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    焦爐耐火材料的使用與發展

    作者:超級管理員 發布時間:2022-08-11 10:20:57 點擊量: 20

    焦爐耐火材料的使用與發展,焦爐爐齡一般為20~25年,國內外均有突破的先例。據資料介紹,到1976年,美國約有50%焦爐已經連續生產25年,且有15%的焦爐爐齡達到了45;英國大部分焦爐的使用壽命已達到30年以上;蘇聯焦爐爐齡一般都超過25;焦爐壽命大于20年的,西德約有41%,日本也有三座因大多數焦爐為60年代新建或改建的,這些焦爐仍在生產之中。

    從前,焦爐爐襯一般采用粘土磚砌筑,爐齡短,溫度低,結焦時間長,一般為26~34小時。自從采硅磚砌筑焦爐后,溫度提高,結焦時間縮短,產焦量增大,爐襯壽命延長。在德壓諾斯特恩于1927年建成了世界上第一座426米高的大容積硅磚焦爐,生產23年多,并于1950年重建后又投入生產。在五十年代和六年代,由于鋼鐵工業的發展,焦炭需要增多,國外普遍采用大容積焦爐,并用高純硅磚砌筑,結焦時間顯著縮短,焦炭產量成倍增加,開辟了煉焦工業的新局面。

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    焦爐生產實踐證明,到目前為止,硅磚仍然是煉焦爐的優良砌筑材料。上表為各國焦爐硅磚的性能。從表中看出,SiO2含量一般大于94%,普通硅磚和致密硅磚的體積密度分別為1.8/厘米和19/厘米左右,其耐壓強度分別大于300公斤/厘米2500公斤/厘米2。

    最近二十年來,各國相繼建成大容積焦爐,炭化室和燃燒室一般用致密硅磚砌筑,使用效果較好。致密硅磚的生產方法是選擇雜質含量低的硅石原料,合理調整顆粒組成,采用適當的礦化劑,用1000~2000噸液壓機或600~1200噸摩擦壓磚機成型,再經高溫燒成即為成品。這樣做出的制品,體積密度高,氣孔率低,強度大,耐磨性和導熱性優良,并且能使石英幾乎全部轉化為鱗石英。

    通過摻加金屬氧化物來提高硅磚的密度和導熱性,國內外均有報導。早在六十年代初,美、日、西德和蘇聯等國家在生產致密硅磚配料中,曾摻加適量的氧化銅、氧化鈦、氧化鐵等金屬氧化物或碳化硅等,我因也試制了含鐵硅磚。

    美國在生產焦爐硅磚時,摻加氧化亞銅,體積密度增加,1093℃時的導熱系數提高20%左右,對其它性能影響甚微。當摻加3%的氧化鈦時,也獲得同樣的效果,同時耐壓強度和耐磨性相應的有所提商。這些磚曾在焦爐上試用,結焦時間縮短,產量相應的增加近19%;當摻加0.5~10.0%的碳化硅和氮化硅時,硅磚的體積密度提高5~8%,耐壓強度提高40~120%,導熱系數增大了15~40%。當摻加15%的鋯英石時,硅磚的導熱系數提高10%,但耐壓強度有所降低,燒成時也易產小龜裂。這兩種磚因價格高和綜合性能指標不佳,迄今沒有在焦爐上正式使用。

    西德奧托公司某廠曾用含鐵致密硅磚砌筑了五孔焦爐進行試驗,正常生產十年后,突然損毀,被迫停爐,原因不明。

    各國研究和試用結果表明,摻加金屬氧化物制造致密硅磚,在焦爐長期高溫條件下,添加劑能產生組分遷移或聚積,并使荷重軟化溫度下降和碳素沉積增多,因此均處于工業性試用階段。

    大容積焦爐炭化室采用致密硅磚砌筑是有前途的。但是,該磚在使用過程中,容易產生剝落,用于爐頭更甚,加之價格昂貴,能否大量推廣使用,美國焦爐工作者持觀望的態度。根據N.C凱納爾斯基的資料,當溫度為1080~1230℃時,用結晶石英制成的硅磚砌筑焦爐炭化室爐墻,生產操作8個月后,砌體急劇膨脹,影響砌體結構的穩定性。為此,蘇聯等國家的焦爐工作者認為,大容積焦爐用硅磚的真比重應控制在2.34,體積密度保持在1.95/厘米3以上。

    美國和蘇聯還分別用碳化硅磚和剛玉磚砌筑焦爐炭化室,進行了半工業性試驗。據蘇聯烏克蘭煤炭化學研究所介紹,與硅磚相比,剛玉磚爐襯能使結焦時間從14小時縮短到8小時,生產效率提高1.5~2.0倍,并且為改善配煤和提高焦炭質量開創了新局面。

    西德于1968年開始用鎂磚砌筑試驗焦爐。該爐炭化室的長寬高分別為1000、450880毫米。煤氣燒嘴為旋轉噴射式的,空氣通過金屬換熱器預熱,燃燒氣體經過三個火道引入燃燒室,加熱非常均勻。模擬生產焦爐的實際條件,裝煤是從4米高處通過落煤管投進爐內的。

    1968~1974年的試驗過程中,先后用鎂磚砌筑四次試驗爐,共裝出爐2362次。試用的四種煤料基本上包括了工業生產用煤。為了便于對比,同時也用硅磚砌筑了試驗爐。下圖為兩種磚的爐墻溫度與火道溫度的關系。

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    從上圖中看出,如使爐墻溫度達到1200℃時,硅磚砌的焦爐火道溫度約需1400℃,而鎂磚砌的僅需1250℃左右。在上述條件下,前者結焦時間為16小時,后者約為12小時,即結焦時間縮短30%。由于鎂磚焦爐生產的焦炭終溫較高,所以焦炭強度和反應能力都比較好。另外,西德還用含SiC的鎂磚砌筑試驗焦爐,也獲得了較好的結果。

    綜上所述,不少國家認為,增大硅磚密度,提高其導熱性是有一定限度的,也只能提高生產能力10%左右;采用剛玉磚和鎂磚等材料砌筑焦爐,雖有一定的效果,但還處于半工業性試驗階段;另一種提高焦爐生產能力的有效措施,就是減薄炭化室爐墻的厚度。

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    上圖為焦爐燃燒室溫度與結焦時間的關系。當燃燒室溫度相同時,炭化室爐墻厚度由110毫米減薄到85豪米和70毫米,則結焦時間分別平均縮短約為3小時和4小時;如果結焦時間相同,燃燒寶溫度相應地降低82℃113℃。這就是說,減薄焦爐爐墻的厚度,可以縮短結焦時間,提高焦爐的生產能力。為此,西德于1971年建造三孔爐墻厚度為70毫米的焦爐,操作三年以上,后因故拆除。生產證明,平均結焦時間縮短2.5~3.5小時,產量提高15~20%。

    日本扇島鋼鐵廣新建的斯蒂爾式焦爐,炭化室高度為7.55米,除最下面三層硅磚爐墻較厚外,其余爐墻厚度均減為95毫米;西德奧·蒂森鋼鐵廠新建的大容積焦爐,其炭化室墻厚也為95毫米;西德魯爾煤業公司新建一座39孔焦爐,炭化室凈寬450毫米,爐墻厚度僅為80豪米。該爐自從19765月投產以來,總結焦時間為14小時,產焦量提高,爐體生產狀況良好。

    近年來,西德奧托公司借助于電子計算機、對爐墻減薄前后的靜壓力進行了詳細地計算,認為爐墻減薄后對爐體強度和穩定性影響甚微。例如,焦爐爐墻厚度從100毫米減少到70毫米,爐體強度僅降低1.5%左。一般來說,爐墻厚度有50~60毫米就能滿足焦爐生產的要求。但是,從異型硅磚的制造和成品率等方面綜合考慮,爐墻減薄也是有一定限度的,一般不宜小于70毫米。

    眾所周知,焦爐機、焦側爐頭和炭化室爐底邊磚,因爐門啟閉頻繁及推操作,該處溫度波動和機械磨損均較大,一般采用粘土磚或高鋁磚砌筑,使用壽命1~6;蘇聯曾在焦護炭化室頭上試用硅鉻磚,使用近9年。在火道頂的端部試用了不含游離SiO2的鋁氧碳化硅磚,使用9年仍是完好的。該磚在炭化室底部兩端頭爐體上,使用6不用更換,其后每年噴補1~2次,還可繼續使用。在爐門側,用鋁氧碳化硅磚砌筑爐底工作層,可使用11年以上。

    焦爐其它部位襯體,各國一般采用粘土磚砌筑。但是,隨著大容積焦爐的發展,其斜道和熱室柱形墻、底及隔墻,也普遍采用硅磚砌筑,以保證焦爐砌體的均勻膨脹和結構的穩定性。

    為保證焦爐蓄熱室砌體的嚴密性,通常采用燕尾型磚砌筑。其格子磚一般為粘土質的,也有用導熱性好和熱容量大的鎂質格子磚砌筑的。格子磚熱交換性能的好壞,除受材質制約外,其形狀和排列方式也是非常重要的。據蘇聯焦化研究設計院的資料,在同樣的高度下,組格子磚的加熱表面積用標準磚砌筑時為5472,用條形磚時為7522,用異型磚砌筑時為972米。因此,格子磚應選用后兩種型式,以利干提高熱交換能力。另外,格子磚壁減薄,采用蜂窩狀構造,均可擴大傳熱面積。

    焦爐蓄熱室底部和小煙道等部位的工作溫度均低于600℃,采用硅磚砌筑易發生晶型轉化而損毀,因此各國普遍用粘土磚砌筑。

    焦爐蓋頂磚一般用粘土磚或硅磚砌筑。大型焦爐普遍用硅磚,但裝煤孔周圍溫度波動大,仍用粘土磚砌筑,使用壽命為1~8年。蓋頂磚上部添加填充具,并依次砌筑粘土磚、輕質磚和紅磚,最上層采用大塊磚鋪面,同時采取防水和密封等技術措施。

    焦爐爐門啟閉頻繁,溫度波動較大,一般采用粘土磚砌筑。近年來,消除爐門泄漏煤氣和清除爐門積碳,已成為環保和操作上急待解決的問題。因此,國外研制出積碳少、熱震穩定性高的熔融石英磚和堇青石磚,其性能列于表2-24。堇青石分子式為2Mg0.2Al2O3.5SiO2,熔融溫度為1460℃。在制磚時,應摻加耐高溫的原料,以提高耐火度,延長使用壽命;熔融石英磚的導熱系數和熱膨脹率均比較小,熱震穩定性高,耐壓強度高,容易制成大塊磚,表面光滑不積碳。因此,熔融石英磚在美國和加拿大等國家的焦爐爐門和煤氣上升管等部位上,得到了較多的應用,其壽命比粘土磚的提高近14倍。但是,該磚價格較高,不利于進一步推廣。

    最近,日本焦爐爐門襯里采用熔融泡沫硅質磚砌筑,使用壽命約為4~5年,而且隔熱效果很好。該磚的體積密度為05~08/厘米3,顯氣孔率為50~80%,耐壓強度為100~300公斤/厘米2,熱膨脹系數為05~06x10-6/℃,導熱系數為01~0.2千卡/··℃。

    焦爐使用壽備很長、磚型異常龐雜,砌筑時,技術要求很高。磚縫要砌得均勾,灰漿應飯滿,乘直度與水平度應達到規程標準的要求。

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    焦爐烘爐的好壞,直接影響其使用壽命。因此,應按照設計提供的烘爐曲線,精心操作,以便緩慢地通過硅磚各品型的轉化溫度。上圖為西德狄迪爾公司某廠2號大型焦爐烘爐曲線與熱膨脹率的關系。實際線膨脹率與預先計算的基本吻合,烘爐是成功的。該爐蓄熱室高1/3處及其以上部位,均采用硅磚砌筑,其余部位用粘土磚作爐襯,連續生產六年,爐襯未見嚴重蝕損,僅有爐頭等部位進行了預防性的維修。

    目前,在焦爐上使用不定形耐火材料較少,僅占焦爐用磚量的2%左有。應用的部位主要有爐門、蓄熱室小煙道、爐頭保護板、裝煤孔周圍、爐頂鋪面層和煤氣上升管等,使用效果較好。

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    上表為日本焦爐用不定形耐火材料的性能,過去,日本焦爐用耐火澆注料主要用鋁酸鹽水泥作結合劑,近年來各廠普遍采用結合粘土和磷酸鹽等膠結劑配制耐火澆注料,施工后不需養生,高溫性能優良。該料用于爐門襯里時,經常摻加0.5~3.0%的耐熱鋼纖維,以提高耐火澆注料的強度和耐磨性,防止使用過程中發生龜裂或剝落。

    蘇聯在焦爐爐門、裝煤孔和煤氣上升管等部位上,一般采用鋁酸鹽水泥粘土質或高鋁質耐火混凝土作襯里,不但施工方便,而且使用壽命比粘土磚的提高1~3倍,共中爐門耐火混凝土內襯的使用濤命可達二年以上,正在焦爐上普遍推廣。

    焦爐爐頭和爐門等部位的襯里,由于溫度應力和機械磨損的作用,最易損毀,必須經過多次修補,才能配合用到一個爐役。修補方法有兩種,是局部損毀后,拆除襯里重新砌磚;一是采用耐火噴涂料直接進行噴補。

    近年來,各國焦爐用噴涂料進行噴補較多,施工已由濕法噴補向加水量少、充填程度高的干法噴補方向發展,并且采用磷酸鹽作結合劑。該種噴涂料的粘結性能好、強度大、耐磨性能好、使用壽命比水玻璃噴涂料襯里的高7倍以上。美國焦爐用硅質噴涂料中,通常添加氧化錳含量為3~8%的天然硅酸鹽礦物,使噴補層里的液相量增多,并被磚壁吸收,提高了附著能力,使用效果較好。

    另外,當焦爐炭化室爐墻產生裂縫時,可采用空氣涂粉法進行修補。該方法是將修補料霧化后,噴進炭化室空間使之浮游,同時將燃燒室的壓力降至負值,這樣就能把粉料吸進裂縫中,并充填密實而達到修補的目的。

    進人七十年代,蘇聯、西德、日本、美國和比利時等國家采用火焰噴補法修理焦爐易塤部位,效果顯著。耐火熔射料是用而火粉料和少量金屬粉配制的,它從噴槍口噴射出去以后便通過丙烷和氧氣的火焰而成熔融狀態,再噴射到爐襯上。采用該方法補爐,對原襯的損傷較小,而且噴補層致密、強度高、不脫落。例如,比利時某廠焦爐炭化室爐墻出現大裂紋,采用此法修補后,使用一年,噴補層仍然是完好的;日本采用火焰噴補法維修爐齡超過20~30年的焦爐,使其命又延長了5~10年。在焦爐日常維修中,采用火焰噴補法補爐,其噴補層一般使用兩年左右,而用濕式噴補法補爐時,噴補層僅使用1~4個月。

    應當指出,當型生產發展后,對耐火材料的要求將有較大的變化,那時焦爐將不再大量的使用硅磚砌筑爐體,而碳化硅磚、致密的高鋁質磚和半硅磚等磚種,將普遍應用。同時,輕質磚的使用量也將日益增加。



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