干熄焦?fàn)t冷卻段用新型耐磨磚的研制與應(yīng)用

閆 濤 徐國濤 盛軍波 王大春 王希波 秦建濤 許 堃 王遠(yuǎn)超

1）山東耐材集團(tuán)魯耐窯業(yè)有限公司 山東淄博255200

2）寶鋼股份中央研究院 湖北武漢430080

3）武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化公司 湖北武漢430080

20世紀(jì)80年代，寶鋼從日本引進(jìn)的干熄焦?fàn)t爐容較小，溫度不高，冷卻段耐火材料采用致密黏土磚［1－2］。隨著爐容及處理量的擴(kuò)大，冷卻段內(nèi)壁損壞速率加大，開始選用B級莫來石磚［2－3］，要求其常溫耐壓強(qiáng)度≥85 MPa，顯氣孔率≤17%，體積密度≥2.45 g·cm－3，荷重軟化溫度T2≥1 500℃，熱震（水冷循環(huán)）22次以上無剝落［2］。在砌筑方式上，國內(nèi)干熄焦?fàn)t冷卻段多采用B級莫來石磚與黏土磚咬合砌筑，一般使用壽命為3～5 a；但在冷卻7 m焦?fàn)t或7.63 m焦?fàn)t生產(chǎn)的焦炭時，由于焦炭強(qiáng)度和硬度增大，干熄焦?fàn)t冷卻段壽命有所降低［3－5］，大修時間為70～85 d，停爐檢修對煉鐵生產(chǎn)影響較大，因此有必要研制干熄焦?fàn)t冷卻段用新型耐磨磚。

在本工作中，在原用B級莫來石磚的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整骨料粒度級配、加入SiC粉和紅柱石微粉等研制了新型耐磨磚，并介紹了其在140 t·h－1干熄焦?fàn)t上的實(shí)際應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)原料有：粒度5～3、3～1和≤1 mm的剛玉－莫來石，粒度3～1、≤1 mm的莫來石，d50＝5μm的α-Al2O3微粉，d50＝10μm 的紅柱石微粉，粒度≤0.053 mm（280目）的SiC粉，單質(zhì)類添加劑，蘇州土，樹脂類結(jié)合劑。主要原料的理化性能見表1。

表1 主要原料的理化性能

1.2 試樣制備與檢測

設(shè)計了粒度級配不同的四種試驗(yàn)配方LD1、LD2、LD3、LD4，見表2；并在配方LD3基礎(chǔ)上設(shè)計了添加不同量（外加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9%、11%、13%、15%）SiC粉的四種試驗(yàn)配方SC1、SC2、SC3、SC4。

表2 試驗(yàn)配方

按設(shè)計配方稱取原料。將粉料混合均勻制成預(yù)混合粉。將骨料加入攪拌鍋中混合均勻，加入干料質(zhì)量3% ～5%的結(jié)合劑攪拌均勻，再加入預(yù)混合粉攪拌均勻。稱取276 g混好的料放入內(nèi)徑φ50 mm的模具中，在YA－2000C型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)上以170 kN壓力成型為φ50 mm×50 mm的樣坯。自然放置24 h后，在110℃烘干24 h，然后分別在1 000和1 500℃保溫3 h燒成，最后隨爐冷卻至室溫。

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)檢測烘干和不同溫度燒成后試樣的顯氣孔率（GB/T 2997—2015）和常溫耐壓強(qiáng)度（GB/T 2997—2015）。

1.3 結(jié)果與分析

1.3.1 骨料粒度級配對致密度和強(qiáng)度的影響

不同骨料粒度級配試樣經(jīng)不同溫度處理后的顯氣孔率和常溫耐壓強(qiáng)度見圖1。

圖1 不同骨料粒度級配試樣經(jīng)不同溫度處理后的顯氣孔率和常溫耐壓強(qiáng)度

由圖1可以看出：隨著5～3和3～1 mm的大顆粒骨料加入量的增多，烘干及不同溫度燒成后試樣的顯氣孔率呈先減小后增大的變化趨勢，常溫耐壓強(qiáng)度則呈先增大后減小的變化趨勢，拐點(diǎn)均在大顆粒骨料加入量為50%（w）處（試樣LD3）。大顆粒骨料加入量相同時，試樣的顯氣孔率按110℃烘干、1 000℃燒成、1 500℃燒成的順序減小，常溫耐壓強(qiáng)度則按110℃烘干、1 000℃燒成、1 500℃燒成的順序增大。

骨料作為耐火材料的“骨架”，其粒度級配對材料堆積密度和成型致密度起主導(dǎo)作用；在骨料粒度級配一定時，粉料的添加量在試樣成型和燒成后仍能足夠填充骨料“骨架”內(nèi)的孔隙并適量富余，才能將骨料包裹和結(jié)合在一起，使燒后試樣達(dá)到應(yīng)有的致密度和強(qiáng)度。大顆粒骨料加入量為50%（w）的試樣LD3的致密度和強(qiáng)度達(dá)到最大的原因，可能就是因?yàn)槠涔橇系牧６燃壟浜头哿系奶砑恿烤_(dá)到相對最佳。1.3.2 SiC粉加入量對致密度和強(qiáng)度的影響

SiC粉加入量對烘干及不同溫度燒成后試樣顯氣孔率和常溫耐壓強(qiáng)度的影響見圖2。

圖2 SiC粉加入量對烘干及不同溫度燒成后試樣顯氣孔率和常溫耐壓強(qiáng)度的影響

由圖2可以看出：隨著SiC粉加入量的增多，烘干及不同溫度燒成后試樣的顯氣孔率呈先減小后增大的變化趨勢，常溫耐壓強(qiáng)度則呈先增大后減小的變化趨勢，拐點(diǎn)均在加入量為11%（w）處。SiC粉加入量相同時，試樣的顯氣孔率按110℃烘干、1 000℃燒成、1 500℃燒成的順序減小，常溫耐壓強(qiáng)度則按110℃烘干、1 000℃燒成、1 500℃燒成的順序增大。這可能是因?yàn)?，加?1%（w）的≤0.053 mm（280目）的SiC粉優(yōu)化了整個試樣的粒度配比，使試樣達(dá)到最佳的緊密堆積；過少或過多都偏離最佳粒度配比和緊密堆積。

2 應(yīng)用

2.1 新型耐磨磚與B級莫來石磚的性能比較

按照研制試驗(yàn)的結(jié)果對配方進(jìn)行優(yōu)化，然后半工業(yè)化生產(chǎn)了新型耐磨磚K1：準(zhǔn)確稱量原料。先將細(xì)粉預(yù)先混合制成混合粉。在底轉(zhuǎn)式高效混練機(jī)上，先加入粗、中顆粒料混合2～3 min，再加入樹脂，最后加入混合粉，有效混練時間12 min。采用500 t壓機(jī)，以150～200 N·mm－2的壓力沖擊成型為230 mm×114 mm×65 mm的標(biāo)型磚坯，控制濕坯的體積密度≥2.8 g·cm－3，顯氣孔率≤14%。將磚坯在隧道干燥器內(nèi)干燥，控制入口溫度為50～70℃，出口溫度為130～150℃，干燥時間不少于48 h，干燥后殘余水分不大于0.5%（w）。最后在隧道窯中于＞1 300℃保溫8～10 h條件下燒成。

經(jīng)檢測，新型耐磨磚K1與原用B級莫來石磚的性能指標(biāo)對比見表3，耐磨試驗(yàn)后的照片對比見圖3?？梢钥闯觯喊牍I(yè)化生產(chǎn)的新型耐磨磚K1的致密度、強(qiáng)度、耐磨性和荷重軟化溫度T2都高于B級莫來石磚的。因此，決定采用新型耐磨磚K1作為干熄焦?fàn)t冷卻段的工業(yè)應(yīng)用材料。

表3 新型耐磨磚K1與B級莫來石磚的性能指標(biāo)對比

圖3 新型耐磨磚K1和B級莫來石磚耐磨試驗(yàn)后的照片

2.2 應(yīng)用效果

2014年4月，經(jīng)過焦化公司與相關(guān)單位協(xié)商，生產(chǎn)了60 t新型耐磨磚K1，用于某140 t·h干熄焦?fàn)t冷卻段，與黏土磚交替砌筑，2014年5月烘烤后投入使用。正常運(yùn)行后，現(xiàn)場跟蹤測量的數(shù)據(jù)顯示：采用研制的新型耐磨磚K1的冷卻段部位，開爐后的熱交換率、耐磨損效果均優(yōu)于之前采用的材料；冷卻段溫度均勻，上下不同測溫點(diǎn)的溫差低于10℃，應(yīng)用效果良好。

研制的新型耐磨磚K1在140 t·h－1干熄焦?fàn)t冷卻段使用7 a后停爐大修時的照片見圖4。

圖4 新型耐磨磚K1在冷卻段使用7 a后的照片

由圖4可以看出：冷卻段爐襯表面光潔平整，無過度侵蝕和明顯磚縫，上下部位侵蝕情況基本均勻，侵蝕量少，檢修人孔殘磚還有較大的殘余量。經(jīng)過相關(guān)專業(yè)人員分析后，決定此次大修不拆除冷卻段，將局部破損部位修補(bǔ)后繼續(xù)投入使用，原定55 d檢修周期大幅度縮短；預(yù)計該冷卻段爐襯能使用10 a以上。

3 結(jié)語

（1）在分析原用B級莫來石磚的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整顆粒級配、加入SiC粉和紅柱石微粉等研制了干熄焦?fàn)t冷卻段用新型耐磨磚，其耐壓強(qiáng)度為160 MPa，磨損量僅為1.92 cm3，均優(yōu)于原用B級莫來石磚的。

（2）在140 t·h－1干熄焦?fàn)t冷卻段使用7 a，爐襯表面仍然光潔平整，侵蝕量較?。活A(yù)計該冷卻段爐襯能使用10 a以上。