干熄焦炉牛腿用耐火材料的应用

干熄焦炉牛腿用耐火材料的使用

干法熄焦简称干熄焦(CDQ)，是相对于湿熄焦而言的采用惰性气体熄灭赤热焦炭的一种熄焦方法，是钢铁工业重大节能环保技术。基本原理是在干熄炉内红热焦块与惰性气体逆向流动发生热交换使焦炭冷却，被加热的惰性气体再把热量传给锅炉的换热面产生蒸汽。在循环风机的作用下，惰性气体在系统中不断循环，将焦炭的温度从1000℃冷却到250℃以下，达到熄焦的目的。干熄焦能回收利用红焦的显热，改善焦炭质量，减轻熄焦操作对环境的污染。

图1 千叶厂干熄焦工艺流程图

1、焦炉和导焦车

2、焦罐

3、提升机

4、上料漏斗

5、预存室

6、熄焦室

7、喷气装置

8、排焦装置

9、皮带运送机 10、焦炭排出温度200～250℃ 11、焦炭装入温度950～1050℃ 12、稀释空气 13、除尘器 14、锅炉 15、气体温度750～800℃ 16、旋风分离器 17、辅助鼓风机 18、稀释氮 19、循环气风机 20、焦炭 21、惰性气体 22、提升塔 23、气体温度170～180℃

一、干熄焦炉用耐火材料

干熄焦炉砌筑体属于竖炉式结构，是正压状态的圆筒型直立砌体。炉体自上而下分别是预存段、斜道区和冷却段。预存段的上部是锥顶区，因其装焦前后温度有波动，所以对该部位耐火材料砌体的热震稳定性能要求较高。另外在干熄炉装入口，耐火砖受焦炭磨损程度大，温度变化也大。因此，这些部位选择耐冲刷性、耐磨损、耐热震性好和抗折强度大的莫来石-碳化硅砖砌筑。

干熄焦炉用莫来石-碳化硅砖的部分理化指标见下表1

表1 莫来石结合碳化硅砖理化指标

砖种

显气

孔率%

体积密度

g/cm3

常温耐压

强度Mpa

抗折强（1100℃

×0.5h），Mpa

热震稳定性

（1100℃水

冷），次

SiC,% Al2O3,% Fe2O3,%

A型莫来石

碳化硅砖

≤21 ≥2.5 ≥85 ≥20 ≥40 ≥30 ≥35 ≤1.0 B型莫来石

碳化硅砖

≤21 ≥2.5 ≥85 －≥50 ≥40 ≥30 ≤1.2 预存段中部是直段实心耐火砖砌体，主要承受装入红焦后产生了热膨胀以及装入焦炭的冲击和磨损，此部位要选择高强耐磨、耐热震性好的A型莫来石砖砌筑。

干熄焦炉用莫来石砖的部分理化指标见下表2

表2 莫来石砖理化指标

砖种

显气体积密度常温耐压

强度Mpa

热震稳定性（1100℃

水冷），次

Al2O3,% Fe2O3,% 孔率% g/cm3

A型莫来石砖≤18 ≥2.4 ≥75 ≥30 ≥55 ≤1.3 B型莫来石砖≤17 ≥2.45 ≥85 ≥22 ≥55 ≤1.3 预存段下部是环型烟道，分为内墙和外墙两重环型砌体。内墙要承受装入焦炭的冲击和磨损，还要防止预存段与环型烟道因压力差而产生窜漏现象，因而采用带沟舌的高强度A型莫来石耐火砖进行砌筑。

斜道区温度频繁波动，而且循环气体携带焦炭粉尘，对该部位激烈冲刷，因此对斜道区内层砖的抗热震性和抗磨损性都有很高的要求。由于斜道区耐火砖要承受上部砌体的重量，并要在温度频繁波动的条件下抵抗循环气体的冲刷和焦炭粉尘的磨损，又不易翻修，所以该部位选择耐冲刷、耐磨损、耐热震性好和抗折

强度大的莫来石-碳化硅砖砌体。

冷却段直段耐火砖砌体虽然结构简单，但它的内壁耐火砖砌体由于要承受焦炭往下流动时激烈的磨损，所以是最容易受损的部位之一。由于干熄焦炉冷却段磨损最大，温度变化也较频繁，所以选用高强耐磨，耐热震性好的B型莫来石砖。

二、牛腿部位的结构方式

目前牛腿部位使用主要采用下面三种方式。

1、新日铁原型模式。采用两块砖并接、舌槽咬合结构，层与层之间采用错缝压砌方式，柱部材料（牛腿）采用QAT（莫来石-碳化硅砖）。而后因使用开裂对此类结构进行了改进，改用整砖结构。损毁表现为对接竖缝开裂，造成结构错位受力不均，从支柱工作面向深处裂缝扩展，产生压碎和断裂。开裂和断裂的程度随时间延长剥落愈加严重，直至柱部损毁。

2、新日铁改进型模式。有2 种设计方式：①采用了插销式定位，在武钢柱部砖排列的基础上，将端头两环砖改为整砖；②前2层两块砖并接，采用S型舌槽咬合，第三层采用一层整砖砌筑方式，如此循环。材质为BE3-LN（高级粘土砖）。损毁表现为抗磨损性能差，整体柱部较好，只有个别支柱的下部出现断裂。

3、日本NKK设计模式。日本NKK模式烟道部位为双斜道设计，材质为QAT。因为采用了双斜道方式，两柱间增加了连接支撑，柱部开裂大大减少。此种方式目前采用的较少，但为了解决牛腿开裂的问题，已有部分厂家开始尝试。

2002～2005 年中冶焦耐设计的柱部结构采用的是两块砖并接的新日铁原型设计形式，加之对火泥耐火度和荷软提出了较高的要求，火泥在高温下基本不出现液相，火泥吸收砖体的热膨胀和各种应力的能力大大减弱，容易造成砖缝开裂，支柱下部砖断裂（因下部砖半镶嵌于内筒墙体中，应力加剧所致），武钢、马钢、通钢、莱钢几座干熄焦炉支柱均出现同类现象。2005 年下半年，中冶焦耐对柱部进行了结构改进，将柱部端头设计为一块整砖，其目的就是解决砖缝开裂现象。在后来的唐钢、通钢中沿用了这一设计思想。中日联采用的新日铁改进型柱部方式，柱部砖无开裂现象，整体使用效果好于QAT 材质，尤其以迁安使用效果最好。存在的主要问题就是材料耐磨性不如QAT 和仅有个别砖柱断裂。这两种结构形式基本没有大的差异。

通过对2种设计和2种材质的使用效果分析，QAT和BE3-LN在柱部使用中各有

优缺点。QAT材质表现出良好的耐磨性，但材料“黑芯”区域太大，内外强度存在差异，且材料的热膨胀系数偏高，材料韧性较差，易造成结构损坏；BE3-LN 热膨胀系数低，有利于防止砖缝开裂，整体性能较好，但材料耐磨性能一般。

三、斜道区牛腿的损毁原因

干熄焦系统干熄炉斜道区牛腿开裂、掉砖现象是国内干熄焦系统普遍存在的难题，也是国内同行共同关注的焦点。由于至今没有有效的解决措施，已严重影响到干熄焦生产的安全平稳运行和维修成本

斜道区的耐火材料损坏非常有规律，都是发生在支柱的炉内端及环形隔墙与支柱相连的部分。而从斜道区炉衬的几何形状看。这些损坏部位都是环形隔墙重力偏心载荷的作用区，显然损坏与构造性应力有关。下图2为使用前后牛腿的使用情况。

图2 牛腿使用前后的对比照片

干熄焦斜道区一般采用30个牛腿，整砖错缝砌筑，牛腿砖使用莫来石－碳化硅砖，拱顶结构；由于干熄焦牛腿承受着干熄炉预存段约200t的重量，斜道区损坏一般从拱顶沿受力点向下剪切断裂，造成砖层拔离脱落

目前使用的莫来石－碳化硅砖，其高温耐压强度。高温下的抗折性能和热震稳定性能存在不稳定性，另外由于受力不均匀，无法承受上部巨大的压强；可考虑采用指标性能更优越，稳定性能更高的砖质，部分厂家已开始尝试使用氮化硅结合碳化硅砖来改善斜道区的使用寿命。

目前干熄焦炉一般3~4年要进行一次大修，其中斜道区牛腿更是基本上每年都要更换1/3，给生产带来很大的不便。