徐平坤
現(xiàn)代大型焦?fàn)t用耐火材料達到萬噸以上,磚型近千種,其中硅磚占60%~70%。進入21世紀(jì)以來,我國新建了多座大型焦?fàn)t,又逢國內(nèi)外焦?fàn)t大修周期,硅磚的需求量猛增。我國是硅磚生產(chǎn)大國,生產(chǎn)規(guī)模達40萬噸以上,除了滿足本國需要,還大量出口到日本、美國、意大利、韓國等國家,并且一些傳統(tǒng)使用的耐火材料性能及質(zhì)量有所提高,有的改用新型耐火材料。
焦?fàn)t在長期(20年~30年)使用過程中,始終處于高溫高壓狀態(tài),正常工作耐火材料溫度為1100℃左右,加熱立火道的溫度可達1550℃以上。各部分使用的耐火材料及其發(fā)展情況大致如下:
提高硅磚的導(dǎo)熱性
在炭化室的焦炭,在推焦前30min,焦餅溫度達到950℃~1050℃,燃燒室長期在1300℃以上。炭化室和燃燒室除受到高溫作用之外,還要承受上部砌體及設(shè)備的靜荷重、裝煤車及推焦機工作時的動負荷、燒結(jié)焦時膨脹所產(chǎn)生的壓力、推焦時與焦炭的摩擦作用,以及灰分、熔渣、水分和酸性氣體的侵蝕。因此,炭化室和燃燒室普遍選擇導(dǎo)熱性好、荷重軟化溫度高和高溫機械強度好的硅磚,特別是炭化室與燃燒室中間的隔墻用的硅磚有特殊的要求。提高生產(chǎn)效率是人們普遍追求的目標(biāo),焦?fàn)t實現(xiàn)這個目標(biāo)的方法如下:一是減少炭化室與燃燒室隔墻的厚度,以前這樣的隔墻厚度為125mm,現(xiàn)在一些大型焦?fàn)t的厚度已減至95mm。二是提高硅磚的熱導(dǎo)率,將燃燒室的煙氣熱量加速傳給炭化室里的煤料,縮短炭化時間,提高產(chǎn)量。據(jù)測算一座寬為44cm的炭化室,隔墻厚度為11cm,所用硅磚熱導(dǎo)率為1.867W/(m·K),加熱溫度為1349℃,生產(chǎn)率為9.8kg/(m2·h),當(dāng)硅磚熱導(dǎo)率為2.09W/(m·K)時,在其他條件相同的情況下,焦?fàn)t生產(chǎn)率可提高10%,如果熱導(dǎo)率提高到2.904W/(m·K),則生產(chǎn)率可提高50%。
由于高導(dǎo)熱性硅磚能加速傳熱過程,因而可降低燃燒煙氣的溫度,有利于節(jié)約能源、降低燃料消耗,同時還減輕對環(huán)境的污染。因為煙氣中氮氧化物的濃度與溫度有關(guān),加熱溫度越高,氮氧化物的濃度也越高。近年來,國內(nèi)外對提高硅磚的導(dǎo)熱性進行了大量研究,得出的結(jié)果大致如下:
——要提高硅磚的體積密度。生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)硅磚要選擇雜質(zhì)含量低,特別是Al2O3低的純凈硅石做原料。要盡量提高硅磚體積密度,降低氣孔率。因為氣孔率與熱導(dǎo)率有直接關(guān)系,當(dāng)硅磚的氣孔率從20%~21%降低到13%~14%時,它的熱導(dǎo)率(1100℃時)提高約25%~30%。
——在硅磚的配料中加入添加劑。國內(nèi)研究人員加入1.5%~2.5%的Fe2O3 ,可促進鱗石英轉(zhuǎn)化,熱導(dǎo)率提高,使焦?fàn)t生產(chǎn)能力提高9%。近年來,又有人研究采用燒成時能轉(zhuǎn)化成SiO2的添加劑,如SiC、Si3N4和硅粉,一般添加量為0.5%~10%。在燒成過程中,添加劑被氧化轉(zhuǎn)化成SiO2,它與基質(zhì)中的SiO2熔合在一起,使硅磚的體積密度提高5%~8%,顯氣孔率降低到12%~17%,耐壓強度提高40%~120%,熱導(dǎo)率提高15%~40%,抗折強度提高35%~55%。
——關(guān)注鱗石英含量與真密度。從礦物組成來看,硅磚的熱導(dǎo)率主要取決于鱗石英的含量,磚中鱗石英含量從35%提高到50%,熱導(dǎo)率提高15%~20%。鱗石英晶體具有相互交錯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),不但導(dǎo)熱性能好,而且還具有較高的荷重軟化溫度和機械強度、高溫下的體積穩(wěn)定性等,鱗石英含量是評價硅磚質(zhì)量的重要指標(biāo)。一般通過硅磚的真密度可以看出硅磚的質(zhì)量,當(dāng)真密度為2.30g/cm3~2.32g/cm3的硅磚比較好,大于2.32g/cm3的硅磚中殘余石英含量偏高。硅磚質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)是真密度,其直接影響焦?fàn)t的膨脹量與爐體的完好率。
我國焦?fàn)t硅磚的發(fā)展
硅磚質(zhì)量是確保焦?fàn)t爐體一代爐齡的基本條件,它砌筑于焦?fàn)t的心臟部位,對基本性能及外形尺寸要求很高。一些大型耐火材料生產(chǎn)企業(yè)對焦?fàn)t硅磚生產(chǎn)工藝進行深入細致研究和改進。如某廠采用結(jié)晶硅石與膠結(jié)硅石并用,合理配料,降低原料臨界顆粒尺寸和礦化劑加入量、延長燒成保溫時間,生產(chǎn)出鱗石英含量為70%~75%、殘余石英含量≤0.7%、真密度小于2.32g/cm3的優(yōu)質(zhì)硅磚。過去,我國硅磚的殘余石英量一般都在1%以上,而現(xiàn)在出口硅磚的殘余石英量已降低到1%以下,有的甚至趨近于零,達到世界先進水平。
蓄熱室及小煙道:蓄熱室、小煙道及格子磚在進行熱交換時,受到溫度急變的影響。因此,小煙道襯磚和蓄熱室格子磚過去都選擇熱震穩(wěn)定性好的粘土磚,而7.63m焦?fàn)t采用半硅磚。
粘土磚:我國現(xiàn)在仍大量生產(chǎn)粘土磚,一般粘土磚的熱震穩(wěn)定性比較好。安徽一單位在粘土磚配料中加入紅柱石和硅線石等添加物,使粘土磚的熱震穩(wěn)定性大于50次,最高達278次,顯氣孔率為17.1%。但粘土磚的不足是在高溫條件下使用時磚體產(chǎn)生收縮、磚縫擴大、漏風(fēng)漏氣,同時也影響爐體壽命。
半硅質(zhì)耐火材料是指SiO2含量在60%以上、Al2O3含量在15%~30%的硅酸鋁質(zhì)耐火材料。我國一般采用高硅質(zhì)粘土制磚,也有用硅石與軟質(zhì)粘土配料,制造工藝與粘土磚相似。最好還是采用葉蠟石為原料生產(chǎn)半硅磚。
爐頂、涼焦臺等部位的耐火材料:爐頂及涼焦臺受濕熱焦炭的沖刷磨損、含酸性介質(zhì)的熱水汽侵蝕、焦炭熱沖擊損傷、環(huán)境溫度變化等因素的影響,導(dǎo)致爐頂及涼焦臺損傷。因此,一些焦?fàn)t使用缸磚,但其配方復(fù)雜、價格昂貴。有企業(yè)用蠟石磚代替缸磚后,使用壽命達10年以上。葉蠟石加熱到1400℃時,其莫氏硬度從常溫的1~2級提高到7~8級,而強度也有很大提高,因此,蠟石磚的耐磨性很好。蠟石磚的熱膨脹率在900℃時達到0.744%~0.831%,熱震穩(wěn)定性達到20次以上,使焦?fàn)t密封性好并能抵抗溫度變化,同時也能抵抗酸性物質(zhì)及氣體、炭素、焦油的侵蝕,因為蠟石磚的耐酸度達93.5%。
爐門用耐火材料:焦?fàn)t的爐門以及煙道(上升管及橋管)和加煤孔、配套的爐蓋,普遍使用粘土磚、保溫磚及堇青石磚砌筑和耐熱耐磨的特種合金鋼板(磚套和爐蓋)。這種砌體和鋼板保溫效果差,使用壽命短(一般在1年~2年),整體性差,密封不嚴(yán),污染空氣,砌體尺寸厚,占用焦?fàn)t工作空間大,空間利用率低,干餾率(成焦率)一般,燃料浪費嚴(yán)重。針對爐門使用粘土磚及堇青石磚的缺陷,寶鋼開發(fā)出了表面涂釉處理的莫來石—堇青石澆注料預(yù)制塊,組成整體結(jié)構(gòu)的爐門內(nèi)襯。
應(yīng)用結(jié)果表明,由于材料的優(yōu)良保溫性能,爐門的散熱大大降低。經(jīng)過實測,爐門本體的外表溫度比原爐門的外表溫度低50℃~70℃,降低了能源消耗;新爐門內(nèi)襯厚度比原爐門減薄70mm,增加了炭化室容積;新型爐門的使用效果好于粘土磚及保溫磚,使用壽命在4年以上,解決了焦?fàn)t的節(jié)能環(huán)保問題,是大型焦?fàn)t爐門的發(fā)展方向。
爐頭用耐火材料:燃燒室兩側(cè)爐頭在爐門開閉過程中溫度變化大,且受動荷載的影響,一般選用高鋁磚;近年來,開始選用熱震穩(wěn)定性好的紅柱石磚或硅線石磚。
硅質(zhì)泥漿:硅質(zhì)泥漿是砌筑焦?fàn)t爐體硅磚的粘結(jié)材料,它的質(zhì)量直接影響爐體的砌筑質(zhì)量和使用壽命。泥漿的臨界顆粒尺寸是按砌磚灰縫大小來決定的,普遍在0.5mm~1mm。在硅質(zhì)泥漿中加入2%~5%的硼砂,砌體接縫會黏結(jié)得十分堅固,砌體抗熱震性得到提高,從而延長焦?fàn)t壽命。
焦?fàn)t的維修
大部分焦?fàn)t砌體都是通過熱修補來維護,常有人用高鋁熟料、磷酸或磷酸二氫鋁結(jié)合劑,采用噴涂或涂抹的方法修補損毀部位。但磷酸或磷酸二氫鋁結(jié)合劑在熱磚表面形成蒸汽層,800℃~1000℃時強度下降,一般只能使用2~3個月。日本新日鐵公司采用w(SiO2)為94.4%、w(Al2O3)為1.2%、w(CaO)為2.3%、w(K2O+Na2O)為2.1%、粒度小于0.2mm的SiO2質(zhì)粉料,用火焰噴補,附著率可達100%。
我國火焰噴補料的要求是SiO2含量為60%~68%,耐火度為1250℃~1280℃,通過0.25mm篩網(wǎng),小于0.125mm的噴補料占65%~70%。日本火焰噴補的耐用性一般在3年以上。我國先后在攀鋼、本鋼、酒鋼、濟鋼等20多家單位的焦化廠使用火焰噴補法對焦?fàn)t進行了噴補,噴補層耐用性大多數(shù)在3~4年,本鋼焦?fàn)t耐用性更高,在4年以上。如果一座焦?fàn)t自始至終采用火焰噴補維修,一代爐齡可延長10年~15年。但火焰噴補維修成本較高,效率低的火焰噴補適合焦?fàn)t小面積損傷的維修。對于維修任務(wù)重的老齡焦?fàn)t來說,改進傳統(tǒng)的維修工藝或介于二者之間的工藝——半干法維修,是比較好的辦法。烏克蘭一家公司開發(fā)出修復(fù)焦?fàn)t用的熔融石英磚,采用熔融石英骨料,石英微粉和水玻璃干粉結(jié)合劑配料,制品的抗折強度達24.1MPa,氣孔率為16%,耐火度為1740℃。日本某公司開發(fā)出一種熱修用的焦?fàn)t硅磚,真密度為2.28,熱震穩(wěn)定性比普通硅磚好。