焦炉蓄热室和小烟道耐火材料损坏的原因与特征
发布日期： 2020-12-09 08:52:12 阅读量（614） 作者：
焦炉的主体是由耐火材料砌体和护炉铁件构成，了解焦炉管理的基本要求和损坏机理，对于避免焦炉非正常损坏以及延长焦炉的使用寿命是至关重要的。下文以焦炉蓄热室和小烟道为例，详细阐述了该部位耐火材料损坏的原因以及特征。
1、蓄热室单墙、主墙与封墙的裂缝
各焦炉单墙、主墙的(为简便起见，蓄热室部位的单墙、主墙简称为单、主墙)裂缝不尽相同，有的几乎全部单、主墙头部从上至下都存在1〜2条宽为0〜40mm的垂直裂缝，有的仅少数单墙头部存在较窄并较短的垂直裂缝。
有裂缝的单墙，一般端部裂缝比内部宽而且较长。对同座焦炉而言，主墙裂缝比单墙少，而且较窄、较短。
单、主墙内部裂缝的分布与数量，在热态时不易观察清楚，只有在全炉冷炉后才能观察到。具有20年炉龄的蓄热室单墙，冷后都具有2〜4条垂直裂缝，它们多集中在炉头机侧中部与焦侧中部。每条裂缝基本与斜道裂缝(或灰缝)相连接，缝宽为0〜15mm，以中部最宽，上部次之，越往下越窄。一般垂直缝是从斜道至蓄热室中部为止，自中部往下呈阶梯形缝隙出现.即自中部以上为砖块断裂，以下为灰缝抻开。必须指出，冷炉后，因砌体全面收缩而产生不少新缝，故上述情况不能完全代表生产状态下单、主墙内部裂缝的分布。
封墙因与大气接触，受气温变化的影响很大，故砌体和灰缝都会产生许多裂缝。一般来说，不论是新炉还是旧炉的封墙，如不经常维护，各处都可以产生裂缝，尤其以砖与铁器(如测压孔等)接触的周边为最多。
造成单、主墙裂缝的原因很多，比较主要的有以下几点。
①由于燃烧室砌体在炉长方向的增长速率比蓄热室大得多，从而使它受向外的拉应力(斜道也是如此)，导致单、主墙出现裂缝，或使原有的裂缝继续扩大。
②单、主墙端部因距外界较近，散热较多，加上封墙不严，受漏人的冷空气影响，以及蓄热室内温度随气流周期性的改变而变化，单、主墙端部经常在二氧化硅晶型转化点附近波动而开裂。
③清扫、更换格子砖或修理单、主墙时，冷空气大量侵入，导致单、主墙温度急剧下降而破裂。
④单、主墙缝隙与炉体结构、燃烧室保护板类型、砖的材质有关。
某厂奥托炉采用双集气管、小保护板，单、主墙正面没有小炉柱等保护设施。当生产炉龄为30年时，其蓄热室单、主墙比采用大保护板加炉头错缝、正面具有小炉柱等保护装置的ΠBP炉的单、主墙裂缝少得多(表1和表2)。其原因除奥托炉采用小保护板结构，从而使炭化室部位炉长伸长速率较慢，对单、主墙的拉应力较小外，还因为其单、主墙全为抗急冷急热性能较好的半硅砖，其主墙头部是直缝结构，而ΠBP炉则是用硅砖错缝砌筑主墙头部。
表1某奥托焦炉蓄热室单主墙头部裂缝单位：mm
表2 某ΠBP焦炉蓄热室单、主墙头部裂缝 单位：mm
应该承认，单、主墙安装小炉柱保护设备对防止裂缝的形成与扩大是有作用的，但它必须在炉柱不变形的情况下才能实现。因为对单、主墙加压的小弹簧是固定在与炉柱相连的横铁上，当炉柱曲度增大时，横铁随之外移，使小弹簧负荷下降。小弹簧负荷越大，炉柱曲度越大，而横铁也越向外移，当炉柱与蓄热室正面距离达到一定数值时，小弹簧就失去保护单、主墙的作用。故一般新焦炉，小炉柱装置的保护作用较大，炉体衰老后，它的作用逐渐减小或全部消失。因此，保护炉柱是很重要的。
⑤冷炉后蓄热室单、主墙下部从灰缝处拉开而呈阶梯缝隙，这是由于此部位温度较低，灰浆与砖没有烧结的缘故。
⑥对斜道区为硅砖，单、主墙为黏土砖而言，它们所形成的裂缝，是因为在硅砖与黏土砖之间虽铺设滑动层，但仍不可能达到理想滑动，故把砌体拉断。
2、单、主墙的熔融与变形
单、主墙熔融与变形多发生在蓄热室顶部。熔融的部位除砖与砖之间熔成一个整体外，熔融的物质还会顺墙下淌。它不仅堵塞格子砖，而且导致其以上部位砌体下沉或变形。
造成单、主墙熔融的原因主要是荒煤气或加热煤气大量窜进蓄热室内，在大量空气存在的情况下剧烈燃烧所致。
单、主墙和封墙在炉长方向的变形，以上部较大，越往下直至小烟道逐渐变小。变形也是遂年增长的，不过增长的速率较小。对整个蓄热室和小烟道而言，每年增长的速率是上面大，越往下越小。造成单、主墙遂年增长的原因与斜道部位相同。
3、格子砖堵塞与熔融
使用多年的焦炉，格子砖不同程度地被高炉煤气灰、喷补用的泥浆及从炉顶、火道掉下的砖块、杂物所堵塞，顶部的格子砖，特别是焦侧区域多被烧焙而堵塞(图1)，这是因为火道温度较高，炉体不严密，炭化室里的荒煤气漏进蓄热室，在顶部燃烧引起的。
图1 黏土质格子砖堵塞情况
1-新格子砖；2-堵塞的格子砖
由表3可知，经多年使用后的黏土质格子砖，化学组成和物理性质也产生不同程度的变化，例如，它们的耐火度、真密度、显气孔率、三氧化二铝含量和三氧化二铁含量等都有明显的提高，而二氧化硅的含量则显著降低。其中格子砖化学成分的影响起到了主导作用，尤其是格子砖中的Al2O3和钾、钠含量偏高将促使格子砖破损。因为在1200℃以上的条件下，格子砖中的水铝石(Al2O3·H2O)和高岭石(Al2O3·SiO2·2H2O)会分别发生化学变化，游离出Al2O3和SiO2，Al2O3和SiO2二次生成莫来石，并伴随体积膨胀(约10%);另外，钾、钠低熔点物质过多对耐火制品的危害极大，K2O共熔点温度为769℃，Na2O共熔点温度为782℃，两者每1%含量将产生接近4%的液相，蓄热室顶部温度约为1100℃，远远高于其共熔点温度，由于加热气流又为还原性气体，所以化学反应和侵蚀作用也是加速格子砖损坏的一个原因。
表3新、旧黏土质格子砖的化学组成和物理性质
半硅质格子砖熔融后，除表面磁化外，没有体积膨胀的现象。黏土质格子砖在高温作用下，外表龟裂、疏松多孔，类似开花馒头。这种格子砖的气流通道宽度变窄，每至全部被胀满堵死。
在蓄热室最上面三层采用Al2O3含量30%〜35%的低铝格子砖或半硅砖，较好地解决了这个问题。
4、小烟道单、主墙或衬砖的损坏
大型焦炉的蓄热室和小烟道部位的单、主墙多用硅砖砌筑。为了防止上升与下降气流温度急变而引起硅砖砌体破裂，般在小烟道部位的单、主墙都衬以黏土砖。利用半硅质砖和黏土砖砌筑的单口主墙(小型焦炉)在小烟道部位不必设置衬砖。不论什么材质单、主墙，在距端部1m以内都有可能产生垂直裂缝，此垂直裂缝多为蓄热室单、主墙垂直裂缝的延伸，不过宽度较小。
一般情况下，硅质或黏土质小烟道单、主墙的化学组成都不会发生根本变化。由于此处温度较低，残留在硅砖里的石英均未转化。只有在个別情况下，用黏土砖砌的小烟道单、主墙或硅质小烟道的黏土衬砖，在生产3〜5年后，会出现变形与成片剥落的现象。其损坏程度以小烟道端部为重，越往里越轻(图2)，全炉小烟道以两个端部小烟道衬砖(或单、主墙)腐蚀最轻。
图2 小烟道各处腐蚀率
黏土衬砖(或黏土质单、主墙)变形多从砖的中部向外凸出20〜30mm，其剥落的厚度为15〜25mm。由表4可知，它腐蚀的部位与未腐蚀部位相比，硫酸含量显著增加，三氧化二铝含量则显著下降。造成鼓肚的原因是由于小烟道单、主墙因温度急变而产生裂纹后，加热用焦炉煤气窜进下降气流小烟道而剧烈燃烧，使砌体受热不均所致。
表4小烟道黏土砖的化学组成单位：mm
腐蚀的原因是：炼焦配煤含硫量较高(有的超过1%)，在炭化室内有70%〜80%的硫留在焦炭中，其余的硫除生成硫酸醇(RSH)、噻吩(C4H4S)、羰硫(COS)和二硫化碳(CS2)外，还有95%的硫生成硫化氢(H2S)。含有大量硫化物的荒煤气，未经处理就直接进人火道中燃烧(仅焦炉投产而回收尚未投产)，产生大量的二氧化硫气体。除了荒煤气原来携带的微量一氧化氮外，它所含的大量氨气(未被回收)与废气中的二氧化碳反应，也生成大量一氧化氮。
2NH3+5CO2→2NO+3H2O+5CO
二氧化硫在一般情况下是不容易转变成三氧化硫的，但存在一氧化氮时，这个反应就容易实现。
2NO+O2→2NO2
NO2+SO2→SO3+NO
SO3+H2O→H2SO4
另外，由于焦炉煤气燃烧生成的废气中含有大量水蒸气，它在小烟道的温度低于露点时，凝成水滴，三氧化硫在过剩空气存在的情况下遇水生成硫酸。硫酸与黏土砖里的三氧化水泥发生反应)，由于它与未被腐蚀部位的膨胀系数不一致，故在上升气流与下降气流温度急变的影响下而逐渐剥落。
由图3可以看出，小烟道内温度越低，腐蚀率越高;反之越低。通常在上升气流末期，小烟道自入口向里1m之间的地方温度较低，约在100℃以下，越接近小烟道入口，温度越低，腐蚀越严重。从距小烟道入口1m起向里，砖的表面温度大致在100℃以上，腐蚀较轻。
图3 小烟道表面温度与腐蚀率的关系
端部小烟道内的过剩空气较多，三氧化硫在废气单位体积中的含量比内部小烟道低得多，所以虽然其温度比内部小烟道还低，但腐蚀并不严重。
防止小烟道黏土衬砖或黏土质单、主墙腐蚀的根本办法是：在利用回炉焦炉煤气加热时，应使用含硫量较低的配煤炼焦，回收氨气的设备必须正常运行，炼焦和回收要同时投产，或停止使用未回收氨气的焦炉煤气加热，改用高炉煤气加热。我国部分焦化厂的生产经验表明.只要回收车间生产正常，即使配煤含硫较高，回炉煤气不脱硫，小烟道温度都低于100℃，小烟道衬砖或黏土单、主墙的腐蚀也不快。
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