焦?fàn)t生產(chǎn)爐門開啟頻繁,表面溫度高、裝煤出焦溫度變化大,操作環(huán)境差,使用壽命不長。尋求一種強(qiáng)度高、重量輕、保溫性好、熱穩(wěn)定性優(yōu)的新型爐門內(nèi)襯材料是焦化工作者共同關(guān)注的課題。國內(nèi)傳統(tǒng)的4.3m焦?fàn)t與6m焦?fàn)t上的爐門內(nèi)襯結(jié)構(gòu)基本上采用堇青石磚及粘土磚等小型耐火磚砌筑,也有焦化廠試用過耐火澆注料當(dāng)爐門內(nèi)襯材料,但其使用壽命不長。近些年,一些超大容積焦?fàn)t爐門內(nèi)襯采用了澆注料預(yù)制塊結(jié)構(gòu),但采用國產(chǎn)化澆注料生產(chǎn)的預(yù)制塊達(dá)不到引進(jìn)的國外先進(jìn)技術(shù)設(shè)計指標(biāo),特別是在使用壽命方面甚至比不上從國外拆回來已使用過的模塊性能。

焦?fàn)t爐門內(nèi)襯的損毀機(jī)理及性能要求

焦?fàn)t爐門損壞因素歸納如下:

1) 積碳清理受到的機(jī)械損傷。焦?fàn)t在使用過程中,煉焦產(chǎn)物如焦油等牢固粘附于襯磚表面,隨著使用周期的延長,積碳層逐步增厚,造成爐門關(guān)閉不嚴(yán),導(dǎo)致漏氣冒火。積碳的清理常用機(jī)械鏟除和高壓水沖等方法,由此產(chǎn)生的機(jī)械力加速爐門襯磚的損毀。

2) 熱破壞。在煉焦的每個周期中,爐門襯磚受到3次熱沖擊,即1000℃到室溫,室溫到700℃,700℃到室溫,導(dǎo)致襯磚表面裂紋以及在邊角處熱應(yīng)力集中,常發(fā)生磚角破損現(xiàn)象。

3) 化學(xué)侵蝕。煉焦過程的產(chǎn)物較復(fù)雜,主要包括H2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、CO、CO2、N2、苯、甲苯、二甲苯以及一些其他化合物,爐門襯磚一直受到這些產(chǎn)物的化學(xué)侵蝕。這些活潑的氣態(tài)和液態(tài)熱解產(chǎn)物,首先通過磚的顯氣孔擴(kuò)散到磚的內(nèi)部,與磚內(nèi)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及物理擴(kuò)散破壞磚的晶格組織,降低磚的綜合物理性能。

要使?fàn)t門襯磚具有較長的使用壽命,襯磚必須具備以下基本性能:1)具有良好的熱震穩(wěn)定性,經(jīng)得起焦?fàn)t生產(chǎn)過程中的熱沖擊;2)具備較高的強(qiáng)度;3)具有極低的熱傳導(dǎo)系數(shù)和密度(可降低能耗,節(jié)約成本,改善工作環(huán)境);4)具有高的抗化學(xué)侵蝕性能;5)具有抗結(jié)碳能力(去碳勞動強(qiáng)度大,造成環(huán)境污染)。

配方選擇與性能試驗

根據(jù)焦?fàn)t爐門工作環(huán)境與損壞機(jī)理,在研究焦?fàn)t爐門內(nèi)襯材料時一般從以下3個方案進(jìn)行考慮:

1)方案1,選擇粘土-熔融石英質(zhì)材料;

2)方案2,選擇輕質(zhì)隔熱材料;

3)方案3,選擇堇青石質(zhì)材料。

這3種方案,各有優(yōu)缺點,但從總體上看,方案1比較理想,因為方案2中采用隔熱材料,隔熱質(zhì)材料具有導(dǎo)熱率低,熱膨脹系數(shù)和彈性模量小,抗熱震性較好等特點,但存在強(qiáng)度不夠高、顯氣孔率很大、焦炭及其煉焦過程的一些化學(xué)產(chǎn)物更容易滲透到襯磚內(nèi)部進(jìn)而侵蝕襯磚等缺陷和弊端。方案3中采用堇青石材料,堇青石襯磚擁有較高的強(qiáng)度、很低的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的熱震穩(wěn)定性,其平均熱膨脹系數(shù)約為2×10-6/℃(25～1000℃),能滿足爐門襯磚的使用要求,但價格很貴,砌筑要求較高,局部損壞后更換困難。

選擇方案1的主要原因為:

1)方案1中主要材料以粘土質(zhì)為主,粘土質(zhì)材料具有價格低廉、強(qiáng)度高,同時可制造成型模塊或整體澆注,生產(chǎn)工藝簡單,實際使用起來比較方便;

2)粘土質(zhì)材料雖然具有熱膨脹系數(shù)和彈性模量大、抗熱震性不好、導(dǎo)熱系數(shù)大、保溫性能差等缺點,但是通過在粘土質(zhì)中引入熱膨脹系數(shù)極低的熔融石英,可利用材料整體熱膨脹系數(shù)降低和微裂紋增韌的雙重作用,可顯著地提高粘土質(zhì)內(nèi)襯的抗熱震性;由于熔融石英體積密度和導(dǎo)熱系數(shù)均低于粘土,將熔融石英引入傳統(tǒng)粘土磚中,可降低襯磚的質(zhì)量和導(dǎo)熱系數(shù),以滿足焦?fàn)t爐門的使用性能。

在耐火材料中引入低熱膨脹系數(shù)的第二相,利用耐火材料中顆粒與基質(zhì)相熱膨脹系數(shù)不一致的特性,使制品內(nèi)產(chǎn)生微裂紋或微氣孔,可顯著提高耐火材料的抗熱震性。熔融石英熱膨脹系數(shù)約2×10-6/℃,遠(yuǎn)小于粘土熟料的莫來石及方石英的熱膨脹系數(shù)。如果選擇以顆粒狀的熔融石英引入到粘土質(zhì)澆注料中取代相同粒度的粘土顆粒,從而保證澆注料的整體粒度分布不變。為了降低基質(zhì)中雜質(zhì)含量,盡量抑制熔融石英向方石英轉(zhuǎn)變,在試驗中選擇以純鋁酸鈣水泥而非礬土水泥為結(jié)合劑,體系定位于低水泥澆注料體系,通過改變?nèi)廴谑⒑?進(jìn)行相關(guān)性能指標(biāo)的對比分析,試驗所用主要原料的化學(xué)組成如表1,熔融石英加入量試驗方案如表2。有關(guān)試驗結(jié)果如下。

1)在普通粘土澆注料引入熱膨脹系數(shù)極低的熔融石英,利用材料整體熱膨脹系數(shù)降低和微裂紋增韌的雙重作用,顯著提高粘土質(zhì)為主體的內(nèi)襯的抗熱震性,解決了強(qiáng)度高與抗熱震性、保溫性能好相矛盾的問題,實踐證明,粘土-熔融石英質(zhì)澆注料的強(qiáng)度與抗熱震性及保溫性能等各項指標(biāo)可滿足生產(chǎn)要求。

2)可以把澆注料制作成大型模塊,安裝工藝簡單,安裝過程機(jī)械化程度高,勞動強(qiáng)度低,對受損的爐門內(nèi)襯可及時進(jìn)行局部更換,同時其保溫性能、強(qiáng)度、耐急冷急熱性均比較好,不需要高溫焙燒,節(jié)能環(huán)保,使用壽命長。