焦炉烘炉和开工.docx
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焦炉烘炉和开工
炼焦炉的砌筑、烘炉和开工
第一节筑炉材料
现代焦炉主要用耐火材料砌筑而成。
例如一座年产30万吨冶金焦42孔58-Ⅱ型焦炉，炉体所需的耐火材料总重约6600t。
因此，耐火材料的性能与焦炉的生产能力及使用寿命密切相关。
凡具有能抵抗高温和高温下的物理和物理化学作用的材料统称为耐火材料。
砌筑焦炉的材料中除耐火材料外，尚有隔热材料及普通建筑材料，分述如下：
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）气孔率耐火制品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。
（2）体积密度和真比重体积密度是指包括全部气孔在内的每m3砖的质量。
真比重是指不包括气孔在内的单位体积耐火材料质量与水的比值，（与真密度的数值相等，但概念不同）不同的石英晶形其真比重不同,因此测定硅砖的真比重可以了解烧成情况。
（3）热膨胀性耐火制品受热后，一般都发生膨胀，材料的这种性质称为热膨胀性。
它可用线膨胀系数或体积膨胀百分率来表示。
（4）导热性耐火制品的导热性，取决于其相组成及组织结构（指气孔率的大小，分布情况及晶相和玻璃液相的分布）。
用导热系数“λ”来表示，其法定单位为：
kJ/m·h℃（或W/m·K）。
多数耐火制品的导热系数随温度升高而增大（如硅砖，粘土砖等），也有些制品则相反（如镁砖和碳化硅转）。
（5）耐火度是衡量耐火制品高温下抵抗熔化的能力。
系用规定尺寸的角锥形试样与一些标准试样放在一起，以一定的速度加热升温，这些标准试样是以高岭土、氧化铝及石英按不同比例配制而成，各有已知的耐火度。
当升温至待测试样与某标准锥试样同时软化弯倒，即角锥的顶点弯倒和底盘接触时，则待测试样的耐火度等于该标准锥的耐火度。
故耐火度系试样制品软化弯倒的温度。
耐火材料的耐火度一般不大于1580℃。
（6）高温荷重软化开始温度（也叫荷重软化点）是表示耐火材料在高温和荷重同时作用下的抵抗能力。
系用一定尺寸的圆柱形试样在一定的压力下（19.6×104Pa），以一定的升温速度加热，使试样引起一定数量的变形温度来表示的。
按变形数量又分为开始变形温度（变形量占0.6%），变形量占4%时的温度和终了变形温度（4%）。
粘土砖的荷重变形曲线比较平坦，开始变形温度和终了变形温度之差可达200~250℃，而硅砖在达到开始变形温度后立即破坏，开始变形温度和终了变形温度之差仅10~15℃。
由于焦炉砌体中耐火材料自重很大，再加上机械设备的负荷，故耐火材料的高温荷重变形温度对炉体寿命非常重要，其中对生产有意义的主要是开始变形温度，即负荷软化点。
（7）高温体积稳定性 耐火材料在高温下长期使用时，相成分会继续变化，产生再结晶和进一步烧结现象，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，称为残余收缩和残余膨胀，其数值用制品加热到1200~1500℃（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比率（%）来表示。
（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；系将试样加热到850±10℃后，放在流动的冷水中冷却，并反复进行，直到试样损坏，脱落部分的质量占原试样质量的20%时为止，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。
制品的热稳定性与制品的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分布不均匀而引起不同程度的膨胀，从而产生较大的压力，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，普通粘土砖10－20次，而粗粒粘土砖可达25~100次。
一些耐火制品的基础特性如表1所示：
表1耐火制品的基本性能
性能
制品
耐火度
℃
荷重软化开始温度℃
常温耐压强度102×Pa
显气孔率%
体积密度g/cm3
高温体积稳定性
导热系数kJ/m·h.·℃
温度℃
小于%
硅砖
1610~1710
1620~1650
1716~4903
16~25
1.9
1450
＋0.8
半硅砖
1670
1250~1320
1471~1961
20~25
2.0
1400
－0.5
粘土砖
1610~1730
1250~1400
1226~5394
18~28
2.1~2.2
1350
－0.5
高铝砖
1750~1790
1400~1530
2452~5884
18~23
2.3~2.75
1550
－0.5
镁砖
2000
1420~1520
3923
20
2.6
二、焦炉用耐火材料
（1）硅砖硅砖是以石英岩为原料，经粉碎，并加入粘结剂、矿化剂经混合、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，具有良好的抗酸性渣的侵蚀作用。
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。
其缺点是耐急冷热急性能差，热膨胀性强。
SiO2（二氧化硅）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。
SiO2能以三种结晶形态存在，即石英、方石英和鳞石英，而每一种结晶形态又有几种同素异形体。
即：
α石英、β石英；
α方石英、β方石英；
α鳞石英、β鳞石英、γ鳞石英。
三种形态及其同素异形体，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。
例如：
密度为2.53的α石英，在加热到870℃时，转变为新的密度为2.2.的α鳞石英，当温度达到1710℃时转变成石英玻璃。
SiO2的晶型转变如图1所示。
α石英870℃α鳞石英1470℃α方石英1710℃石英玻璃
（y=2.53）（y=2.23）（y=2.23）
570℃163℃180~270℃
±0.82%±0.2%±2.8%
β石英β鳞石英β方石英
（y=2.65）（y=2.23）（y=2.23~2.32）
170℃
±0.2%
γ鳞石英
（y=2.26~2.28）
图1SiO2晶型转变图
从图1可以看出，这种转变可分为两类，一种是横向的迟钝型转变，这是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的向结晶中心缓慢地进行，需较长的时间，且在一定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并非是单一地从α石英—α鳞石英—石英玻璃的转变：
1）α石英
α鳞石英。
此时体积膨胀为16%。
2）α石英
α方石英。
此时体积膨胀可达14.5%。
3）α鳞石英
α方石英。
4）α方石英
α鳞石英。
5）α鳞石英
石英玻璃。
α方石英
另外一种转换为图1所示的上下转化，称为高低型转化，此种转变没有晶格的重排，只有晶格的扭曲或伸直，因此转化速度快且是可逆的。
各种型态的SiO2转化温度和体积变化不同，如图2所示：
方石英在180~270℃转化，体积变化最剧烈，而570℃时石英转化体积变化较小，鳞石英有
两个晶型转化点：
117℃和163℃,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，其真密度愈小，如表2。
硅砖制品的体积变化曲线是复相组织体积变化的总和。
图3是两种密度（比重）不同的硅砖膨胀、收缩曲线。
由图3和表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，鳞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。
表2不同真密度硅砖的矿相组成
硅砖真密度
鳞石英，%
方石英，%
石英，%
石英玻璃，%
2.33
2.34
2.37
2.39
2.40
2.42
80
72
63
60
58
53
13
17
17
15
12
12
3
9
9
12
17
7
8
11
16
16
18
从图3和图1中还可看出，硅砖的热膨胀是不均匀的，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。
由于硅砖具有多种优点，因此用于焦炉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，故现代焦炉主要用硅砖砌筑。
600~700℃以下时，硅砖对温度的剧变抵抗性能差。
这是由于高低型晶型转变，体积突然膨胀或收缩所至，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比较平稳，因此能较好地适应温度的变化。
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。
表3为焦炉用硅砖的理化指标。
（2）粘土砖粘土砖的主要原料是耐火粘土和高岭土，其主要成分十高岭石（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。
粘土砖是以经煅烧的硬质耐火粘土（熟料）与部分可塑性粘土经粉碎、混合成型、干燥后烧成的。
加入熟料是为了减少烧成及使用过程中的收缩，提高成品率和使用寿命。
烧成过程是高岭石不断失水，分解生成莫来石（3Al2O3·2SiO2）结晶的过程。
其主要反应如下：
温度在450~650℃高岭石分解出结晶水：
Al2O3·2SiO2·2H2OAl2O3·2SiO2＋2H2O
温度在600~830℃脱水高岭石分解为AlO及SiO2γ－Al2O3＋2SiO2。
温度在930~950℃时，γ－Al2O3再结晶为α－Al2O3，并开始生成莫来石结晶，3Al2O3＋2SiO23Al2O32SiO2。
粘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，在烧成的粘土砖中形成包围在莫来石周围的非晶质玻璃相。
一般烧成的的粘土制品中含有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。
表3焦炉用硅砖的理化指标
指标
牌号及数量
JG-93
SiO2含量不小于
耐火度不低于
19.6×104Pa，荷重软化开始温度℃不低于
重烧线膨胀，%，1450℃不大于
显气孔率，%：
炉底砖不大于
炉墙砖不大于
其它部位用砖不大于
常温耐压强度，104Pa：
炉底，墙砖不小于
其他部位转不小于
真密度，t/m3不大于
93
1690
1620
0.8
22
23
25
2157
1716
2.37
粘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。
这是因为在粘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，但熔融物的粘度却很大，故出现上述情况。
粘土砖的热稳定性好，但导热性和机械强度
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