DOC《炼铜炉渣与澳斯麦特炉喷枪的润湿性研究》

炼铜炉渣与澳斯麦特炉喷枪的润湿性研究 李威1,2,樊友奇1,2,闫允涛1,2,姚永林1,2,华中胜1,2 (1.

安徽工业大学 冶金工程学院,安徽马鞍山 243002;

2.冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室(安徽工业大学),安徽马鞍山 243002) 摘要:采用座滴法研究氮气气氛下铜冶炼澳斯麦特炉水淬渣与澳斯麦特炉喷枪表面的润湿行为,并探讨保温时间、温度、喷枪材质(310S及316L不锈钢)及熔渣中Fe(III)含量对润湿角大小的影响.单因素试验结果表明,1

200 ℃时澳炉渣与310S不锈钢基片的润湿角(20°)小于与316L基片的润湿角(26°),温度升高时,润湿角均减小,1

250 ℃时分别下降至5°和20°左右.熔渣与两种不锈钢材质之间的润湿角差异加大,由1

200 ℃时的6°增大到1

250 ℃时的15°.当水淬渣中加入质量分数3%Fe(III)时,熔渣与不锈钢基体间的润湿角均会有所增加(1

250 ℃时316L基片增加2°,310S基片增加9°),熔渣与基底之间的润湿性降低.在实际生产中,选择相对较高的熔炼温度(1

250 ℃),控制炉渣中较低的Fe(III)含量,以310S作为喷枪枪身材质时,枪身挂渣效果会更好. 关键词:澳斯麦特炉;

喷枪;

寿命;

润湿角;

水淬渣 中图分类号:TF811 文献标志码:A 文章编号:1007-7545(2018)04-0000-00 Study on Wettability of Liquid Slag on Substrate of Ausmelt Lance in Matte Smelting of Copper LI Wei1,2, FAN You-qi1,2, YAN Yun-tao1,2, YAO Yong-lin1,2, HUA Zhong-sheng1,2 (1.School of Metallurgical Engineering, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, Anhui, China;

2. Key Laboratory of Ministry of Education on Metallurgical Emission Reduction &

Resources Recycling (Anhui University of Technology), Maanshan 243002, Anhui, China) Abstract:Wetting behavior of liquid slag on surface of Ausmelt lance was investigated by sessile drop method under nitrogen atmosphere. Effects of holding time, temperature, lance material (310S and 316L stainless steel), and Fe (III) content of slag on contact angle were discussed. The results of single factor test show that contact angle of liquid slag on 310S substrate is around 20° at

1 200 ℃, lower than that of on 316L substrate (26°), while contact angle drops to 5° and 20° respectively when temperature rises to

1 250 ℃. Meanwhile, the difference of contact angle on two types of stainless steels substrate expands from 6° at

1 200 ℃ to 15° at

1 250 ℃. When 3% of Fe (III) (mass fraction) is added to slag, the contact angle rises slightly on 316L and 310S for 2° and 9° at

1 250 ℃, which shows weak wettability between slag and substrate. Better slag hanging on Ausmelt lance would be obtained with a relatively higher smelting temperature (1

250 ℃), lower content of Fe (III) in slag and 310S stainless steel as the lance material in practical smelting. Key words:Ausmelt furnace;

lance, service life, contact angle, water-quenched slag 澳斯麦特炉(Ausmelt)熔炼技术作为富氧顶吹喷枪浸没溶池溶炼技术的主要代表之一,具有原料适应性强、作业气氛范围广等特点,近年来广泛应用于铜、镍、铅、锌、锡、金、银等工业领域的一次/二次资源的冶炼处理[1-3].喷枪作为澳斯麦特炉的核心装置,为顶吹熔炼提供生产所需的空气、氧气和反应动力[4].澳斯麦特炉喷枪结构一般由四层同心圆管组成,从里自外依次为燃料管、内层氧气管、外层空气(喷枪风管)、套筒风管[1,5].喷枪材质主要由碳钢(枪身)和不锈钢(枪头)组成.一直以来,由于喷枪的使用条件非常恶劣,要承受熔池的高温熔损、熔渣的侵蚀、频繁而大幅度的温度变化以及运转过程的机械碰撞等,使得喷枪枪头寿命(简称喷枪寿命)很短[5-6].在铜、镍、铅、锡等金属的顶吹冶炼过程中,喷枪使用寿命一般在3~10 d,而喷枪的使用寿命是影响顶吹炉作业率的主要因素之一,也是顶吹熔炼技术先进程度的重要标志,所以提高枪身的使用寿命,对澳斯麦特炉使用效率的提高具有重要的现实意义. 收稿日期:2017-10-30 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51404004) 作者简介:李威(1993-),男,河南安阳人,硕士研究生;

通信作者:樊友奇(1980-),男,博士,副教授. 为了提高枪身的使用寿命,人们从枪身的材质[7]、挂渣工艺[8]及熔炼工艺条件[9-11]等方面进行了研究.目前所研究的新型喷枪材质大量使用稀有金属元素,成本较高,难以大规模推广应用.而改变熔炼工艺条件在一定程度上有利于延长喷枪寿命,但是受制因素较多,难有显著效果.在实际生产过程中,喷枪挂渣是应用最广泛的延长喷枪寿命的方式.通过在枪身表面形成一层均匀、坚固的冷凝渣,从而避免枪身被进一步腐蚀磨损,大大提高枪身寿命. 挂渣质量的好坏是影响喷枪寿命的关键因素,而熔渣在喷枪表面的润湿性决定了挂渣质量的好坏,因此开展熔渣在喷枪表面的润湿性研究尤为必要.本文以铜的造锍熔炼工艺中澳斯麦特炉喷枪为对象,在高纯氮气气氛中,采用座滴法[12-14]研究不同因素对熔渣与喷枪基体润湿性的影响规律,为改善澳斯麦特炉喷枪挂渣工艺和延长喷枪寿命提供基础数据.

1 试验 1.1 试验原料 试验采用澳斯麦特炉造锍熔炼水淬渣(由安徽某铜冶炼厂提供)为主要原料,主要成分(%):Fe2O3 53.

42、SiO2 27.

26、Al2O3 4.

83、CaO 3.

40、ZnO 3.

35、MgO 2.

61、其他5.13.以两种澳斯麦特炉喷枪最常用的不锈钢材质(310S和316L)为基片,其尺寸为35 mm*35 mm*5 mm. 1.2 试验方法 本试验的核心仪器是高温润湿角测量仪(OCA15LHT-HTFC1700型),仪器结构[15]如图1所示,氧化铝刚玉管水平放置于炉体中间(炉管内径40 mm),炉管两端通过不锈钢法兰密封,法兰上接有冷却水和进出气口.试样放置于炉管恒温区内,通入高纯氮气(≥99.999%)保护.采用B型热电偶测量样品实际温度(时间间隔2 s).炉管左侧的摄影机记录样品的熔化过程,利用配套软件处理试验过程中拍摄的照片,计算其润湿角. 图1 高温润湿角测量仪示意图 Fig.1 schematic of contact angle tester at high temperature 将水淬渣或添加有3%Fe(III)(质量分数,下同)的预熔渣磨粉并压制成圆柱体试样(Φ5 mm*5 mm).将圆柱体试样置于不锈钢基片表面上,一起水平放置于高温润湿角测定仪炉管内恒温区.通入高纯氮气保护,使样品随炉升温,当炉温达到试验设定的温度后,打开摄像机,记录样品的熔融过程.以30 s为一个时间间隔,测量炉渣与基片之间的润湿角θ(如图2所示)[12],θ角的大小可以表征炉渣与基片之间的润湿性,θ角越小,润湿性越好;

θ角越大,润湿性越差. 图2 润湿角示意图 Fig.2 Schematic of contact angle 本研究主要探讨基片材质、温度、炉渣组成对润湿角的影响.试验条件如表1所示. 表1 主要试验条件 Table

1 Main experimental conditions 试验编号 炉渣种类 基片材质 温度/℃

1 水淬渣 316L

1 200

2 水淬渣 310S

1 200

3 水淬渣 316L

1 250

4 水淬渣 310S

1 250

5 水淬渣+3% Fe3+ 316L

1 250

6 水淬渣+3% Fe3+ 310S

1 250

2 结果与讨论 图3为炉渣液滴在1

200 ℃不同保温时间的光学图像.可以看出,样品温度刚达到1

200 ℃时,炉渣与不锈钢基片之间的润湿角几乎是直角.随着保温时间的延长,角度快速减小,180 s后角度逐渐趋于稳定. 图3 炉渣随保温时间延长的熔化过程(1

200 ℃) Fig.3 Melting process of slag along with holding time (1

200 ℃) 2.1 温度与基片材质对润湿角的影响 根据试验所选基片的不同将表1中的6组试样进行对比,图4为不同温度和不锈钢基体材质的润湿角. 图4 温度和不锈钢基体材质对润湿角的影响 Fig.3 Effect of temperature and type of stainless steel substrate on contact angle 由图4试验

1、2润湿角变化曲线可以看出,当炉管温度升至1

200 ℃时,试样在两种不锈钢基片上的润湿角都在85°左右.随着保温时间的延长,润湿角会随之减小,最终趋向于一个稳定值,即300 s时,试验1稳定在26°;

在270 s时,试验2稳定在19.5°. 试验中由于炉渣是在炉管中随炉升温的,所以当测量温度达到1

250 ℃时,炉渣与基片间的润湿角会比较小.由图4试验

3、4润湿角变化曲线可以看出,当炉管温度升至1

250 ℃,0时刻时试验3的润湿角是27.6°,试验4的润湿角是7.5°.随着时间的变化,润湿角同样会随之减小,最终趋向于一个稳定值,即在300 s时,试验3稳定在20°;

在60 s时,试验4稳定........