученном в процессе пирометаллургического рафинирования в НПГ, обычно составляет 4–20%, что значительно выше, чем в расплавленной меди из медного концентрата (0,5–2,0%). Медный лом содержит такие металлические элементы, как Pb, Zn, As, Sb, Bi, Ni и Fe. Избыточное количество примесей в медном ломе, полученном в результате рафинирования в печах НПГ, приводит к многократному окислению и образованию шлака, что делает огнеупорный материал футеровки печи подверженным эрозии. Рентгенодифракционный фазовый и микроструктурный анализ использованных магнезиально-хромовых кирпичей (реакционный слой) показывает, что горячая поверхность (реакционный слой) магнезиально-хромовых кирпичей подвергается двойному воздействию шлака NGL и расплавленной меди. Шлак реагирует с частицами MgO, образуя магнезиально-оливиновые (содержащие железо) и твердые растворы (Mg,Fe,Ni)O, которые, в свою очередь, образуют многофазную шпинель (Mg,Fe,Ni)(Cr,Al,Fe)₂O₄ с феррохромовой шпинелью. Рентгенодифракционными фазами реакционного слоя в остаточных кирпичах являются периклаз и феррохромовая шпинель, с небольшим количеством фазы оливина (содержащей железо). Частицы магнезии подвержены эрозии шлаком, и некоторые зерна периклаза также подвергаются эрозии шлаком, растворяясь и образуя поры и трещины в матрице или на стыках частиц с матрицей. Частицы хромита не проявляют глубокой эрозии; При температуре 1700 °C твердая растворимость FeO и Cr₂O₃ в MgO составляет 14%, что отражает хорошую устойчивость магнезиально-хромовых огнеупоров к проникновению шлака.
Из-за диффузии таких металлов, как железо, никель и цинк, в шлаке NGL, особенно при высоком содержании железа и никеля, трехвалентный Fe³⁺ легко диффундирует из хромитовой шпинели, стремясь заместить Cr³⁺/Al³⁺ с образованием нового типа высокожелезистой шпинели. Хромитовая шпинель в матрице реагирует со шлаком вокруг частиц магнезии, образуя плотный слой высокожелезистой шпинели. Этот плотный слой шпинели эффективно защищает огнеупорные частицы и снижает эрозию. Однако сильное проникновение шлака в конечном итоге приводит к уплотнению магнезиально-хромовых кирпичей вблизи горячей поверхности. Накопление напряжений вблизи границы раздела между слоем, образованным в результате реакции шлака, и слоем, пропускающим магнезиально-хромовым кирпичом, привело к образованию и распространению трещин. Наблюдение за использованными кирпичами в печи NGL на месте показало наличие значительных глубоких трещин в слое, образованном в результате реакции шлака, в оставшихся кирпичах; распространение трещин в конечном итоге может привести к разрушению конструкции.
