有色金属火法冶炼用耐火材料及其发展动向

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1、有色金属火法冶炼用耐火材料及其发展动向中钢集团洛阳耐火材料研究院陈肇友有色金属工业中消耗耐火材料较多的是铜、镍、铅、锌、锡与炼铝工业。我国2003年与2006年有色金属的产量示于表1。2006年我国十种主要有色金属总产量为1917万吨，同比年增长17.48%，连续五年居世界首位。近年来，由于我国发展的需要和世界有色金属价格的猛涨（铜为6000美元/吨，镍40000美元/吨，铅1900美元/吨，锌3600美元/吨，铝2800美元/吨），促进了我国有色金属工业的大发展。即使这样，我国有些有色金属仍然短缺，例如我国2006年生产不锈钢就需要15.1万吨镍，仍需进口4~

2、5万吨镍。表1我国有色金属近年来产量（万吨）金属年份铜镍铅锌锡铝镁2003177.26.5157.8229.210.055633.9200631010.8310310-95052.5有色金属种类繁多，冶炼方法也多种多样。在此主要结合有色重金属、铜、镍、铅、锌与轻金属铝的火法冶炼中，较为先进的冶炼炉用耐火材料进行论述。1有色重金属冶炼用耐火材料1.1有色重金属火法冶炼特点[1]钢铁工业所用矿石为氧化铁矿，金属熔体为Fe-C熔体，熔渣为CaO-SiO2-Al2O3或CaO-SiO2-FeO渣系，冶炼中产生大量的CO气体；而有色重金属冶炼中所用矿石多为含铜、镍、铅、锌

3、甚低的硫化物矿，因此冶炼中产生的气体与遇到的熔体都与钢铁工业有很大差异，其主要特点如下：（1）炉气气氛中含有大量SO2气体。用的原料是硫化物，因此冶炼中会产生大量的SO2气体。（2）遇到的熔体不仅有氧化物熔渣、金属熔体，还有硫化物熔体如冰铜（铜锍）或冰镍（镍锍）。虽然冶炼温度比钢铁冶炼低，但这些熔体的熔化温度却比钢铁工业遇到的熔体低得多，而其流动性却很好，极易渗入耐火材料内。（3）熔渣为FeO-SiO2渣系，且渣量大。由于硫化物以及冰铜或冰镍中含有大量硫化铁，为了除去铁，在熔炼或吹炼中要将FeS氧化为FeO：FeS+O2→(FeO)渣+SO2↑为此必须加硅石Si

4、O2造渣，以形成低熔点渣。所以不管是采用何种冶炼炉：反射炉、闪速炉、澳斯炉、诺兰达炉或是转炉吹炼冰铜或冰镍，其熔渣的主要成分都是FeO与SiO2，FeO含量在35%以上。77（4）由于矿石与硫化物熔体中含有色重金属都不多，因此熔炼与吹炼时，渣量都很大，因此渣的侵蚀也就严重。1.2何种耐火材质较为适宜有色重金属冶炼炉1.2.1含碳耐火材料不适宜的原因分析[2,3]含碳耐火材料在钢铁工业的高炉、铁水预处理罐、氧气转炉、盛钢桶、连铸浸入式水口等广泛使用，效果很好。很自然会想到把含碳耐火材料用于炼铜、炼镍等有色金属冶炼炉。苏联、日本以及我国都曾试过，但效果都不理想，比普

5、通镁铬砖还差。为何含碳耐火材料在钢铁工业使用效果很好，而在有色金属冶炼炉上使用，效果就不好了？高炉炉衬是在炉气气氛中含有大量CO（高炉煤气），铁水中含碳几接近或达到饱和，所以高炉、铁水预处理罐都可用碳或含碳耐火材料。氧气转炉炼钢中吹炼铁水（Fe-C熔体），会析出大量CO气体，其压力约为0.1MPa;由反应式2C+O2=2CO，从热力学计算，炉气中氧分压为：PO2=5.5×10-15~5.5×10-17MPa;说明炼钢转炉中氧压很低。在有色重金属熔炼与吹炼中，炉内气氛中含有大量SO2，其浓度在11%~15%，即SO2压力为PSO2=0.01MPa,从热力学计算，在

6、1200~1400℃时，其炉气中O2分压PO2大致在5×10-6MPa；比炼钢转炉的氧压大9~11数量级。因此，在有色重金属熔炼炉与吹炼炉中，含碳耐火材料中的碳很易被氧化烧掉。这可能就是含碳耐火材料在有色重金属冶炼炉上使用效果不好的原因。1.2.2何种耐火材质较适宜？（1）耐火物在铁硅渣中的熔解度及形成的液相区[4]图1与图2分别示出了一些耐火氧化物图1在1500℃时Al2O3、MgO、CaO、ZrO2在SiO2-FeO渣中的溶解度77图2Al2O3-SiO2-Fe3O4、Cr2O3-SiO2-Fe2O3、ZrO2-SiO2-Fe2O3、MgO-SiO2-Fe3

7、O4与CaO-SiO2-Fe2O3系在1500℃时的液相区从图1与图2可看出CaO(石灰)在FeO-SiO2渣中溶解度很大，与铁硅渣形成的液相区最大，因此CaO含CaO多的白云石不适宜于用来做有色重金属冶炼炉的炉衬。SiO2是与FeO形成低熔点的熔剂，因此硅砖与含SiO2的耐火材料也不能用来做有色重金属冶炼炉的炉衬。从图1与图2看Cr2O3及ZrO2与铁硅渣构成的液相区小，以及在FeO-SiO2渣中溶解度小，表明Cr2O3与ZrO2耐火氧化物适于用来做有色重金属冶炼炉的炉衬。图3示出了一些耐火氧化物在FeO-SiO2渣（或称铁橄榄石渣）中在不同温度下的溶解速度（

8、旋转圆柱体法测定），可以