煤化学专业炼焦学省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 第五章第五章第1页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备第一节第一节筑炉材料筑炉材料第二节第二节护炉设备护炉设备第三节第三节 煤气设备煤气设备第四节第四节 焦炉机械焦炉机械第2页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备第一节第一节筑炉材料筑炉材料 一、耐火材料性质一、耐火材料性质 通常以以下指标来衡量耐火材料性能。(1)气孔率 耐火材料中有许多大小不一形状各异气孔,气孔率即气孔总体积占耐火制品总体积百分比,它表示耐火材料致密程度。通常所说气孔率是指不计闭口气孔(不和大气相通气孔)开口气孔率,又叫显气孔率。因耐火制品用途不一样,对气孔率要求也各不相同。普通是气孔率愈小,导热性愈好,耐火砖
2、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 体积密度是指包含全部气孔在内每m3耐火砖质量。真密度是指不包含气孔在内单位体积耐火材料质量与同体积水比值,因为不一样石英晶型其真密度不一样,所以测定硅砖真密度能够了解其烧成情况。第3页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 (3)热膨胀性 耐火制品受热后,普通都会发生膨胀,这种性质称为热膨胀性。它可用线膨胀率或体积膨胀率来表示。不一样温度范围内,其膨胀率是不一样。100 100 式中 L0、V0室温下试样原始长度和体积;Lt、V t 温度升高至t时试样长度和体积。(4)导热性 耐火制品导热性,取决于其相组成和组织结 构,用 导 热
3、 系 数“”来 表 示,其 法 定 单 位 为kJ/(mh),多数耐火制品导热系数随温度升高而增大(如硅砖、黏土砖等),也有些制品则相反(如镁砖和碳化硅砖)。第4页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 (5)耐火度 耐火材料在高温下抵抗熔融性能指标,但不是熔融温度。普通物质有一定熔点,耐火材料却不一样,它从部分开始熔融到全部熔化,其间温差达几baidu,而且熔融现象还受升温速度影响,所以当前均采取比较法测定耐火度。用高岭土、氧化铝和石英按不一样配比制成要求尺寸三角锥状标准试样称示温熔锥,它们耐火度是已知,将待测试样按要求制成三角锥状,和示温熔锥同时置于高温炉内,以一定速度升温,当待测试样和某一个标准试
4、样同时软化弯倒,锥角与底盘接触时,该标准试样耐火度即待测试样耐火度,所以耐火度是熔融现象发展到软化弯倒时温度。第5页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备(6)荷重软化温度 耐火制品常温耐压强度很高,但在高温下因为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负荷,所以测定它高温强度意义很大。普通用荷重软化温度作为耐火制品高温结构强度指标。测定方法是用要求尺寸圆柱体在0.2Pa压力下,以一定升温速度加热,伴随温度升高,试样将产生一定数量变形,当试样最大高度降低0.6时温度,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温度差
5、可达200250,而硅砖到达变形温度后马上破坏,开始到终了仅差1015。第6页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 (7)高温体积稳定性 耐火材料在高温下长久使用时,其成份会继续改变,产生再结晶和深入烧结现象,所以耐火制品体积会有改变。因为各种制品化学成份不一样,有收缩,有膨胀,且这种改变是不可逆,故称为残余收缩和残余膨胀,其数值用制品加热到12001500oC(因耐火制品种类不一样而异),保温2h,冷却到常温体积改变百分率(%)来表示。高温体积稳定性=100式中 V0试样加热前体积;V试样加热并冷却后体积。正值表示残余膨胀,负值表示残余收缩。第7页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 (8)温度激变抵抗性
6、是耐火制品抵抗温度激变而不损坏性能。将试样加热到850 10后保温40分钟,放在流动凉水中冷却,并重复进行,直到试样碎裂后脱落部分质量占原试样质量20%时止,此时其经受急冷急热次数,就作为该制品耐急冷急热性能指标。耐火制品热稳定性与热膨胀性有很大关系,若制品线膨胀系数大,则因为制品内部温度不均匀而引发不一样程度膨胀,从而产生较大内应力,降低了制品热稳定性。另外,制品形状越复杂,尺寸越大,其热稳定性也越差。经上述测定不一样耐火制品差异很大,如硅砖抵抗性最差仅12次,普通黏土砖1020次,而粗粒黏土砖可达25100次。一些耐火制品基本特征如表5-1所表示。第8页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备第9页炼
7、焦炉机械设备炼焦炉机械设备 总之,砌筑焦炉用耐火材料应满足以下基本要求:荷重软化温度高于所在部位最高温度;所在部位最高温度改变范围内,含有抗温度激变性能;能抵抗所在部位可能碰到各种介质侵蚀;炭化室墙含有良好导热性能,格子砖含有良好蓄热能力。第10页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 二、焦炉用耐火材料二、焦炉用耐火材料 1.1.SiOSiO2 2晶型转变与硅砖特征晶型转变与硅砖特征 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。硅砖含SiO2大于93%,系酸性耐火材料,含有良好抗酸性侵蚀能力,硅砖导热性能好,耐火度为169017
8、10,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在不一样温度下能以不一样晶型存在,在晶型转化时会产生体积改变,并产生内应力,故硅砖制造性能和使用与SiO2晶型转变有亲密关系。第11页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备SiO2能以三种结晶型态存在,即石英、方石英和鳞石英,而每一个结晶形态又有几个同质异晶体。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,是以晶型密度不一样来彼此区分。它们在一定温度范围内是稳定,超出此温度范围,即发生晶型转变。第12页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 在制造硅砖原料硅石中,Sio2以-石
9、英存在,在干燥、烧成过程中,-石英首先转化为-石英,然后再转化为-方石英和-鳞石英;在1670时,-鳞石英将转化为非晶型石英玻璃,在1710时,-方石英也会转化为石英玻璃。在烧成硅砖内,因为温度不均及晶型转变时间和条件差异,总是三种晶型共存,甚至还有石英玻璃。烧成硅砖中-石英,-鳞石英和-方石英在冷却过程中转变为对应低温型,即-石英,-鳞石英和-方石英,当制成硅砖用于砌筑焦炉后再次升温时,这些低温晶型会逐步转变为高温晶型。以上转变温度、条件以及对应膨胀量见图5-1所表示。第13页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备第14页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 从图5-1中能够看出,这种转变可分为两种,一个是横
10、向迟钝型转变,它是晶格重排过程,这是从一个结晶结构过渡到另一个新结晶结构。这种转变是从结晶边缘开始向结晶中心迟缓地进行,需较长时间,且在一定温度范围内才能完成,普通只向一个方向进行。但在实际烧成过程中,SiO2并非是单一从-石英-鳞石英-方石英石英玻璃转变,而是因温度范围、升温速度、矿化剂存在是否而异,能够发生另外迟钝型转变:第15页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 另外一个转变为图5-1所表示上下转化,即各类晶型内高温型()和低温型(、)间转变,称为高低型转变。此种转变没有晶格重排,只有晶格扭曲或伸长,所以改变速度快且是可逆。第16页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 各种型态SiO2转化温度和体积改
11、变不一样,如图5-2所表示。方石英在180270转化,体积改变最猛烈,而在570.时,石英转化体积改变较小。鳞石英有两个晶型转化点:即117和163,此时体积改变最小。所以用于焦炉硅砖,希望在制造过程中,尽可能转化为鳞石英。但实际生产硅砖制品总是三种晶型同时存在。因为三种石英中鳞石英密度最小,所以鳞石英含量愈高硅砖,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方石英第17页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 因为烧成温度、速度及原料矿化剂等差异,制成硅砖因为矿相组成差异,硅砖真密度就不一样,从表5-2和图5-2能够看出,真密度小硅砖,石英转化较完全,膨胀过程平稳,残余膨胀小
12、,有利于保持炉体严密。另外,磷石英荷重软化温度高,导热性能好,故焦炉要尽可能采取真密度小硅砖,普通要求在2.38以下,优质硅砖真密度应在2.342.35之间。第18页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 从图5-1还能够看出,硅砖热膨胀改变大,600以前晶型转变较多,故体积改变较大,而且在117、163、180270和570等几个晶型转化点,体积改变尤为显著,这时最轻易引发砌体变形和开裂。所以这对焦炉各部分材质选取,对焦炉砌筑、烘炉、生产维修及冷炉等都有主要意义。故硅砖烧成和新焦炉烘烤均需按计划升温,以免碎裂。依据硅砖含有特征,当用于砌筑焦炉时,能够提升燃烧室温度,缩短结焦时间,增加焦炉生产能力,延长
13、炉体使用寿命,所以当代焦炉主要用硅砖砌筑(其各项理化指标见表5-3)。第19页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备600700以下时,硅砖对温度急变抵抗性能差,这是因为高低型晶型转变、体积突然膨胀或收缩所致,所以硅砖不宜用于温度猛烈改变部位。但在700以上时,因为硅砖体积改变较平稳,所以能很好地适应温度急变。当前有一个用高密度硅砖砌筑焦炉趋势,高密度硅砖是指气孔率在10%13%范围内硅砖,它特点是密度高,气孔率低,所以导热性能及强度均比普通硅砖好。第20页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备2.黏土砖黏土砖 黏土砖主要原料是耐火黏土和高岭土,其主要成份是高岭石(Al2 O32SiO22H2O),其余部分为K2
14、O、Na2O、CaO、MgO及Fe2O3等杂质,它们约占67%左右。黏土砖是以经煅烧硬质耐火黏土(熟料)与部分可塑性黏土经粉碎、混合、成型、干燥后烧成。加入熟料是为了降低干燥和烧成过程中收缩,增大致积密度、降低气孔率,提升耐急冷急热性能。烧成过程中是高岭石不停失水,分解生成莫来石(3Al2O32SiO2)结晶过程。其主要反应过程以下:温度在常温150,砖坯水分蒸发;第21页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 温度在150650,高岭石分解出结晶水:Al2O32SiO22H2O Al2O32SiO2+2H2O 温度在600830,无水高岭石分解:Al2O32SiO2 -Al2O3+2SiO2 温度在8
15、30950,-Al2O3晶型转化为-Al2O3,并开始生成莫来石结晶:3 Al2O3+2SiO2 3Al2O3 2SiO2 温度在9501350,黏土中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,促进颗粒熔解,重结晶和重排过程最终形成坚硬制品。普通烧成后黏土制品中含有30%45%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浸蚀,对碱性渣抗蚀能力较差,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。第22页炼焦炉机械设备炼
16、焦炉机械设备 这是因为在黏土砖中除了高耐火度莫来石结晶外,还含有几乎达50%玻璃相,后者软化开始温度很低,但熔融物黏度却很大,故出现上述情况。黏土砖热稳定性好,但导热性和机械强度较硅砖差。与硅砖相比,黏土砖总膨胀率仅为硅砖1/21/3,且膨胀量基本上与温度成百分比地直线增加,而硅砖膨胀改变量主要在600以前,600以后硅砖体积改变较稳定。所以,黏土砖焦炉在炭化室温度改变范围内体积改变量要比硅砖焦炉大。第23页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 因为黏土砖焦炉加热到1100总膨胀量较小且均匀,抗温度急变性强,故黏土砖焦炉烘炉期短,但加热到1200以上时,会出现残余收缩,这是因为黏土制品中矿物继续产生再
17、结晶,以及在高温下制品中低熔点化合物逐步熔化,在表面张力作用下使固体颗粒相互靠近所致。收缩大小与配料组成及烧成温度相关。所以黏土砖焦炉在高温下长久使用过程中,砖缝可能产生空隙,会破坏砌体严密性。因为上述特点,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。黏土砖各项理化指标见表5-4。第24页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 黏土砖原料起源广,制作轻易,成本低,因而有些小焦炉可采取黏土砖砌筑,但一定要严格控制操作温度,以免造成焦炉损坏。第25页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备3高铝砖高铝砖 含Al2O3高于48铝硅质耐火砖叫高铝砖,它
18、是以高铝矾土为原料,并用与黏土砖类同制造方法制成。它耐火度及荷重软化开始温度均高于黏土砖,抗渣性能也好,耐急冷急热性虽不如黏土砖但优于硅砖,可用于砌筑燃烧室炉头或炉门衬砖。4耐热混凝土耐热混凝土 它是一个长久承受高温作用特种混凝土,是由耐火骨料、适当胶凝材料(有时还掺入矿物质和有机掺合料)和水按一定百分比调制成泥料,经捣制或振动成型、继而凝结、硬化、脱模、养护烘干而产生含有一定强度耐高温制品。第26页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 通常以矾土、废耐火砖、高炉矿渣等作为骨料,以矾土水泥、硅酸盐水泥、磷酸和水玻璃等作为胶凝材料,依据骨料和胶凝材料不一样,耐热混凝土分为很多类型,其组成不一样,性质各异
19、,因而其使用范围也不一样。这种耐火制品与耐火砖相比,含有以下优点:(1)使用前无须经过烧结,降低了制造耐火砖复杂工艺,制备工艺简单,可就地制成各种需要形状。(2)常温下快速产生强度,而且维持到操作温度下而不下降。耐热混凝土在焦炉上已使用多年,主要用于炉门和上升管衬砖等部位。第27页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备5.耐火泥耐火泥 耐火泥是一个使砌体成为一个整体黏结剂,它应有与砌体用砖相一致性能,使用中应满足以下要求:有一定黏结性和良好填塞能力;有较小收缩性,以防砖缝干固时开裂;有一定耐火度和荷重软化开始温度;有一定保水性,便于施工,确保质量;在使用温度下发生烧结,以增加砌体机械强度。第28页炼焦炉
20、机械设备炼焦炉机械设备 凡与金属埋入件相接触砌体部位,需在耐火泥中加入精矿粉。用于砌筑焦炉顶面砖时,应在耐火泥中加入能增加强度水凝性胶结剂硅酸盐水泥和石英砂。砌筑焦炉用耐火泥分为硅火泥和黏土火泥。硅火泥是用硅石、废硅砖粉和耐火黏土(生黏土)配制而成粉料。废硅砖粉加入能改进火泥与硅砖高温黏结性能,这是因为硅砖粉含有与硅砖相一致热膨胀曲线,所以在石英晶型转化而引发体积改变时,火泥脱离硅砖可能性较小,黏附于硅砖能力良好。普通硅砖粉含量在20%30%较适当。硅火泥中加入生黏土能够增加可塑性,降低透气性和失水率,但加入量不宜过大,不然会使硅火泥耐火度降低、收缩率增加,普通以不超出 15%20%为 宜。依
21、 据 SiO2含 量 不 一 样,可 分 为 高 温(1500)、中 温(1350 1500)和 低 温(10001350)三种硅火泥。第29页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 硅火泥对粒度要求为:1mm以上小于3,小于0.2mm大于80,普通好用灰浆应能活动1520s,可用“时间”表示使用性能,而使用性能与颗粒组成相关。实践表明:粒度太细,吸水性强,太粗其失水速度快,均不宜使用。比较适当粒度组成以下:粒度/mm 0.077 0.1 0.2 99 黏土火泥是由煅烧过块状熟料或粉碎黏土砖加入结合黏土(生黏土)制成。熟料是黏土火泥主要成份,约占60%80%。生黏土是结合剂,加入生黏土可增加可塑性,降低
22、透气性和失水率,但加大收缩性,配入生黏土过多轻易产生裂纹,故配料比不宜过大,约占20%40%。第30页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 黏土火泥使用温度普通均低于1000。焦炉用黏土火泥普通为细粒级及中粒级,粒度分别为经过0.5mm和1mm筛孔应大于97%。黏土火泥除用于砌筑黏土砖部位外,还大量用于修补焦炉。6其它筑炉材料其它筑炉材料 隔热材料 通常导热系数小于0.837kJ/(mhk)建筑材料称为隔热材料。普通它含有气孔率大而气孔小,机械强度低,体积密度小等特点,常见隔热材料及其主要性能如表5-5。总之,各种隔热材料可散料直接使用,也可加水调成胶泥状涂抹使用。选取时应考虑到它们最高允许使用温度,
23、超出要求温度,隔热材料会丧失强度或破裂。第31页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备(2)水玻璃 是由磨细石英砂或石英粉与碳酸钠或硫酸钠按一定百分比配合后,经13001400oC熔融化合得到块状固体硅酸钠,若再将其用蒸汽熔化,则得到液状硅酸钠。基本反应以下:Na2CO3+nSiO2 Na2OnSiO2+CO2 第32页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 Na2OnSiO2即水玻璃分子式,其中n为水玻璃模数,表示SiO2 /Na2O分子比值,该值普通为1.53.5。筑炉和修炉用水玻璃均系水玻璃水溶液。水玻璃是一个矿物胶凝剂,含有黏结能力,其值大小与模数、浓度和温度相关。它属于气凝性胶凝材料,因为空气中CO2作
24、用,以及干燥而析出SiO2凝胶,混料中加入一定量水玻璃后,因为SiO2胶凝作用,在常温下硬化而使砌体含有早期强度。水玻璃加入还可降低砌体和泥料烧结温度。除上述筑炉材料之外,还有普通水泥、红砖和缸砖等,主要用于焦炉基础和抵抗墙、炉顶等部位。第33页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 第二节第二节护炉设备护炉设备 焦炉砌体外部应按装护炉设备,如图5-3。这些设备包含:炉拄、保护板、纵横拉条、弹簧、炉门框、抵抗墙及机焦侧操作台等。图5-3 护炉设备装配简图1拉条;2弹簧;3炉门框;4炉柱;5保护板;6炉门挂钩第34页炼焦炉机械设备炼焦炉机械设备 一、护炉设备作用一、护炉设备作用 护炉设备主要作用是利用可调
25、整弹簧势能,连续不停地向砌体施加足够、分布均匀合理保护性压力,使砌体在本身膨胀和外力作用下仍能保持完整性和严密性,并有足够强度,从而确保焦炉正常生产。护炉设备对炉体保护分别沿炉组长向(纵向)和燃烧室长向(横向)分布,纵向为:两端抵抗墙,弹簧组,纵拉条;横向为:两侧炉柱、上下横拉条、弹簧、保护板和炉门框等。1炉体横向膨胀及护炉设备作用炉体横向膨胀及护炉设备作用 炉体横向(即燃烧室长向)不设膨胀缝,烘炉期间,随炉温升高炉体横向逐步伸长。投产后23年内,因为二氧化硅继续向鳞石英转化,炉体继续伸长。另外,以后周期性装煤出焦,造成炉体周期性膨胀、收缩。正常情况下,年伸长量大约在5mm以下。第35页炼焦炉
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