焦?fàn)t生產(chǎn)爐門(mén)開(kāi)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(zhǎng)。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(mén)內(nèi)襯材料是焦化工作者共同關(guān)注的課題。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的4.3m焦?fàn)t與6m焦?fàn)t上的爐門(mén)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(guò)耐火澆注料當(dāng)爐門(mén)內(nèi)襯材料,但其使用壽命不長(zhǎng)。近些年,一些超大容積焦?fàn)t爐門(mén)內(nèi)襯采用了澆注料預(yù)制塊結(jié)構(gòu),但采用國(guó)產(chǎn)化澆注料生產(chǎn)的預(yù)制塊達(dá)不到引進(jìn)的國(guó)外先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo),特別是在使用壽命方面甚至比不上從國(guó)外拆回來(lái)已使用過(guò)的模塊性能。

焦?fàn)t爐門(mén)內(nèi)襯的損毀機(jī)理及性能要求

焦?fàn)t爐門(mén)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(guò)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(zhǎng),積碳層逐步增厚,造成爐門(mén)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(mén)襯磚的損毀。

2) 熱破壞。在煉焦的每個(gè)周期中,爐門(mén)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(guò)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(mén)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(guò)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(mén)襯磚具有較長(zhǎng)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(guò)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(dòng)強(qiáng)度大,造成環(huán)境污染)。

配方選擇與性能試驗(yàn)

根據(jù)焦?fàn)t爐門(mén)工作環(huán)境與損壞機(jī)理,在研究焦?fàn)t爐門(mén)內(nèi)襯材料時(shí)一般從以下3個(gè)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(diǎn),但從總體上看,方案1比較理想,因?yàn)榉桨?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(diǎn),但存在強(qiáng)度不夠高、顯氣孔率很大、焦炭及其煉焦過(guò)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(mén)襯磚的使用要求,但價(jià)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?yàn)?

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(jià)格低廉、強(qiáng)度高,同時(shí)可制造成型模塊或整體澆注,生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單,實(shí)際使用起來(lái)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(diǎn),但是通過(guò)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(mén)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(lái)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(yàn)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(guò)改變?nèi)廴谑⒑?進(jìn)行相關(guān)性能指標(biāo)的對(duì)比分析,試驗(yàn)所用主要原料的化學(xué)組成如表1,熔融石英加入量試驗(yàn)方案如表2。有關(guān)試驗(yàn)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(wèn)題,實(shí)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(xiàng)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(jiǎn)單,安裝過(guò)程機(jī)械化程度高,勞動(dòng)強(qiáng)度低,對(duì)受損的爐門(mén)內(nèi)襯可及時(shí)進(jìn)行局部更換,同時(shí)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(zhǎng)。