焦炉生产炉门开启频繁,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。寻求一种强度高、重量轻、保温性好、热稳定性优的新型炉门内衬材料是焦化工作者共同关注的课题。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。

　　焦炉炉门内衬的损毁机理及性能要求

　　焦炉炉门损坏因素归纳如下:

　　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。

　　要使炉门衬砖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)。

　　配方选择与性能试验

　　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:

　　1)方案1,选择粘土-熔融石英质材料;

　　2)方案2,选择轻质隔热材料;

　　3)方案3,选择堇青石质材料。

　　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的主要原因为:

　　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。

　　在耐火材料中引入低热膨胀系数的第二相,利用耐火材料中颗粒与基质相热膨胀系数不一致的特性,使制品内产生微裂纹或微气孔,可显著提高耐火材料的抗热震性。熔融石英热膨胀系数约2×10-6/℃,远小于粘土熟料的莫来石及方石英的热膨胀系数。如果选择以颗粒状的熔融石英引入到粘土质浇注料中取代相同粒度的粘土颗粒,从而保证浇注料的整体粒度分布不变。为了降低基质中杂质含量,尽量抑制熔融石英向方石英转变,在试验中选择以纯铝酸钙水泥而非矾土水泥为结合剂,体系定位于低水泥浇注料体系,通过改变熔融石英含量,进行相关性能指标的对比分析有关试验结果如下。

　　1)线变化率。熔融石英的加入量对浇注料线变化率的影响,浇注料在800℃烧后均为膨胀状态,在1100℃烧后均为收缩状态,且变化率都不大。

　　2)强度。熔融石英加入量对浇注料强度的影响如图2,抗折强度随着熔融石英加入量的增大而逐步递减;而耐压强度总体呈现下降的趋势。

　　3)体积密度和显气孔率。浇注料的体积密度和显气孔率均随着熔融石英加入量的增大逐步减小。

　　4)抗热震性。随着熔融石英加入量的增大,浇注料5次水冷热震后的抗折强度保持率逐步增大。

　　为进一步证实粘土-熔融石英质浇注料与普通粘土浇注料之间的各项性能,进行了对比实验,对比检测结果表明,粘土-熔融石英质浇注料在线变化、抗压强度、抗折强度与粘土质浇注料的性能相差不大,但在抗热震性方面明显优于普通粘土质浇注料。

　　应用及效果

　　根据实验数据,优化后按配方B生产了4个炉门的浇注料预制块,并应用于武钢2号7.63m焦炉中。通过与国内其他厂家生产的浇注料预制块相比,根据配方B生产制作的预制块成型好、不存在掉角现象,烘炉后的外观质量也很好,没有出现细裂纹(见图6),保温性能较好(如表5),可以满足焦炉生产要求。该产品推广于沙钢2座7.63m焦炉,应用至今已经使用4年,目前炉门内衬状况良好。

　　结 语

　　1)在普通粘土浇注料引入热膨胀系数极低的熔融石英,利用材料整体热膨胀系数降低和微裂纹增韧的双重作用,显著提高粘土质为主体的内衬的抗热震性,解决了强度高与抗热震性、保温性能好相矛盾的问题,实践证明,粘土-熔融石英质浇注料的强度与抗热震性及保温性能等各项指标可满足生产要求。

　　2)可以把浇注料制作成大型模块,安装工艺简单,安装过程机械化程度高,劳动强度低,对受损的炉门内衬可及时进行局部更换,同时其保温性能、强度、耐急冷急热性均比较好,不需要高温焙烧,节能环保,使用寿命长。