第05章炼焦炉的机械设备

炼焦炉的机械设备第五章炼焦炉的机械设备第一节筑炉材料第二节护炉设备第三节煤气设备第四节焦炉机械炼焦炉的机械设备第一节筑炉材料一、耐火材料的性质通常以下列指标来衡量耐火材料的性能。（1）气孔率耐火材料中有许多大小不一形状各异的气孔，气孔率即气孔的总体积占耐火制品总体积的百分比，它表示耐火材料的致密程度。通常所说的气孔率是指不计闭口气孔（不和大气相通的气孔）的开口气孔率，又叫显气孔率。因耐火制品的用途不同，对气孔率的要求也各不相同。一般是气孔率愈小，导热性愈好，耐火砖的耐压强度也愈高，但吸水性能差，且耐冷热急变性能差。（2）体积密度和真密度体积密度是指包括全部气孔在内的每m3耐火砖的质量。真密度是指不包括气孔在内的单位体积耐火材料质量与同体积水的比值，由于不同的石英晶型其真密度不同，因此测定硅砖的真密度可以了解其烧成情况。炼焦炉的机械设备（3）热膨胀性耐火制品受热后，一般都会发生膨胀，这种性质称为热膨胀性。它可用线膨胀率α或体积膨胀率β来表示。不同的温度范围内，其膨胀率是不同的。×100℅×100℅式中L0、V0——室温下试样的原始长度和体积；Lt、Vt——温度升高至t℃时试样的长度和体积。（4）导热性耐火制品的导热性，取决于其相组成和组织结构，用导热系数“”来表示，其法定单位为kJ/(m·h·℃)，多数耐火制品的导热系数随温度的升高而增大（如硅砖、黏土砖等），也有些制品则相反（如镁砖和碳化硅砖）。00llltt00VVVtt炼焦炉的机械设备（5）耐火度耐火材料在高温下抵抗熔融性能的指标，但不是熔融温度。一般物质有一定的熔点，耐火材料却不同，它从部分开始熔融到全部熔化，其间温差达几百度，而且熔融现象还受升温速度影响，因此目前均采用比较法测定耐火度。用高岭土、氧化铝和石英按不同配比制成规定尺寸的三角锥状标准试样称示温熔锥，它们的耐火度是已知的，将待测试样按规定制成三角锥状，和示温熔锥同时置于高温炉内，以一定的速度升温，当待测试样和某一个标准试样同时软化弯倒，锥角与底盘接触时，该标准试样的耐火度即待测试样的耐火度，因此耐火度是熔融现象发展到软化弯倒时的温度。炼焦炉的机械设备（6）荷重软化温度耐火制品的常温耐压强度很高，但在高温下由于耐火材料中低熔点化合物过早熔化并产生液相而使结构强度显著降低，耐火制品在高温下都要承受一定的负荷，所以测定它的高温强度意义很大。一般用荷重软化温度作为耐火制品高温结构强度的指标。测定方法是用规定尺寸的圆柱体在0.2МPa的压力下，以一定的升温速度加热，随着温度的升高，试样将产生一定数量的变形，当试样的最大高度降低0.6℅时的温度，即为荷重软化温度(或称荷重软化点)。黏土砖荷重变形曲线比较平坦，开始变形和终了变形的温度差可达200～250℃，而硅砖达到变形温度后立即破坏，开始到终了仅差10～15℃。炼焦炉的机械设备（7）高温体积稳定性耐火材料在高温下长期使用时，其成分会继续变化，产生再结晶和进一步的烧结现象，因此耐火制品体积会有变化。由于各种制品的化学成分不同，有的收缩，有的膨胀，且这种变化是不可逆的，故称为残余收缩和残余膨胀，其数值用制品加热到1200～1500oC(因耐火制品种类不同而异)，保温2h，冷却到常温的体积变化百分率（%）来表示。高温体积稳定性=×100℅式中V0——试样加热前的体积；V——试样加热并冷却后的体积。正值表示残余膨胀，负值表示残余收缩。00VVV炼焦炉的机械设备（8）温度激变抵抗性是耐火制品抵抗温度激变而不损坏的性能。将试样加热到85010℃后保温40分钟，放在流动的凉水中冷却，并反复进行，直到试样碎裂后脱落部分的质量占原试样质量的20%时止，此时其经受的急冷急热次数，就作为该制品耐急冷急热性能的指标。耐火制品的热稳定性与热膨胀性有很大的关系，若制品的线膨胀系数大，则由于制品内部温度不均匀而引起不同程度的膨胀，从而产生较大的内应力，降低了制品的热稳定性。此外，制品的形状越复杂，尺寸越大，其热稳定性也越差。经上述测定不同的耐火制品差别很大，如硅砖抵抗性最差仅1～2次，普通黏土砖10～20次，而粗粒黏土砖可达25～100次。一些耐火制品的基本特性如表5-1所示。炼焦炉的机械设备炼焦炉的机械设备总之，砌筑焦炉用耐火材料应满足下列基本要求：①荷重软化温度高于所在部位的最高温度；②所在部位的最高温度变化范围内，具有抗温度激变性能；③能抵抗所在部位可能遇到的各种介质的侵蚀；④炭化室墙具有良好的导热性能，格子砖具有良好的蓄热能力。炼焦炉的机械设备二、焦炉用耐火材料1.SiO2晶型转变与硅砖特性硅砖是以石英岩为原料，经粉碎，并加入黏结剂（如石灰乳）、矿化剂（如铁粉），再经混合、成型、干燥和按计划加热升温而烧成的。硅砖含SiO2大于93%，系酸性耐火材料，具有良好的抗酸性侵蚀能力，硅砖的导热性能好，耐火度为1690～1710℃，荷重软化点可高达1640℃，无残余收缩，其缺点是耐急冷急热性能差，热膨胀性强。SiO2在不同的温度下能以不同的晶型存在，在晶型转化时会产生体积的变化，并产生内应力，故硅砖的制造性能和使用与SiO2的晶型转变有密切关系。炼焦炉的机械设备SiO2能以三种结晶型态存在，即石英、方石英和鳞石英，而每一种结晶形态又有几种同质异晶体。即：-石英、-石英；-方石英、-方石英；-鳞石英、-鳞石英、-鳞石英。三种形态及其同质异晶体，是以晶型的密度不同来彼此区分的。它们在一定的温度范围内是稳定的，超过此温度范围，即发生晶型转变。炼焦炉的机械设备在制造硅砖的原料硅石中，Sio2以β-石英存在，在干燥、烧成过程中，β-石英首先转化为α-石英，然后再转化为α-方石英和α-鳞石英；在1670℃时，α-鳞石英将转化为非晶型的石英玻璃，在1710℃时，α-方石英也会转化为石英玻璃。在烧成的硅砖内，由于温度不均及晶型转变的时间和条件的差异，总是三种晶型共存的，甚至还有石英玻璃。烧成硅砖中的α-石英，α-鳞石英和α-方石英在冷却过程中转变为相应的低温型，即β-石英，γ-鳞石英和β-方石英，当制成的硅砖用于砌筑焦炉后再次升温时，这些低温晶型会逐渐转变为高温晶型。以上转变的温度、条件以及相应的膨胀量见图5-1所示。炼焦炉的机械设备炼焦炉的机械设备从图5-1中可以看出，这种转变可分为两种，一种是横向的迟钝型转变，它是晶格重排过程，这是从一种结晶构造过渡到另一种新的结晶构造。这种转变是从结晶的边缘开始向结晶中心缓慢地进行，需较长时间，且在一定的温度范围内才能完成，一般只向一个方向进行。但在实际烧成过程中，SiO2并非是单一从-石英—-鳞石英—-方石英—石英玻璃的转变，而是因温度范围、升温速度、矿化剂的存在与否而异，可以发生另外的迟钝型转变：炼焦炉的机械设备另外一种转变为图5-1所示的上下转化，即各类晶型内高温型（α）和低温型（β、γ）间的转变，称为高低型转变。此种转变没有晶格的重排，只有晶格的扭曲或伸长，因此变化速度快且是可逆的。炼焦炉的机械设备各种型态的SiO2转化温度和体积变化不同，如图5-2所示。方石英在180～270℃转化，体积变化最剧烈，而在570℃.时，石英转化体积变化较小。鳞石英有两个晶型转化点：即117℃和163℃，此时体积变化最小。因此用于焦炉的硅砖，希望在制造过程中，尽量转化为鳞石英。但实际生产的硅砖制品总是三种晶型同时存在。由于三种石英中鳞石英的密度最小，因此鳞石英含量愈高的硅砖，其密度愈小，如表5-2。图5-2石英晶型膨胀曲线1—石英；2—鳞石英；3—方石英炼焦炉的机械设备由于烧成温度、速度及原料矿化剂等的差异，制成的硅砖由于矿相组成的差异，硅砖的真密度就不同，从表5-2和图5-2可以看出，真密度小的硅砖，石英转化较完全，膨胀过程平稳，残余膨胀小，有利于保持炉体严密。此外，磷石英的荷重软化温度高，导热性能好，故焦炉要尽量采用真密度小的硅砖，一般要求在2.38以下，优质硅砖的真密度应在2.34~2.35之间。炼焦炉的机械设备从图5-1还可以看出，硅砖的热膨胀变化大，600℃以前晶型转变较多，故体积变化较大，而且在117℃、163℃、180~270℃和570℃等几个晶型转化点，体积变化尤为显著，这时最容易引起砌体变形和开裂。因此这对焦炉各部分材质的选用，对焦炉的砌筑、烘炉、生产维修及冷炉等都有重要意义。故硅砖的烧成和新焦炉的烘烤均需按计划升温，以免碎裂。根据硅砖具有的特性，当用于砌筑焦炉时，可以提高燃烧室的温度，缩短结焦时间，增加焦炉生产能力，延长炉体的使用寿命，所以现代焦炉主要用硅砖砌筑（其各项理化指标见表5-3）。炼焦炉的机械设备600～700℃以下时，硅砖对温度的急变抵抗性能差，这是由于高低型晶型转变、体积突然膨胀或收缩所致，因此硅砖不宜用于温度剧烈变化的部位。但在700℃以上时，由于硅砖的体积变化较平稳，因此能较好地适应温度的急变。目前有一种用高密度硅砖砌筑焦炉的趋势，高密度硅砖是指气孔率在10%～13%范围内的硅砖，它的特点是密度高，气孔率低，因此导热性能及强度均比普通硅砖好。炼焦炉的机械设备2.黏土砖黏土砖的主要原料是耐火黏土和高岭土，其主要成分是高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O），其余部分为K2O、Na2O、CaO、MgO及Fe2O3等杂质，它们约占6~7%左右。黏土砖是以经煅烧的硬质耐火黏土（熟料）与部分可塑性黏土经粉碎、混合、成型、干燥后烧成的。加入熟料是为了减少干燥和烧成过程中的收缩，增大体积密度、降低气孔率，提高耐急冷急热性能。烧成过程中是高岭石不断失水，分解生成莫来石（3Al2O3·2SiO2）结晶的过程。其主要反应过程如下：温度在常温～150℃，砖坯水分蒸发；炼焦炉的机械设备温度在150~650℃，高岭石分解出结晶水：Al2O3·2SiO2·2H2OAl2O3·2SiO2+2H2O温度在600~830℃，无水高岭石分解：Al2O3·2SiO2-Al2O3+2SiO2温度在830~950℃，-Al2O3晶型转化为-Al2O3，并开始生成莫来石结晶：3Al2O3+2SiO23Al2O3·2SiO2温度在950～1350℃，黏土中的杂质在烧成过程中与氧化铝、氧化硅形成共晶低熔点硅酸盐，并进而熔化包围在莫来石周围，促进颗粒的熔解，重结晶和重排过程最终形成坚硬制品。一般烧成后的黏土制品中含有30%～45%的莫来石结晶，在其周围除上述非晶质玻璃相外，还有部分方石英。黏土砖属于酸性耐火材料，能很好地抵抗酸性渣的浸蚀，对碱性渣的抗蚀能力较差，其耐火度虽高，但荷重软化开始温度较低，而且软化变形温度间隔很大，可达200℃，实际上在远低于荷重软化开始温度之前即开始发生高温蠕变。炼焦炉的机械设备这是因为在黏土砖中除了高耐火度的莫来石结晶外，还含有几乎达50%的玻璃相，后者的软化开始温度很低，但熔融物的黏度却很大，故出现上述情况。黏土砖的热稳定性好，但导热性和机械强度较硅砖差。与硅砖相比，黏土砖的总膨胀率仅为硅砖的1/2～1/3，且膨胀量基本上与温度成比例地直线增长，而硅砖膨胀变化量主要在600℃以前，600℃以后硅砖的体积变化较稳定。因此，黏土砖焦炉在炭化室温度变化范围内的体积变化量要比硅砖焦炉大。炼焦炉的机械设备由于黏土砖焦炉加热到1100℃的总膨胀量较小且均匀，抗温度急变性强，故黏土砖焦炉的烘炉期短，但加热到1200℃以上时，会出现残余收缩，这是由于黏土制品中的矿物继续产生再结晶，以及在高温下制品中的低熔点化合物逐渐熔化，在表面张力的作用下使固体颗粒互相靠近所致。收缩的大小与配料组成及烧成温度有关。因此黏土砖焦炉在高温下长期使用过程中，砖缝可能产生空隙，会破坏砌体的严密性。由于上述特点，对大型焦炉黏土砖不用于高温部位，主要用于温度较低且波动较大的部位，如炉门、上升管衬砖、小烟道衬砖、蓄热室封墙和炉顶等。黏土砖的各项理化指标见表5-4。炼焦炉的机械设备黏土砖原料来源广，制作容易，成本低，因而有些小焦炉可采用黏土砖砌筑，但一定要严格控制操作温度，以免造成焦炉损坏。炼焦炉的机械设备3．高铝砖含Al2O3高于48％的铝硅质耐火砖