焦爐生產爐門開啟頻繁,表面溫度高、裝煤出焦溫度變化大,操作環境差,使用壽命不長。尋求一種強度高、重量輕、保溫性好、熱穩定性優的新型爐門內襯材料是焦化工作者共同關注的課題。國內傳統的4.3m焦爐與6m焦爐上的爐門內襯結構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爐門內襯材料,但其使用壽命不長。近些年,一些超大容積焦爐爐門內襯采用了澆注料預制塊結構,但采用國產化澆注料生產的預制塊達不到引進的國外先進技術設計指標,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。

　　焦爐爐門內襯的損毀機理及性能要求

　　焦爐爐門損壞因素歸納如下:

　　1) 化學侵蝕。煉焦過程的產物較復雜,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物的化學侵蝕。這些活潑的氣態和液態熱解產物,首先通過磚的顯氣孔擴散到磚的內部,最終與磚內物質發生化學反應及物理擴散破壞磚的晶格組織,降低磚的綜合物理性能。

　　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,導致襯磚表面裂紋以及在邊角處熱應力集中,常發生磚角破損現象。

　　3) 積碳清理受到的機械損傷。焦爐在使用過程中,煉焦產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,造成爐門關閉不嚴,導致漏氣冒火。積碳的清理常用機械鏟除和高壓水沖等方法,由此產生的機械力加速爐門襯磚的損毀。

　　要使爐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)具有良好的熱震穩定性,經得起焦爐生產過程中的熱沖擊;2)具備較高的強度;3)具有極低的熱傳導系數和密度(可降低能耗,節約成本,改善工作環境);4)具有高的抗化學侵蝕性能;5)具有抗結碳能力(去碳勞動強度大,造成環境污染)。

　　配方選擇與性能試驗

　　根據焦爐爐門工作環境與損壞機理,在研究焦爐爐門內襯材料時一般從以下3個方案進行考慮:

　　1)方案1,選擇粘土-熔融石英質材料;

　　2)方案2,選擇輕質隔熱材料;

　　3)方案3,選擇堇青石質材料。

　　這3種方案,各有優缺點,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,隔熱質材料具有導熱率低,熱膨脹系數和彈性模量小,抗熱震性較好等特點,但存在強度不夠高、顯氣孔率很大、焦炭及其煉焦過程的一些化學產物更容易滲透到襯磚內部進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度、很低的導熱系數和良好的熱震穩定性,其平均熱膨脹系數約為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為主,粘土質材料具有價格低廉、強度高,同時可制造成型模塊或整體澆注,生產工藝簡單,實際使用起來比較方便;2)粘土質材料雖然具有熱膨脹系數和彈性模量大、抗熱震性不好、導熱系數大、保溫性能差等缺點,但是通過在粘土質中引入熱膨脹系數極低的熔融石英,可利用材料整體熱膨脹系數降低和微裂紋增韌的雙重作用,可顯著地提高粘土質內襯的抗熱震性;由于熔融石英體積密度和導熱系數均低于粘土,將熔融石英引入傳統粘土磚中,可降低襯磚的質量和導熱系數,以滿足焦爐爐門的使用性能。

　　在耐火材料中引入低熱膨脹系數的第二相,利用耐火材料中顆粒與基質相熱膨脹系數不一致的特性,使制品內產生微裂紋或微氣孔,可顯著提高耐火材料的抗熱震性。熔融石英熱膨脹系數約2×10-6/℃,遠小于粘土熟料的莫來石及方石英的熱膨脹系數。如果選擇以顆粒狀的熔融石英引入到粘土質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。為了降低基質中雜質含量,盡量抑制熔融石英向方石英轉變,在試驗中選擇以純鋁酸鈣水泥而非礬土水泥為結合劑,體系定位于低水泥澆注料體系,通過改變熔融石英含量,進行相關性能指標的對比分析有關試驗結果如下。

　　1)線變化率。熔融石英的加入量對澆注料線變化率的影響,澆注料在800℃燒后均為膨脹狀態,在1100℃燒后均為收縮狀態,且變化率都不大。

　　2)強度。熔融石英加入量對澆注料強度的影響如圖2,抗折強度隨著熔融石英加入量的增大而逐步遞減;而耐壓強度總體呈現下降的趨勢。

　　3)體積密度和顯氣孔率。澆注料的體積密度和顯氣孔率均隨著熔融石英加入量的增大逐步減小。

　　4)抗熱震性。隨著熔融石英加入量的增大,澆注料5次水冷熱震后的抗折強度保持率逐步增大。

　　為進一步證實粘土-熔融石英質澆注料與普通粘土澆注料之間的各項性能,進行了對比實驗,對比檢測結果表明,粘土-熔融石英質澆注料在線變化、抗壓強度、抗折強度與粘土質澆注料的性能相差不大,但在抗熱震性方面明顯優于普通粘土質澆注料。

　　應用及效果

　　根據實驗數據,優化后按配方B生產了4個爐門的澆注料預制塊,并應用于武鋼2號7.63m焦爐中。通過與國內其他廠家生產的澆注料預制塊相比,根據配方B生產制作的預制塊成型好、不存在掉角現象,烘爐后的外觀質量也很好,沒有出現細裂紋(見圖6),保溫性能較好(如表5),可以滿足焦爐生產要求。該產品推廣于沙鋼2座7.63m焦爐,應用至今已經使用4年,目前爐門內襯狀況良好。

　　結 語

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

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