攀钢新1#、2#干熄焦干熄炉牛腿损坏原因的分析及对策

黄 环

(攀钢集团攀枝花钢钒有限公司煤化工厂,四川攀枝花617022)

攀钢新1#、2#干熄焦干熄炉牛腿损坏原因的分析及对策

黄 环

(攀钢集团攀枝花钢钒有限公司煤化工厂,四川攀枝花617022)

根据攀钢新1#、2#干熄焦干熄炉牛腿的损坏状况,分析其损坏的原因和存在的问题,通过优化生产管理,提高该区域材质使用标准,严格施工管理,改善结构设计的可行性等手段,延长牛腿的使用寿命,从而实现干熄焦效能的充分发挥。

干熄焦 牛腿 损坏 改进

1 引言

作为焦化工序节能减排的重要项目—干熄焦在国内已广泛应用。随着国产大型化干熄焦的推广应用,干熄焦技术的发展与研究成为焦化行业关注的焦点,尤其是针对干熄焦技术的发展与实际应用中干熄炉斜道区的损坏问题成为亟待解决的问题。从目前国内现有干熄焦系统运行情况看,斜道区破损已经严重制约干熄焦的安全运行和效能发挥。攀钢新1#,2#焦炉配套145t/h干熄焦系统自2006年投产至今已经行三次大型停产检修,其中牛腿破损严重,2008年修时30组牛腿更换了28组;运行一年之后,牛腿破损依然严重,牛腿更换达14组之多。

2 斜道牛腿损伤状况

图1是2008年年修时拍摄的照片,从图上可以清楚地看出,开裂部分主要发生在牛腿与环形隔墙相连部位,裂缝主要是原来的砖缝。虽然在2008年年修时进行了大面积的牛腿更换并对未更换的牛腿进行填补,但没有解决根本性的问题。图2是2009年年修时拍摄的干熄炉牛腿的照片,可以看出开裂和断裂的现象更为严重。

3 斜道牛腿断裂原因分析

干熄焦国产化推进以来,除武钢一期及马钢干熄焦采用36个牛腿支撑外,目前国内干熄焦斜道区普遍采用30个牛腿,斜道区温度频繁波动和循环烟气的连续冲刷,承重受力大又不易换修,牛腿砖使用了抗急冷急热性能较好、抗强度大的莫来石—碳化硅质砖,同时配以相同材质的耐火泥整砖错缝砌筑,拱顶结构。从36个牛腿到30个牛腿,结构发生了变化,但是耐火材料和相应的条件不变,造成了斜道区断裂的现象较为一致,从拱顶沿受力点向下砖层出现了开裂和断开。斜道牛腿损坏的主要原因如下:

图1 攀钢干熄焦干熄炉牛腿(2008年6月摄)

图2 攀钢干熄焦干熄炉牛腿(2009年9月摄)

3.1 莫来石—碳化硅砖质量不稳

国内大部分干熄炉斜道牛腿大部分选用莫来石—碳化硅砖,莫来石—碳化硅成多相材料[1]。它具有碳化硅机械强度高、热导率高、膨胀系数低、热震稳定性好、耐化学侵蚀等好特点。经验表明,莫来石的发育情况、碳化硅的粒度分布、烧结温度以及烧成时间直接影响莫来石—碳化硅砖的性能。必须控制原料、工艺,否则使砖质变脆、强度变差、热稳定性降低。表1为莫来石—碳化硅砖技术指标,其中产品实测值为武钢7#干熄炉用砖[2]。由表1看出,产品实测值与技术指标相差大,其先天不足—高温强度低、热震稳定性差,无法满足干熄炉内复杂的工况。

表1 干熄炉斜道斜道牛腿耐火砖部分指标

3.2 耐火泥粘结强度不够

从损坏的牛腿实物可以看出,火泥和砖体之间不粘结,耐火泥砖缝炭化硅耐火泥抗折强度不够。现在的烘炉温度最高达800℃,远低于耐火泥的和荷重软化温度1600℃,耐火泥硬化强度达不到要求,无法完全粘结,容易产生砖层滑动,无法保证灰缝设计要求,烘炉膨胀均匀后,产生的应力无法消除,斜道砖与顶部形成挤压,造成薄弱部分砖体受损断裂。

3.3 砌筑执行标准和烘炉管理不严

斜道的砌筑进程不能过快,有严格的规定。规定斜道支撑梁一天只能砌筑3层砖(在具有强度后才能砌筑上一层砖)。并将灰缝严格控制在3 mm±1 mm的范围,不允许以灰缝来调节各层耐火砖的标高。砌体砖缝中含有20 t左右的水分,因此温风干燥过程非常重要,然而在温风烘炉时,由于蒸汽温度、压力和其他生产中的一些客观因素,忽视前期的升温重要性,不仅水分出不来,而且膨胀不均匀,造成损坏。

3.4 斜道受循环气体冲刷和磨损严重

焦炭自上而下,循环气体自下而上运动过程中,斜道区牛腿耐火材料承受着焦炭的撞击、磨损和气流、粉尘的冲刷;斜道牛腿下部温度约为300℃,上部温度约为1000℃,牛腿耐火材料由下到上,存在近700℃的温度梯度,致使耐火材料内部应力聚集。焦炭夹带的有害介质、冷却产生的还原性气体和煤灰粉尘也是导致耐材熔解、侵蚀、损毁的因素。在这些破损原因中,温度波动产生的热应力是导致牛腿耐火材料损毁的主要因素。所以严格的操作管理来保证温度波动不大非常有必要。

3.5 系统生产操作管理不严格,加剧斜道热胀冷缩

由于调试不充分,设备管理、日常维护不到位,造成系统故障率提高,生产节奏不平衡。攀钢新1#,2#干熄焦系统中采用的是单皮带运焦,每班都要进行停排焦维护﹑清扫,为了保证蒸汽的质量频繁的调整排焦量,排焦量波动较大,使炉体冷热收缩加剧:在冷态下,耐材呈周边向中心收缩运动,对炉体拉裂现象较突出;在热态下,热膨胀形成的牵引力加剧了炉体耐材的不规则位移,形成砖泥剥裂、脱落;另外生产过程中同一层面,冷却室上下部温度的不均匀也造成炉体耐材不规则裂变。

3.6 斜道牛腿结构设计有待完善

斜道以上预存室环形烟道耐火材料总重180t左右,按目前常见干熄炉30组牛腿计算,每组牛腿承重为6t左右的力,承受的压强大。其牛腿损坏非常有规律,都是发生在牛腿的炉内端及环形隔墙与牛腿相连的部分,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。因此,我们先对该区域的受力情况进行分析。

以牛腿为对象进行受力分析。假设,在干熄焦装置完成砌筑、尚未烘炉的初始状态下,牛腿与上方的环形隔墙和下方的支座结合良好,完全为面接触状态。则受力分析化简为图3所示。在忽略牛腿本身重力作用条件下,牛腿受到以下5个方向力的作用[5]。

图3 牛腿初始状态下的受力

F1—环形隔墙的重力

F2—牛腿底座的支撑力

F3—环形隔墙对牛腿斜面的推力

F4—外墙向内的推力

F5—环形隔墙对牛腿的向外的水平推力

并且这5个力得以平衡,牛腿处于静止状态。

F1、3=F2

F3、5=F4

F1、3＊a=F3、5＊b

从图3牛腿的受力可以看出。牛腿受力矩的作用,环形隔墙偏心载荷作用是牛腿所受的第一作用力,其它力均为平衡该力而产生的。牛腿在环形隔墙重力力矩作用下,将产生以下部支点B为圆心的向炉内倾倒的变形趋势,而这种倾倒趋势完全由与牛腿相连的环形隔墙施加的水平推力F3、5所平衡。当出现以下情况时,水平推力F3、5作用力矩不足以平衡环形隔墙偏心载荷作用力矩,牛腿就会发生向内倾倒变形。

干熄焦装置开始点火升温后,随着温度的升高,在温度和力的双重作用下,牛腿内端上下方向和与牛腿相连的环形隔墙的环形方向,砖缝处的火泥沿压力方向的收缩要大于其他部位。牛腿前端的垂直砖缝,因上下方向的压力过大,在其内部存在横向的张应力,若耐火泥的强度不够,牛腿前端的垂直砖缝就会开裂。显然,隔墙环形方向上的收缩、牛腿上下方向上的收缩、牛腿前端垂直砖缝的开裂,均会导致环形隔墙对支柱向外的水平推力F3、5松弛,牛腿将与环形隔墙一起向内倾倒变形,如图4所示。

图4 环形隔墙松驰造成的倾倒变形

4 改进措施

4.1 改进斜道区耐火材质和火泥强度

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SiC—SiN质砖来改善斜道区的使用寿命。现在所用耐火泥强度相对较低(只有砖的1/10),粘结能力差[3]。必须考虑增加耐火泥强度:①可以在砌筑时调整胶体含量的调配比例,增加黏合性;②适当增增加同材质的颗粒调配以增加强度;③严格烘炉制度,确保耐火泥强度性能提高。

4.2 加强施工和烘炉管理

在施工砌筑时,必须严格管理,规范砌筑,合理掌握烟道平衡圈梁砌筑,均匀分配支撑牛腿的重心及圆周分布角度。杜绝因工期及其他因素降低砌筑要求,综合考虑季节性因素,尽量在夏季,秋季开始砌筑,在砌筑过程中要严格掌握灰缝误差(±0.5),合理控制好砖缝及水平度,发现斜道位移或塌腰现象,立即停止砌筑,及时调整。合理工期应控制在22天;即每天一层,13天砌筑完成斜道牛腿。干燥期6天;干燥期结束后,重新测量水平度,无差异后支模砌筑拱顶部位,一天一层,22天后完成斜道区砌筑,确保斜道区形成整体,从而提高承重的均匀。施工完成后的烘炉对炉体至关重要,根据所用的耐火材料特性制,莫来石砖质在300℃前的膨胀量较大,所以在制定干燥曲线时,从常温到300℃应充分考虑时间周期,均匀控制升温速度,现场操作人员应该严格按照升温曲线进行升温,严禁出现波动[4]。

4.3 严格生产管理

干熄的稳定对增强耐材的使用寿命有着非常重要的意义,必须控制合理的操作管理制度,控制系统参数,使其保持热态平衡,降低热胀冷缩产生的危害。

1、控制频繁升降温。减少干熄炉内红焦冷却次数,减少热胀冷缩产生的损坏

系统检修时,尽可能采取保温措施防止干熄炉完全冷却造成炉体损坏。

2、完善操作制度,维持工况稳定。减少物料在炉内产生的偏隙保持稳定的排焦量,保证物料流动的均匀性,减少圆周方向各点温差,可以有效减缓机械磨损力和因温度波动产生的裂缝和剥落。

3、运用合理的气料比,维持装焦量与排焦量的均衡。对于干熄焦能力为145t/h的干熄焦装置,通过生产过程的控制均衡排焦量为100～120 t/h范围,干熄率可达96%以上,且蒸发量将稳定在72 t/h,合适的气料比可降低气流对牛腿的冲刷,风量尽可能稳定减少大幅度波动,如必要也必须间隔30分钟才能调整风量,这样才能使系统的稳定性提高。

4、尽量缩短检修和清扫时间。检修时不能往干熄炉内装焦,排焦量被迫大幅度减少,温度波动较大。由于攀钢新1#,2#干熄焦系统中采用的是单皮带运焦,每班都得停皮带清扫,排焦被迫停排,温度波动更大,整个系统稳定性下降,耐材的热胀冷缩较大。对于攀钢在建的干熄焦系统非常有有必要运用双溜槽、双皮带运焦系统。

4.4 设计结构改型

针对目前这种干熄焦斜道区牛腿的破坏,由张应力集中引起。能否通过形状结构的改进来避免牛腿区张应力的发生,我们对斜道区构筑的两个设想:一是考虑用整砖砌筑牛腿,可避免牛腿砖垂直砖缝收缩问题;二是考虑在牛腿中引用水冷壁技术,将牛腿内部嵌入一个循环水冷壁,外部砌砖,起主要支撑作用的是内部钢结构。当然,这只是两点设想,能否可行,还需要深入研究。

关于斜道区的结构,国外也有一些不同的设计,如日本品川公司有“双层斜道”的专利设计,在我国也已引进。其要点是:在斜道口上下方向的中间增加一道耐火砖环,把每个斜道口分成两层。这道环的作用就是要对牛腿增加一个向外的推力,防止支柱过度地向内倾倒变形。

5 结论

以上就是对攀钢新1#,2#干熄焦干熄炉牛腿损坏的原因进行的分析及对策。对于斜道损坏严重的状况,应加强施工管理,严格生产管理,规范系统操作,形成整套科学的管理体系,同时经科学计算后在现有的结构设计上进行改良,这些将是延长斜道牛腿寿命的直接办法。

1.司全京,张效锋.莫来石结合碳化硅制品的研制[J].耐火材料,1999,3(2):90～92.

2.方昌荣,代洁.干熄炉斜道区耐火材料改进与应用[J].煤化工,2008,3(1):36～38.

3.李文忠,夏燚.干熄焦耐火材料异常损坏的分析与改进[J].燃料与化工,2008,3(2):19.

4.钱虎林,王飞.干熄焦炉斜道区存在问题的分析与探索[J].安徽冶金,2008,2(1):54～55.

5.卢一国,冯占立,王晓阳.干熄焦装置斜道区耐火材料的损坏及提高寿命的途径[J].耐火与石灰,2009,2(2):11～12.

ANALYSIS AND COUNTER MEASURES OF THE PROBLE MS IN DQC CORBEL AREA OF PANSTEEL NE W 1#,2#COKE DRY QUENCHING PROCESS

Huang Huan
(Panzhihua Iron and Steel Group,Panzhihua Steel and Vanadium Co.,Ltd.Coal Chemical Plant,Panzhihua,Sichuan,617022,China)

Causes of damage and collapse of the DQC corbel and other problems are introduced of Pan steel new 1#,2#Coke Dry Quenching Process.Service life of the DQC corbel is increased by optimizing production management,raising the standard for the material used in the area,enhancing construction management and improving structural design,to fully realize the benefit of DQC.

DQC,corbel,fracture,improvement

2010-03-07

黄环,男,攀钢新钢钒煤化工厂技改办,从事干熄焦施工管理。