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焦炉耐火材料的使用与发展

作者: 超级管理员 发布时间:2022-08-11 10:20:57 点击量:451

焦炉 耐火材料的使用与发展 焦炉炉龄一般为 20~25 年,国内外均有突破的先例。据资料介绍,到 1976 年,美国约有 50% 焦炉 已经连续生产 25 年,且有 15% 的焦炉炉龄达到了 45 英国大部分焦炉的使用寿命已达到 30 年以上 苏联焦炉炉龄一般都超过 25 焦炉寿命大于 20 年的,西德约有 41% ,日本也有三座 因大多数焦炉为 60 年代新建或改建的 ,这些焦炉仍在生产之中。

从前,焦炉炉衬一般采用粘土砖砌筑,炉龄短,温度低, 结焦 时间长,一般为 26~34 小时。自从采硅砖砌筑焦炉后,温度提高, 结焦 时间 缩短 产焦量 增大, 炉衬 寿命延长。在德压诺斯特恩于 1927 年建成了世界上第一座 42 6 米高的大容积硅砖焦炉,生产 23 年多,并于 1950 年重建后又投入生产。在五十年代 和六 年代,由于钢铁工业的发展,焦炭需要 增多,国外普遍采用大容积焦炉, 并用 高纯硅砖砌筑,结焦时间显著缩短,焦炭产量成倍增加, 开辟 了炼焦工业的新局面。

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焦炉生产实践证明,到目前为止,硅砖仍然是炼焦炉的优良砌筑材料。上表 为各国焦炉硅砖的性能。从表中看出, SiO2 含量一般大于 94% ,普通硅砖和致密硅砖的体积密度分别为 1.8 / 厘米和 19 / 厘米左右,其耐压强度分别大于 300 公斤 / 厘米 2 500 公斤 / 厘米 2

最近二十年来,各国相继建成大容积焦炉,炭化室和燃烧室一般用致密硅砖砌筑,使用效果较好。致密硅砖的生产方法是 选择杂质含量低的硅石原料,合理调整颗粒组成,采用适当的矿化剂,用 1000~2000 吨液压机或 600~1200 吨摩擦压砖机成型,再经高温烧成即为成品。这样做出的制品,体积密度高,气孔率低,强度大,耐磨性和导热性优良,并且能使石英几乎全部转化为鳞石英。

通过掺加金属氧化物来提高硅砖的密度和导热性,国内外均有报导。早在六十年代初,美、日、西德和苏联等国家在生产致密硅砖配料中,曾掺加适量的氧化铜、氧化钛、氧化铁等金属氧化物或碳化硅等,我因也试制了含铁 硅砖

美国在生产焦炉硅砖时,掺加氧化亚铜,体积密度增加 1093℃ 时的导热系数提高 20% 左右,对 其它 性能影响 甚微 。当 掺加 3% 的氧化钛时,也获得同样的效果,同时耐压强度和耐磨性相应的有所提商。这些砖 曾在 焦炉上试用,结焦时间缩短,产量相应的增加近 19% 当掺加 0.5~10.0% 的碳化硅和氮化硅时,硅砖的体积密度提高 5~8% ,耐压强度提高 40~120% ,导热系数增大了 15~40% 。当掺加 15% 的锆英石时,硅砖的导热系数提高 10% ,但耐压强度有所降低,烧成时也易产小龟裂。这两种砖因价格高和综合性能指标不佳,迄今没有在焦炉上正式使用。

西德奥托公司某厂曾用含铁致密硅砖砌筑了 五孔 焦炉进行试验,正常生产十年后,突然损毁, 被迫 停炉,原因不明。

各国研究和试用结果表明,掺加金属氧化物制造致密硅砖,在焦炉长期高温条件下,添加剂能 产生 组分迁移或聚积,并使荷重软化温度下降和碳素沉积增多,因此均处于工业性试用阶段。

大容积焦炉炭化室采用致密硅砖砌筑是有前途的。但是,该砖在使用过程中,容易产生剥落, 用于 炉头更甚,加之价格昂贵,能否大量推广使用,美国焦炉工作者持观望的态度。根据 N.C 凯纳尔斯基的资料,当温度为 1080~1230℃ 时,用结晶石英制成的硅砖砌筑 焦炉 炭化室炉墙, 生产 操作 8 个月后,砌体急剧膨胀,影响砌体结构的稳定性。为此,苏联等国家的焦炉工作者认为,大容积焦炉用硅砖的真比重应控制在 2.34 ,体积密度保持在 1.95 / 厘米 ³ 以上。

美国和苏联还分别用碳化硅砖和刚玉砖砌筑焦炉炭化室,进行了半工业性试验。据苏联乌克兰煤炭化学研究所介绍,与硅砖相比,刚玉砖炉衬能使结焦时间从 14 小时缩短到 8 小时,生产效率提高 1 . 5~2.0 倍,并且为改善配煤和提高焦炭质量开创了新局面。

西德于 1968 年开始用镁砖砌筑试验焦炉。该炉炭化室的长宽高分别为 1000 450 880 毫米。煤气烧嘴为 旋转 喷射式的,空气通过金属换热器预热,燃烧气体经过三个火道引入燃烧室,加热非常均匀。模拟生产焦炉的实际条件,装煤是从 4 米高处通过落煤管投进炉内的。

1968~1974 年的试验过程中,先后用镁砖砌筑四次试验炉,共装出炉 2362 次。试用的四种煤料基本上包括了工业生产用煤。为了便于对比,同时也用硅砖砌筑了试验炉。下图 为两种砖的炉墙温度与火道温度的关系。

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从上图 中看出,如使炉墙温度达到 1200℃ 时,硅砖砌的 焦炉 火道温度约需 1400℃ ,而镁砖砌的仅需 1250℃ 左右。在上述条件下,前者结焦时间为 16 小时,后者约为 12 小时,即结焦时间 缩短 30% 。由于镁砖焦炉生产的焦炭终温较高,所以焦炭强度和反应能力都比较好。另外,西德还用含 SiC 的镁砖砌筑试验 焦炉 ,也获得了较好的结果。

综上所述,不少国家认为,增大硅砖密度,提高其导热性是有一定限度的,也只能提高生产能力 10% 左右 采用刚玉砖和镁砖等材料砌筑焦炉,虽有一定的效果,但还处于半工业性试验阶段 另一种提高焦炉生产能力的有效措施,就是减薄炭化室炉墙的厚度。

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上图 为焦炉燃烧室温度与结焦时间的关系。当燃烧室温度相同时,炭化室炉墙厚度由 110 毫米减薄到 85 豪米和 70 毫米,则结焦时间分别平均缩短约为 3 小时和 4 小时 如果结焦时间 相同 ,燃烧宝温度相应地降低 82℃ 113℃ 。这就是说,减薄焦炉炉墙的厚度,可以缩短结焦时间,提高焦炉的生产能力。为此,西德于 1971 年建造三孔炉墙厚度为 70 毫米的焦炉,操作三年以上,后因故拆除。生产证明,平均结焦时间缩短 2.5~3.5 小时,产量提高 15~20%

日本扇岛钢铁广新建的斯蒂尔式 焦炉 ,炭化室高度为 7.55 米,除最下面三层 硅砖 炉墙较厚外,其余炉墙厚度均减为 95 毫米 西德奥 · 蒂森钢铁厂新建的大容积焦炉,其炭化室墙厚也为 95 毫米 西德鲁尔煤业公司新建一座 39 孔焦炉,炭化室净宽 450 毫米,炉墙厚度仅为 80 豪米。该炉 自从 1976 5 月投产以来,总结焦时间为 14 小时,产焦量提高,炉体生产状况良好。

近年来,西德奥托公司借助于电子计算机、对炉墙减薄前后的静压力进行了详细地 计算 ,认为炉墙减薄后对炉体强度和稳定性影响甚微。例如,焦炉炉墙厚度从 100 毫米减少到 70 毫米,炉体强度仅降低 1.5% 左。一般来说,炉墙厚度有 50~60 毫米就能满足焦炉生产的要求。但是,从异型硅砖的制造和成品率等方面综合考虑,炉墙减薄也是有一定限度的,一般不宜小于 70 毫米。

众所周知, 焦炉 机、焦侧炉头和炭化室炉底边砖,因炉门启闭频繁及推 操作,该处温度波动和机械磨损均较大,一般采用 粘土砖 或高铝砖砌筑,使用寿命 1~6 苏联曾在焦护炭化室 头上试用硅铬砖,使用近 9 年。在火道顶的端部试用了不含游离 SiO2 的铝氧碳化 硅砖 ,使用 9 年仍是完好的。该砖在炭化室底部两端头炉体上,使用 6 不用 更换,其后每年喷补 1~2 次,还可继续使用。在炉门侧,用铝氧碳化硅砖砌筑炉底工作层,可使用 11 年以上。

焦炉其它部位衬体,各国一般采用 粘土砖 砌筑。但是,随着大容积焦炉的发展,其斜道和 热室柱形墙、底及隔墙,也普遍采用硅砖砌筑,以保证焦炉砌体的均匀膨胀和结构的稳定性

为保证焦炉蓄热室砌体的严密性,通常采用 燕尾 型砖砌筑。其格子砖 一般 为粘土质的,也有用导热性好和热容量大的镁质 格子 砖砌筑的。格子砖热交换性能的好坏,除受材质制约外,其形状和排列方式也是非常重要的。据苏联焦化研究设计院的资料,在同样的高度下, 组格子砖的加热表面积 用标准砖砌筑时为 547 2 ,用条形砖时为 752 ² ,用异型砖砌筑时为 972 米。因此,格子砖应选用后两种型式,以利干提高热交换能力。另外,格子砖壁减薄,采用蜂窝状构造,均可扩大传热面积。

焦炉 蓄热室底部和小烟道等部位的工作温度均 低于 600℃ ,采用硅砖砌筑易发生晶型转化而损毁,因此各国普遍用粘土砖砌筑。

焦炉盖顶砖一般用 粘土砖 或硅砖砌筑。大型焦炉普遍用硅砖,但装煤孔周围温度波动大,仍用 粘土砖 砌筑,使用寿命为 1~8 年。盖顶砖 上部 添加填充具,并依次砌筑 粘土砖 、轻质砖和红砖,最上层采用大块砖铺面,同时采取防水和密封等技术措施。

焦炉炉门启闭频繁,温度波动较大,一般采用 粘土砖 砌筑。近年来,消除炉门泄漏煤气和清除炉门积碳,已成为环保和操作上急待解决的问题。因此,国外研制出积碳少、热震稳定性高的熔融石英砖和 堇青石 砖,其性能列于表 2-24 。堇青石分子式为 2Mg0 . 2 Al2O3.5SiO2 ,熔融温度为 1460℃ 。在制砖时,应掺加耐高温的原料,以提高耐火度,延长使用寿命 熔融石英砖的导热系数和热膨胀率均比较小,热震稳定性高,耐压强度高,容易制成 大块 砖,表面光滑不积碳。因此,熔融石英砖在美国和加拿大等国家的焦炉炉门和煤气上升管等部位上,得到了较多的应用,其寿命比粘土砖的提高近 14 倍。但是,该砖价格较高,不利于进一步推广。

最近,日本焦炉炉门衬里采用熔融泡沫硅质砖砌筑,使用寿命约为 4~5 年,而且隔热效果很好。该砖的体积密度为 05~08 / 厘米 3 ,显气孔率为 50~80% ,耐压强度为 100~300 公斤 / 厘米 2 ,热膨胀系数为 05~06 x10-6/℃ ,导热系数为 01~0.2 千卡 / · ·℃

焦炉使用寿备很长、砖型 异常 庞杂,砌筑时,技术要求很高。砖缝要砌得均勾,灰浆应饭满,乘直度与水平度应达到规程标准的要求。

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焦炉烘炉的好坏,直接影响其使用寿命。因此,应按照设计提供的烘炉曲线,精心操作,以便缓慢地通过硅砖各品型的转化温度。上图 为西德狄迪尔公司某厂 2 号大型焦炉烘炉 曲线 与热膨胀率的关系。实际线膨胀率与预先计算的基本吻合,烘炉是成功的。该炉 蓄热室高 1/3 处及其以上部位,均采用硅砖砌筑,其余部位用 粘土砖 作炉衬,连续生产六年,炉衬未见严重蚀损,仅有炉头等部位进行了预防性的维修。

目前,在焦炉上使用不定形耐火材料较少,仅占焦炉用砖量的 2% 左有。应用的部位主要有炉门、蓄热室小烟道、炉头保护板、装煤孔周围、炉顶铺面层和煤气上升管等,使用效果较好。

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上表 为日本 焦炉 用不定形耐火材料的性能, 过去 ,日本 焦炉 用耐火浇注料主要用铝酸盐水泥作结合剂,近年来 各厂 普遍采用结合粘土和磷酸盐等胶结剂配制耐火浇注料,施工后不需养生 高温性能优良。该料用于炉门衬里时,经常掺加 0 . 5~3.0% 的耐热钢纤维,以提高耐火浇注料的强度和耐磨性,防止使用过程中发生龟裂或剥落。

苏联在焦炉炉门、装煤孔和煤气上升管等部位上,一般采用铝酸盐水泥 粘土 质或高铝质耐火 混凝土 作衬里,不但施工方便,而且使用寿命比 粘土砖 的提高 1~3 倍,共中炉门耐火 混凝土 内衬的使用涛命可达二年以上,正在焦炉上普遍推广。

焦炉炉头和炉门等部位的衬里,由于温度应力和机械磨损的作用,最易损毁,必须经过多次修补,才能配合用到 一个 炉役。修补方法有两种, 是局部损毁后,拆除衬里重新砌砖 一是采用耐火喷涂料直接进行喷补。

近年来,各国焦炉用喷涂料进行喷补较多,施工已由湿法喷补向加水量少、充填程度高的干法喷补方向发展,并且采用 磷酸盐 作结合剂。该种喷涂料的粘结性能好、强度大、耐磨性能好、使用寿命比水玻璃喷涂料衬里的高 7 倍以上。美国焦炉用硅质喷涂料中,通常添加氧化锰含量为 3~8% 的天然硅酸盐矿物,使喷补层里的液相量增多,并被砖壁吸收,提高了附着能力,使用效果较好。

另外,当焦炉炭化室炉墙产生裂缝时,可采用空气涂粉法进行修补。该方法是将修补料雾化后,喷进炭化室空间使之浮游,同时将燃烧室的压力降至负值,这样就能把粉料吸进裂缝中,并充填密实而达到修补的目的。

进人七十年代,苏联、西德、日本、美国和比利时等国家采用火焰喷补法修理焦炉易埙部位,效果显著。耐火熔射料是用而火粉料和少量金属粉配制的,它从喷枪口喷射出去以后便通过丙烷和氧气的火焰而成熔融状态,再喷射到炉衬上。采用该方法补炉,对原衬的损伤较小,而且喷补层致密、强度高、不脱落。例如,比利时 某厂 焦炉炭化室炉墙出现大裂纹,采用此法修补后,使用一年,喷补层仍然是完好的 日本采用火焰喷补法 维修炉 龄超过 20~30 年的焦炉,使其命又延长了 5~10 年。在焦炉日常维修中,采用火焰喷补法补炉,其喷补层一般使用两年左右,而用湿式喷补法补炉时,喷补层仅使用 1~4 个月。

应当指出,当型 生产发展后,对耐火材料的要求将有较大的变化,那时焦炉将不再大量的使用硅砖砌筑炉体,而碳化硅砖、致密的高铝质砖和半硅砖等砖种,将普遍应用。同时,轻质砖的使用量也将日益增加。



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