反射爐熔煉爐內(nèi)的主要化學(xué)反應(yīng)

爐料加人反射爐后，首先發(fā)生脫水、分解過程，然后發(fā)生熔化和相互反應(yīng)。因?yàn)榉瓷錉t內(nèi)的氧化氣氛不強(qiáng)，故氧化反應(yīng)不是很顯著。

A 分解反應(yīng)

爐料的脫水和分解過程僅對(duì)生精礦的熔煉具有比較大的意義，對(duì)于焙燒礦而言，分解反應(yīng)在焙燒時(shí)就已完成。生精礦中高價(jià)硫化物的分解反應(yīng)主要為：

FeS₂=FeS 1/2S₂

Fe_nS_{n 1}=nFeS 1/2S₂

2CuFeS₂=Cu₂S 2FeS 1/2S₂

2CuS=CU₂S 1/2S₂

2Cu₃FeS₃=3Cu₂S 2FeS 1/2S₂

可見，分解反應(yīng)能夠脫除爐料中的一部分硫。

B 鐵的高價(jià)氧化物和硫化物之間的反應(yīng)

鐵的高價(jià)氧化物會(huì)被硫化物還原為低價(jià)氧化物，例如：

16Fe₂O₃ FeS₂=11Fe₃O₄ 2SO₂

10Fe₂O₃ FeS=7Fe₃O₄ SO₂

這類反應(yīng)在低溫(773～873K)下就開始進(jìn)行，但是生成的Fe₃O₄和爐料中原有的Fe₃O₄是比較穩(wěn)定的化合物，其不與FeS直接發(fā)生反應(yīng)。但在有二氧化硅存在時(shí)，則下列反應(yīng)很容易進(jìn)行：

3Fe₃0₄ FeS 5SiO₂=5(2 FeO·SiO₂) SO₂

這個(gè)反應(yīng)是反射爐熔煉最有代表性的反應(yīng)，反J立的完全程度與溫度和爐料混合均勻程度有關(guān)，溫度越高，混合越好，則反應(yīng)越完全。通常爐料中Fe₃O₄的還原程度可達(dá)70%～85%。

C 銅的氧化物與FeS的反應(yīng)

在反射爐內(nèi)部分Cu₂S會(huì)被氧化成Cu₂O，但有FeS存在時(shí)，Cu₂O又會(huì)被硫化成Cu₂S：

Cu₂O FeS=Cu₂S FeO

這個(gè)反應(yīng)可保證所有爐料中的銅進(jìn)入銅锍，因而也是一個(gè)重要的反應(yīng)。而且不論銅的氧化物是否呈結(jié)合狀態(tài)(如Cu₂O·Fe₂O₃)，該反應(yīng)都能進(jìn)行。

D 鋅化合物的反應(yīng)

鋅化合物的反應(yīng)也很重要，特別是在熔煉鋅含量高的物料時(shí)。硫化鋅為難熔物質(zhì)，它與氧化物的相互反應(yīng)很不徹底，熔煉時(shí)硫化鋅分配于銅锍和爐渣產(chǎn)品中，它使?fàn)t渣熔點(diǎn)升高、黏度增大；它也容易隨溫度降低而析出結(jié)晶，生成爐結(jié)和中間層，妨礙銅锍的放出和澄清。

氧化鋅在熔煉時(shí)進(jìn)入爐渣中，其危害不是很大，但爐料鋅含量高則會(huì)增加爐渣的黏度。

從上述反應(yīng)可見，反射爐爐料中的相互反應(yīng)也能脫除一部分硫。

反射爐熔煉過程中，主要是在料坡上進(jìn)行的吸熱反應(yīng)，其次還有生成爐渣的放熱反應(yīng)。熔煉過程的總熱平衡中，生成爐渣所放出的熱不超過熔煉過程所需熱量的6%～8%，如果鼓入的風(fēng)不預(yù)熱，反射爐熔煉時(shí)所需總熱量的85%～90%來自燃料的燃燒，而燃料燃燒產(chǎn)生的熱只有小部分消耗于爐料的熔化，大部分隨爐氣帶走和補(bǔ)償損失二熔煉過程中燃料的實(shí)際消耗量，一般為理論需要量的2～3倍。

反射爐熔煉的主要熱源是碳質(zhì)燃料，其在由爐頂、爐墻、料坡和熔池表面組成的爐子空間中燃燒。燃料燃燒產(chǎn)生的大量高溫氣體，作為主要的載熱體把熱傳給爐頂、爐墻、料坡和熔池表面。燃料連續(xù)燃燒，產(chǎn)生的氣體不斷從爐子的加熱端流向爐子的尾部，在流動(dòng)過程中，氣體、爐料、爐墻、爐頂和熔池之間發(fā)生熱交換。傳熱的主要方法是輻射和對(duì)流，輻射起主導(dǎo)作用。爐料和熔池表面既從氣流獲得熱，也從高溫爐頂和上部爐墻獲得輻射熱。由于爐料的導(dǎo)熱性小，向料層深處傳熱慢，故料層表面被迅速加熱到熔點(diǎn)。熔化后的表層爐料沿料坡流入熔池，露出下面的料層，其也從氣流、爐頂和上部爐墻獲得熱，熔化后流入熔池中。因此，反射爐內(nèi)爐料的熔化過程是在相當(dāng)薄的料坡表層中進(jìn)行的，薄層物料不斷地依次熔化并流入熔池中。

反射爐的尺寸用爐長(zhǎng)、爐寬和氣流空間高度表示。熔煉空間的大小、熔池的體積及氣流的斷面決定于這個(gè)尺寸。

反射爐的尺寸較大，熔煉量增大，并使銅在渣中的損失減小。大多數(shù)反射爐長(zhǎng)30～36m，寬7.5～10 m，爐瞠高3.5～4 m。

熔煉不同的爐料時(shí)反射爐的寬度有差異。熔煉精礦，料坡的傾角較大，一般為60^。左右，如只增加爐寬而不增加爐高，爐料受爐氣加熱的有效表面積并沒有增加，但熱損失增加了。熔煉焙砂，料坡較傾斜，約30^。，如爐的寬度較窄，兩個(gè)對(duì)面的料坡會(huì)相連，堵塞熔池，使熔煉過程復(fù)雜化。因此，熔煉焙砂時(shí)，應(yīng)增大爐寬，使?fàn)t料的有效加熱表面積增大，從而提高反射爐的生產(chǎn)率。

反射爐氣流空間高度根據(jù)爐氣的平均速度來選擇。爐氣平均速度一般在5～8 m/s，大于此范圍，會(huì)使?fàn)t氣帶走的煙塵量增加。反射爐氣流空間的高度一般為3～4 m。

反射爐本體由爐基、爐底、爐墻、爐頂及加固支架等組成。還包括轉(zhuǎn)爐渣注入口、銅锍放出口、放渣口、排煙道等。

(1)爐基

反射爐是一個(gè)沉重的建筑物，僅筑爐材料總重量就達(dá)1500～3000 t，地面的負(fù)荷很大，須有良好的爐基，使負(fù)荷均勻地傳到地面，否則可能發(fā)生爐子局部下沉，使磚砌體產(chǎn)生裂縫。

爐基應(yīng)比爐子寬和長(zhǎng)，便于有擴(kuò)建的可能。

(2)爐底

爐底長(zhǎng)期處于高溫作用下，承受巨大壓力，不斷受到熔體的沖刷和化學(xué)侵蝕。因此，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)哪突鸩牧蠘?gòu)筑爐底以延長(zhǎng)爐子壽命，提高生產(chǎn)力。

爐底通常用石英燒結(jié)，即用磨碎的石英石或天然河沙砌筑，其粒度不大于2mm，SiO₂含量不小于92%～96%。

(3)爐墻

爐墻直接砌筑在爐基上，一般用硅磚砌成，由于硅磚易受爐渣的侵蝕，故渣線以下的爐墻內(nèi)側(cè)用鎂磚、鉻鎂磚或鎂鋁磚襯里，砌黏土磚或硅磚。爐子前墻設(shè)有安裝燃燒器的矩形道，爐尾側(cè)墻中部設(shè)銅锍放出道，放渣道設(shè)于爐尾端墻或爐尾側(cè)墻，轉(zhuǎn)爐渣注入道設(shè)在爐頭端墻或側(cè)墻。

(4)爐頂

反射爐的爐頂有拱式頂和吊式頂兩種。

拱式頂一般由3～7 m長(zhǎng)的幾個(gè)拱段構(gòu)成，靠近爐頭的拱段因處于高溫區(qū)，較短且厚，爐子尾部拱段較頭部拱段長(zhǎng)，各拱段間留有50～70 mm的膨脹縫。拱式頂一般用硅磚砌成。硅磚爐頂重量較輕，成本較鎂磚低、但硅磚易受堿性料塵的侵蝕，故限制了爐子的寬度。

吊式頂在4～8塊磚之間嵌入2～3 mm厚的鐵板連接成一個(gè)磚組，爐頂受熱時(shí)，鐵板熔化，使各塊磚彼此黏結(jié)。磚組用重量較大、耐火度高的鎂磚、鉻鎂磚或鎂鋁磚，所有磚組獨(dú)立掛在橫鐵架上，爐的寬度較拱式頂寬。

(5)加固支架

爐子的加固支架由立在爐子四周的支柱和橫貫于爐頂上方及爐子以下的拉桿組成。用二字鋼或槽鋼支柱成對(duì)組合，爐子加熱時(shí)，及時(shí)旋轉(zhuǎn)拉桿上的螺帽調(diào)節(jié)拉力，以免支柱和磚砌體變形。支柱與爐墻之間通常留25 mm的縫隙，供磚砌體受熱膨脹之用。

(6)排煙道

排煙道設(shè)于爐尾，有直升炯道和斜煙道兩種形式，后者對(duì)氣流的阻力較小，煙塵能在此沉降，減少煙塵率。煙道的側(cè)壁用耐火磚砌成，頂部也有用吊頂?shù)?。為減少煙道故障，通常將煙道建得寬而短，為調(diào)節(jié)氣流，煙道中設(shè)有閘門。

在正常情況下，反射爐熔煉的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下：

(1)床能力。床能力為每晝夜1m²爐床面積處理的爐料量。對(duì)于焙燒礦，為4～6.5t/(m²·d)；對(duì)于生精礦，為2～4t/(m²·d)。

(2)燃料消耗。對(duì)粉煤而言，熔煉焙燒礦時(shí)為爐料量的9.5%～14%，熔煉生精礦時(shí)為14%～20%；對(duì)重油而言，熔煉焙燒礦時(shí)為7%～12%，熔爍生精礦時(shí)為10%～16%。

(3)銅的回收率。銅的回收率因精礦品位的不同而不同，富精礦(Cu 30%～40%)為98%～99%，中等品位精礦(Cu 10%～20%)為94%～97%，而貧精礦(Cu 2%～5%)為80%～90%。

反射爐煉銅法存在的主要問題是硫化銅精礦的潛熱利用差，熔煉所需熱量主要依靠燃料的燃燒供給，而燃料燃燒的熱利用率又只有25%～30%，因此燃料消耗多，產(chǎn)出的煙氣量大；且其中的SO₂濃度低，回收利用困難，環(huán)境污染嚴(yán)重，在能源價(jià)格不斷上漲和環(huán)境保護(hù)法規(guī)日益嚴(yán)格的形勢(shì)下，反射爐煉銅法應(yīng)用的局限性已變得越發(fā)明顯。因此，國際上不少反射爐煉銅廠曾尋求過改造反射爐的途徑，如用預(yù)熱空氣和富氧燃燒、研制新型燃燒器以強(qiáng)化熔煉、在爐頂試驗(yàn)氧氣頂吹和加熱等。由于閃速熔煉和熔池熔煉技術(shù)的進(jìn)步和工藝的日趨完善，自20 世紀(jì)70年代以來這些方法已在一些工廠取代了反射爐法，其趨勢(shì)日漸增強(qiáng)。然而在一些特定的地區(qū)，反射爐煉銅法仍在繼續(xù)發(fā)揮作用，在世界銅產(chǎn)量中仍占有重要的地位。

電爐熔煉的實(shí)質(zhì)是將爐料加入礦熱電爐中，在電熱作用下將爐料熔化并發(fā)生與反射爐熔煉相同的各種物理化學(xué)變化，形成銅锍、爐渣和煙氣。

電爐熔煉加熱和熔化

將電極從爐頂插入熔池渣層，通電后電能就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。在電極附近，電流密度和電極與爐渣之間的氣膜電阻都很大，因此在電極附近會(huì)產(chǎn)生微弧放電并集中了大量的熱量，使電極附近爐渣的溫度很高；而在距離電極遠(yuǎn)的區(qū)域，則由于電流密度小和爐渣電阻比氣膜電阻小的緣故，熱量較少，溫度也低，至爐墻處溫度最低。由于電爐內(nèi)溫度分布不均，電極附近爐渣過熱大、密度小，所以它向上流動(dòng)到熔體表面，其流動(dòng)至電極周圍與爐料接觸時(shí)傳熱給爐料，使之熔化；形成的熔體溫度低、密度大，容易下沉。因此，在電極周圍熔池內(nèi)形成爐渣的對(duì)流循環(huán)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而不斷地發(fā)生傳熱和熔化以及與反射爐熔煉相同的各種物理化學(xué)變化。由此可見，電爐的傳熱是依靠過熱爐渣加熱爐料，而熔化和反應(yīng)過程在爐料內(nèi)部進(jìn)行。由于這個(gè)緣故，電爐爐氣溫度低，爐氣不直接參加反應(yīng)，而且電能效率高。

電爐熔煉供電和調(diào)節(jié)

大型礦熱電爐有6根電極，每對(duì)電極與一個(gè)單相變壓器相連接，變壓器的一次線圈具有幾個(gè)接觸點(diǎn)（擋數(shù)），可以使二次電壓有不同的數(shù)值。隨著二次電壓的不同，供給爐內(nèi)的功率也不同，電壓越高，功率越高，因而熱量越多，故當(dāng)開爐、停爐或者改變爐料、床能力時(shí)，就可以用改變電壓的方法來調(diào)節(jié)供入爐內(nèi)的電功率，亦即改變供入的熱量。但是當(dāng)電爐在一定的電壓下工作時(shí)，由于熔池負(fù)荷的變動(dòng)，會(huì)使二次電流的數(shù)值發(fā)生波動(dòng)。當(dāng)電流達(dá)到變壓器的最大電流時(shí)，電流的波動(dòng)會(huì)迫使變壓器保護(hù)裝置自動(dòng)跳閘；而不在最大電流工作時(shí)，電流的波動(dòng)又會(huì)使變壓器效率降低。為了改變這種情況，常用升降電極的辦法來調(diào)整熔池的負(fù)荷。為了保持一定的電流值，熔池的負(fù)荷必須保持不變，當(dāng)爐渣的比電阻因氣膜狀態(tài)、料堆大小及位置、爐渣成分和深度變化而發(fā)生改變時(shí)，就可以相應(yīng)地用增大或減小電極埋人深度的辦法來維持平衡。電極的升降可自動(dòng)控制或用卷揚(yáng)機(jī)械來進(jìn)行。

ICDP軋輥二十世紀(jì)三十年代問世，主要用于帶鋼熱連軋工作輥，由于含有較多的合金元素，一般不采用整體鑄造方式生產(chǎn)。受裝備限制，早期的ICDP軋輥采用反射爐熔煉、全沖洗復(fù)合方式生產(chǎn)，直至臥式離心機(jī)的研制成功及投入使用，同時(shí)應(yīng)用工頻感應(yīng)爐熔煉設(shè)備，離心復(fù)合ICDP軋輥質(zhì)量有了質(zhì)的提高?；谄胀ㄐ虸CDP軋輥基礎(chǔ)上研發(fā)的改進(jìn)型ICDP軋輥，通過添加特殊碳化物形成元素，增加組織中高顯微硬度耐磨質(zhì)點(diǎn)，使得軋輥耐磨性提高、輥型保持能力增強(qiáng)，綜合使用效果提高10％以上。

隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，對(duì)板材表面質(zhì)量、尺寸精度、板面平整度要求越來越高。鋼鐵企業(yè)為進(jìn)一步提高板材質(zhì)量等級(jí)、持續(xù)降低生產(chǎn)成本，對(duì)精軋后段產(chǎn)品耐磨性、表面粗糙度保持能力并兼?zhèn)淞己玫目故鹿誓芰Φ确矫嫣岢龈咝枨?，改進(jìn)型ICDP軋輥受材質(zhì)及工藝方法的限制難以進(jìn)一步滿足要求。