鉻剛玉 鎳鐵冶煉爐用耐火材料的選材原則與分析

以干燥窯-回轉(zhuǎn)窯-礦熱電爐為主要設(shè)備，通過還原熔煉工藝生產(chǎn)鎳鐵合金是當(dāng)今處理紅土鎳礦(高鎳高鎂的硅鎂鎳礦)的常見方法(RK-EF法)。礦熱爐冶煉紅土鎳礦過程渣量大且爐渣侵蝕能力強(qiáng)，爐襯燒穿事故時有發(fā)生。耐火材料選材不合理導(dǎo)致耐材爐渣接觸形成低熔點(diǎn)化合物，爐渣-耐材轉(zhuǎn)變?yōu)橐合鄷r耐材所占比例髙，導(dǎo)致耐材逐漸被侵蝕甚至爐襯燒穿。目前，關(guān)于鎳鐵礦熱爐的爐襯結(jié)構(gòu)及耐材選型，國內(nèi)沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和通常的技術(shù)方案。在查閱相關(guān)文獻(xiàn)及現(xiàn)場調(diào)研之后，爐壁位置耐火材料(與爐渣接觸部分)分為以下四種：熱壓炭磚、鎂鉻磚、鉻剛玉磚和髙鋁磚。賈艷樺]曾計算炭質(zhì)耐材和鎳礦開始反應(yīng)的理論溫度，由于二者開始反應(yīng)溫度很低,炭磚不適于作為鎳鐵礦熱爐的爐襯材料。

根據(jù)鎳鐵爐渣和耐材的主要化學(xué)組成，運(yùn)用相圖計算三種爐壁耐材(鎂鉻磚、鉻剛玉磚、高鋁磚)與鎳鐵爐渣接觸后，開始出現(xiàn)液相的溫度以及二者轉(zhuǎn)變?yōu)橐合鄷r的質(zhì)量比。另外，對鎂鉻磚和鉻剛玉磚進(jìn)行靜態(tài)坩堝法(1600°CX3h)的抗渣侵蝕實驗，分析比較二者抗熔渣侵蝕和滲透的能力。

1 基于相圖的耐火材料選材分析

鎳鐵爐渣屬酸性爐渣，由于原礦產(chǎn)地不同以及一些其他原因，不同廠家的爐渣成分存在一定差異(表1)。成分差別主要在FeO和CaO含量，其原因是Fe和Ni選擇性還原程度不同以及石灰加入量的差異。鎂鉻磚、鉻剛玉磚和高鋁磚的常見組分見表2。

1.1熔渣-耐火材料接觸出現(xiàn)液相溫度的計算

運(yùn)用三元相圖判斷耐材和爐渣接觸開始出現(xiàn)液相的溫度，計算二者轉(zhuǎn)化為液相后質(zhì)量比的方法見文獻(xiàn)【耐火材料工藝學(xué)】。根據(jù)耐材和爐渣成分確定三元相圖，將多元系的耐材、爐渣組分轉(zhuǎn)化到三元系之中。選擇MgO-SiO2-Cr2O3相圖分析鎂鉻磚和爐渣的反應(yīng)。對于鉻剛玉磚和高鋁磚，選擇Mg0-Si02-Al2O3相圖。多元系轉(zhuǎn)化為三元系原則:Al2O3—Cr2O3(轉(zhuǎn)換系數(shù)，1.47)，Cr2O3—Al2O3(轉(zhuǎn)換系數(shù)，0.68),FeO—MgO(轉(zhuǎn)換系數(shù)，0.55),CaO—MgO(轉(zhuǎn)換系數(shù)，0.7)。轉(zhuǎn)換后耐材和爐渣成分和相圖計算的爐渣熔化溫度見表3。將爐渣和耐材標(biāo)注在相圖上(圖1-2),其中直線的編號對應(yīng)表1中爐渣的成分編號，“圓點(diǎn)”為爐渣組成點(diǎn)，“方塊”對應(yīng)耐材的組成，爐渣耐材連接線的中點(diǎn)為二者接觸的成分點(diǎn)。

由圖1可知，爐渣1-5和鎂鉻磚接觸點(diǎn)處在分三形“M-MC-M2S”之中，該三角形的無變量共熔點(diǎn)溫度為1850°C(開始出現(xiàn)液相的溫度)，爐渣6和鎂鉻磚的接觸點(diǎn)處在分三角形“MS-MC-M2S”之中，開始出現(xiàn)液相的溫度為1550℃。釆用相同方法分析圖2，爐渣1和鉻剛玉磚出現(xiàn)液相溫度是1370°C，其余爐渣和耐材接觸出現(xiàn)液相溫度是1460°C。爐渣1?5與高鋁磚接觸出現(xiàn)液相的溫度均為1370°C,爐渣6和高鋁磚出現(xiàn)液相的溫度為1460℃。綜上，3種耐材和6種爐渣成分接觸，開始出現(xiàn)液相的平均溫度見圖3。

（圖3 耐火材料和鎳鐵爐渣接觸出現(xiàn)液相的平均溫度）

關(guān)于爐渣成分設(shè)計，不但要保證爐渣自身為低熔點(diǎn)化合物鉻剛玉，在冶煉時足以熔化，而且要流動性良好。即爐渣成分在冶煉溫度下應(yīng)處在相圖中的液相區(qū)，除此之外，爐渣和耐材的接觸點(diǎn)出現(xiàn)液相的溫度應(yīng)高于冶煉溫度。由其他文獻(xiàn)可知，鎳鐵礦熱爐的爐膛溫度約為1600°C。表3中成分3和成分6的爐渣熔點(diǎn)符合上述要求。若砌筑傳統(tǒng)爐襯,則鎂鉻磚適宜作為爐壁耐材。若砌筑“冷凝”爐襯，還需考慮其他因素。

1.2熔渣-耐火材料反應(yīng)平衡時液相比例計算

由于鎂鉻磚和多數(shù)爐渣作用在1600°C理論上沒有液相出現(xiàn)，本節(jié)重點(diǎn)分析鉻剛玉磚、高鋁磚在160(TC下與熔渣相互作用(圖4)。

（圖4 Mg0-Si02-Al2O3系統(tǒng)在1600℃的等溫截面圖）

1600°C時爐渣的相組成見表4:成分1為固相，成分2,4,5為固液相共存，成分3,6為液相。由杠桿原理可知，成分2,4,5中液相量的多少排序為：成分2大于成分5大于成分4。本文著重討論處于液相的成分3，6。

以成分3與鉻剛玉磚的反應(yīng)過程為例，鉻剛玉磚成分點(diǎn)沿二者所連直線向成分3組成點(diǎn)移動，當(dāng)有少量爐渣引入時，成分點(diǎn)開始進(jìn)入A3S2+Al2O3+L相區(qū)，隨著吸收爐渣量的逐漸增加，組成點(diǎn)逐漸經(jīng)過Al2O3+L,MA+A1203+L鉻剛玉，MA+L相區(qū)，當(dāng)鉻剛玉磚吸收約63.6%爐渣時，完全變?yōu)橐合?進(jìn)入液相區(qū)L)。依此方法對高鋁磚分析，結(jié)果見表5。

由表5可知，對于兩種爐渣成分，鉻剛玉磚全部為液相后渣占比例均高于高鋁磚,說明鉻剛玉磚對這兩種爐渣的抗侵蝕能力要高于高鋁磚。另外，成分6爐渣對鉻剛玉磚的侵蝕能力要高于成分3爐渣，成分3爐渣對高鋁磚的侵蝕能力則更強(qiáng)?？梢姡筒姆N類確定后爐渣成分仍需控制在一定范圍之內(nèi)，二者反應(yīng)完全變?yōu)橐合鄷r，耐材所占比例越低越好。

2 鎂鉻磚和鉻剛玉磚的抗渣性評定

采用靜態(tài)坩堝法進(jìn)行熔渣侵蝕實驗，耐材試樣尺寸為70mmX65mmX65mm，中心孔直徑20mmX30mm。試樣孔加入鎮(zhèn)鐵爐渣20g(爐渣成分見表6)，加熱至1600℃后保溫3h。待試樣冷卻后，沿孔中心線方向切割，鎂鉻磚和鉻剛玉磚的熔蝕和滲透情況見圖5。

（圖5 試樣的坩堝縱剖面圖）

表6靜態(tài)坩堝法實驗的鎳鐵爐渣成分

鉻剛玉磚試樣中的爐渣基本全部滲入，殘余渣量很少且侵蝕程度并不明顯。而鎂鉻磚則相當(dāng)部分的爐渣附著于孔壁或沉積于孔底，并在孔底部位造成“蒜頭狀”侵蝕。

為比較爐渣對兩種耐材的侵蝕程度，測量侵蝕實驗后坩堝的孔口直徑、孔底直徑和孔深度，結(jié)果見表7。

表7鎂鉻磚和鉻剛玉磚被侵蝕后的孔尺寸

結(jié)合試樣坩堝的原始尺寸，可見鎂鉻磚被爐渣侵蝕的程度更為嚴(yán)重。鉻剛玉則被爐渣滲透的較為嚴(yán)重，滲透邊界見圖6。鎂鉻磚和鉻剛玉磚的渣侵蝕表面見圖7,鉻剛玉磚的表面形成了大量孔徑較小的渣坑，而且大量滲透后殘余的爐渣粘結(jié)在渣坑表面。鎂鉻磚的表面凹凸不平，大量凝固爐渣包裹在磚的表面以至無法直接觀察到侵蝕后的耐材表面。

（圖6 鎳鐵爐渣對鉻剛玉磚的滲透情況）

（圖7 鎂鉻磚和鉻剛玉磚的爐渣侵蝕表面形態(tài)）

3、結(jié)語

通過分析爐渣-耐材接觸出現(xiàn)液相的理論溫度，鎂鉻磚、鉻剛玉磚以及高爐磚和6種鎳鐵爐渣接觸后出現(xiàn)液相的平均溫度分別1800°C、1445°C和1385°C。分析耐材-爐渣系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗪蟮馁|(zhì)量比，得出鉻剛玉磚對鎳鐵爐渣的抗侵蝕能力要高于高鋁磚，確定耐材種類后需注意爐渣的成分。另外，從爐渣熔化溫度角度考慮，爐渣成分和成分6較其他幾種成分利于冶煉。

靜態(tài)坩堝法的實驗結(jié)果表明：鉻剛玉磚的抗渣侵蝕能力較強(qiáng)，鎂鉻磚的抗渣滲透能力較強(qiáng)?？紤]爐襯結(jié)構(gòu)或其他因素，文中的爐壁耐材為鉻剛玉磚，其爐襯結(jié)構(gòu)為“冷凝”爐襯，而傳統(tǒng)爐襯多使用鎂鉻磚?！袄淠睜t襯對耐材的熱導(dǎo)率和抗?jié)B透性均有一定的要求。鉻剛玉磚的抗侵蝕能力較強(qiáng)，若被滲透的部分其熱導(dǎo)率和其他性質(zhì)保持不變，則鉻剛玉磚則更適宜作為“冷凝”爐襯的材料。

造成爐襯損壞的原因很多，包括熱應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋，鐵水爐渣的機(jī)械沖刷作用，以及渣鐵滲入后導(dǎo)致的耐材剝落等等。所以進(jìn)行耐材選型的工作應(yīng)結(jié)合其他指標(biāo)(荷重軟化溫度、抗熱震穩(wěn)定性、線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等)以及爐襯結(jié)構(gòu)等因素綜合分析，確定最具性價比的耐火材料。

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