1、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，
2、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）04-0
3、000-00Study on Wettability of Liquid Slag on Substrate of Ausmelt Lance in Matte Smelting of CopperLI 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 M
4、inistry of Education on Metallurgical Emission Reduction 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
5、（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 310 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
6、阳人，硕士研究生；通信作者：樊友奇（1980- ），男，博士，副教授.doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2018 .04.005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，
7、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（%）：Fe 2O3 53.42、SiO 2 27.26、Al 2O3 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
8、，其尺寸为 35 mm35 mm5 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 h
9、igh 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（ 5 mm5 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 （如图 2 所示） 12， 角的大小可以表征炉渣与基片之间的润湿性， 角越小，润湿性越好； 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
10、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 2002 水淬渣 310S 1 2003 水淬渣 316L 1 2504 水淬渣 310S 1 2505 水淬渣+3% Fe 3+ 316L 1 2506 水淬渣+3% Fe 3+ 310S 1 2502 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
11、 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。0306901205180214027303010230450670890 润湿角/() 保 温 时 间 /s 实 验 1-20 -316L实 验 0S实 验 35 实 验 4-120 -31图 4 温度和不锈钢基体材质对润湿角的影响Fig.3 Effect of
12、 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
13、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 稳定在 4.3。0 s300 s240 s180 s120 s60 s由图 4 试验 1、3 润湿角变化曲线可以看出，当基片是 316L 不锈钢时，0 时刻时，试验 1 的润湿角是85左右，而试验 3 的润湿角是 27.6。随着在炉管内保温时间的延长，润湿角会随之减小，最终趋向于一个稳定值，即试验 1 在 300 s 时稳定在 25.7；试验 3 在 270 s 时稳定在 27.6。由图 4 试验 2
14、、4 润湿角变化曲线可以看出，在基片是 310S 不锈钢时，0 时刻时，试验 2 的润湿角是 85左右，而试验 4 的润湿角是 7.4。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，即试验 2 在 270 s 时稳定在 19.5；试验 4 在 60 s 时稳定在 4.6。根据数据可知，水淬渣在两种不锈钢基片上的润湿角都随着温度的升高逐渐降低，随着保温时间的延长继续降低最终趋于稳定值，而且可以明显看出，在相同条件下，渣样在 310S 不锈钢基片上的润湿角比在 316L 不锈钢基片上润湿角小。因此，当温度和渣的成分相同时，随着保温时间的延长，润湿角会逐渐变小，最后接近与一个定值。渣样
15、在 310S 不锈钢基片上的润湿角比在 316L 不锈钢基片上要小，而且这种趋势随着温度的提高会变得更加明显。这说明，水淬渣对 310S 不锈钢基片的润湿性要好于 316L 基片，更加有利于渣在喷枪基体上的吸附，且在 1 250 时水淬渣与不锈钢基片的润湿性要好于 1 200 。2.2 炉渣中 Fe（III）的含量对润湿角的影响由图 5 试验 3、5 润湿角变化曲线可以看出，在 316L 不锈钢基片上，温度为 1 250 时，在 0 时刻，试验3 的润湿角是 27.6，而试验 5 的润湿角是 30.5。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，试验 3 在 180 s 时稳定
16、在 20；试验 5 在 180 s 时稳定在 21.2。可以看出，在 1 250 ，加入3%Fe（ III）的水淬渣液滴在 316L 不锈钢基片上的润湿角比未加 Fe（III）水淬渣的润湿角大。由图 5 试验 4、6 润湿角变化曲线可以看出，在 310S 不锈钢基片上，温度为 1 250 时，在 0 时刻，试验4 的润湿角是 7.4，而试验 6 的润湿角是 14.5。随着保温时间延长，润湿角会随之减小，最终趋向于一个稳定值，试验 4 在 60 s 时稳定在 4.3；试验 6 在 90 s 时稳定在 13.3。所以，1 250 时，加入 3%Fe（III）的水淬渣液滴在 310S 不锈钢基片上的
17、润湿角比未加 Fe（III ）水淬渣的润湿角大。根据试验数据可知，水淬渣中加入 3%Fe（III）后，在相同试验条件下，润湿角在两种不锈钢基片上都有所升高，说明水淬渣中加入 Fe（III）会使渣的润湿性降低。030690120518021402730305101520253035 润湿角/() 保 温 时 间 /s 实 验 3-水 淬 渣 -316L实 验 4水 淬 渣 0S实 验 5添 加 e（ I） -316L 实 验 6-添 加 3（ ） 0S图 5 熔渣中 Fe(III)含量对两种不锈钢基片上润湿角的影响Fig.5 Effect of Fe (III) content in molte
18、n slag on contact angle on stainless steel substrate本研究仅从润湿性的角度进行了讨论，但是影响挂渣质量的因素还有很多，如熔渣的黏度，影响喷枪基底的选择还需要考虑抗腐蚀性、力学性能、价格因素等。3 结论1）随着保温时间的延长，润湿角逐渐降低，最后达到一个稳定值。在相同试验条件下，310S 不锈钢基片的润湿角小于 316L 基片，而且在 1 250 时这种趋势比在 1 200 更加明显。2）在相同试验条件下，加入 3%Fe（III）的水淬渣与两种不锈钢基底之间的润湿角都有所增大，即降低了喷枪枪身的挂渣效果。3）从润湿角角度考虑，在实际生产中，选择
19、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，炉渣与喷枪表面的润湿性较好，枪身挂渣效果更优。参考文献1 彭容秋. 铜冶金M. 长沙 ：中南大学出版社，2004 ：93-94.2 FLOYD J. 奥斯麦特技术J. 有色金属(冶炼部分) ，2000(2)：16-17.3 李卫民. 澳斯麦特技术一铜吹炼的发展J. 中国有色冶金 ，2009，38(1)：1-5.4 毛其明，李皓月. 澳斯麦特浸没式喷枪顶吹(TSL)技术 C/中国首届熔池熔炼技术及装备专题研讨会论文集. 昆明 ：中国有色金属学会重金属冶金学术委员会，2007：23-29.5
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