金川公司銅自熱熔煉爐是用來處理含鎳銅精礦的。含鎳銅精礦是高鎳锍經(jīng)緩冷和磨浮分選后得到的銅精礦，其成分為：Ni3.5%，Cu67%~69%，F(xiàn)e3%~4%，S20%~22%。這種銅精礦含鎳高、含鐵低、含硫低，不含脈石，不同于天然礦石選出的銅精礦。
金川含鎳銅精礦的冶煉工藝，從20世紀(jì)60年代借鑒傳統(tǒng)的處理一般銅精礦的工藝流程開始，經(jīng)過多個發(fā)展階段而演變?yōu)楝F(xiàn)行工藝。20世紀(jì)90年代初，金川公司采用了從俄羅斯引進(jìn)的俄羅斯鎳設(shè)計院和北鎳公司聯(lián)合開發(fā)的原本處理鎳礦的氧氣頂吹自熱爐技術(shù)與設(shè)備經(jīng)自己改裝、研制為處理銅精礦的新技術(shù)，建立了我國的新工藝，該工藝于1994年試產(chǎn)成功。
2氧氣頂吹自熱熔煉
1自熱爐生產(chǎn)的工藝特性與技術(shù)性能
氧氣頂吹自熱爐屬于熔池熔煉的高效冶煉設(shè)備，氧槍為非浸沒式氧槍，由爐頂集煙罩上的氧槍口伸入爐膛，將高壓工業(yè)氧氣吹入溶渣層內(nèi)，使熔體攪動、翻騰。重油經(jīng)氧槍內(nèi)特設(shè)的導(dǎo)管從槍口噴出，以補(bǔ)充盡應(yīng)熱量的不足。爐料不斷從集煙罩上的爐料孔加入，爐料進(jìn)入翻騰的熔池后很快熔化并進(jìn)行各種物理化學(xué)變化。硫化銅因其密度較大而沉入底層，爐渣則浮于上面。
由于鼓入爐內(nèi)的是氧氣，因此煙氣二氧化硫濃度高，且連續(xù)穩(wěn)定，經(jīng)凈化后即送往硫酸廠制酸。
自熱爐熔煉技術(shù)與其他相關(guān)技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)熔煉過程中物理化學(xué)反應(yīng)速度快，爐床生產(chǎn)能力高，產(chǎn)量大。
(2)利用工業(yè)氧氣吹煉，煙氣量小，煙氣帶走的熱量少，爐子熱損失小，由于實(shí)現(xiàn)自燃(補(bǔ)充部分重油)，充分利用放熱反應(yīng)的熱量，熱利用率高，節(jié)約大量能源。
(3)煙氣中二氧化硫濃度高且連續(xù)穩(wěn)定，有利于制酸。提高了資源綜合利用水平，且保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。
(4)爐子體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工程投資小。
(5)對物料要求不嚴(yán)鉻，可以處理不同粒度和含一定水分的物料。
(6)操作簡單、靈活，可連續(xù)作業(yè)，且能有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量。
因此，自熱爐熔煉是一種高效、節(jié)能、可連續(xù)作業(yè)、投資少、煙氣可以回收制酸避免環(huán)境污染的冶金工藝，是當(dāng)前世界上處理含鎳銅精礦的一項先進(jìn)的技術(shù)。
2自熱爐的結(jié)構(gòu)
自熱爐是豎式圓柱形爐型，外形直徑為4m，高為7.5m，爐體由爐基、爐底、爐墻、爐頂、放出口組成。主要附屬設(shè)備有氧氣槍、煙氣冷卻器等。
A 爐基和爐底
爐基是整個爐子的基礎(chǔ)，由鋼筋混凝土澆灌而成。自熱爐正常作業(yè)時爐底溫度在250℃以上，需要有良好的通風(fēng)冷卻，所以爐基上設(shè)有通風(fēng)道，全部外包耐火磚，其上方架設(shè)有工字鋼梁，鋼梁上鋪設(shè)有厚度為40mm的鋼板，厚鋼板上再鋪設(shè)小型工字鋼和鋼板。在鋼板上砌筑爐底，爐底由鎂鉻磚砌成，總厚度為1200mm。
B 爐墻
爐墻外殼用20mm鋼板圍成，爐墻外層砌黏土磚，內(nèi)層砌鉻鎂磚。爐墻與外殼之間充填10mm的石棉板和厚約50mm的鎂砂。為了延長爐襯的使用壽命，在反應(yīng)高溫區(qū)爐墻內(nèi)設(shè)置有水冷銅水套。
C 爐頂
爐頂呈斜錐形，鋼質(zhì)外殼內(nèi)用鉻鎂磚砌筑，并附設(shè)有氧槍口、加料口，煙氣從爐頂排煙口引出，直接與煙氣汽化冷卻器的進(jìn)口連接。
D 放出口
自熱爐設(shè)有放銅口、放渣口、事故放空口，三個放出口作用不同。放銅口距爐底650mm，用于正常生產(chǎn)時放銅;放渣口距爐底1250mm，正常生產(chǎn)時排渣;距爐底0mm的事故放空口，用于發(fā)生事故或需要檢修時，將爐內(nèi)熔體放干凈。
E 氧槍機(jī)
氧槍機(jī)主要由氧槍、氧槍機(jī)架、左右行走機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)組成。為了保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行，氧槍機(jī)架上安裝有兩只氧槍，一只使用，一只備用。為了延長氧槍的使用壽命，氧槍采用強(qiáng)制水冷卻。
F 煙氣汽化冷卻器
在爐頂煙氣出口直接安裝了煙氣汽化冷卻器，它實(shí)質(zhì)上是一種小型的煙道余熱利用設(shè)備。一方面以蒸汽的形式回收利用自熱爐煙氣的余熱，降低煙氣溫度，以利于電收塵的工作;另一方面煙氣冷卻器可沉降一部分煙塵并加以回收。
3銅自熱熔煉爐用耐火材料的研究
對于這種新型熔煉設(shè)備用的耐火材料的問題俄羅斯并沒有解決，一切需從頭開始J.為此，在總結(jié)已有鎂鉻耐火材料及鎂鋁耐火材料應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出三個研究方案：硅酸鹽結(jié)合鎂鉻磚、直接結(jié)合鎂鉻磚和優(yōu)質(zhì)鎂鉻磚。
1硅酸鹽結(jié)合鎂鉻磚
硅酸鹽結(jié)合鎂鉻磚的理化性能見表1，本試驗(yàn)用于砌筑爐體和爐頂。幾次試驗(yàn)結(jié)果表明，使用壽命均在4個月以內(nèi)，效果甚不理想。這表明此方案不可取。
2直接結(jié)合鎂鉻磚
直接結(jié)合鎂鉻磚的理化性能列于表2。這是一種具有較高抗侵蝕性能和高溫強(qiáng)度的材料。使用后壽命有所提高，達(dá)到6個月左右，但仍遠(yuǎn)未達(dá)到生產(chǎn)要求。原因在于：爐體部位鎂鉻磚出現(xiàn)銅的滲透而引起結(jié)構(gòu)剝落;爐頂部位出現(xiàn)熱剝落和機(jī)械剝落，即機(jī)械應(yīng)力的作用導(dǎo)致耐火材料的斷裂。
3優(yōu)質(zhì)鎂鉻磚及爐頂砌筑結(jié)構(gòu)
本項研究從材料及砌筑結(jié)構(gòu)兩方面同時進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程和效果具體情況如下。
A材料的選取
以我們之前發(fā)過的高性能鎂鉻耐火材料的研究結(jié)果和上述幾次試驗(yàn)的爐況為依據(jù)，確定選材原則為：
(1)爐頂材料的選擇原則。熱穩(wěn)定性好，抗SO2氣氛侵蝕性能好，以及高溫強(qiáng)度大等。
(2)爐體材料選擇原則?？癸碀B透性強(qiáng)，耐渣、锍、氣沖刷性能好，以及高溫強(qiáng)度大等。
根據(jù)以上原則選取優(yōu)質(zhì)鎂絡(luò)磚為爐體材料，鎂鋁尖晶石磚為爐頂材料。
B爐頂砌筑結(jié)構(gòu)的調(diào)整
為了消除由于爐頂砌筑不合理而引起的熱應(yīng)力，在采用優(yōu)質(zhì)鎂鉻磚的同時對砌筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整。
原設(shè)計爐頂鎂鉻磚為平砌拉柱法，砌筑簡圖如圖2所示。采用該設(shè)計砌筑的爐頂在氧槍管及加料管部位掉磚嚴(yán)重，爐頂鋼殼燒穿而被迫停爐檢修，使用壽命短。
為此，將原設(shè)計的平砌拉柱法改進(jìn)為垂直爐壁拱形砌筑法。該法以確立消除應(yīng)力等諸因素為重點(diǎn)，創(chuàng)立了一種獨(dú)具特色的垂直爐壁拱形砌筑結(jié)構(gòu)。
C使用效果
使用結(jié)果表明，采用方鎂石結(jié)合鎂鋁尖晶石磚垂直爐壁拱形砌筑結(jié)構(gòu)的爐頂共試驗(yàn)3次。爐頂用方鎂石結(jié)合鎂鋁尖晶石磚，爐體仍用鎂鉻磚。
第一次：使用磚型為：460mm×150mm×85/65mm;460mm×150mm×85/50mm;異型磚;300mm×150mm×75/65mm。使用4個月后因年度檢修而提前中修。此次測得幾個關(guān)鍵點(diǎn)的殘磚狀況如下：
(1)加料管、氧槍管之間及周邊區(qū)域殘磚長約在250~280rmn，仍為爐頂最薄弱的區(qū)域;
(2)爐頂其他部位磚的蝕損尺寸約為100~200mm;
(3)爐頂磚的渣化層厚度在30mm以內(nèi);
(4)爐頂內(nèi)襯結(jié)有50mm左右的渣殼，這是以前從未發(fā)現(xiàn)的良好現(xiàn)象。
第二次：使用的磚型與第一次相同。使用6個月后因工廠為了確保下半年生產(chǎn)強(qiáng)行停爐檢修。對爐身、爐頂?shù)臒g情況不明。
第三次：使用磚型與第一次相同。使用9個月后停爐檢修。停爐后，對殘磚進(jìn)行了檢查和分析，得知：
(1)觀察到爐頂內(nèi)表面的結(jié)渣層較之前兩次更厚，達(dá)到了100mm以上，而磚的渣化層厚度仍在30mm之內(nèi)。
(2)方鎂石結(jié)合鎂鋁尖晶石磚較之反應(yīng)鎂鉻磚更能適應(yīng)自熱爐頂部的使用環(huán)境，具有更優(yōu)異的表現(xiàn)：鎂鋁磚的抗?jié)釹O2煙氣及熔渣的沖刷和侵蝕能力強(qiáng)，渣化層薄;高溫性能優(yōu)越，能形成覆蓋整個拱頂內(nèi)表面的渣殼，渣殼厚度可達(dá)100mm;常溫強(qiáng)度高，高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，荷重軟化溫度高等性能成功地解決了加料管、氧槍管周邊等易損區(qū)域壽命過低的難題。
(3)從殘磚斷面分析可見，爐頂部易損部位在9個月的生產(chǎn)過程中，蝕損尺寸為290mm，殘余長度為160mm以上。按32mm/月的平均蝕損速度(290/9=32mm/月)推算，結(jié)合到爐頂襯層初期易損、中后期蝕損慢的特點(diǎn)，考慮1996年2月中修后曾因原料短缺而停爐保溫半個月的不利影響，可以預(yù)測，該爐的實(shí)際使用壽命可達(dá)到16個月以上。
4結(jié)論
通過多次生產(chǎn)試驗(yàn)證明，方鎂石結(jié)合鎂鋁尖晶石磚和垂直爐壁拱形砌筑結(jié)構(gòu)的使用，已成功地解決了自熱爐投產(chǎn)以來一度存在的爐頂損壞快、爐襯壽命短的難題，使?fàn)t頂?shù)氖褂脡勖善鸪醯牟蛔銉蓚€月提高到目前的16個月以上，并且，爐頂、爐身部位的檢修不同步的難題也隨之得以解決，徹底改變了該爐需一年檢修5~6次的狀況，為生產(chǎn)創(chuàng)造了有利的時間條件。
金川含鎳銅精礦的冶煉工藝，從20世紀(jì)60年代借鑒傳統(tǒng)的處理一般銅精礦的工藝流程開始，經(jīng)過多個發(fā)展階段而演變?yōu)楝F(xiàn)行工藝。20世紀(jì)90年代初，金川公司采用了從俄羅斯引進(jìn)的俄羅斯鎳設(shè)計院和北鎳公司聯(lián)合開發(fā)的原本處理鎳礦的氧氣頂吹自熱爐技術(shù)與設(shè)備經(jīng)自己改裝、研制為處理銅精礦的新技術(shù)，建立了我國的新工藝，該工藝于1994年試產(chǎn)成功。
2氧氣頂吹自熱熔煉
1自熱爐生產(chǎn)的工藝特性與技術(shù)性能
氧氣頂吹自熱爐屬于熔池熔煉的高效冶煉設(shè)備，氧槍為非浸沒式氧槍，由爐頂集煙罩上的氧槍口伸入爐膛，將高壓工業(yè)氧氣吹入溶渣層內(nèi)，使熔體攪動、翻騰。重油經(jīng)氧槍內(nèi)特設(shè)的導(dǎo)管從槍口噴出，以補(bǔ)充盡應(yīng)熱量的不足。爐料不斷從集煙罩上的爐料孔加入，爐料進(jìn)入翻騰的熔池后很快熔化并進(jìn)行各種物理化學(xué)變化。硫化銅因其密度較大而沉入底層，爐渣則浮于上面。
由于鼓入爐內(nèi)的是氧氣，因此煙氣二氧化硫濃度高，且連續(xù)穩(wěn)定，經(jīng)凈化后即送往硫酸廠制酸。
自熱爐熔煉技術(shù)與其他相關(guān)技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)熔煉過程中物理化學(xué)反應(yīng)速度快，爐床生產(chǎn)能力高，產(chǎn)量大。
(2)利用工業(yè)氧氣吹煉，煙氣量小，煙氣帶走的熱量少，爐子熱損失小，由于實(shí)現(xiàn)自燃(補(bǔ)充部分重油)，充分利用放熱反應(yīng)的熱量，熱利用率高，節(jié)約大量能源。
(3)煙氣中二氧化硫濃度高且連續(xù)穩(wěn)定，有利于制酸。提高了資源綜合利用水平，且保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。
(4)爐子體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工程投資小。
(5)對物料要求不嚴(yán)鉻，可以處理不同粒度和含一定水分的物料。
(6)操作簡單、靈活，可連續(xù)作業(yè)，且能有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量。
因此，自熱爐熔煉是一種高效、節(jié)能、可連續(xù)作業(yè)、投資少、煙氣可以回收制酸避免環(huán)境污染的冶金工藝，是當(dāng)前世界上處理含鎳銅精礦的一項先進(jìn)的技術(shù)。
2自熱爐的結(jié)構(gòu)
自熱爐是豎式圓柱形爐型，外形直徑為4m，高為7.5m，爐體由爐基、爐底、爐墻、爐頂、放出口組成。主要附屬設(shè)備有氧氣槍、煙氣冷卻器等。
A 爐基和爐底
爐基是整個爐子的基礎(chǔ)，由鋼筋混凝土澆灌而成。自熱爐正常作業(yè)時爐底溫度在250℃以上，需要有良好的通風(fēng)冷卻，所以爐基上設(shè)有通風(fēng)道，全部外包耐火磚，其上方架設(shè)有工字鋼梁，鋼梁上鋪設(shè)有厚度為40mm的鋼板，厚鋼板上再鋪設(shè)小型工字鋼和鋼板。在鋼板上砌筑爐底，爐底由鎂鉻磚砌成，總厚度為1200mm。
B 爐墻
爐墻外殼用20mm鋼板圍成，爐墻外層砌黏土磚，內(nèi)層砌鉻鎂磚。爐墻與外殼之間充填10mm的石棉板和厚約50mm的鎂砂。為了延長爐襯的使用壽命，在反應(yīng)高溫區(qū)爐墻內(nèi)設(shè)置有水冷銅水套。
C 爐頂
爐頂呈斜錐形，鋼質(zhì)外殼內(nèi)用鉻鎂磚砌筑，并附設(shè)有氧槍口、加料口，煙氣從爐頂排煙口引出，直接與煙氣汽化冷卻器的進(jìn)口連接。
D 放出口
自熱爐設(shè)有放銅口、放渣口、事故放空口，三個放出口作用不同。放銅口距爐底650mm，用于正常生產(chǎn)時放銅;放渣口距爐底1250mm，正常生產(chǎn)時排渣;距爐底0mm的事故放空口，用于發(fā)生事故或需要檢修時，將爐內(nèi)熔體放干凈。
E 氧槍機(jī)
氧槍機(jī)主要由氧槍、氧槍機(jī)架、左右行走機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)組成。為了保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行，氧槍機(jī)架上安裝有兩只氧槍，一只使用，一只備用。為了延長氧槍的使用壽命，氧槍采用強(qiáng)制水冷卻。
F 煙氣汽化冷卻器
在爐頂煙氣出口直接安裝了煙氣汽化冷卻器，它實(shí)質(zhì)上是一種小型的煙道余熱利用設(shè)備。一方面以蒸汽的形式回收利用自熱爐煙氣的余熱，降低煙氣溫度，以利于電收塵的工作;另一方面煙氣冷卻器可沉降一部分煙塵并加以回收。
3銅自熱熔煉爐用耐火材料的研究
對于這種新型熔煉設(shè)備用的耐火材料的問題俄羅斯并沒有解決，一切需從頭開始J.為此，在總結(jié)已有鎂鉻耐火材料及鎂鋁耐火材料應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出三個研究方案：硅酸鹽結(jié)合鎂鉻磚、直接結(jié)合鎂鉻磚和優(yōu)質(zhì)鎂鉻磚。
1硅酸鹽結(jié)合鎂鉻磚
硅酸鹽結(jié)合鎂鉻磚的理化性能見表1，本試驗(yàn)用于砌筑爐體和爐頂。幾次試驗(yàn)結(jié)果表明，使用壽命均在4個月以內(nèi)，效果甚不理想。這表明此方案不可取。
2直接結(jié)合鎂鉻磚
直接結(jié)合鎂鉻磚的理化性能列于表2。這是一種具有較高抗侵蝕性能和高溫強(qiáng)度的材料。使用后壽命有所提高，達(dá)到6個月左右，但仍遠(yuǎn)未達(dá)到生產(chǎn)要求。原因在于：爐體部位鎂鉻磚出現(xiàn)銅的滲透而引起結(jié)構(gòu)剝落;爐頂部位出現(xiàn)熱剝落和機(jī)械剝落，即機(jī)械應(yīng)力的作用導(dǎo)致耐火材料的斷裂。
3優(yōu)質(zhì)鎂鉻磚及爐頂砌筑結(jié)構(gòu)
本項研究從材料及砌筑結(jié)構(gòu)兩方面同時進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程和效果具體情況如下。
A材料的選取
以我們之前發(fā)過的高性能鎂鉻耐火材料的研究結(jié)果和上述幾次試驗(yàn)的爐況為依據(jù)，確定選材原則為：
(1)爐頂材料的選擇原則。熱穩(wěn)定性好，抗SO2氣氛侵蝕性能好，以及高溫強(qiáng)度大等。
(2)爐體材料選擇原則?？癸碀B透性強(qiáng)，耐渣、锍、氣沖刷性能好，以及高溫強(qiáng)度大等。
根據(jù)以上原則選取優(yōu)質(zhì)鎂絡(luò)磚為爐體材料，鎂鋁尖晶石磚為爐頂材料。
B爐頂砌筑結(jié)構(gòu)的調(diào)整
為了消除由于爐頂砌筑不合理而引起的熱應(yīng)力，在采用優(yōu)質(zhì)鎂鉻磚的同時對砌筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整。
原設(shè)計爐頂鎂鉻磚為平砌拉柱法，砌筑簡圖如圖2所示。采用該設(shè)計砌筑的爐頂在氧槍管及加料管部位掉磚嚴(yán)重，爐頂鋼殼燒穿而被迫停爐檢修，使用壽命短。
為此，將原設(shè)計的平砌拉柱法改進(jìn)為垂直爐壁拱形砌筑法。該法以確立消除應(yīng)力等諸因素為重點(diǎn)，創(chuàng)立了一種獨(dú)具特色的垂直爐壁拱形砌筑結(jié)構(gòu)。
C使用效果
使用結(jié)果表明，采用方鎂石結(jié)合鎂鋁尖晶石磚垂直爐壁拱形砌筑結(jié)構(gòu)的爐頂共試驗(yàn)3次。爐頂用方鎂石結(jié)合鎂鋁尖晶石磚，爐體仍用鎂鉻磚。
第一次：使用磚型為：460mm×150mm×85/65mm;460mm×150mm×85/50mm;異型磚;300mm×150mm×75/65mm。使用4個月后因年度檢修而提前中修。此次測得幾個關(guān)鍵點(diǎn)的殘磚狀況如下：
(1)加料管、氧槍管之間及周邊區(qū)域殘磚長約在250~280rmn，仍為爐頂最薄弱的區(qū)域;
(2)爐頂其他部位磚的蝕損尺寸約為100~200mm;
(3)爐頂磚的渣化層厚度在30mm以內(nèi);
(4)爐頂內(nèi)襯結(jié)有50mm左右的渣殼，這是以前從未發(fā)現(xiàn)的良好現(xiàn)象。
第二次：使用的磚型與第一次相同。使用6個月后因工廠為了確保下半年生產(chǎn)強(qiáng)行停爐檢修。對爐身、爐頂?shù)臒g情況不明。
第三次：使用磚型與第一次相同。使用9個月后停爐檢修。停爐后，對殘磚進(jìn)行了檢查和分析，得知：
(1)觀察到爐頂內(nèi)表面的結(jié)渣層較之前兩次更厚，達(dá)到了100mm以上，而磚的渣化層厚度仍在30mm之內(nèi)。
(2)方鎂石結(jié)合鎂鋁尖晶石磚較之反應(yīng)鎂鉻磚更能適應(yīng)自熱爐頂部的使用環(huán)境，具有更優(yōu)異的表現(xiàn)：鎂鋁磚的抗?jié)釹O2煙氣及熔渣的沖刷和侵蝕能力強(qiáng)，渣化層薄;高溫性能優(yōu)越，能形成覆蓋整個拱頂內(nèi)表面的渣殼，渣殼厚度可達(dá)100mm;常溫強(qiáng)度高，高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，荷重軟化溫度高等性能成功地解決了加料管、氧槍管周邊等易損區(qū)域壽命過低的難題。
(3)從殘磚斷面分析可見，爐頂部易損部位在9個月的生產(chǎn)過程中，蝕損尺寸為290mm，殘余長度為160mm以上。按32mm/月的平均蝕損速度(290/9=32mm/月)推算，結(jié)合到爐頂襯層初期易損、中后期蝕損慢的特點(diǎn)，考慮1996年2月中修后曾因原料短缺而停爐保溫半個月的不利影響，可以預(yù)測，該爐的實(shí)際使用壽命可達(dá)到16個月以上。
4結(jié)論
通過多次生產(chǎn)試驗(yàn)證明，方鎂石結(jié)合鎂鋁尖晶石磚和垂直爐壁拱形砌筑結(jié)構(gòu)的使用，已成功地解決了自熱爐投產(chǎn)以來一度存在的爐頂損壞快、爐襯壽命短的難題，使?fàn)t頂?shù)氖褂脡勖善鸪醯牟蛔銉蓚€月提高到目前的16個月以上，并且，爐頂、爐身部位的檢修不同步的難題也隨之得以解決，徹底改變了該爐需一年檢修5~6次的狀況，為生產(chǎn)創(chuàng)造了有利的時間條件。
