攀钢1、2#干熄炉斜道区牛腿损坏原因分析及改进探讨

胡灿枫

摘 要：本文针对攀钢1、2#干熄炉斜道区牛腿砖损坏情况，对比牛腿增设不锈钢保护罩试验结果，分析其损坏原因，探讨改进方向，从而延长牛腿的使用寿命，提高干熄焦年修间隔，充分发挥干熄焦效能。

关健词：干熄炉；牛腿；保护罩；损坏原因；改进；年修间隔

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.059

1 前言

干熄焦装置具有工艺先进、环保和节能效益显著的特点，在钢铁联合企业中应用，可提高焦炭质量，降低入炉焦比约1%，提高高炉生产能力约1%，从而降低钢铁生产中的成本费用。又能从炽热的焦炭中回收热能产生蒸汽获得直接的经济效益。从环保的角度看，建设干熄焦装置，可以减少因湿法熄焦排放大气中的水蒸气夹带的酚氰有害物质和粉尘，必将大大提高空气质量。

为保证系统的设备等正常运行，就需要安排相应的年修，年修期间不仅浪费红焦显热，同时施工和备材费用巨大，因此年修时间间隔的提高有利于发挥干熄焦效能。

攀钢1、2#干熄焦系统为中冶焦耐工程技术有限公司设计，其最大处理能力为145t/h。自2006年初开工以来，共计年修5次，从该系统运行情况来看，斜道区破损（特别是牛腿破损）已经严重制约了干熄焦效能发挥。

攀钢1、2#干熄炉斜道区牛腿承受着内环砖的全部重量和预存段的部分重量，牛腿总承重在180t左右（不含火泥重量）。干熄炉圆周方向共设置30组牛腿，牛腿端头两块砖并接，利用S型舌槽咬合，上下两层错缝压砌。

2 斜道区牛腿损坏情况

通过多次检修发现牛腿主要存在两种问题：一是同层并砌的两块砖严重开裂，其中最大缝隙达到接近10cm，且呈现出中间宽、两端窄的“橄榄球”状；二是牛腿内侧端面存在较严重的断裂，断裂主要发生在74—81层之间。

3 斜道区牛腿损坏原因分析

从牛腿损坏的两个方面分析，同层开裂属于水平方向作用，而牛腿局部砖断裂属垂直向或内部作用，因此针对该两个方面分别查找原因。

3.1 同层牛腿砖开裂原因分析

斜道區部位结构复杂，牛腿在结构上承受着炉子上部耐火材料的重量带来的横向张应力，承受弯矩应力，热膨胀应力，急冷急热产生的不均衡应力以及材料自身不同温度段化学反应引起的内部应力，而且还有焦炭滑移产生的摩擦力和气流冲刷作用力。结合同层牛腿砖开裂属于水平方向作用力，则主要分析焦炭滑移产生的摩擦力和横向张应力。

在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，若火泥在升温过程中结合力不足，牛腿前端的垂直砖缝就会像出现压竹子两端似的开裂 [2] 。

攀钢1、2#干熄焦2010年7月进行年修时，为防止焦炭对牛腿砖砖缝的冲击，在三组牛腿砖上试验性的安装了保护罩，即利用耐热不锈钢将牛腿全部包裹，在2011年年修时发现，图1中从左只有分别对应5、8和25号牛腿，5号保护罩基本保持完全包裹，25号保护罩小部分裂开，8号保护罩基本3/4都脱落，观察拆除后的同层砖缝情况发现，5号几乎没有同层裂缝，25号同层裂纹最大不超过1cm，且上下部分砖缝基本比较均匀，而8号牛腿同层砖缝十分明显，呈现出中间宽、两头窄的砖缝，缝隙较大，74—81层中缝隙最大为2.5cm，最小也有1cm，但仍远远小于其余没有安装保护罩的牛腿砖缝。

通过这个试验性测试，可以说明在正常情况下，牛腿在上部内环砖的自重产生的横向张力不会使端面砖开裂，同时焦炭或则循环气体直接接触牛腿，会加速同层牛腿砖缝间隙增大。

焦炭滑移产生的摩擦力主要来自自身滑动，即达到安息角所需角度的焦炭自重。查焦炭等常用物料安息角为35～50°。

干熄炉内环砖直径8040mm，牛腿砖顶部至日常控制料位高度约为5000m，牛腿砖平均宽度为250mm，取干熄炉内焦炭安息角为45°，密度为0.5t/m3，进行牛腿受力分析见图2。

焦炭因自重在安息角上有一个滑动的趋势，图中F1为焦炭自重在45°方向的分量。可将牛腿上方正对的焦炭视为一个整体作用在牛腿上，牛腿平均宽为250mm，则牛腿正对上方的焦炭总重量为1.25t，F1和F1a分别计算为0.88t和0.65t。F1a的压力通过焦炭颗粒传递到同层砖缝上，若火泥在升温过程中结合力不足，就会造成同层砖缝开裂。

查攀钢1、2#干熄焦工况下干熄炉内循环气体流速设计值为：斜道口10.26m/s，通过查文献得知：环形气道出口位置，循环气体流速最大，而在干熄炉焦炭层内气流速度很小[3]。则可推断牛腿位置循环气体流速最高不会超过10.26m/s，通过循环气体组成可以估算其密度，计算循环气体流动产生的压强不会超过150Pa，对于牛腿砖缝的影响远远小于焦炭滑动产生的压强。

因此可以推断焦炭直接接触牛腿，会加速同层牛腿砖缝间隙增大。

3.2 牛腿砖端面断裂原因分析

3.2.1 化学侵蚀影响

内衬砖长期经受高温 CO、H2等气体的侵蚀。在冷却工艺中形成强、中、弱可变的还原性气氛，CO可使耐材发生崩解。因为在高温下会发生炭黑的析出反应：2CO=C+CO2，CO+H2=C+H2O，而一般情况下，即使在1000℃，CO 几乎不分解，但在有催化剂（铁、锌氧化物）作用时，则会加速反应，且反应是循环进行的，因铁氧化物可以在很低的温度下被还原为表面积大、且晶格有缺位的金属铁，活性铁与炭黑反应（在450℃，Fe+C→Fe2C9→Fe3C）时产生体积膨胀以及炭黑呈线状的离析过程中，使得耐材熟料颗粒之间的结合被破坏。另外林彬荫等研究表明，在氧分压很低的这种还原性气氛下，还会缓慢发生莫来石晶相的分解，其反反应为3Al2O3·2SiO2→Al2O3（刚玉）+SiO（g）+O2，O2+CO+H2→CO2+H2O，SiO2迁移中，物相发生多晶型转化，使砖的结构强度下降，产生裂纹、剥落等损蚀[4]。

碱侵蚀。乌克兰在对使用 年后干熄焦内衬砖的研究[5]中证明，焦炭表面富集一定的碱金属在750℃以上可产生少量的钾钠或其盐的蒸汽，飞灰中的熔渣，它们会分解莫来石晶相结构，形成松脆质结构的六方钾钠霞石等低熔物，致使制品表层腐蚀而造成层状脱落，如在焦炭、气流的作用下，更易磨损。

3.2.2 牛腿承重受力不均衡

牛腿承载预存段和锥体部的全部重量，理论上每条支柱应承载同样的同心荷重，但由于砌筑施工或使用中焦炭的不均衡流动及不确定因素的影响，使每组承载失衡引起砖层断裂或两块对接砖缝的开裂。

3.2.3 砌筑火泥性能影響

干熄焦装置牛腿用火泥应提高中温结合强度，在使用环境温度下火泥基本不烧结，火泥的结合性能无法发挥，应采取化学结合方式。在造成同层开裂后，牛腿垂直度偏斜，受力不均，导致端面牛腿砖断裂。

4 改进探讨

4.1 改进斜道区牛腿安装结构

对牛腿的部分砖型由两块合并为整砖，对于此种设计改进的使用效果需要进一步跟踪验证，防止整砖脱落后造成非正常降温处理；

在牛腿砖上下顶面将公母槽换成圆形。

将斜道设计成双烟道，其特点是：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，防止牛腿过度的向内倾倒变形。

4.2 改进牛腿砌筑火泥

牛腿用火泥性能改进，火泥应与使用环境和实际要求相匹配，提高砖与砖之间的粘结强度，并能吸收高温热膨胀。将目前较先进的材料氮化硅和β-碳化硅使用火泥进行对比，在有差距的参数指标上进行提高（见表1）。

4.3 改善干熄炉内化学反应气氛

在保证质量情况下减少牛腿砖中FeO的含量，可以减少牛腿砖内部应力。同时根据单种煤的供应情况，优化配合煤配比，改善碱金属含量，也有利于减缓炉盖化学反应气氛。

5 结 论

（1）正常情况下，使用目前的牛腿砌筑火泥，牛腿在上部内环砖的自重产生的横向张力不会使端面砖开裂。

（2）焦炭直接接触牛腿垂直向砖缝，通过滑动产生的压力，会加速同层牛腿砖缝间隙增大。

（3）提高牛腿砌筑火泥的粘结强度，有利于减轻同层开裂，延长牛腿使用寿命，提高干熄焦年修间隔时间。

参考文献：

[1]潘立慧.魏松波等.干熄焦技术[M].北京，冶金工业出版社，2005.

[2]卢一国，冯占力，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，2009，34（02）：10-12.

[3]张丽珠，毕延林，黄德立.干熄炉的数值模拟分析[J].金属世界，2012（02）：33-35.

[4]蒋伟峰.干熄焦用内衬砖的损蚀机理及对策[J].煤化工，2004，第1期（总第110期）：27-29.

[5]李连洲.使用后的干熄焦内衬砖的研究[J].国外耐火材料，1992（03）：25-27.