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焦炉用耐火材料的技术进步

2020-08-27 09:31:00

  徐平坤
  现代大型焦炉用耐火材料达到万吨以上,砖型近千种,其中硅砖占60%~70%。进入21世纪以来,我国新建了多座大型焦炉,又逢国内外焦炉大修周期,硅砖的需求量猛增。我国是硅砖生产大国,生产规模达40万吨以上,除了满足本国需要,还大量出口到日本、美国、意大利、韩国等国家,并且一些传统使用的耐火材料性能及质量有所提高,有的改用新型耐火材料。
  焦炉在长期(20年~30年)使用过程中,始终处于高温高压状态,正常工作耐火材料温度为1100℃左右,加热立火道的温度可达1550℃以上。各部分使用的耐火材料及其发展情况大致如下:
  提高硅砖的导热性
  在炭化室的焦炭,在推焦前30min,焦饼温度达到950℃~1050℃,燃烧室长期在1300℃以上。炭化室和燃烧室除受到高温作用之外,还要承受上部砌体及设备的静荷重、装煤车及推焦机工作时的动负荷、烧结焦时膨胀所产生的压力、推焦时与焦炭的摩擦作用,以及灰分、熔渣、水分和酸性气体的侵蚀。因此,炭化室和燃烧室普遍选择导热性好、荷重软化温度高和高温机械强度好的硅砖,特别是炭化室与燃烧室中间的隔墙用的硅砖有特殊的要求。提高生产效率是人们普遍追求的目标,焦炉实现这个目标的方法如下:一是减少炭化室与燃烧室隔墙的厚度,以前这样的隔墙厚度为125mm,现在一些大型焦炉的厚度已减至95mm。二是提高硅砖的热导率,将燃烧室的烟气热量加速传给炭化室里的煤料,缩短炭化时间,提高产量。据测算一座宽为44cm的炭化室,隔墙厚度为11cm,所用硅砖热导率为1.867W/(m·K),加热温度为1349℃,生产率为9.8kg/(m2·h),当硅砖热导率为2.09W/(m·K)时,在其他条件相同的情况下,焦炉生产率可提高10%,如果热导率提高到2.904W/(m·K),则生产率可提高50%。
  由于高导热性硅砖能加速传热过程,因而可降低燃烧烟气的温度,有利于节约能源、降低燃料消耗,同时还减轻对环境的污染。因为烟气中氮氧化物的浓度与温度有关,加热温度越高,氮氧化物的浓度也越高。近年来,国内外对提高硅砖的导热性进行了大量研究,得出的结果大致如下:
  ——要提高硅砖的体积密度。生产优质硅砖要选择杂质含量低,特别是Al2O3低的纯净硅石做原料。要尽量提高硅砖体积密度,降低气孔率。因为气孔率与热导率有直接关系,当硅砖的气孔率从20%~21%降低到13%~14%时,它的热导率(1100℃时)提高约25%~30%。
  ——在硅砖的配料中加入添加剂。国内研究人员加入1.5%~2.5%的Fe2O3 ,可促进鳞石英转化,热导率提高,使焦炉生产能力提高9%。近年来,又有人研究采用烧成时能转化成SiO2的添加剂,如SiC、Si3N4和硅粉,一般添加量为0.5%~10%。在烧成过程中,添加剂被氧化转化成SiO2,它与基质中的SiO2熔合在一起,使硅砖的体积密度提高5%~8%,显气孔率降低到12%~17%,耐压强度提高40%~120%,热导率提高15%~40%,抗折强度提高35%~55%。
  ——关注鳞石英含量与真密度。从矿物组成来看,硅砖的热导率主要取决于鳞石英的含量,砖中鳞石英含量从35%提高到50%,热导率提高15%~20%。鳞石英晶体具有相互交错的网络结构,不但导热性能好,而且还具有较高的荷重软化温度和机械强度、高温下的体积稳定性等,鳞石英含量是评价硅砖质量的重要指标。一般通过硅砖的真密度可以看出硅砖的质量,当真密度为2.30g/cm3~2.32g/cm3的硅砖比较好,大于2.32g/cm3的硅砖中残余石英含量偏高。硅砖质量的关键指标是真密度,其直接影响焦炉的膨胀量与炉体的完好率。
  我国焦炉硅砖的发展
  硅砖质量是确保焦炉炉体一代炉龄的基本条件,它砌筑于焦炉的心脏部位,对基本性能及外形尺寸要求很高。一些大型耐火材料生产企业对焦炉硅砖生产工艺进行深入细致研究和改进。如某厂采用结晶硅石与胶结硅石并用,合理配料,降低原料临界颗粒尺寸和矿化剂加入量、延长烧成保温时间,生产出鳞石英含量为70%~75%、残余石英含量≤0.7%、真密度小于2.32g/cm3的优质硅砖。过去,我国硅砖的残余石英量一般都在1%以上,而现在出口硅砖的残余石英量已降低到1%以下,有的甚至趋近于零,达到世界先进水平。
  蓄热室及小烟道:蓄热室、小烟道及格子砖在进行热交换时,受到温度急变的影响。因此,小烟道衬砖和蓄热室格子砖过去都选择热震稳定性好的粘土砖,而7.63m焦炉采用半硅砖。
  粘土砖:我国现在仍大量生产粘土砖,一般粘土砖的热震稳定性比较好。安徽一单位在粘土砖配料中加入红柱石和硅线石等添加物,使粘土砖的热震稳定性大于50次,最高达278次,显气孔率为17.1%。但粘土砖的不足是在高温条件下使用时砖体产生收缩、砖缝扩大、漏风漏气,同时也影响炉体寿命。
  半硅质耐火材料是指SiO2含量在60%以上、Al2O3含量在15%~30%的硅酸铝质耐火材料。我国一般采用高硅质粘土制砖,也有用硅石与软质粘土配料,制造工艺与粘土砖相似。最好还是采用叶蜡石为原料生产半硅砖。
  炉顶、凉焦台等部位的耐火材料:炉顶及凉焦台受湿热焦炭的冲刷磨损、含酸性介质的热水汽侵蚀、焦炭热冲击损伤、环境温度变化等因素的影响,导致炉顶及凉焦台损伤。因此,一些焦炉使用缸砖,但其配方复杂、价格昂贵。有企业用蜡石砖代替缸砖后,使用寿命达10年以上。叶蜡石加热到1400℃时,其莫氏硬度从常温的1~2级提高到7~8级,而强度也有很大提高,因此,蜡石砖的耐磨性很好。蜡石砖的热膨胀率在900℃时达到0.744%~0.831%,热震稳定性达到20次以上,使焦炉密封性好并能抵抗温度变化,同时也能抵抗酸性物质及气体、炭素、焦油的侵蚀,因为蜡石砖的耐酸度达93.5%。
  炉门用耐火材料:焦炉的炉门以及烟道(上升管及桥管)和加煤孔、配套的炉盖,普遍使用粘土砖、保温砖及堇青石砖砌筑和耐热耐磨的特种合金钢板(砖套和炉盖)。这种砌体和钢板保温效果差,使用寿命短(一般在1年~2年),整体性差,密封不严,污染空气,砌体尺寸厚,占用焦炉工作空间大,空间利用率低,干馏率(成焦率)一般,燃料浪费严重。针对炉门使用粘土砖及堇青石砖的缺陷,宝钢开发出了表面涂釉处理的莫来石—堇青石浇注料预制块,组成整体结构的炉门内衬。
  应用结果表明,由于材料的优良保温性能,炉门的散热大大降低。经过实测,炉门本体的外表温度比原炉门的外表温度低50℃~70℃,降低了能源消耗;新炉门内衬厚度比原炉门减薄70mm,增加了炭化室容积;新型炉门的使用效果好于粘土砖及保温砖,使用寿命在4年以上,解决了焦炉的节能环保问题,是大型焦炉炉门的发展方向。
  炉头用耐火材料:燃烧室两侧炉头在炉门开闭过程中温度变化大,且受动荷载的影响,一般选用高铝砖;近年来,开始选用热震稳定性好的红柱石砖或硅线石砖。
  硅质泥浆:硅质泥浆是砌筑焦炉炉体硅砖的粘结材料,它的质量直接影响炉体的砌筑质量和使用寿命。泥浆的临界颗粒尺寸是按砌砖灰缝大小来决定的,普遍在0.5mm~1mm。在硅质泥浆中加入2%~5%的硼砂,砌体接缝会黏结得十分坚固,砌体抗热震性得到提高,从而延长焦炉寿命。
  焦炉的维修
  大部分焦炉砌体都是通过热修补来维护,常有人用高铝熟料、磷酸或磷酸二氢铝结合剂,采用喷涂或涂抹的方法修补损毁部位。但磷酸或磷酸二氢铝结合剂在热砖表面形成蒸汽层,800℃~1000℃时强度下降,一般只能使用2~3个月。日本新日铁公司采用w(SiO2)为94.4%、w(Al2O3)为1.2%、w(CaO)为2.3%、w(K2O+Na2O)为2.1%、粒度小于0.2mm的SiO2质粉料,用火焰喷补,附着率可达100%。
  我国火焰喷补料的要求是SiO2含量为60%~68%,耐火度为1250℃~1280℃,通过0.25mm筛网,小于0.125mm的喷补料占65%~70%。日本火焰喷补的耐用性一般在3年以上。我国先后在攀钢、本钢、酒钢、济钢等20多家单位的焦化厂使用火焰喷补法对焦炉进行了喷补,喷补层耐用性大多数在3~4年,本钢焦炉耐用性更高,在4年以上。如果一座焦炉自始至终采用火焰喷补维修,一代炉龄可延长10年~15年。但火焰喷补维修成本较高,效率低的火焰喷补适合焦炉小面积损伤的维修。对于维修任务重的老龄焦炉来说,改进传统的维修工艺或介于二者之间的工艺——半干法维修,是比较好的办法。乌克兰一家公司开发出修复焦炉用的熔融石英砖,采用熔融石英骨料,石英微粉和水玻璃干粉结合剂配料,制品的抗折强度达24.1MPa,气孔率为16%,耐火度为1740℃。日本某公司开发出一种热修用的焦炉硅砖,真密度为2.28,热震稳定性比普通硅砖好。

来源:中国冶金报-中国钢铁新闻网

编辑:网站实习1

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