罐式煅烧炉烘炉保温点的确定与控制

罐式煅烧炉烘炉保温点的确定与控制（山西华圣铝业有限公司044500赵天荣薛铁鹏）摘要:本文主要针对山西华圣铝业有限公司采用的32罐顺流式煅烧炉，在烘炉过程中硅砖晶型转化和炉体体积变化的有效控制进行了阐述,同时对国内的铝用炭素罐式煅烧炉烘炉状况做了简单介绍,并指出了炭素大型罐式煅烧炉烘炉温度控制的消化利用。关键词：罐式煅烧炉烘炉硅砖保温点1引言近年来，随着铝工业的建设向大规模、高效节能的方向迅速发展，新建的电解铝厂生产规模大部分都在20万吨／年以上。铝用炭素行业也得到快速发展，罐式煅烧炉作为炭素生产主要设备之一，具有一次性投资大，使用周期长，炭质烧损低的特点。罐式煅烧炉的设计使用寿命以8年为期限，如何延长炉体使用寿命，一直是国内同行业不断探索的问题。罐式煅烧炉的使用寿命主要与下列因素有关：科学合理的设计是延长炉体使用寿命的基础；采用高质量的耐火材料是延长炉体使用寿命的保障；优良规范的施工质量是延长炉体使用寿命的前提；科学严谨的启动和合理使用、精心维护是延长炉体使用寿命的关键〔1〕。那么，罐式煅烧炉的烘炉就显得尤为重要。2目前国内罐式煅烧设备特点及烘炉方法2.1罐式煅烧炉设备状况罐式煅烧炉依据产量的不同，可分为六组24罐、七组28罐等；依据质量的不同可分为六层、八层等；依据火焰与物料流动方向可分为逆流式与顺流式。目前，国内大多数炭素厂主要采用罐式煅烧炉进行石油焦煅烧。如：茌平、永城、三门峡、抚顺、渑池等都采用24罐顺流式煅烧炉；焦作采用28罐顺流式煅烧炉；而山西华圣采用沈阳铝镁设计院设计的国内首家大型32罐顺流式煅烧炉。2.2罐式煅烧炉的特点罐式煅烧炉的主体是由：硅砖、耐火砖、保温砖和红砖等多种异型耐火材料砌筑而成，其心脏部位是用硅砖砌筑。硅砖是由含石英（SiO2）93％以上的硅石，经粉碎、成型、灼烧而成的，其特点是具有良好的导热性，高温下荷重软化点高，对于煅烧物料的磨损具有良好的抗磨性能，其耐火度可达1700-1750℃，在2㎏／㎝的荷重下，其软化点可达1640℃。采用硅砖砌筑火道和罐壁可以提高煅烧温度、质量和产量。但硅砖也有其薄弱的一面，即：硅砖的膨胀量比较大，耐急冷急热性差，剧烈的温度波动,将会使它发生破损,这是因为随着温度的变化,组成硅砖的成分SiO2发生了晶型转化,造成硅砖体积的急剧膨胀和收缩。2.3罐式煅烧炉的烘炉2.3.1烘炉的目的烘炉就是将新建的炉子用外加热源的方式逐出硅结构体中水分，并按升温计划把炉子加热到生产使用的高温状态，使泥浆烧结为一个整体而转入生产。烘炉的目的一般有以下几点：①排出砌筑灰浆和砖体中含有的水分；②使砌筑灰浆与砖体烧结；③使耐火砖，尤其是硅砖均匀膨胀，避免炉体变形或出现较大裂缝。2.3.2过去确定烘炉保温点的方法通常情况下，罐式煅烧炉烘炉温度保温点依据硅砖在不同温度下，其结晶形态转化时的温度预先确定以减少炉高膨胀。硅砖的晶型转化温度如下：①β型石英的变化，此变化为快速转化。117℃γ—磷石英β—磷石英+0.2%163℃β—磷石英α_磷石英+0.2%183-270℃β—方石英α_方石英+2.8%573℃β—石英α_石英+0.8%②α型石英的转化,此转化为慢转化.870℃α—石英α__磷石英+16.0%1470℃α—磷石英α__方石英+15.0%1720℃α—方石英α__石英玻璃+15.0%据此，一般罐式炉的烘炉升温速度和炉高日膨胀量为：温度区间℃升温度℃/h需用时间炉高膨胀注明小时累计小时班膨胀日膨胀累计膨胀量采用块状烟煤烘炉0-60拉平2424110℃前用木材升温60-100140640.451.352.249100-1400.41001640.431.307.666排出炉内水分140保温24188140-2400.42504380.451.3521.728240保温24462240-3000.41506120.471.4130.541300℃通冷却水300-3600.61007120.51.536.791360-5500.82389500.481.4451.071550-6000.68310330.491.4756.155575保温241057600-7001.28311400.51.561.342700-9002.58012200.51.566.342850℃料开始动870保温241244900-120056013040.51.570.092烘炉总共约需55天2.3.3采用确定保温点厂家烘炉的实测数据有关厂家罐式煅烧炉多次烘炉中，各规定保温点的实测膨胀量如下：炉号日期日膨胀量㎜保温温度℃1#2001.12.10.491401#2004.11.110.835751#2004.11.221.338702.3.4烘炉中存在的缺陷①从烘炉曲线中看，各个保温点是依据硅砖晶型转化点的温度确定的，这在实验中是合理的，而实际烘炉中则不然。因为罐式煅烧炉火道一般为8层，烘炉时多以首层末端温度为基准（顺流式罐式炉），当首层温度达到晶型转化温度时，其它各层火道温度存在差异不可能达到晶型转化温度，这就无法确定准确的保温点。②从炉体膨胀情况看，当首层温度达到晶型转化点温度时，整个炉体膨胀的并不多，这时保温意义并不大。而在首层温度超过晶型转化温度时，其它各层的温度才达到晶型转化温度，因而只得在非保温点的温度下进行保温。根据以上情况，烘炉曲线中预定的保温温度和时间就无实际意义。3华圣公司确定罐式煅烧炉保温点的依据和控制方法山西华圣铝业公司采用的是沈阳铝镁设计院设计的全国大型32罐顺流式煅烧炉，在国内首次使用，烘炉时对炉高膨胀量和炉体体积变化无可借鉴，在针对众多罐式炉厂家烘炉的方法分析后，制定了一套较为合理的烘炉方法。3.1确定保温点的依据是炉体纵向膨胀量，即以炉高膨胀量为确定保温点因为硅砖在不同温度下有不同的膨胀量，而且多层火道的温度难以达到一致，所以当日膨胀量接近或超过规定的膨胀速度时，就立即保温，以保证硅砖均匀膨胀，如果没有超过规定的膨胀速度，则就按预定的升温曲线继续升温，当首层温度达到晶型转化温度区时，要按要求严格控制升温速度，不许升温过快，使各层火道的温度依次缓慢的通过晶型转化温度区，尽可能使硅砖在各几何方向上的膨胀量均匀一致，以保证炉体的密封性。罐式煅烧炉烘炉过程中不可避免地存在上下火道间温差和边号火道与中间火道之间的温差,缩小上下层温差,努力提高低层温度是提高烘炉质量、延长炉体寿命的关键〔2〕。3.2确定罐式煅烧炉烘炉中膨胀的速度硅砖在温度区间线膨胀率（％）50100150200250300400500600700800900100011001200标砖0.030.070.170.140.690.911.041.131.191.231.271.281.281.271.22G-40.030.070.160.440.700.941.061.151.231.281.311.301.291.281.24G-50.030.090.240.530.810.981.081.171.221.261.291.301.311.301.26G-30.030.090.190.510.820.931.041.131.181.231.261.261.261.241.19从上表可知，硅砖在低温区间膨胀率较大，因此，在烘炉低温阶段应放慢升温速度。确定烘炉中膨胀的速度要求为：300℃前日膨胀量不超过1㎜温度℃硅砖类型600℃前日膨胀量不超过1.25㎜1200℃前日膨胀量不超过1.5㎜3.3确定烘炉炉体的日膨胀率由于石英有温度的晶型转化温度及体积变化，因而不能忽冷忽热，如果在烘炉升温中温度忽高忽低（特别是在晶型转化区），都会由于体积变化产生的应力使硅体破坏，制定烘炉计划就是了解硅砖的上述性能。根据以往烘炉经验，一般的日膨胀率为0.03-0.035%，作为确定烘炉的升温速度和炉体日膨胀率的依据。为了保证烘炉质量，我们采用0.03％的炉体日膨胀率作为可行的安全界限。4华圣公司罐式煅烧炉烘炉方法的实施4.1罐式煅烧炉烘炉控制过程山西华圣公司从2006年12月26日-2007年3月14日，采用以上保温方法，对一台32罐8层火道罐式煅烧炉烘炉时日高膨胀量超过规定限度后而保温所测的一组数据。炉号日期日膨胀量㎜保温温度℃2#2007.1.61.271262#2007.1.91.051342#2007.1.131.211682#2007.1.151.281742#2007.1.241.502342#2007.2.11.443152#2007.2.151.204292#2007.2.221.355572#2007.2.261.51671根据粘土砖膨胀率为0.5%（室温---900℃）、硅砖的膨胀率为1.3%（室温---1100℃），粘土砖的高度为1020＋884㎜、硅砖高度为4488㎜。则计算炉高总膨胀量为：4488×1.3%＋(1020＋884)×0.5%=58+9.52=67.52㎜根据我们采用的保温方法，烘炉后测量炉高膨胀量为（单位：㎜）：序号123456789101112膨胀量656666666867656769706969序号131415161718192021222324膨胀量697070676566666565666665平均膨胀量：1608÷24＝66.7㎜通过采用这种保温方法后，从整个烘炉情况看是成功的，在炉高方向上确定的24个膨胀量测得的数据基本是均匀的。平均总膨胀量也在炉体最大膨胀限度内，炉四周出现的裂纹也比较小。4.2罐式煅烧炉烘炉后产品质量山西华圣公司罐式煅烧炉从2007年3月中旬开始排料，4月份产品质量统计数据如下：时间比电阻μΩm真密度g/㎝3时间比电阻μΩm真密度g/㎝3时间比电阻μΩm真密度g/㎝34.15452.014.114852.034.214452.074.25312.034.124642.064.224532.074.35202.034.135252.034.234652.064.45122.024.144982.044.244782.044.55112.024.154812.054.254812.034.65122.014.164902.044.264982.044.74982.014.174652.054.274842.044.84982.024.184812.054.284852.064.94862.024.194862.044.294692.064.105012.014.204482.084.304702.05经过一个月的试生产，罐式煅烧炉各部位操作灵敏，挥发分得到充分利用，煅后焦产量、质量趋于稳定合格率达到92.54％，达到同行业领先水平。5、结语山西华圣铝业公司采用的全国首家大型罐式煅烧炉，初次使用重达千余吨的大型炉体结构，在烘炉中采用新的确定保温点的方法，缓慢升温，整个烘炉时间达70余天，为国内在今后采用大型罐式煅烧炉的发展和烘炉使用提供借鉴。①由于罐式煅烧炉为8层的多层火道结构，烘炉时各层火道的温度不可能同步，无论测点在何处选取，都难以按硅砖晶型转化温度来确定保温点。②在烘炉操作中按原烘炉曲线中规定的保温点保温，炉体的膨胀量不大，而非保温点温度区又出现了膨胀量过大的现象，所以不得不被迫保温。即浪费了人力、物力，又延长了烘炉时间，操作不慎还可能使炉体产生较大的裂纹，影响炉体寿命。③在严格按升温曲线进行缓慢升温中，以日膨胀量的多少来确定保温是可行的，也是比较准确的，当日膨胀量超过规定时，立即采取保温，稳定住膨胀，当日膨胀低于规定时，可按曲线继续升温。参考文献：1、周耀庭等《罐式煅烧炉煤炭快速启动新技术开发及应用》轻金属，2001（7）P522、尼云泉《罐式煅烧炉使用寿命影响因素分析》炭素工艺与设备.2006（11）P131。