浅谈现代室式焦炉砌体的维护

甘秀石

(鞍钢股份有限公司炼焦总厂，鞍山114021)

摘 要：本文通过焦炉在不同标准温度与干熄焦不同工况的工对比业化实验得出实验数据，通过分析这些数据得出影响干熄焦如：烧损率、排焦温度、锅炉入口负压、锅炉入口温度等关键参数的因素，找到了适合6m焦炉配套140t／h干熄焦系统的优化控制方案。

关 键 词：焦炉；焦炉砌体；焦炉炉龄

焦炉是焦化厂最主要设备，是将焦煤在隔绝空气的条件下，经加热分解、干馏、炭化为焦炭的高温复杂的热工窑炉。现代室式焦炉一般由蓄热室、斜道区、炭化室、燃烧室、炉顶区及基础、烟道、烟囱等构成。焦炉设计寿命一般为25年，其砌体结构最为复杂，为热工炉窑之最，因此其寿命主要依据于砌体的使用寿命来确定，即焦炉砌体的状态好坏决定焦炉的使用寿命。

1 焦炉砌体损坏机理

焦炉砌体耐火材料的选择主要根据焦炉特点和耐火材料的特性来决定。焦炉对耐火材料性能的主要要求如下：1、焦终温高，并且有膨胀挤压等机械力，因此要求耐火材料在焦炉高温下不发生融化和软化，并能够承受一定的压力及其它机械负荷而不变形，保持一定的体积稳定性。2、由于焦炉是通过燃烧室壁向炭化室中煤料传热，因此要求耐火材料在高温下有较好的导热性能。3、由于焦炉冷态装煤，因此要求耐火材料当温度急剧变化时不至破裂和脱落。4、焦炉炭化室直接接触煤料，其它部位接触热气体，因此要求耐火材料能抵抗灰渣的化学侵蚀作用。5、焦炉有一定的结构形式，因此要求耐火制品必须具备一定的外形尺寸。因此，焦炉主体结构都是由硅砖构成，具有荷重软化点高、抗热震性能强，导热性好等优点，同时配备一定数量的粘土砖、高铝砖、缸砖、隔热砖等。

通过对比焦炉材料特性，充分考虑到焦炉长期连续处在高温下运行，砌体工作条件恶劣，极易损毁，其基本破坏机理如下：

1)、渣蚀作用

由于熔渣或含有腐蚀性气体的物理化学作用而引起的侵蚀。焦炉砌体接触带水煤料，煤中的盐类的化学侵蚀就属于此类，表现侵蚀砖缝和砖体，造成砌体局部掉落或局部窜漏出洞。

2)、温度剧烈变化作用许多炉窑，温度波动大，骤然变化产生很大的内应力，砌体出现开裂、剥落，严重时变形或崩塌倾倒。焦炉焦时结焦实测最终温度为950—1050℃，为保证焦，炭化室一侧墙温实测应加热到1100—1250℃，出焦装煤后实测最多可降至700—800℃左右，而燃烧一侧实测波动在1200到1450℃，以及摘对炉门的温差变化，这些热冲击循环往复的波动，尤其是温度短时间内波动太快太大，造成砌体因内应力大而损伤。

3)、气相沉积作用

许多炉窑在生产过程中会产生气体，并在砌体气孔及砖缝内沉积，造成坏损。焦炉在焦过程中低温阶段有水气析出，燃烧室内燃气中含有少量水分以及炭化室中煤干馏裂解的煤气分解，造成炭素的沉积，同时破坏炉墙的组织和性能，强度下降。

4)、机械冲击和磨损作用  炉窑内物料的运动对砌体产生很大的冲击和严重磨蚀，破坏作用大。焦炉在炭化室装煤过程中的冲击、煤料加热成焦过程中的膨胀和推焦过程中的磨损，甚至由于对位不当、物料夹带异物等造成的对墙体的刮伤更加对焦炉砌体的不可逆损伤，尤其体现在常规的室式捣固焦炉，由于采用焦饼侧入式，煤饼托板对墙体的损坏是较为常见的例证。

5)、熔融作用

许多炉窑砌体在高温热负荷作用下，往往发生重烧线变化，造成砌体失稳。焦炉在焦过程中若操作温度过高，操作耐火材料的荷重软化点，造成局部软化甚至熔融，形成熔滴，导致砌体坍塌。

2 焦炉砌体的实例分析

焦炉主体为硅砖，因此对硅砖的研究具有一定的典型性。硅砖在焦炉加热过程中，产生化学的、尤其是矿物的变化，在其使用过程中并继续进行。由于来自工作环境的高温和持续的物理和化学作用，硅砖出现明显的区域层化，这种硅砖不均匀性引起砖内应力和衬体变形，由此导致墙体坍塌、停窑、缩短材料寿命。关于硅砖在使用过程中性质变化实际影响，我们采用取样，做实例分析。

2．1 焦炉砌体硅砖样品原始状况

实例采用某国内大型焦化厂JN50型1号焦炉使用25年的墙体硅砖样品进行调查的原因，该JN50型1号焦炉是1981年开始使用。操作条件如表1所示。

 

2．1 焦炉砌体硅砖样品对比分析

2．1．1 使用25年硅砖取样

对于整个高向炭化室墙砖而言，以墙壁砖和炉顶砖为代表，而墙壁砖分别位于煤线、高向中部、距立火道底1～1．5m处三个部位的硅砖损坏比较有代表性，根据JN50型1号焦炉损坏的实际情况，本次研究课题在一号焦炉揭顶翻修炉墙时对墙壁砖取样。选择1块墙壁砖，取样硅残砖位于1号炉64号碳化室3~4火道变砖层下层。

2．1．2 硅砖样品的宏观描述

目测可以看出JN50型1号焦炉炭化室墙砖的整个炭化面砖体已略变成黑色，气孔完全渗碳，断面表层可见许多呈放射状微裂纹。而燃烧室侧呈现灰白色，可见规则的粗裂纹。所有试样具有一样的表面结构和相对细小的颗粒结构，没有任何突出的特征。使用25年的硅砖切开面显示不同的颜色，但并无明显的差异。与其他一些文献观察结果对比，硅砖面没有明显的界面层。

2．1．3 硅砖检测

进行相关检测，其主要指标见表3。

 

2．1．4 硅砖对比分析

与燃烧侧面的试样比较，所有炭化侧面硅砖试样具有较低的气孔率。而真气孔则与显气孔的变化不同，两侧的真气孔无差别，其数值与原砖相同。显然低气孔不是由于材料的烧结或氧化硅的晶相转化的致密化过程引起的，而是由于渗入物和残留物的迁移共同作用产生熔化而封闭开气孔和毛细管的中断。

来自煤炭和焦炭的外来氧化物仅轻微渗入到砖体中，这是由于所用焦炉硅砖具有相对致密的结构。炭化侧面的硅砖中细小和封闭的气孔导致显气孔率降低和闭气升高，但总气孔则不变。

暴露向最高温度和抗操作过程的反应物直接冲击的燃烧侧面砖的大气孔增加，这就是砖受熔融物影响的原因。硅砖中的各个部分均发生由方石英相向鳞石英的转化，尤其是在燃烧侧面；炭化侧面的残存石英与原砖水平相当。热膨胀不能反映用后硅砖矿物组成的不同。使用后硅砖的热膨胀仅有小的差异，并且一般比未使用的硅砖低。

3 焦炉砌体的维护与维修方法

依据上面的数据分析，对焦炉维护进行分期管理并采用适当的维修方法是比较适合的，在焦炉维护方面通常进行如下分期和方法应用。

3．1 焦炉砌维护阶段的划分与应用

一般来讲，焦炉砌体维护本着“能小修不中修，能中修不大修，能热修不冷修，能干法修补不湿法修补”的原则，并划分如下阶段：

1、焦炉初期(炉龄约1～15年)此阶段可大致从焦炉开工到炭化室出现大型熔洞为止，一般将此阶段定为炉体维护与保养的热修阶段，以日常维护工作为主的预防性维护为主。

2、焦炉中期(炉龄约10～25年)此阶段可大致从出现熔洞到焦炉炉墙严重变形，出焦困难频次增加为止，一般将此阶段定为以日常维护和简易挖补炉体墙砖为主的预防性热修阶段，同时应用新技术进行寿命的巩固。

3、焦炉晚期(炉龄约20～30年)此阶段定为吊顶、揭顶修理技术应用为主的热修阶段。随着焦炉炉体不断老化，炭化室墙严重变形受损或倒塌，受损部位向炭化室深度扩展到多火道，采用挖补已不能取得实效，开始采用以吊顶、揭顶修理技术。以多孔炭化室整墙冷态翻修为主的特护阶段炉墙受损继续向炭化室内纵深发展，应用吊顶、揭顶修理技术进行热态翻修处理已经不能取得预期效果不得不采用多孔炭化室整墙冷态翻修进入焦炉特护。

3．2 焦炉砌体维护技术

焦炉砌体维护维修形成了一套系统的维修方法，概括为喷浆、抹补、沟缝、灌浆、捣打、矫直、挖补、喷抹、吊顶热修、揭顶热修、全炉热修、全炉加压停炉后冷修(仅在冷却过程中加压)以及近些年流行起来的各种焊补工艺，概括起来，总的趋势是机械代替人工补炉、高性能材料代替传统材料，干法补炉代替湿法补炉。这些技术对延缓、控制焦炉砌体的劣化起到了重要的作用，各种技术在其具备自身的优势同时均具有其技术的局限性，并且都有自身的控制要点。

3．2．1 湿法热态补炉

1)、湿法喷浆技术

传统的湿法喷浆是将泥料兑入大量水，装入气动喷射装置中，直接喷射到维修部位。适用范围很广，不论大小裂缝、剥皮、麻面、凹陷等都可进行喷补，既可以补炽热的墙面，又可补温度较低的炉顶及蓄热室区域，其优点是操作简单、方便、快捷、效率高、适用面广。其缺点也很明显，是泥浆含水30—50％，当泥浆接触墙面时，由于水份的剧烈蒸发，水蒸气产生的压力会影响泥料对墙面的粘结，所以挂料时间不长；同时由于含水量较大的泥浆对炽热的墙面的骤然冷却，使硅砖砌体龟裂，直接影响焦炉寿命。

2)、湿法抹补技术

湿法抹补技术是采用简单工具将泥料人工抹补到修理部位。优点是泥料的含水量比喷补泥料要低得多，对砌体造成的副作用相对较小，抹补对较小的裂缝不适合，但对修补大的裂缝、孔洞时速度很快。缺点是抹补操作技术直接影响挂料时间，需要热修人员在实践中不断总结经验，以便延长一次修补的挂料时间，操作好时其挂料时间可达一年以上，有的达到两年以上。人工抹补体力消耗较大。

3)、半干法喷补技术

半干法喷补技术是利用半干喷补料特有的物理性能，在大幅度降低修补用料的含水量的情况下，通过专用的机械达到料、气、水最佳配比，利用手持枪进行补炉的方法，是近年较为流行的一种维修方法。其工作流程见图1：

 

通过图1可知，其核心部位为喷补机，喷补机一般分为储罐式和分配盘式两种，体现在控制下料方式的不同上。喷补机对料的要求主要是粒度分布，喷补部位不同，喷补料的要求不同。一般墙面喷补其用料情况见表4：

 

其操作方法的控制要点：主要是选择最佳的压力、最佳的喷补距离和角度。最佳的维护时间、最佳的水料比、最佳的炉温控制及能够应对特殊问题的处理，达到物料挂结率高，效果好，反弹率低，人工劳动强度低。半干法喷补技术以其适合于焦炉各个部位、各种不同温度、各种烧损部位的特点以及在常温下操作相对简单方便、喷补速度大、挂料时间长而广泛应用，尤其是处于晚期焦炉应用更为广泛。

3．2．2 干法热态补炉

1)、空压密技术

空压密封技术是国外焦炉维修应用广泛的干法技术之一，是通过压力将小的细料送到焦炉炭化室微小隙缝内，耐火材料受热膨胀，而将隙缝封住，达到密封细小裂缝的效果，一般用于解决焦炉投产初期的窜漏和烟囱冒烟等。其示意图如图2。

 

其基本操作步骤如下：

(1)密封：集气管、上升管、炉门和装煤孔都密封，留一个装煤孔用于设置空压密封装置。

(2)安装空压密封装置：安装好各装置，并且右边的阀门与压缩空气相连，炭化室内出料管口应平行墙面方向。将相邻两个燃烧室的看火孔全部打开。

(3)加料：从加料斗加入空压密封料，同时通入压缩空气，压缩空气会将密封料送入炭化室，共加约5—10公斤料，(加料速率)这时在看火孔可以看到燃烧室内白粉冒出，出料控制在0．5公斤／分钟，并保证料粉不在管内堵塞。

(4)稳定压力：停止加料，但仍然加压缩空气，维持液压计压力在120毫米水柱，约15分钟后开始下一次加料。

(5)结果判定：反复操作，直到在燃烧室内没有白烟冒出即完成本孔空压密封，共加约5—10公斤料为止。如果反复操作4—5次仍然有冒烟，或者液压计难以维持压力，说明有大的缝隙，需要查明原因，采取其相应的措施。

2)、火焰焊补技术

火焰技术原理是利用丙烷燃料燃烧所产生的高温火焰把喷出的耐火粉料熔融与砌体熔接，从而达到弥补砌体缺陷的目的。其焊料坚固结实，耐磨粘结性好、耐热冲击等优点而被广泛应用。

火焰焊补技术具有以下特点：该方法焊后的焊肉与硅砖的强度接近，致密度相当，耐磨性好，且焊补体在焊补过程中就基本上完成晶型转换，与硅砖的粘结性好。挂料时间长，对硅砖损坏作用小。易于分层，特别对深度损坏的修理极其方便。准备时间长、操作比较复杂，喷补时速度比较快。

修补料使用寿命至少在两年以上。该技术流行于日本，在国内也有一定应用。

3)、陶瓷焊补技术

陶瓷焊补技术原理是用氧气将含有铝粉和镁粉的硅质喷补料一起送到炭化室墙的表面，在高温下铝、镁金属粉末进行氧化反应，释放大量的热量，熔融焊补料，形成和硅砖组成和结构基本一致的陶瓷涂料，将炉墙的裂缝补好。

其操作方法控制要点：

(1)补炉时间的选定：对于小面积损伤，如砖面剥蚀，局部掉砖，裂纹等均可利用窑炉工作的短暂间歇时间加以修补，一般维修时间在半小时以内。对于大面积损伤面的焊补，有时需要3—6小时。

(2)焊补基本操作顺序：清理墙上结有的大块附着物，将其铲除干净；将隔热防护板一块块挂于炉门框上，以取代炉门，并将焊枪支架安装在合适位置上；用风锤清除待焊补部位的积炭、灰渣、墙砖变质脆弱层；开始焊补作业，焊补同时用抹子将正处于软化状态的修补面压平抹实；撤掉隔热防护板及焊枪支架，结束焊补作业。

(3)给料速度：一般来说，为使焊补体与墙砖很好的结合，在焊补的初期易采用5—6kg／h的低给料速度以形成良好基层。对于深度损坏点，基层形成后，再逐渐加大给料速度。

(4)焊枪头到焊补面的距离及角度：陶瓷焊补系统焊补料粒子在离开喷头约100mm后逐渐开始熔化，在150—300mm距离内达到完全熔化状态，此后随着火焰温度的下降，逐渐开始固化。

(5)焊枪头移动速度：喷头有适当的移动速度，炉墙损伤状态不同，移动速度也不同，当进行表面精细修补时，枪头移动速度一般在2—4m／min之间。对于深的凹坑，为了集中填充焊补料，喷头只能在很小的范围内移动，这时以保证涂层不向下流淌为宜。

干法焊补技术最大优点是高温操作，避免了大幅度降温、升温对炉体的损坏，在很短的时间内就能恢复生产。实现了不停炉热修补，修补后可立即投入生产，有效提高用户的生产效率；修补质量高，燃烧形成的局部高温使修补物和衬里破损部位熔化，从而将修补物导入修补处耐火材料晶体晶格中，产生了在整个耐火材料上延伸的连续结构，使受损的耐火材料表面得到修复，加之焊补料与基材耐火材料材质接近，焊补后焊补料与母材耐火材料熔为一体，寿命甚至超过原母材耐火材料的寿命；延长耐火层整体寿命，避免了由于有意冷却整体耐火层或将整体耐火层再加热到工作温度期间产生温度应力对耐材结构产生的破坏；降低耐火材料消耗，与其它修补方式相比，进行陶瓷焊补作业时几乎没有材料浪费，有效提高了单位耐材效率；修补作业时间很短，修补效率高，便于用户安排修补作业时间；节约能源，由于不停炉修补，不需要冷炉再重新点火的过程，因此节约大量能源；修补过程没有废物产生，不会发生环境污染，对环境安全有利。

3．2．3 焦炉停炉冷修

1)、焦炉多火道吊、揭顶翻修

焦炉多火道吊顶、揭顶翻修是将焦炉砌体倾斜、塌落的部位去除，补以新砌体的方法，由于要实现热、冷态变化，实施复杂，人力、物力消耗大，技术难度高。以一三孔多火道翻修其基本方案为：概述、翻修范围、翻修前的准备工作(包括：方案图纸准备、耐火材料的准备及预砌、工具及材料准备、煤车轨道、上升管处理、蓄热室处理)、温度管理制度(包括翻修期间各点温度规定、热工管理制度及调火值班人员规范、调温措施、推空炉计划、降温、保温、升温的计划和措施)、铁件管理(包括铁件工作准备、铁件工作降温段操作、铁件工作砌筑段操作、铁件工作烘炉段操作)、炉墙保护措施(包括保温工作、支撑工作、立火道和炭化室底部的保护)、耐火材料的堆放及费砖处理、恢复正常生产准备工作、装煤顺序、结焦时间的调整、施工组织工作计划进度等。揭顶修理技术是将要修理的部位从炉顶开始一直拆到燃烧室底并重新砌到炉顶的一种检修方法。一般适用于一个或相邻数个较长的一段燃烧室的修理，这种办法工作量大，修理时间长，需要的人力、物资和资金比较多，但能彻底解决问题保证修炉质量。一般在焦炉寿命的后期即炉龄25年以上。

2)、全炉冷修

焦炉在多火道吊顶、揭顶翻修的基础上应无法继续维持或已到炉龄更新寿命，必须采用全炉冷修的方式才能达到状态的恢复，一般根据保持到焦炉底板或焦炉蓄热室斜道区以上部位，其基本过程与焦炉新建或多火道翻修类似，能够有效解决焦炉砌体问题。

4 焦炉砌体的维修效果

通过对焦炉相应的维护与保养，结合不同时期焦炉的特点，采用适当的维修方法，能够保证焦炉整体热工参数达到并超过中国焦行业协会下发的《焦炉等级评价标准》中的焦炉参数的要求，在超期服役的情况下达到稳产，延长焦炉寿命，减少投资，多产焦炭，多创效益。能够有效减少焦炉的能源消耗和相关环境污染的产生，减少工人的劳动强度，改善作业现场环境。