Огнеупорные материалы и изделия для кладки коксовых печей

В процессе эксплуатации кладка различных конструктивных элементов коксовой батареи подвергается разрушающему воздействию высоких температур, достигающих в отопительной системе 1410 — 1450 °С, а в устройствах для отвода продуктов сгорания минимум 300 °С. Кроме того кладка подвергается истиранию коксом при его выдаче, резким колебаниям температур при загрузке влажной угольной шихты, разъедающему воздействию парогазовых продуктов коксования.

Кладка печей должна также противостоять механическим усилиям работающих коксовых машин и давлению вышележащих слоев конструкции. Отопительные простенки подвергаются сжатию, растяжению, изгибу (излому), сдвигу, истиранию.

В вертикальном направлении действуют нагрузки от собственной массы кладки 0, 147 МПа, например, в основании простенка (для печей с высотой камеры 5м), а также от веса загрузочного вагона с углем. Суммарно эти нагрузки при условии, что масса вагона с углем распределяется равномерно по всей длине печи и поровну на 4 простенка, составляет для печей с высотой камер 5 м — 0, 19 МПа. На печах с высотой камер 7 м по данным Гипрококса, эта величина достигает 0, 2 МПа.

В горизонтальном направлении нагрузки действуют перпендикулярно к плоскости стен камер и параллельно продольной оси простенка. К таким нагрузкам относятся: давление распирания угля (при загрузке воспринимается, в основном, распорочным кирпичом в нижней части простенка, напряжение в этом кирпиче составляет 0, 07 — 0, 1 Мпа); давление распирания угля в процессе коксования (оно имеет максимальное значение у пода камеры). По опытным данным допустимая нагрузка от распирания углей на стенки камер не должна превышать 0, 07 МПа. Параллельно продольной оси простенка действует давление от сжатия кладки армирующим оборудованием. Оно составляет 0, 7-1, 0.

Коксовые печи строятся из специальных огнеупорных материалов способных длительное время без разрушения выдерживать высокие температуры.

Огнеупорные материалы характеризуются следующими основными свойствами: огнеупорностью или термостойкостью — свойством материала противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур (°С); термической стойкостью — способностью выдерживать резкие изменения температур (количество резких смен температуры 1300 — 20 °С); температурой деформации под нагрузкой — способностью противостоять одновременной воздействию высоких температур, сжимающим и растягивающим нагрузкам, (определяется температурой, при которой огнеупорный материал начинает деформироваться при нагрузке 0, 2 Мпа); пределом прочности при сжатии характеризующим строительную прочность материала; теплопроводностью (ВТ/м • ч); дополнительным линейным ростом или усадкой — увеличением илиуменьшением линейных размеров при нагреве сооружения до рабочих температур, %. Кроме этих показателей характеристиками огнеупорнь₍материалов являются газопроницаемость, плотность, пористость.

Для строительства коксовых батарей применяют фасонные изделия - кирпичи специальной формы, в основном из динаса и шамота. Для, связывания отдельных кирпичей в общий массив кладки используются сыпучие, огнеупорные материалы — тонкоизмельченные порошки динаса и шамота, та называемые мертели, из которых приготовляется строительный раствор. Характеристики огнеупоров, применяемых для строительства коксовых печей приведены в табл. 3. Особенностью динасовых изделий является сохранение механической прочности при нагреве до высоких температур, больше теплопроводность и малая газопроницаемость, устойчивость по отношению к разъедающему воздействию солей и щелочей, влаги угля, истирающему воздействию кокса. Особенностью динаса является также характер изменения его объема при нагревании и охлаждении. Как видно из данных табл. 1основой динаса является кремнезем. В природе кремнезем существует в вид кристаллических модификаций — кварца, тридимита и кристабалита, которые различаются структурой кристаллической решетки, температурными пределами, в которых они устойчивы, и плотностью. Каждая из модификаций имеет свои формы. При нагреве переход из одной модификации в другую проходит с изменением кристаллической решетки, а значит с заметным изменением объема и других физических свойств.

Переход из одной формы в другую внутри модификаций проходит быстро и является обратимым, при нагреве и изменении температурных условий объем динасовых изделий может меняться и чем больше изделие, те больше будет изменение объема. Превращения форм кварца в тридимит происходит на 75 % еще на огнеупорном заводе, где изготавливают динасовые изделия. Чем меньше неперерожденного кварца остается в динасе, тем лучше качество, меньше будут изменения при разогреве и эксплуатации коксовой батареи. О степени превращения кварца в тридимит и кристабалит можно судить по действительной плотности изделий, которая у лучших сортов динаса равна 2, 35 — 2, 37 г/см, общее увеличение объема составляет до 1, 15%, дополнительный рост в процессе эксплуатации не более 0, 2 %.

Во всех проектах коксовых печей размеры указываются в " холодном состоянии". Поэтому в процессе разогрева и эксплуатации коксовой батареи приходится периодически производить корректировку стыковки коксовых машин, обслуживающих батарею, и каменной кладки.

Недостатком динаса является также малая термическая устойчивость при резких сменах температур, при охлаждении до температур ниже 600 °С (особенно ниже 300 °С), а также дополнительное увеличение линейных размеров — рост в пределах 0, 2-0, 3% после начала нормальной работы коксовой батареи.

Несмотря на указанные выше особенности динасовых огнеупоров, динас пока еще имеет неоспоримые преимущества перед другими огнеупорами, так как обладает высокой термической стойкостью в интервале температур 600 — 700^оС и сопротивление высокотемпературной ползучести — (" крип"). Кроме того, он имеет незначительное изменение линейных размеров в интервале 700 — 1400^оС. Реверсивное изменение объема составляет не более 0, 15 %, В настоящее время ведутся исследования по разработке новых огнеупорных материалов на нединасовой основе. Таким материалом, например, является огнеупорный бетон.

Основой огнеупорного бетона является кварцит (93, 7 %), портландцемент (4, 5%), диоксид титана (3, 1 %), технический лигносульфонат (0, 8 %). Из огнеупорного бетона изготовляются блоки 1x2 м, из которых можно сооружать отдельные элементы коксовых печей, например отопительные простенки, футеровки боровов, стояков и т.д. При этом преимуществом блочно-бетонной кладки д₀ сравнению со штучной из кирпича является ее малошовность. Площадка материальных швов по сравнению с кирпичной меньше на 85 %. А это значит что значительно меньше возможность неплотностей кладки. Очевидным преимуществом бетонных блоков перед штучными изделиями является также возможность широкого применения механизации при их изготовлении ц строительстве. Важной технологической особенностью огнеупорного бетона является то, что его упрочнение происходит в самой коксовой печи при разогреве и эксплуатации. Недостатком этого материала является относительно высокая стоимость и меньшая термическая стойкость под нагрузкой.

Успешно испытаны динасовые огнеупоры с добавками карбонильного железа и безжелезистый динас.

Вторым по значению огнеупорным материалом, применяемым для кладке коксовых печей, является шамот. Обожженная при температуре 1450 - 1500°С огнеупорная глина смешивается снова с пластичной глиной и из этой смеси формуются изделия, которые снова проходят стадию обжига. В смесь также вводят измельченный шамотный бой. Если в смеси обожженная глина и бой шамота составляет более 80 %, то такой материал называется многошамотом. Многошамот отличается тем, что практически не меняет объем при разогреве Кроме того, он имеет самую высокую термическую стойкость (до 2х теплосмен). Недостатком его является высокая стоимость. Положительны» свойством шамотных и многошамотных огнеупоров является их высокая термическая устойчивость при резких колебаниях температуры. Однако его температура начала деформации, под нагрузкой, значительно ниже, чем у динаса (табл. 3). Кроме того, серьезным недостатком шамота, как строительного материала для коксовых печей, является то, что при нагреве до рабочей температуры, он дает усадку до 0, 7 %. Поэтому в процессе работы в элементах печей, выложенных из шамотного кирпича, могут образовываться зазоры, чера которые газы будут проникать из одной полости печи в другую. В особенности это может проявляться в месте стыковки динасовой и шамотной кладки. Работает несколько коксовых батарей небольшой мощности, построенных их шамотного кирпича.

Выбор того или иного огнеупорного материала для сооружения отдельных элементов коксовых батарей зависит от условий, в которых проходит служба огнеупоров, в месте его расположения.

В современных отечественных и зарубежных коксовых печах применяется 440-600 видов фасонных изделий. На их долю приходится 85-93%общей массы огнеупорной кладки, которая для современной коксовой батарй составляет 12-20 тыс. т, в том числе 69-75 % динасовых и 25-31 % шамотных изделий.

Рис.10. Образцы фасонных изделий

1 - стеновой кирпич для регенераторов; 2- стеновой кирпич, применяемый для кладки вертикалов коксовых печей; 3- кирпич для соединительных каналов; 4-фасонный насадочный кирпич для регенераторов; 5- кирпич для головки отопительного простенка; 6- рассекатель; 7- кирпич для газораспределительных каналов (корнюров); 8- кирпич для люков и свода камеры; 9- обычная конфузорная горелка; 10- диффузорная горелка; 11 высокая горелка

Рис • Кладка обогревательного простенка ПК- 2К с рециркуляцией

1 - рециркуляционные вертикальные каналы; 2- вертикалы

Некоторые наиболее употребительные в кладке коксовых печей (кирпичи) и регулировочные средства показаны на рис. 10 ь

* отопительного простенка показана на рис. 11. Характерной особенностью кирпичей, используемых для кладки стен камер коксования, является наличие в них выступов и пазов для создания шпунтового соединения, обеспечивающих высокую плотность кладки (рис. 11). Для точной раздачи газа по _л ' отопительного простенка применяются конфузорные и диффузорные топки ^k (шамот или многошамот), высокие горелки (динас). Для изменения отверг проходу газов и продуктов сгорания служат регистры (динас) рис. 11. Ниже регистры — " бананы" устанавливаются в устьях косых ходов и позволяют распределять воздух или бедный газ по вертикали. Рассекатели устанавливаемый на перегородке между косыми ходами, позволяют изменять уровень встречи потоков воздуха и бедного газа, которые выходят соответствующих отверстий, и, таким образом, изменять высоту факела горения. Шибер окна регуляции служит для регулирования проходного сечение рециркуляционного окна и степени рециркуляции продуктов горения. Управление регулировочными средствами и их смена производится через смотровую шахточку вертикалов.