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干熄焦斜道区耐火材料损毁机理及复合耐材的应用

发布时间:2020-08-04 09:24:21

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干法熄焦技术以其“节能、环保、改善焦炭质量”三大显著效益著称,10余年来在我国炼焦行业得到了迅速推广和应用,各焦化企业都积累了丰富的生产操作经验。但从已投运的干熄焦装置看,都普遍存在一个共性难题——耐火材料损蚀严重,集中反映在大型干熄炉斜道区域(包括环形风道)砌体过早磨损,往往需要提前大修,严重影响干熄焦装置的正常运行,对干熄炉寿命造成威胁。

分析干熄炉内衬的损蚀机理,对现用耐火材料进行改质优化,开发研制干熄焦专用高效耐火材料,已成为十分迫切的课题。

 

干熄焦斜道耐材使用状况

干熄炉为圆形截面竖式炉,炉体上部为预存段,中间为斜道区,下部为冷却段。斜道区作为一个组合体又可分为:斜道立柱(俗称牛腿)、斜道(立柱之间的部位)和横梁三个部份。

在斜道区,环形风道汇集了众多斜道气流,而后通向一次除尘器。斜道区砌砖逐层悬挑并承托预存段砌体的重量,同时受到因温度波动产生的热应力和焦炭粉尘的激烈冲刷,该区域内衬材料的抗热震性、抗磨损性和中高温抗折强度等都需要有着很高的要求。

斜道区除要承受装入红焦的磨损、机械冲击和热冲击,还要防止预存段与环形烟道因压力差而产生的气体窜漏现象。

早在1991年投产的宝钢二期干熄焦装置,其采用国产高级致密粘土砖来取代昂贵的进口粘土质复合砖,只用1年冷却室便出现严重磨损。

武钢第一套140t/h干熄焦装置使用我国自行研制的莫来石-碳化硅制品,投产仅11个月就发现大多数斜道立柱耐火砖出现脱落、疏松甚至断裂,从而提前进行年修;6个月后斜道立柱再次发生严重断裂,进而对36个立柱全部解体改型重砌;3个月后又发现斜道立柱砖普遍龟裂、断裂,甚至有7个立柱中部砖也发生脱落,预存段过梁砖多处出现下沉、破损。2003年12月投产至2006年3月短短的26个月内,干熄炉因斜道耐材损坏而停炉大修4次,共计150天。

尽管近年来我国已经完全掌握了干熄焦的生产操作技术,干熄炉年修时间由10-12个月延长到了16-18个月,但斜道区耐材性能仍制约着干熄炉的大修周期。

 

干熄炉斜道耐材损蚀机理分析

干熄炉是一种特殊的冶金炉窑,炉内工况条件变化大,内衬耐火材料处于一个温度频繁变化、剧烈化学侵蚀以及焦粉强烈冲刷的恶劣环境,对砌体的理化指标有特别的要求,斜道区域更要承载上部砌体的荷重并能在温度频繁波动的条件下,抵抗气流的冲刷和焦炭粉尘的磨损,其耐火材料受多种因素的侵袭而损蚀。

2.1 高温循环气流磨损

斜道区承托着环形风道以上的砌体重量及红焦下落的摩擦力,耐材受到的磨损来自两个方面,高温循环气流及运动的红焦。

干熄炉内循环气体流动剧烈,冷却红焦的氮气循环量超过了20万m3/h,在900℃的高温环境中,循环气体与红焦发生化合反应,生成一氧化碳、氢气以及游离碳等有害物质,对砌体产生化学侵蚀,引起耐火材料的熔解、损毁。高温湍急气流及逆向运动的焦粉,直接冲刷斜道区砌体,导致耐火砖磨损、剥落。现代大型干熄炉排焦量达到了260t/h,红焦在向下运动过程中与耐材产生相互挤压摩擦,导致立柱部位的边角出现磨损。

国内干熄炉所用的莫来石-碳化硅配套耐火泥,其粘结时间只有2min,且采用磷酸盐粘结剂,极易受还原性气体的侵蚀磨损,碱性气体会与呈酸性的粘结剂发生反应,分解莫来石晶相结构,致使耐材表面呈现层状脱落。正因为干熄炉烟道立柱的砖与砖之间粘结性较低、附着性差,才导致砌体疏松、砖块垮落。

2.2 原料介质机械冲击

干熄炉斜道区分布30余个立柱,每个要承受上部近10t的重量,环形风道内墙为单墙,外无依靠,当重达20t以上红焦装入干熄炉时,对环形风道内墙产生巨大的机械冲击力和热膨胀力,极易使内墙鼓胀,甚至倒塌,这就要求斜道区耐材具有较强的抗冲击能力。立柱上部处于900-1100℃左右的高温环境,故对耐材的中高温强度、抗疲劳指数等方面要求高。

国内干熄炉斜道区立柱选用莫来石-碳化硅砖,其耐压、抗折强度较低,在温度骤变及重载负荷状况下,容易产生裂纹进而发生断裂,究其原因是砖的热稳定性较差和组成结构不合理,满足不了大型干熄炉内复杂工况的要求。

2.3 温度剧变热应力

在干熄炉斜道区域,焦炭、循环气体及耐材砌体的温度沿斜道高度方向连续波动,承受350-1000℃温度区间急冷急热变化,年达3万余次,巨大的热应力会使砌体产生裂纹、变形,造成耐材拉裂、剥落。

砌体反复的热胀冷缩,加剧了耐材的体积变化,引起坚固砌体的松弛,热膨胀系数越大,松弛效应越显著,这就降低了环形烟道砌体的气密性,在内外气体压力差的条件下,导致预存段与环形烟道的气体窜漏,若内墙磨损严重变薄,窜漏更大,存在局部或小范围爆炸的危险。

 

干熄炉斜道氮化硅复合耐材研发

干熄炉用耐火材料品种繁多,砖型复杂、几乎全部是特异型制品,而且砖的外形尺寸要求严格,斜道区域及冷却室等关键部位用高性能耐火材料具有一定特殊性,包括抗热震、抗剥落和耐磨损性等指标。武钢为应对干熄焦装置频繁大修的问题,其与宜兴某窑业公司从2006年开始,规避碳化硅耐材的弊端,以碳化硅(SiC)结合四氮化三硅(Si3N4)为原料,研发出高热震耐磨的氮化硅结合碳化硅砖(氮氧复合材料),2009年3月把氮氧复合材料整体组合应用在武钢与6.0m焦炉配套的1B干熄炉斜道区(从53层至81层,由158个砖型组成)。

3.1 具有优良的理化性能指标

氮氧复合耐材采用高纯人工合成原料制作,选用优质原辅材料炭化硅砂和工业硅粉,SiC含量≥98%,Fe2O3含量≤0.5%,经过混合、成型、干燥等近20道工序,关键的渗氮焙烧工艺采用全程计算机控制,使氮气充分反应,确保显气孔率、体积密度等理化指标及Si3N4等化学成分符合要求。

3.2 具有较高的高温耐压强度

干熄炉斜道区,悬挑承托着砌筑在其上的整个预存段重量,这对耐材的强度要求极高,氮化硅复合耐材的常温和中高温强度远高于现用耐材。实测表明,氮化硅复合材料的中温耐压强度>200MPa,中温抗折>42MPa(表1),远超氧化物耐材,耐压强度和抗折强度分别超过常用的莫来石碳化硅砖近3倍和1倍,可有效抵抗红焦装入时的冲击力,增加了斜道区环形砌体的坚固性、整体性,有利于分散承重。

氮氧复合耐材铁和其他杂质含量低,游离碳对氮化物几乎不发生侵蚀作用,长期使用不会导致强度下降,从而有效地减轻和消除了砌体鼓胀现象。

3.3 具有较强的抗热震性

干熄炉耐材的高热震性是炉内稳定运行、炉衬高寿命的有效保障,所研发的氮氧复合材料同时具有高抗热震性,能较好满足热震使用条件。

(1)热膨胀系数小

氮氧复合材料在1350℃条件下的实测数据为2.6-3.2×10⁻⁶/℃,优于莫来石碳化硅6±0.5×10⁻⁶/℃,低的热膨胀系数使其具有良好的热震性,见表1。

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表1 干熄焦炉相关耐材的理化指标

(2)热导率高

氮氧复合耐材在1000℃热导率实测数据为17.46W/m·K。斜道区部位的结构错综复杂,耐材优良的导热性能有助于热量快速传导,使各部位温度均匀,有效降低因各部位温度差而造成的斜道区砌体损伤,既延缓了砌体体积变化,增加环形烟道砌体的气密性,也降低了砌体松弛效应。

(3)抗热变性好

该氮氧复合耐材经新日铁公司抽检实测,1100℃水冷次数大于80次。对武钢140t/h干熄炉氮化硅复合耐材斜道使用27个月后观察,发现立柱及斜道平整,仅有少量裂纹(图1)。

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图1  氮氧复合材料斜道使用27个月状况

3.4 具有超高的耐磨性

在斜道区域,焦炭、循环气体及耐材砌体的温度沿斜道高度方向连续波动,频繁地承受变化高温介质的摩擦,此部位的氮化硅复合耐材实测耐磨量小于2.5cm³。

武钢7.63m焦炉配套的3A、3B干熄炉,截至2014年6月,斜道区氮氧复合材料一代炉龄已满5年,迄今未进行过大修。3B干熄焦炉斜道区氮化硅复合耐材使用50个月的图片显示,牛腿根部砖几无磨损,棱角清晰,表面平整无凹槽(图2)。

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图2 氮氧复合材料斜道使用50个月状况

氮氧复合材料具有高耐磨指数材料的特性,为干熄焦装置的稳产长寿提供了基础条件。

3.5 具有超低的热膨胀性

氮氧复合材料具有低的热膨胀系数和优异的热震稳定性,增加了斜道区域砌体的坚固性。因其体积随温度变化小,斜道区的整个环形砌体体积变化程度小,使得立柱与斜道接触部的舌槽更为紧密,有利于斜道对牛腿承重,较好地达到了斜道区域对上部荷载分散承重的目的。

 

科技类标题

⑴ 干熄炉内条件复杂且工况变化大,斜道区内衬耐火材料处于高温变化、化学侵蚀以及介质强烈冲刷的恶劣环境,所用耐火材料具有一定特殊性,必须具备抗热震、抗剥落、耐磨损等性能指标。

⑵ 干熄炉斜道区氮氧复合材料具有高导热率特点,抗氧化性好,耐磨系数小,耐压强度高,热震性能好,热膨胀系数小,武钢还在砖型结构上作了“咬舌”、“暗扣”式设计改进,其氮化硅耐材整体组合工艺满足了干熄焦装置稳产长寿的需求,是行业内首家斜道砌体一代炉龄达到5年的干熄炉。目前,武钢5套140t/h干熄炉、1套190t/h干熄炉,斜道区均采用氮氧复合耐材。

⑶ 2013年我国新投产干熄焦装置21套,截至2013年底,投产运行干熄焦装置共计155套,处理能力达1.64亿t/h,有22家独立焦化企业建立了干熄焦装置。为适应我国干熄焦技术快速发展的需求,干熄炉冷却段、内环形风道部位耐材的气密性、耐磨性尚需攻关,产学研相结合,考虑综合性能,突破共性难点,以延长干熄炉整套耐材的年修时间,提高我国干熄焦技术的整体水平。
 

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