碳素焙烧炉用粘土质耐火砖及特点

炭素焙烧炉横墙开裂原因与对策分析摘要：为了保障炭素焙烧炉的安全稳定运行，文章针对横墙开裂的原因和对策进行研究，首先简单分析了炭素焙烧炉横墙开裂的基本现象，并从炭素焙烧炉特有热工方式、火道墙变形、横墙砖缝无互锁的设计以及耐火材料品质等方面分析了横墙开裂原因。

最后，文章结合上述几个开裂原因，从选用优质耐火材料、焙烧炉横墙砌筑以及优化焙烧炉横墙及相关部位的设计等方面提出了解决对策，为炭素焙烧炉横墙开裂问题的解决提供参考。

关键词：炭素焙烧炉；横墙开裂；原因与对策1、焙烧炉横墙开裂现象对某企业焙烧炉横墙仔细观察发现，横墙开裂有多种样式存在：①有在料箱横墙内伸缩缝处拉开的；②有在料箱角缝处开裂的；③有在火道墙中心线对应横墙位置开裂的；④还有上述多种开裂形式并存的混合式开裂的情况等。

当然，伴随着局域横墙开裂，横墙其它部位同时也会出现部分伸缩缝缩小甚至消失和个别横墙过风口与火道墙过风口产生错位等现象，这些现象应属于横墙开裂的伴生现象，会或多或少的改变料箱宽度和过风口截面。

2、横墙开裂原因分析2.1与环式炭素焙烧炉特有热工方式有关环式炭素焙烧炉是通过火道墙对料箱内炭素制品进行间接预热、加热、焙烧以及冷却的热工设备。

环式炭素焙烧炉在每个生产周期中都会经历升温、保温和冷却三个阶段，在不同的热工阶段，横墙会有不同的热胀冷缩表现。

由于炭素焙烧炉是属非稳态间接传热的热工设备，因此在升温阶段，镶嵌上下游火道墙的横墙小局域首先升温，而料箱内横墙段滞后升温，此时镶嵌火道墙的横墙部分会产生向两侧横墙的热膨胀又由于横墙内镶嵌有多条火道墙，因此横墙内部会出现多个小局域的方向不同的热膨胀。

边料箱温度低于中间料箱的温度。

因此，中部横墙要向两侧低温区横墙产生热膨胀及热应力，最终形成横墙的位移。

焙烧炉在保温和冷却阶段，无论鼓风架还是冷却架鼓入的冷空气，会使火道对应的横墙段降温相对较快，而料箱对应的横墙段降温较慢（因料箱物料多，热焓大，且有填充料密封，散热差），这样在每个火道对应横墙段与相邻料箱对应的横墙段的小局域范围都会出现温差，料箱处横墙因温度高有向火道处横墙冷缩的热力学运动，会引起料箱处横墙伸缩缝加大的趋势。

碳素焙烧炉的新老产品对比介绍碳素焙烧炉是将高压成形后的各种碳素制品，在隔绝空气的条件下按规定的焙烧温度进行间接加热，从而达到改善制品的导电、导热性能，提高制品强度的一种热工设备。

碳素焙烧炉按其结构划分为炉底、侧墙、火道墙、横墙、炉顶和烟道。

国内外通常使用的炭素焙烧炉有两种形式,即敞开式环式焙烧炉和有盖式焙烧炉。

这两种焙烧炉主要用于铝用炭素阳极与阴极焙烧和炼钢电极焙烧。

目前,我国铝用炭素阳极焙烧均采用敞开式环式焙烧炉。

生产实践表明焙烧炉的热利用率和热损失约各占一半,每吨炭素阳极成品的燃料消耗一般在2.4GJ/t~3.2GJ/t(约折合一般重油60kg/t~80kg/t)。

目前国际上有些发达国家的先进焙烧炉在阳极原料要求十分苛刻和沥青被完全燃烧(新技术)的条件下,燃料消耗可以降到1.8GJ/t~1.9GJ/的重油。

因此,降低铝用炭素阳极焙烧炉的燃料消耗,一直是炭素行业长期探索和研究的重大课题。

多年来,国内外在炭素焙烧炉节能降耗方面,针对炉体结构、焙烧工艺和燃料燃烧等进行了大量的研究工作,尚没有注意到焙烧炉的辅助设备对能耗的影响。

目前,我国绝大多数炭素企业使用的焙烧炉是上世纪九十年代末开发的,炉面配置的辅助设备沿用了传统的铸铁圈/铸铁盖/铁皮盖、重油燃烧器座、气体燃烧器、热电偶架、测温测压架和测负压架,而材质均为普通铸铁和普通钢材,设备笨重简陋,而且功能是配合测温仪表、测压仪表和控制系统来完成对炉温和能源输入的测量控制。

由于焙烧炉与炉面辅助设备接口直径过大,导致炉面温度高,损失了大量的热能,增加了燃料消耗;同时,由于辅助设备结构和材质有较大的缺陷,致使产品使用寿命短且操作劳动强度大。

因此,必须研发一组新型炭素焙烧炉炉面接口测控组件,解决上述存在的各种缺陷,提高企业的经济效益和社会效益。

新型炭素焙烧炉炉面接口测控组件由炉口变径盖、配套座、平口塞、新型燃烧器、新型热电偶支架、新型测温测压探头、新型负压探头组成。

炭素材料生产窑炉用耐火材料耐火材料砌筑炭素原料煅烧炉、焙烧炉和石墨化炉所用的耐火材料。

原料煅烧炉用耐火材料该炉采用煤气或重油作燃料，工作温度为1200～罐式炉用耐火材料该炉炉型分为顺流式(图1)和逆流式两种。

罐式炉是由炉体尺寸相同的煅烧罐组合而成，每4个罐为一组，每座炉子有2～6组煅烧罐。

罐式炉罐体及火道的工作层一般采用硅砖砌筑。

罐体工作层外侧和火道砌体、蓄热室及烟道等部位的工作层采用粘土砖砌筑。

其外墙全部用红砖砌筑，用金属框架和拉杆紧固炉体。

罐式炉的使用寿命一般约为8a。

回转窑用耐火材料该窑筒体内衬一般采用高铝砖或磷酸高铝质不烧砖砌筑。

窑头和窑尾安装密封罩，防止冷空气吸入，以减少氧化损失，罩的内衬一般用粘土砖砌筑。

回转窑的使用寿命一般为200～300d；如窑内衬非工作层采用轻质耐火浇注料浇灌，工作层则用Al2O3含量为75％的高铝质耐火浇注料，其整体性好、强度高、抗磨损，因而使用寿命优于砖砌的，寿命可达1a。

耐火材料耐火材料石墨化炉用耐火材料该炉种类较多，应用较广的是结构简单的电阻炉，常用炉型为艾奇逊式石墨化炉(图3)。

它由炉头、炉体(炉床)及供电系统组成。

炉体呈长条形，炉体两端为炉头，其底、顶和侧墙用粘土砖砌筑，内墙用石墨块外墙用碳块砌筑，当安装完电极后，用石墨粉填充密实，以防止电极氧化，并起密封和保温作用。

炉底用粘土砖砌筑，两侧墙用粘土砖砌筑，也可用耐火浇注料预制块作为活动墙。

石墨化炉的使用寿命，即炉头的寿命约为20次。

耐火材料参考书目李圣华，炭和石墨制品(下册)，冶金工业出版社，北京1984。

碳素焙烧炉的发展及应用环视焙烧炉是生产碳素制品最关键的大型热工炉窑设备，对一个预焙阳极生产厂而言，环式焙烧炉的基建投资占整个碳素厂总投资的50%～60%，而且焙烧炉设计及技术的先进性对产品的质量单位投资的产能、能耗及能源综合利用、炉子寿命、产品生产成本都有很大的影响，焙烧炉火道墙结构的设计，材质的选择和施工工艺是设计焙烧炉最关键的技术。

碳素生产企业环式焙烧炉火道墙采用砖砌结构，由轻质耐火砖、粘土耐火砖、异型耐火砖砌筑而成。

根据焙烧炉火道墙尺寸的不同，每条火道墙重约7～9吨，砖层多打40层。

在生产过程中，依照工艺要求反复地升降温（1250℃～1300℃），降温（20℃～30℃），每次装、出炉时，天车夹具、碳素产品都不可避免地会碰撞到火道墙上，这样火道墙就会发生变形，变形达到一定程度，就必须拆除重砌。

火道墙主要损坏形式：传统工艺采用耐火砖加耐火泥浆砌筑，采用了卧缝打灰、立缝不打灰的砌筑工艺，这样会出现砖缝泥浆脱落，影响了火道墙的整体结构强度。

由于砌砖更多的注重了火道墙的牢固性，但忽视了火焰的流向，不可避免地出现温度死角，对产品的均匀性造成影响。

在生产过程中由于产生不均匀热膨胀以及频繁升降温和装出焙烧品的撞击，造成火道墙变形，继而火焰不走正道→温度死角→温差变大→炉箱变形等恶性循环，能耗增大，降低炉体寿命，出现频繁中小修。

目前国内碳素焙烧炉的设计是50年代从国外引进的技术，火道墙采用砖砌筑结构，经历了半个世纪，并为大多数碳素厂所采用。

随着生产实践的进一步深入，该技术的一些技术问题也逐渐暴露出来。

（1）边火道墙向外突出或整体倾斜，使料箱变窄，装出炉困难；（2）中间火道向内外凹陷，使火道变窄，影响热流气体的流动和燃烧效果；（3）火道墙裂缝严重，导致漏风漏料，影响产品质量，增大热能损耗，破损比较严重的火道墙必须进行中修、大修，由于火道墙是由小块耐火砖砌筑而成，拆除一条火道墙大约需要7～8小时，重新砌筑需24小时左右，拆除并重砌一条火道墙就必须搬运近17吨的材料，这不仅给修炉工作带来困难，而且给车间的正常生产增加难度。

碳素煅烧炉用耐火材料
碳素煅烧炉是碳素材料的热处理设备，有回转式和蒸罐式两种。

两种炉型用耐火材料的选用也有所不同。

蒸罐式煅烧炉是是通过火道内燃烧的方式，对炭素材料间接加热的一种煅烧炉。

火道的内衬用热传导性好、荷重软化点高的硅砖。

而煅烧罐式炉是热交换方式的炉子。

交换炉的内衬用高铝格子砖进行热量交换，内衬材料选用气孔低的特种粘土砖，燃烧口要选用耐磨浇注料。

电极焙烧炉是多室焙烧炉。

焙烧炉底部由于承受上部重量荷载和高温侵袭，在选用特种黏土砖做内衬，一般的黏土砖不行。

碳素煅烧炉是将炭素材料在隔绝空气下进行热处理的设备。

热处理这一工序能让炭素材料获得更好的抗氧化和抗侵蚀能力。

炭素锻烧用的蒸罐式煅烧炉是由4个为1组小煅烧罐组成，蒸罐式煅烧炉是充分利用碳素材料在煅烧过程中补充部分炉煤气，在火道内燃烧，煅烧时火道温度1300-1380℃。

煅烧罐火道的砌用硅砖要经受高温作用，还要受到装、出炭素材料对罐壁的撞击，而且还要受燃烧气体的冲刷和熔渣的严重侵蚀。

由于使用条件的原因，煅烧罐及火道的内衬材料选用硅砖砌筑。

燃烧口上由于温度较高，使用高铝砖砌筑，炉底部位用红砖、轻质保温砖。

碳素煅烧炉用耐材的选用主要是以荷重软化高的黏土砖、耐高温的硅砖、轻质保温砖、耐磨浇注料为主。

耐火砖、隔热砖、莫来石砖、粘土砖、隔热泥浆和浇注料技术性能要求第一章、技术性能要求1、干熄炉与一次除尘器耐材的砌筑特点：1.1干熄炉砌体属于竖窑式结构，中下部是处于正压状态的圆筒形直立砌体。

1.2炉体自上而下可分为预存室、斜道区和冷却室。

1.3预存室的上部是锥顶区，因装焦前后温度有波动，耐火砖的损毁原因主要是装入焦炭时的高温剥落以及来自预存室衬砖的热膨胀造成的上涨挤压，所以炉口耐火砖要求有较好的高温抗折强度和热震稳定性。

1.4炉口工作层采用B级莫来石—碳化硅砖，其余为干熄焦用粘土砖和高强隔热耐火砖。

1.5预存室下部是环形气道，可分为内墙及环形通道外墙两重圆环砌体。

1.6内墙要承受装入焦炭的冲击力和磨擦，还要防止预存室与环形气道的流体压差窜漏，因而采用高强度耐磨砖—A级莫来石粘土砖。

1.7斜道区的砖逐层悬挑承托上部气体的荷重，并且是逐层改变气道深度的砖砌体。

1.8温度频繁波动、热惰性气流和焦炭粉尘激烈冲刷，还受上环形烟道进入的燃烧空气影响，该部位的损坏原因主要是由于温度变化而形成的热应力以及耐火材料的不均匀负荷造成的高温机械剥落，以热震损坏为主。

1.9对内层砖的热震性、抗磨损和抗折强度要求都很高。

该部位采用高档次莫来石－碳化硅特制砖。

1.10冷却室虽结构简单，是一个圆筒形，但它的内壁要承受焦炭冲击磨损、循环冷却气体的冲刷以及上部耐火衬体的压力。

1.11冷却室的损毁以机械磨损及化学腐蚀为主。

冷却段用砖采用耐急冷急热性好且高强耐磨的B级莫来石粘土砖。

1.12一次除尘器由于产生较大的气流冲刷，侧墙及底部经常受到焦炭粉尘的冲击，采用干熄焦专用致密耐磨粘土砖，拱顶因除尘器跨度大，温度高且波动大，采用高强耐磨干熄焦专用莫来石砖。

2、B级莫来石－碳化硅砖（ＢT类砖）：2.1 BT类砖主要理化性能指标：2.2莫来石－碳化硅特制AT类砖主要理化性能指标：2.3 A类干熄焦专用莫来石砖（AM类砖）主要理化指标：2.4 B类干熄焦专用莫来石砖（BM）主要理化性能指标：2.5干熄焦用致密粘土砖（Ｎ53）主要理化指标：2.6干熄焦用粘土砖（Ｎ3）主要性能指标：2.7隔热砖（B1、B2、C1、隔热碎砖）性能指标基本：2.8耐火砖火泥主要性能指标：2.9隔热泥浆主要理化指标：3、浇注料：4、耐火纤维理化指标：4.1耐火纤维棉（BF-090）：4.1.1导热系数（平均温度600℃）：≤0.17W/（m.K）；4.1.2粒度大于212μm的颗粒含有率：≤25%；4.1.3加热收缩率(900℃×8h):≤3%；4.1.4化学成分:⑴、Al2O3:≥35%⑵、Al2O3+SiO2:≥85%；4.2耐火纤维棉（BF-110）：4.2.1导热系数（平均温度600℃）：≤0.17W/（m.K）；4.2.2粒度大于212μm的颗粒含有率：≤25%；4.2.3加热收缩率(1100℃×8h):≤3%；4.2.4化学成分:⑴、Al2O3:≥44%；⑵、Al2O3+SiO2:≥97%；4.3耐火纤维毡（CB-090-2）：4.3.1体积密度：≥115kg/m3；4.3.2导热系数（平均温度600℃）：≤0.19W/（m.K）；4.3.3粒度大于212μm的颗粒含有率：≤25%；4.3.4加热收缩率(900℃×8h):≤3%；4.3.5化学成分:⑴、Al2O3:≥35%⑵、Al2O3+SiO2:≥85%；4.4耐火纤维毯（CB-110-2）：4.4.1体积密度：≥115kg/m3；4.4.2导热系数（平均温度600℃）：≤0.19W/（m.K）；4.4.3粒度大于212μm的颗粒含有率：≤25%；4.4.4加热收缩率(1100℃×8h):≤3%；4.4.5化学成分:⑴、Al2O3:≥44%；⑵、Al2O3+SiO2:≥97%；4.5耐火纤维纸：4.5.1安全使用温度：1200℃；4.5.2体积密度：≥250kg/m3；4.5.3导热系数（平均温度600℃）：≤0.17W/（m.K）；4.5.4粒度大于212μm的颗粒含有率：≤25%；4.5.5烧损率：≤7%；4.6纤维绳（CB-120）：4.6.1体积密度：≥250kg/m3；4.6.2安全使用温度：1250℃；4.6.3化学成分：Al2O3+SiO2:≥72%；4.6.4增强材料：与铝镍合金601相当；4.6.5散粒含有率：≤40%；5、干熄焦定型砖外形尺寸的要求：5.1各种耐火砖型主要尺寸的允许偏差如下表：5.2各种耐火砖型的外形规格要求见下表：5.3各种隔热砖型主要尺寸的允许偏差如下表：5.4各种隔热砖型的外形规格要求见下表：第二章、执行标准和规定1、GB/T7321—2017定型耐火制品试样制备方法。