炼铜用镁铬质耐火材料的损毁分析
发布日期： 2020-07-28 10:50:05 阅读量（415） 作者：镁铬质耐火材料是一种以镁砂为主，以铬铁矿为辅的耐火材料;依据工艺和原料的不同，镁铬质耐火材料在冷却过程中形成不同程度的二次复合尖晶石以及方镁石-二次尖晶石复合相等，形成了镁砂包裹铬矿的结构。镁铬质耐火材料在目前的生产和使用状态下会产生有害的含铬化合物(Cr6+)，这种化合物属于一种强致癌物质，对人体的皮肤、黏膜以及上呼吸系统均有着较强的腐蚀作用。但是由于镁铬质耐火材料在高温环境下具有高强度、良好的体积稳定性和抗渣侵蚀能力，在炼铜工业系统中仍有着较为广泛的应用。炼铜工业中常用的砖体镁铬质耐火材料有：普通硅酸盐结合镁铬砖、直接结合镁铬砖、再结合镁铬砖、半再结合镁铬砖、共烧结镁铬砖、熔铸镁铬砖等。虽然已有研究基于高温窑炉类型综合分析了镁铬砖的损毁机理，但是针对炼铜工业用的镁铬砖破坏机理鲜有报道，故本文简要分析了炼铜用镁铬质耐火材料的破坏机理。
1、炼铜用镁铬质耐火材料的一般破坏机理
炼铜工业用也属于高温窑炉冶炼的有色金属，故镁铬质耐火材料的破坏机理也遵循高温窑炉用镁铬砖的一般破坏机理，其大致又分为4个方面：
1)材料组分与熔渣反应引起化学熔蚀。高温下熔渣中的FeO和镁铬砖内的MgO形成固溶体,SiO2则部分熔蚀MgO生成M2S填充在晶界之间,而且FeO和SiO2一起与砖中的MgO作用生成MFS,产生的低熔物溶入炉渣使组分流失。
2)熔体的渗透导致材料产生裂纹和结构剥落。炼铜炉内熔体黏度低，渗入能力强，可通过毛细气孔侵入镁铬砖内部。由于原砖结构和性质与变质层存在很大差异，当温度变化时，在镁铬砖内部产生平行于工作面的裂纹，严重时就会发生崩裂和剥落。
3)炉内气氛引起材料结构疏松。炼铜炉含有大量的SO2气体,SO2气体迁移时能够发生再氧化反应,生成SO3，与镁铬砖中的碱性氧化物(MgO和CaO)反应形成低熔点的碱土金属盐类，如：MgSO4、CaSO4等。
4)烟气冲刷和机械磨损也会加速镁铬砖的侵蚀。
2、炼铜用镁铬质耐火材料的特殊破坏机理
虽然炼铜用镁铬质耐火材料中的不同氧化物也在一定程度上可以影响材料的性能，从而导致材料的破坏，例如：氧化铬、氧化铝、氧化锆等，但是炼铜用镁铬质耐火材料的特殊破坏机理在于铜渣、铁硅渣以及硫元素对材料的特殊破坏。首先，铜渣和铜熔体可以沿着镁铬砖的气孔逐渐向内部渗透，而进入内部的炉渣和铜熔体填充在气孔和裂纹中，引起炉衬被热击穿，并发生膨胀剥落。
其次对于铁硅渣的特殊破坏来说，研究认为：镁铬砖中的MgO和熔渣中FeO生成镁铁尖晶石固溶体，随着砖体中SiO2含量的增加，镁铁固溶体逐渐被低熔点的镁铁橄榄石代替，方镁石被铁硅渣熔蚀，进而形成了镁铁橄榄石、镁橄榄石包裹主晶相镁铬尖晶石的结构;且铁硅渣的黏度比较低，镁铬砖中渗透进入的铁硅渣构成连续的网状，形成了变质层，变质层导致砖体的热膨胀不同，在砖体内形成了裂纹并逐渐扩张导致砖体的剥落。而且SO2在砖体内迁移时发生氧化反应生成SO3，并与碱性氧化物生成低熔点的碱土金属盐类，反应生成物的密度小而导致体积增加，从而加剧了熔渣的渗透和侵蚀。较多科研人员：陈肇友、李勇、孙兆富均认为镁铬砖破坏的主要原因是由于铁硅渣引起的。
最后对于硫元素的特殊破坏来说，张原和叶国田研究认为：第一：1500℃时，当渣中硫含量较高时，SO2在镁铬砖的迁移的过程中，存在一个硫酸盐先生成后分解的过程，这一过程将造成砖体气孔的扩大和结构的疏松，加深转炉铜渣对镁铬质耐火材料的侵蚀;适量的CaO存在，可以吸收SO2气体减少MgSO4的生成，而少量的MgSO4生成，在气孔率较大时，引起的体积膨胀并不足以破坏砖体结构，反而起到堵塞气孔阻碍转炉铜渣对镁铬质耐火材料的进一步侵蚀的作用。第二：1300℃时，直接结合镁铬砖抗侵蚀能力优于电熔半再结合镁铬砖，1500℃时，电熔半再集合镁铬砖的抗侵蚀能力较直接结合镁铬砖更为优秀;这些结果说明在铜转炉的架设过程中耐火材料的选择需要综合考虑多方面的因素。对于一般的炼铜转炉，由于工作温度一般来说为1100~1300℃，此时选择直接结合镁铬砖，由于SO2气体的存在，选用CaO含量较大，气孔率较高的直接结合镁铬砖较为适宜;而相对的，对于熔炼温度较高的转炉，宜采用自身性能较优良的电熔半再结合镁铬砖或电熔再结合镁铬砖。
3结论
耐火材料行业的发展与资源、能源和环境紧密相关。作为优良耐火材料的镁铬质耐火材料在炼铜工业中广泛应用的同时，因为不同机理导致的破坏而普遍具有较低的使用寿命。炼铜用镁铬质耐火材料的破坏机理分为一般破坏机理和特殊破坏机理：对于一般破坏机理来说，其遵循了高温窑炉用镁铬砖的破坏演变机理;对于特殊破坏机理来说，重点在于炼铜工业中产生的不同种类炉渣的侵蚀。
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