铜冶炼炉用耐火材料的热侵蚀和机械侵蚀

耐火材料工作衬侵蚀通常被划分为化学侵蚀、热侵蚀和机械侵蚀。这些侵蚀可以以单项形式出现,也可以多项形式复合出现。耐火材料的损毁可以是连续的(溶蚀和侵蚀)或是不连续的(开裂和剥落)。剥落导致耐火砖不连续的局部分离。严重的渣渗透的最终结果是导致靠近热面耐火砖的致密化。致密化区域与非渗透区域所形成的热膨胀性能差异产生巨大内部应力,最终导致裂纹的形成和开裂。一般情况下,强热震会导致热剥落。 

我们在之前的文章中已经对化学侵蚀做了一个简单的介绍，详见《 耐火材料在铜熔炼高温窑炉中被化学侵蚀的方式有哪些？ 》，本文主要分析铜冶炼炉用耐火材料使用过程中的物理侵蚀，即“热侵蚀”和“机械侵蚀”。以此来了解耐火材料在铜冶炼炉中的工况环境，进而更好更有效的延长窑炉内衬的使用寿命。 

1、热侵蚀 

1.1温度 

尽管用于铜冶炼炉的耐火材料的可使用温度(1600~1700℃)远高于铜冶炼炉的实际使用温度,然而铜冶炼炉的温度对于耐火材料的连续性侵蚀起到了重要作用。通过与熔池中物质发生界面反应,耐火砖高温强度显著降低,升高温度明显导致了高热熔渣黏度降低,扩散性增强,侵蚀速度加快。 

1.2热震 

窑炉操作中断和违规操作造成的温度波动会使耐火砖内部产生应力,这种应力一旦超过极限值,会导致耐火砖内部产生裂纹。炉料与耐火砖的界面反应会使结构致密,并对耐火砖吸收应力的能力产生不利影响。耐火材料热震稳定性随着材料韧性和热导率的增大而增强,且随着热膨胀系数和弹性模量的减小而增强。断裂模量与弹性模量的比值大,会减少裂纹的形成,并提高材料的弹性。 

1.3金属液渗透 

由于液态金属铜向耐火砖中渗透,耐火砖热导率的增大会大幅提高耐火砖深度方向上的实际温度,因而影响材料的耐腐蚀性和热反应性。尽管纯的液态金属铜几乎不向耐火砖中渗透,液态金属铜中氧的存在却促进了液态金属铜向耐火材料中渗入,氧可以影响液态金属铜与耐火材料氧化物之间接触角。在润湿条件下,耐火材料表面形成了铜的氧化物薄膜,这种薄膜热导率低,因此在有氧甚至缺氧条件下,耐火材料的热导率会降低。 

1.4热疲劳 

热疲劳现象只在回转窑内出现,由于耐火材料热面发生微小连续的热循环作用,导致了微观结构性能的降低。 

2、机械侵蚀 

2.1磨蚀 

磨蚀首先是由于冶炼炉中物料(包括液态金属、熔渣、炉料以及气体挥发后形成的粉尘)的移动所导致的,其次在某些特殊工艺过程中,向炉内喷吹物料,以上都是导致炉衬耐火材料发生连续性侵蚀的因素。 

2.2碰撞应力 

向冶炼炉内喷吹物料时所造成的敲击、碰撞以及研磨导致的应力效应,造成耐火材料中形成裂纹和耐火材料的磨损。 

2.3机械疲劳 

机械疲劳的起因和结果与热疲劳相似,不同之处在于机械疲劳在耐火砖上比热疲劳影响区域更深,机械疲劳往往对于周期性改变载荷的回转窑具有更重要的作用。 

2.4施工应力 

施工应力是源于不当的炉衬砌筑方法或是错误的加热制度,会造成炉衬的变形和开裂。