选择适合有色重金属冶炼炉的耐火材料要经过长期的试验经验分析,耐火材料厂通过搜集整理出关于如何选择合适的金属冶炼用耐火材料。
1.含碳耐火材料不适宜有色金属冶炼的原因分析:
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。前苏联、日本以及我国都曾试过,但效果都不理想,比普通镁铬砖还差。
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呢?
高炉炉衬所在炉气气氛中含有大量CO(高炉煤气),铁水中含碳几乎接近或达到饱和,所以,高炉、铁水预处理罐都可使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×X10-15~5.5×10-17MPa,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个数量级。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。
2.较适宜于金属冶炼的耐火材料:
(1)耐火氧化物在铁硅渣中的溶解度及形成的液相区。试验给出一些耐火氧化物在FeO-SiO2渣中的溶解度以及与Fe3O4(Fe2O3)-SiO2形成的液相区大小变化。从中可得出,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质与含CaO多的白云石质材料不适宜于做有色重金属冶炼炉的炉衬。SiO2是易与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。
从之前的一些耐火氧化物在FeO-SiO2渣(或称铁橄榄石渣)中于不同温度下的溶解速度试验,可以看出,镁铬尖晶石( MgO·Cr2O3)较好。
(2)抗熔体渗透与结构剥落。耐火材料在使用过程中,Cr2O3及ZrO2与铁硅渣构成的液相区小,而且在FeO-SiO2渣中溶解度小,表明Cr2O3与ZrO2耐火氧化物适于做有色重金属冶炼炉的炉衬。沿其气孔与裂纹等毛细管通道渗入砖内,并与之相互作用,形成与原砖结构和性质不同的变质层。当炉内温度波动时,变质层就会开裂、剥落。熔体渗入砖内越深,变质层越厚,结构剥落也越厚。熔体渗入耐火材料内的深度X可由下式来评估:
式中,σ为熔体的表面张力;θ为熔体在耐火材料上的润湿性接触角,如果润湿性差,接触角θ>90°,cosθ为负值,熔体就不能渗入耐火材料;η为熔体的黏度;r为耐火材料孔隙的半径;τ为时间。
从E式可以得出减轻结构剥落的途径有:
1)加入与熔体润湿性不好的非氧化物以阻止熔渣的渗入;
2)加入与熔体能形成高熔点物或高黏滞件物的组元到耐火材料中,以堵塞渗透通道;
3)使耐火材料气孔微细化。现已认识到,使耐火材料气孔微细化不仅可以抑制熔体的渗透,提高耐火材料的抗侵蚀性,还可提高其抗热震性。
Cr2O3可与许多氧化物形成固溶体、高熔点化合物或熔化温度高的低共熔物。例如Cr2O3与SiO2形成的低共熔物的熔化温度达1720℃,Cr2O3与FeO能生成熔点达2100℃的FeO·Cr2O3,Cr2O3与Al2O3可形成固溶体;Cr2O3与Cu2O可形成熔点在1600℃以上的化合物。此外,Cr2O3还能大大提高熔渣的黏度。因此,熔渣渗入含
Cr2O3耐火材料的深度一般都较不含Cr2O3的耐火材料浅得多,即耐火材料中加入Cr2O3,一般都能减轻材料的结构剥落。ZrO2也有类似的特性,而且加入ZrO2还能提高耐火材料的抗热震性。
从以上分析可以大致得出:有色重金属冶炼炉炉衬不适宜用含碳耐火材料,也不宜用含CaO高的耐火材料,SiO2含量高的也不适宜。较为适宜的是含Cr2O3与含ZrO2的耐火材料。但ZrO2太贵,最在用且用得最多的是镁铬耐火材料,如普通镁铬砖、直接结合镁铬砖等。