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大型焦炉用节能环保新材料关键技术研发及系列化产品应用——中钢集团耐火材料有限公司成果

2017-11-15

21世纪初,我国钢铁行业迅猛发展,焦炉趋于大型化,焦炭产量由2000年的不足1.5亿吨升至2015年的4.77亿吨,占全球总产量近70%。国内现有大型焦炉2 000余座,在钢铁工业生产中,焦炉能耗占总能耗的13%15%,大量硫和氮及其他污染物等外溢排放,污染严重。一座焦炉90%左右是由耐火材料堆砌而成,耐火材料的技术进步影响着焦炉的整体性能。为了缓解焦化行业的环保压力,中钢集团耐火材料有限公司凭借60多年的硅砖生产技术沉淀,创新研发,通过技术集成,开发了一系列适用于大型焦炉的节能环保新材料。以“节能环保”为宗旨,遵循“赋予耐火材料功能化、精细化”的技术路线,历经4年多技术攻关,在表面复合预制成型技术、高导热硅质材料制备技术、窑炉热态修补技术及关键材料制备技术、同质同相泥浆制备技术等方面取得了重大突破,解决了焦炉密封性差、成焦率低、使用寿命短及污染严重等问题。 

项目研发的整体材料经过优化配置,应用于大型焦炉,可显著提高大型焦炉的运行质量,延长焦炉的生命周期,节能减排效果明显,相关技术成果入选《国家重点节能低碳技术推广目录》。

一、主要科技创新

(一)表面复合预制成型技术

焦炉是炼焦行业投资巨大的重要设备,目前焦炉的使用寿命在30年以上,相对于焦炉的长寿命,焦炉炉门、烟道(上升管及桥管)、加煤孔和配套炉盖使用寿命较短,一般在13年,且后期维护劳动强度大,需要人员多,费用高。此外,焦炉炉门等对于大型焦炉的整体性能会产生一定的影响,由于密封不严会导致空气污染等问题。

中钢集团耐火材料有限公司从2010年开始与宝钢研讨焦炉炉门工况条件及对耐火材料的要求等问题,公司总经理薄钧亲自带队进行现场分析,开展深入研究。经过不断努力,以堇青石、莫来石为主要原料,采用浇注成型法制备了堇青石-莫来石制品;以堇青石、熔融石英为主要原料,加入助熔剂研制了专用釉料,通过施釉,一次性烧成制备出釉面堇青石-莫来石制品。研制的釉面具有成釉温度高、釉层铺展性和粘附性好、膨胀系数低、与砖体结合性好等特点。该项技术节能环保,使用效果良好,彻底解决了碳素和焦油沉积以及化学物质渗透等问题,并减轻了劳动强度,降低砖衬厚度20%25%,节约空间的同时,提高了炼焦利用率,降低了焦炉炼焦耗热量。相关技术和产品与国外同类产品相比具有较大的成本优势。

表面复合预制成型技术具体包括制品与陶瓷釉料间的一次同步结合技术、负压浇注成型及特定的烧成工艺控制技术以及结构大型化预制设计技术。

制品与陶瓷釉料间的一次同步结合技术方面,制品表面附着高性能微晶陶瓷釉料,实现了耐材制品与陶瓷釉间的一次同步结合,使耐材制品表面致密化,从而进一步提高制品的耐磨性和抗渗透、抗侵蚀、保温性能及强度。研制的耐高温、热震稳定性好的低膨胀微晶玻璃釉料可以填充并封堵坯体表面的气孔,并且以本身的高致密性,防止外物进入坯体的内部,对坯体起到保护作用。实现了在烘炉时坯体与陶瓷釉料的一次同步结合,达到了与坯体同步的效果。釉面具有成釉温度高、釉层铺展性和粘附性好、膨胀系数低、与砖体结合性好等特点,使得在温度变化时坯体与釉层的收缩和膨胀保持一致。

负压浇注成型及特定的烧成工艺控制技术方面,开创性地在耐火材料行业实际生产中采用振动负压浇注成型的耐火预制块工业化生产工艺,大大降低了制品的气孔率,提高了制品的质量稳定性、成品率、机械强度及质量稳定性。

结构大型化预制设计技术方面,在焦炉炉门结构上采用了大型砖代替铸铁钢件内镶嵌小砖的方式。焦炉煤气上升管上部管内壁采用浇注料整体浇注,在煤气上升管下部管内壁安装筒形釉面预制材料,并在预制件与管壳中间和筒形预制件与筒形预制件对接处灌入密封胶泥。在焦炉装煤孔部位采用弧形结构形式,使装煤孔底部没有易聚集煤焦油和碳的尖棱聚集点,且在装煤孔耐火砖底部表面复合光滑的高温陶瓷釉层,使碳和煤焦油无法沉积和粘附在装煤孔所用材料表面,能有效解决装煤孔耐火砖底部积碳和煤焦油集结的问题,提高了焦炉使用寿命。

(二)高导热硅质材料制备技术

新的历史时期,受环境逐渐恶化的影响,焦化行业将面临着节能减排标准提高的新考验,节能减排任务重大。鉴于焦炉高能耗、高污染的现状,在炼焦领域,焦炉用环境友好型耐火材料的推广与使用刻不容缓。

针对大型焦炉节能环保的要求,通过引入高效分散剂、纳米矿化剂、金属硅等添加剂,优化微观结构,研制了新一代环境友好型硅质材料,其核心技术——纳米级矿化剂的制备及分散应用技术。运用纳米技术使得产品在提高硅砖体密、导热、抗磨损性能的同时,保留了传统硅质材料的基本性能。同时采用精准矿相高温控制技术,使高导热硅质材料的鳞石英含量达到60%70%。

产品具有气孔率低、强度高,磷石英含量高、残余石英含量低等特性。其在不影响硅砖其它物理化学性能的情况下,达到结构与功能统一的目的,热导率提高到20%以上。目前在不降低硅砖其他物理性能的情况下提高其导热性能的研究还未见报道。

(三)窑炉热修补用高热震零膨胀硅砖制备技术

窑炉经过数十年的运转,一些部位会出现严重损坏,影响窑炉的正常使用,降低使用效率,使生产成本大大增加。整体替换不但需要大量的资金,而且费时费力,影响生产,所以较好的方式是在不耽误正常生产的情况下,对窑炉进行局部修补,以起到延长窑炉寿命的目的。据计算,一座大型焦炉的炉龄每延长一年,可为企业创造经济效益约1 000万元。因此提升焦炉炉体维修技术,延长焦炉使用寿命,对于企业提质增效具有十分重要的意义。中钢集团耐火材料有限公司成功研发窑炉热修补用高热震零膨胀硅砖制备技术,并在宝钢进行了试用,不停窑热修补,没有影响正常生产的进行,取得良好的效果。经过与宝钢引进的国外同类产品对比,其理化性能指标和延长使用寿命方面均超过国外同类产品,打破了国外的垄断。

窑炉热修补用高热震零膨胀硅砖制备技术的创新之处主要体现在超微粉复合添加技术和原料组合制备技术两方面。超微粉复合添加技术方面,将uf-SiO2、uf-Al2O3 等组分单一或复合引入高热震优质硅砖,加入纳米级的硅溶胶类结合剂,使材料在较低的温度下烧成并获得优异的综合性能,具有低热膨胀、较好的热震稳定性、高温耐压强度以及高温抗折强度,耐火度可以与普通硅砖相媲美。原料组合制备技术方面,主要选择高纯熔融石英作为原料,对熔融石英的化学组成、矿相和粒度进行配比,通过原料组合优化产品性能。

(四)高性能硅质泥浆制备技术

我国目前焦炉上所用的硅质泥浆大多以天然高硅土、少量废弃硅砖、粘土、生矽石料为原料配制而成。在高温状态下,由于高硅土、天然硅石的主晶相是石英,而石英在高温下会发生晶型转化,使硅质泥浆产生体积膨胀,与砌体(硅砖)的体积热效应不同步,导致高温时硅质泥浆与硅砖砌体不粘结,互相脱离,泥层破裂。

该项目针对大型焦炉用硅质泥浆存在的问题,研究了材料物相组成对使用寿命的影响,利用部分硅质废砖,添加适量外加剂调整泥浆的物相组成,使泥浆与硅砖的物相趋于一致,热膨胀性相匹配,保证了泥浆在高温下具有良好的施工性能和使用性能。

该项技术创造性地引入与硅砖成份相同、矿相相近的泥浆理论,增加硅质泥浆中鳞石英的成份,使硅质泥浆中矿物相与硅砖趋于一致,热膨胀性与硅砖相适应,增加了硅质泥浆高温使用性能。控制硅泥浆的热膨胀率,使其与硅砖砌体相适应,以至于在高温下具有良好的热态粘结强度,增加了硅质泥浆的高温使用性能,与传统产品相比具有较好的粘结强度。在1 200℃×5h条件下,高温粘结强度为1.8 MPa,在1 350℃×5h条件下,高温粘结强度为1.6 MPa,在1 350℃×1h(热态)条件下,高温粘结强度为2.3 MPa。同时,开创性地实现了废弃硅砖资源再利用,达到了降本创效的目的,提升了耐火材料的竞争力和附加值。

将上述几种材料进行优化配置在大型焦炉上使用,可以使焦炉节能达到10%20%,排放减少5%10%,出焦效率提高10%15%。

二、推广应用情况

项目产品生产工艺技术先进成熟,已形成批量生产能力,在国内外多家企业(日本新日铁、德国伍德、台湾中宇环保、上海宝钢、包钢、保沃斯印尼项目等)焦炉上使用,并推广至热风炉,碳素炉等,应用效果较好,使焦炉的使用寿命有较大程度的提高。同时,降低了炼焦所需的燃料量,节约了能源,减少了污染排放。与传统焦炉产品相比,节能10%20%,排放减少5%10%,出焦效率提高10%15%。

 

项目

新材料

传统材料

寿命

8~10年

4~5年

密封性能

石墨结焦

石墨结焦

结焦石墨

推焦情况

顺畅

不顺畅

环境

作业环境良好

作业环境差

维修成本

较低

较高

 

 

三、社会经济效益

项目产品具有优质、节能、环保和使用寿命长等特点,解决了焦化行业能耗高、污染严重等问题。截至目前,已实现产值3.21亿元。项目的实施对降低焦炭行业能耗和成本具有重要意义,有力地推动了我国炼焦行业的技术进步,并带动和提升了炼焦工业技术的发展。

项目研发的材料密封性好,可降低酸性气体的排放,砌筑非常简便,可快速更换,维护时清扫结碳方便、简洁,省力省时。可使燃料的使用量大幅度减少,而且由于保温效果好,缩短了干熘时间,成焦率提升,环保节能效果突出。吨焦所需的燃料量降低,节约了能源,以结焦时间22小时,年生产时间8 760小时,50孔×4的焦炉为例,每年可节约1.24亿立方米的混合煤气,折合标煤20 682吨。项目产品可减少温室气体和氮氧化物的排放,按照每燃烧1吨标煤排放7千克氮氧化物计算,一座年产247万吨焦炭的焦炉每年可减少氮氧化物排放430吨。

我国是世界主要焦炭生产国和消费国,节能减排是我国能源发展的基本国策,近年来焦化行业面临着较大的节能减排压力。项目研发的技术产品在焦炉整体配套耐火材料领域具有强大的优势,部分产品实现了进口产品替代,在国内和国际市场都具有较强的竞争力,应用前景十分广阔。

项目完成单位与负责人简介

薄钧,1964年生,河南林县人,本科学历,教授级高工。中钢集团耐火材料有限公司执行董事、法定代表人、总经理。1986年7月武汉钢铁学院无机非金属材料本科专业毕业后进入中钢集团耐火材料有限公司(前身是洛阳耐火材料厂、洛阳耐火材料集团有限责任公司、中钢洛阳耐火材料有限公司)工作至今,先后担任分厂技术员、副工长、工长、副厂长、厂长、副总经理,2009年3月任总经理,2010年8月任执行董事、法定代表人。兼任《中国矿山工程》《中国有色冶金》副董事长、中国耐材协会镁碳耐材专业委员会委员、中国有色工业协会铝电解专业委员会委员、中国金属学会耐材分会副理事长、中国耐火材料行业协会第六届理事会副会长、中国金属学会耐火材料分会第六届委员会副主任委员、河南省耐材协会第五届理事会专业技术专家、洛阳市无机非金属材料专家技术委员会副主任委员。

近年来,在核心期刊和国内外耐火材料学术会议上发表论文20余篇,获省部级科技进步奖6项。先后被评为“河南省优秀专家”“河南省冶金行业专家”“洛阳市新世纪学术技术带头人”“洛阳市优秀专家”等,被授予宝钢建设项目“二等功”勋章、河南省“五一”劳动奖章、“河南省技术创新纪录奖”等荣誉。2011年5月被授予“河南省十佳杰出科技型创新企业家”荣誉称号。

中钢集团耐火材料有限公司是国内规模居首的国有耐火材料生产厂家,入选中国 520家重点企业,是国家大型企业之一,河南省高新技术企业,中国耐火材料行业协会会长单位。公司拥有总资产10多亿元,净资产4.2亿元,目前在岗职工2 064人,科技类专业技术人员297多人。先后主持国家火炬计划、“十二五”国家科技支撑计划等20余项国家、省、市科研项目。2013年3月承担河南省重大科技专项“RH精炼炉用优质环保无铬耐火材料关键技术研究”项目的研发,超指标完成项目规定的要求,并于2016年6月通过了项目验收。

公司主要针对冶金、建材、有色、电力、机械、轻工、石化等行业生产各种硅质、镁质、高铝质、镁钙、氧化物及非氧化物定型、不定型耐火材料。产品有10大系列、126个标准、350个牌号、4万多个型号,每年配套生产各种耐火材料22万吨、陶瓷辊棒50多万支,产品现畅销全国各地并出口到美国、加拿大、英国、法国、德国、意大利、奥地利、俄罗斯、日本、印度、澳大利亚、南非等30多个国家和地区。“中钢耐火硅砖”获国家耐材质量银质奖,年出口量居全国首位。研发生产的氧化物及非氧化物高新复合陶瓷耐火材料已大量用于国内外铝工艺和钢铁工业。