解构铜冶炼环境：耐火材料选型的关键制约因素分析

日期：2025-08-05 浏览：4

解构铜冶炼环境：耐火材料选型的关键制约因素分析

在有色金属冶金领域，炼铜与炼镍的工艺路径展现出高度的相似性。其核心差异主要体现在最终产品和电解精炼阳极的选择上：炼铜转炉产出的是粗铜，而炼镍得到的是高冰镍；铜电解精炼使用铅阳极板，镍则采用Ni₃S₂阳极板。鉴于此，本文将以炼铜工艺为范本，深入剖析其炉窑内部环境对耐火材料性能的严苛要求，这些探讨同样适用于炼镍领域。

铜（及镍）的火法冶炼技术经历了从传统的鼓风炉、反射炉，到现代的闪速炉、诺兰达炉以及矿热电炉的演进。吹炼环节普遍采用转炉，而连续炼铜技术则引入了AsARCo竖炉等高效设备。图1展示了各类采用碱性炉衬的铜冶炼炉。

图1 使用碱性炉衬的各种铜熔炼炉（● 为全碱性炉衬；O为部分碱性炉衬）

强氧化性气氛：对含碳耐火材料的“禁区”

炼铜转炉内部的气氛极具特点。炉气中SO₂的浓度可高达14%（即 p_SO₂ = 0.014MPa）。在高温下，SO₂会发生分解：

SO₂ = ½S₂ + O₂

该反应的平衡常数 K_p 定义为：

K_p = (p_S₂^½ * p_O₂) / p_SO₂

而K_p与温度(T, 单位K)的关系可以通过以下经验公式描述：

logK_p = -18850T^-1 + 0.163logT + 2.65

通过这个关系式，我们可以推算出在典型的炼铜温度1400°C (1673K)下，炉内的氧分压 p_O₂ 约为 6.9 × 10^-6 MPa。这个数值远高于炼钢转炉中的氧分压，形成了一个强氧化环境。如此高的氧化性直接解释了为何含碳耐火材料（如碳砖、镁碳砖等）在炼铜转炉中难以“幸存”——它们会迅速被氧化侵蚀。这一根本性的制约，决定了炼铜炉的内衬材料必须在性能卓越的氧化物体系中进行抉择。

强侵蚀性熔渣：对炉衬材料的持续考验

铜、镍冶炼通常处理含金属品位较低的硫化物矿。冶炼过程中，炉渣和中间产物“冰铜”（或“冰镍”）的化学成分是决定耐火材料寿命的另一关键。表1列出了几种典型炉渣和冰铜的成分。

表1 冶炼炉渣和冰铜的成分（%）

成分	铜碳风炉	铜反射炉	冰铜（大约）	铜转炉	铜铅转炉
CaO	5~15	0.5~20		约1	1.5
SiO₂	25~40	31~44	0.1~1	16~31	18
FeO	25~55	25~50		26~58	27
Fe₂O₃			40~50	16~22	28
Al₂O₃	2~12	4~10		1.5~11
MgO	1~3	0~3		0.5	1
ZnO	0~12	0~5
Na₂O+K₂O
Pb	<0.2	<0.7	4以内	0.5	17
Cu	<0.8	<0.8	20~46	1~4.6	8
Zn	1.5~10	<4	2.5~5.5	4以内	3
Ni	<0.4	<0.7
Co	<0.3	<0.2
Sn	<0.5	<0.4			0.6
Sb		<0.3			0.3
As	<0.02	<0.3			0.2
Mn	<1
S		2~3.5	23~28	1~4	1

从数据中可以清晰地看到，铜矿石熔炼炉渣本质上是碱性度很低的FeO-SiO₂-CaO体系（当CaO含量极低时，可简化为FeO-SiO₂体系）。而在转炉吹炼阶段，炉渣则转变为FeO-Fe₂O₃-SiO₂体系。共同点在于，它们都属于以氧化铁和二氧化硅为骨架的铁硅酸盐渣系，对耐火材料具有强烈的化学侵蚀性。

实验数据为我们指明了方向。陈肇友等人的研究（图2）通过比较不同耐火氧化物与Fe₃O₄-SiO₂系熔渣在1500°C构成的三元系液相区，发现在所有选项中，Cr₂O₃与熔渣形成的液相区面积最小。在相图理论中，更小的液相区意味着在高温下更难与熔渣形成低熔点液相，即拥有更优异的抗熔渣侵蚀能力。

图2 Al₂O₃-SiO₂-Fe₃O₄, Cr₂O₃-SiO₂-Fe₃O₄, ZrO₂-SiO₂-Fe₃O₄, MgO-SiO₂-Fe₃O₄ 与 CaO-SiO₂-Fe₃O₄ 系在1500°C时的液相区

另一项采用旋转圆柱体法测定材料在熔渣中溶解速度的研究（图3）进一步佐证了这一点。实验表明，MgO·Cr₂O₃（镁铬尖晶石）在铁橄榄石渣中的溶解速度随温度升高而增加得非常缓慢，显著优于SiO₂、MgO和Al₂O₃质材料。

图3 SiO₂, MgO, Al₂O₃与镁铬尖晶石在铁橄榄石渣中的溶解速度与温度的关系

精确评估耐火材料在特定熔渣环境下的抗侵蚀性能，对于炉衬选材、寿命预测和事故分析至关重要。这需要复杂的实验设计和精准的数据解读，而这正是专业检测实验室的核心价值所在。精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测耐火材料抗熔渣侵蚀性能，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

铜镍冶炼工艺对耐火材料的核心要求总结

综合上述分析，铜镍冶炼工艺环境对耐火材料提出了四大核心挑战：

复杂的多相熔体共存：炉内不仅有氧化物熔渣和金属熔体，还存在硫化物熔体（冰铜/冰镍）。这些熔体熔点偏低、流动性好，加剧了对耐火材料的渗透和侵蚀。同时，炉气中大量SO₂的存在也构成了独特的化学环境。
高侵蚀性的铁硅酸盐渣系：由于原料是硫化物矿，含有大量硫化铁，冶炼过程需加入SiO₂造渣以除去铁，这导致了渣量大且以FeO-SiO₂为主要成分的强酸性渣系，对碱性耐火材料的侵蚀尤为剧烈。
连续生产的抗冲刷与抗熔蚀要求：除转炉外，多数现代铜（镍）冶炼炉采用连续操作模式。这种工况下炉温相对稳定，对耐火材料的主要考验是其抵抗熔体长期冲刷和化学侵蚀的耐久性。
间歇操作的抗热震与抗剥落要求：转炉等间歇式作业的炉窑，其炉温，特别是风口区域，经历着频繁且剧烈的波动。这对耐火材料不仅要求具备优良的抗熔蚀性，更对其抗热震稳定性和抵抗结构剥落的能力提出了极高的要求。