攀鋼1、2^#干熄爐斜道區(qū)牛腿損壞原因分析及改進(jìn)探討

胡燦楓

摘 要：本文針對(duì)攀鋼1、2#干熄爐斜道區(qū)牛腿磚損壞情況，對(duì)比牛腿增設(shè)不銹鋼保護(hù)罩試驗(yàn)結(jié)果，分析其損壞原因，探討改進(jìn)方向，從而延長(zhǎng)牛腿的使用壽命，提高干熄焦年修間隔，充分發(fā)揮干熄焦效能。

關(guān)健詞：干熄爐；牛腿；保護(hù)罩；損壞原因；改進(jìn)；年修間隔

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

1 前言

干熄焦裝置具有工藝先進(jìn)、環(huán)保和節(jié)能效益顯著的特點(diǎn)，在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中應(yīng)用，可提高焦炭質(zhì)量，降低入爐焦比約1%，提高高爐生產(chǎn)能力約1%，從而降低鋼鐵生產(chǎn)中的成本費(fèi)用。又能從熾熱的焦炭中回收熱能產(chǎn)生蒸汽獲得直接的經(jīng)濟(jì)效益。從環(huán)保的角度看，建設(shè)干熄焦裝置，可以減少因濕法熄焦排放大氣中的水蒸氣夾帶的酚氰有害物質(zhì)和粉塵，必將大大提高空氣質(zhì)量。

為保證系統(tǒng)的設(shè)備等正常運(yùn)行，就需要安排相應(yīng)的年修，年修期間不僅浪費(fèi)紅焦顯熱，同時(shí)施工和備材費(fèi)用巨大，因此年修時(shí)間間隔的提高有利于發(fā)揮干熄焦效能。

攀鋼1、2#干熄焦系統(tǒng)為中冶焦耐工程技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)，其最大處理能力為145t/h。自2006年初開工以來(lái)，共計(jì)年修5次，從該系統(tǒng)運(yùn)行情況來(lái)看，斜道區(qū)破損（特別是牛腿破損）已經(jīng)嚴(yán)重制約了干熄焦效能發(fā)揮。

攀鋼1、2#干熄爐斜道區(qū)牛腿承受著內(nèi)環(huán)磚的全部重量和預(yù)存段的部分重量，牛腿總承重在180t左右（不含火泥重量）。干熄爐圓周方向共設(shè)置30組牛腿，牛腿端頭兩塊磚并接，利用S型舌槽咬合，上下兩層錯(cuò)縫壓砌。

2 斜道區(qū)牛腿損壞情況

通過(guò)多次檢修發(fā)現(xiàn)牛腿主要存在兩種問(wèn)題：一是同層并砌的兩塊磚嚴(yán)重開裂，其中最大縫隙達(dá)到接近10cm，且呈現(xiàn)出中間寬、兩端窄的“橄欖球”狀；二是牛腿內(nèi)側(cè)端面存在較嚴(yán)重的斷裂，斷裂主要發(fā)生在74—81層之間。

3 斜道區(qū)牛腿損壞原因分析

從牛腿損壞的兩個(gè)方面分析，同層開裂屬于水平方向作用，而牛腿局部磚斷裂屬垂直向或內(nèi)部作用，因此針對(duì)該兩個(gè)方面分別查找原因。

3.1 同層牛腿磚開裂原因分析

斜道區(qū)部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜，牛腿在結(jié)構(gòu)上承受著爐子上部耐火材料的重量帶來(lái)的橫向張應(yīng)力，承受彎矩應(yīng)力，熱膨脹應(yīng)力，急冷急熱產(chǎn)生的不均衡應(yīng)力以及材料自身不同溫度段化學(xué)反應(yīng)引起的內(nèi)部應(yīng)力，而且還有焦炭滑移產(chǎn)生的摩擦力和氣流沖刷作用力。結(jié)合同層牛腿磚開裂屬于水平方向作用力，則主要分析焦炭滑移產(chǎn)生的摩擦力和橫向張應(yīng)力。

在牛腿前端的垂直磚縫，因上下方向的壓力過(guò)大，在其內(nèi)部存在橫向的張應(yīng)力，若火泥在升溫過(guò)程中結(jié)合力不足，牛腿前端的垂直磚縫就會(huì)像出現(xiàn)壓竹子兩端似的開裂 [2] 。

攀鋼1、2#干熄焦2010年7月進(jìn)行年修時(shí)，為防止焦炭對(duì)牛腿磚磚縫的沖擊，在三組牛腿磚上試驗(yàn)性的安裝了保護(hù)罩，即利用耐熱不銹鋼將牛腿全部包裹，在2011年年修時(shí)發(fā)現(xiàn)，圖1中從左只有分別對(duì)應(yīng)5、8和25號(hào)牛腿，5號(hào)保護(hù)罩基本保持完全包裹，25號(hào)保護(hù)罩小部分裂開，8號(hào)保護(hù)罩基本3/4都脫落，觀察拆除后的同層磚縫情況發(fā)現(xiàn)，5號(hào)幾乎沒(méi)有同層裂縫，25號(hào)同層裂紋最大不超過(guò)1cm，且上下部分磚縫基本比較均勻，而8號(hào)牛腿同層磚縫十分明顯，呈現(xiàn)出中間寬、兩頭窄的磚縫，縫隙較大，74—81層中縫隙最大為2.5cm，最小也有1cm，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其余沒(méi)有安裝保護(hù)罩的牛腿磚縫。

通過(guò)這個(gè)試驗(yàn)性測(cè)試，可以說(shuō)明在正常情況下，牛腿在上部?jī)?nèi)環(huán)磚的自重產(chǎn)生的橫向張力不會(huì)使端面磚開裂，同時(shí)焦炭或則循環(huán)氣體直接接觸牛腿，會(huì)加速同層牛腿磚縫間隙增大。

焦炭滑移產(chǎn)生的摩擦力主要來(lái)自自身滑動(dòng)，即達(dá)到安息角所需角度的焦炭自重。查焦炭等常用物料安息角為35～50°。

干熄爐內(nèi)環(huán)磚直徑8040mm，牛腿磚頂部至日常控制料位高度約為5000m，牛腿磚平均寬度為250mm，取干熄爐內(nèi)焦炭安息角為45°，密度為0.5t/m3，進(jìn)行牛腿受力分析見(jiàn)圖2。

焦炭因自重在安息角上有一個(gè)滑動(dòng)的趨勢(shì)，圖中F1為焦炭自重在45°方向的分量?？蓪⑴Ｍ壬戏秸龑?duì)的焦炭視為一個(gè)整體作用在牛腿上，牛腿平均寬為250mm，則牛腿正對(duì)上方的焦炭總重量為1.25t，F(xiàn)1和F1a分別計(jì)算為0.88t和0.65t。F1a的壓力通過(guò)焦炭顆粒傳遞到同層磚縫上，若火泥在升溫過(guò)程中結(jié)合力不足，就會(huì)造成同層磚縫開裂。

查攀鋼1、2#干熄焦工況下干熄爐內(nèi)循環(huán)氣體流速設(shè)計(jì)值為：斜道口10.26m/s，通過(guò)查文獻(xiàn)得知：環(huán)形氣道出口位置，循環(huán)氣體流速最大，而在干熄爐焦炭層內(nèi)氣流速度很小[3]。則可推斷牛腿位置循環(huán)氣體流速最高不會(huì)超過(guò)10.26m/s，通過(guò)循環(huán)氣體組成可以估算其密度，計(jì)算循環(huán)氣體流動(dòng)產(chǎn)生的壓強(qiáng)不會(huì)超過(guò)150Pa，對(duì)于牛腿磚縫的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于焦炭滑動(dòng)產(chǎn)生的壓強(qiáng)。

因此可以推斷焦炭直接接觸牛腿，會(huì)加速同層牛腿磚縫間隙增大。

3.2 牛腿磚端面斷裂原因分析

3.2.1 化學(xué)侵蝕影響

內(nèi)襯磚長(zhǎng)期經(jīng)受高溫 CO、H2等氣體的侵蝕。在冷卻工藝中形成強(qiáng)、中、弱可變的還原性氣氛，CO可使耐材發(fā)生崩解。因?yàn)樵诟邷叵聲?huì)發(fā)生炭黑的析出反應(yīng)：2CO=C+CO2，CO+H2=C+H2O，而一般情況下，即使在1000℃，CO 幾乎不分解，但在有催化劑（鐵、鋅氧化物）作用時(shí)，則會(huì)加速反應(yīng)，且反應(yīng)是循環(huán)進(jìn)行的，因鐵氧化物可以在很低的溫度下被還原為表面積大、且晶格有缺位的金屬鐵，活性鐵與炭黑反應(yīng)（在450℃，F(xiàn)e+C→Fe2C9→Fe3C）時(shí)產(chǎn)生體積膨脹以及炭黑呈線狀的離析過(guò)程中，使得耐材熟料顆粒之間的結(jié)合被破壞。另外林彬蔭等研究表明，在氧分壓很低的這種還原性氣氛下，還會(huì)緩慢發(fā)生莫來(lái)石晶相的分解，其反反應(yīng)為3Al2O3·2SiO2→Al2O3（剛玉）+SiO（g）+O2，O2+CO+H2→CO2+H2O，SiO2遷移中，物相發(fā)生多晶型轉(zhuǎn)化，使磚的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，產(chǎn)生裂紋、剝落等損蝕[4]。

堿侵蝕。烏克蘭在對(duì)使用 年后干熄焦內(nèi)襯磚的研究[5]中證明，焦炭表面富集一定的堿金屬在750℃以上可產(chǎn)生少量的鉀鈉或其鹽的蒸汽，飛灰中的熔渣，它們會(huì)分解莫來(lái)石晶相結(jié)構(gòu)，形成松脆質(zhì)結(jié)構(gòu)的六方鉀鈉霞石等低熔物，致使制品表層腐蝕而造成層狀脫落，如在焦炭、氣流的作用下，更易磨損。

3.2.2 牛腿承重受力不均衡

牛腿承載預(yù)存段和錐體部的全部重量，理論上每條支柱應(yīng)承載同樣的同心荷重，但由于砌筑施工或使用中焦炭的不均衡流動(dòng)及不確定因素的影響，使每組承載失衡引起磚層斷裂或兩塊對(duì)接磚縫的開裂。

3.2.3 砌筑火泥性能影響

干熄焦裝置牛腿用火泥應(yīng)提高中溫結(jié)合強(qiáng)度，在使用環(huán)境溫度下火泥基本不燒結(jié)，火泥的結(jié)合性能無(wú)法發(fā)揮，應(yīng)采取化學(xué)結(jié)合方式。在造成同層開裂后，牛腿垂直度偏斜，受力不均，導(dǎo)致端面牛腿磚斷裂。

4 改進(jìn)探討

4.1 改進(jìn)斜道區(qū)牛腿安裝結(jié)構(gòu)

對(duì)牛腿的部分磚型由兩塊合并為整磚，對(duì)于此種設(shè)計(jì)改進(jìn)的使用效果需要進(jìn)一步跟蹤驗(yàn)證，防止整磚脫落后造成非正常降溫處理；

在牛腿磚上下頂面將公母槽換成圓形。

將斜道設(shè)計(jì)成雙煙道，其特點(diǎn)是：在斜道口上下方向的中間增加一道耐火磚環(huán)，把每個(gè)斜道口分成兩層，這道環(huán)的作用就是要對(duì)牛腿增加一個(gè)向外的推力，防止牛腿過(guò)度的向內(nèi)傾倒變形。

4.2 改進(jìn)牛腿砌筑火泥

牛腿用火泥性能改進(jìn)，火泥應(yīng)與使用環(huán)境和實(shí)際要求相匹配，提高磚與磚之間的粘結(jié)強(qiáng)度，并能吸收高溫?zé)崤蛎?。將目前較先進(jìn)的材料氮化硅和β-碳化硅使用火泥進(jìn)行對(duì)比，在有差距的參數(shù)指標(biāo)上進(jìn)行提高（見(jiàn)表1）。

4.3 改善干熄爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)氣氛

在保證質(zhì)量情況下減少牛腿磚中FeO的含量，可以減少牛腿磚內(nèi)部應(yīng)力。同時(shí)根據(jù)單種煤的供應(yīng)情況，優(yōu)化配合煤配比，改善堿金屬含量，也有利于減緩爐蓋化學(xué)反應(yīng)氣氛。

5 結(jié) 論

（1）正常情況下，使用目前的牛腿砌筑火泥，牛腿在上部?jī)?nèi)環(huán)磚的自重產(chǎn)生的橫向張力不會(huì)使端面磚開裂。

（2）焦炭直接接觸牛腿垂直向磚縫，通過(guò)滑動(dòng)產(chǎn)生的壓力，會(huì)加速同層牛腿磚縫間隙增大。

（3）提高牛腿砌筑火泥的粘結(jié)強(qiáng)度，有利于減輕同層開裂，延長(zhǎng)牛腿使用壽命，提高干熄焦年修間隔時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘立慧.魏松波等.干熄焦技術(shù)[M].北京，冶金工業(yè)出版社，2005.

[2]盧一國(guó)，馮占力，王曉陽(yáng).干熄焦裝置斜道區(qū)耐火材料的損壞及提高壽命的途徑[J].耐火與石灰，2009，34（02）：10-12.

[3]張麗珠，畢延林，黃德立.干熄爐的數(shù)值模擬分析[J].金屬世界，2012（02）：33-35.

[4]蔣偉峰.干熄焦用內(nèi)襯磚的損蝕機(jī)理及對(duì)策[J].煤化工，2004，第1期（總第110期）：27-29.

[5]李連洲.使用后的干熄焦內(nèi)襯磚的研究[J].國(guó)外耐火材料，1992（03）：25-27.