焦炉炉门内衬耐火浇注料的损坏机理分析以及解决方案

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焦炉生产时，炉门开启频繁,表面温度高、装煤出焦温度变化大,操作环境差,使用寿命不长。国内传统的4.3m焦炉与6m焦炉上的炉门内衬结构基本上采用堇青石砖及粘土砖等小型耐火砖砌筑,也有焦化厂试用过耐火浇注料当炉门内衬材料,但其使用寿命不长。近些年,一些超大容积焦炉炉门内衬采用了浇注料预制块结构,但采用国产化浇注料生产的预制块达不到引进的国外先进技术设计指标,特别是在使用寿命方面甚至比不上从国外拆回来已使用过的模块性能。

01焦炉炉门损坏因素

1、化学侵蚀

炼焦过程的产物较复杂,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,炉门衬砖一直受到这些产物的化学侵蚀。这些活泼的气态和液态热解产物,首先通过砖的显气孔扩散到砖的内部,最终与砖内物质发生化学反应及物理扩散破坏砖的晶格组织,降低砖的综合物理性能。

2、热破坏

在炼焦的每个周期中,炉门衬砖受到3次热冲击,即1000℃到室温,室温到700℃,700℃到室温,导致衬砖表面裂纹以及在边角处热应力集中,常发生砖角破损现象。

3、积碳清理受到的机械损伤

焦炉在使用过程中,炼焦产物如焦油等牢固粘附于衬砖表面,随着使用周期的延长,积碳层逐步增厚,造成炉门关闭不严,导致漏气冒火。积碳的清理常用机械铲除和高压水冲等方法,由此产生的机械力加速炉门衬砖的损毁。

解决方案

根据焦炉炉门工作环境与损坏机理,在研究焦炉炉门内衬材料时一般从以下3个方案进行考虑:

方案1,选择粘土-熔融石英质材料;方案2,选择轻质隔热材料;方案3,选择堇青质材料。

这3种方案,各有优缺点,但从总体上看,方案1比较理想,因为方案2中采用隔热材料,隔热质材料具有导热率低,热膨胀系数和弹性模量小,抗热震性较好等特点,但存在强度不够高、显气孔率很大、焦炭及其炼焦过程的一些化学产物更容易渗透到衬砖内部进而侵蚀衬砖等缺陷和弊端。方案3中采用堇青石材料,堇青石衬砖拥有较高的强度、很低的导热系数和良好的热震稳定性,其平均热膨胀系数约为2×10-6/℃(25～1000℃),能满足炉门衬砖的使用要求,但价格很贵,砌筑要求较高,局部损坏后更换困难。

选择方案1的主要原因

1)方案1中主要材料以粘土质为主,粘土质材料具有价格低廉、强度高,同时可制造成型模块或整体浇注,生产工艺简单,实际使用起来比较方便;2)粘土质材料虽然具有热膨胀系数和弹性模量大、抗热震性不好、导热系数大、保温性能差等缺点,但是通过在粘土质中引入热膨胀系数极低的熔融石英,可利用材料整体热膨胀系数降低和微裂纹增韧的双重作用,可显著地提高粘土质内衬的抗热震性;由于熔融石英体积密度和导热系数均低于粘土,将熔融石英引入传统粘土砖中,可降低衬砖的质量和导热系数,以满足焦炉炉门的使用性能。

焦炉炉门耐火材料的要求

从以上几种情况分析，要使炉门内衬耐火材料具有较长的使用寿命,衬砖必须具备以下基本性能:1)具有良好的热震稳定性,经得起焦炉生产过程中的热冲击;2)具备较高的强度;3)具有极低的热传导系数和密度(可降低能耗,节约成本,改善工作环境);4)具有高的抗化学侵蚀性能;5)具有抗结碳能力(去碳劳动强度大,造成环境污染)。