攀鋼1、2^#干熄爐斜道區(qū)牛腿損壞原因分析及改進探討

胡燦楓

摘 要：本文針對攀鋼1、2#干熄爐斜道區(qū)牛腿磚損壞情況，對比牛腿增設不銹鋼保護罩試驗結果，分析其損壞原因，探討改進方向，從而延長牛腿的使用壽命，提高干熄焦年修間隔，充分發(fā)揮干熄焦效能。

關健詞：干熄爐；牛腿；保護罩；損壞原因；改進；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、環(huán)保和節(jié)能效益顯著的特點，在鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中應用，可提高焦炭質量，降低入爐焦比約1%，提高高爐生產能力約1%，從而降低鋼鐵生產中的成本費用。又能從熾熱的焦炭中回收熱能產生蒸汽獲得直接的經濟效益。從環(huán)保的角度看，建設干熄焦裝置，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和粉塵，必將大大提高空氣質量。

為保證系統(tǒng)的設備等正常運行，就需要安排相應的年修，年修期間不僅浪費紅焦顯熱，同時施工和備材費用巨大，因此年修時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有限公司設計，其最大處理能力為145t/h。自2006年初開工以來，共計年修5次，從該系統(tǒng)運行情況來看，斜道區(qū)破損（特別是牛腿破損）已經嚴重制約了干熄焦效能發(fā)揮。

攀鋼1、2#干熄爐斜道區(qū)牛腿承受著內環(huán)磚的全部重量和預存段的部分重量，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，上下兩層錯縫壓砌。

2 斜道區(qū)牛腿損壞情況

通過多次檢修發(fā)現(xiàn)牛腿主要存在兩種問題：一是同層并砌的兩塊磚嚴重開裂，其中最大縫隙達到接近10cm，且呈現(xiàn)出中間寬、兩端窄的“橄欖球”狀；二是牛腿內側端面存在較嚴重的斷裂，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部作用，因此針對該兩個方面分別查找原因。

3.1 同層牛腿磚開裂原因分析

斜道區(qū)部位結構復雜，牛腿在結構上承受著爐子上部耐火材料的重量帶來的橫向張應力，承受彎矩應力，熱膨脹應力，急冷急熱產生的不均衡應力以及材料自身不同溫度段化學反應引起的內部應力，而且還有焦炭滑移產生的摩擦力和氣流沖刷作用力。結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生的摩擦力和橫向張應力。

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

攀鋼1、2#干熄焦2010年7月進行年修時，為防止焦炭對牛腿磚磚縫的沖擊，在三組牛腿磚上試驗性的安裝了保護罩，即利用耐熱不銹鋼將牛腿全部包裹，在2011年年修時發(fā)現(xiàn)，圖1中從左只有分別對應5、8和25號牛腿，5號保護罩基本保持完全包裹，25號保護罩小部分裂開，8號保護罩基本3/4都脫落，觀察拆除后的同層磚縫情況發(fā)現(xiàn)，5號幾乎沒有同層裂縫，25號同層裂紋最大不超過1cm，且上下部分磚縫基本比較均勻，而8號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，但仍遠遠小于其余沒有安裝保護罩的牛腿磚縫。

通過這個試驗性測試，可以說明在正常情況下，牛腿在上部內環(huán)磚的自重產生的橫向張力不會使端面磚開裂，同時焦炭或則循環(huán)氣體直接接觸牛腿，會加速同層牛腿磚縫間隙增大。

焦炭滑移產生的摩擦力主要來自自身滑動，即達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，取干熄爐內焦炭安息角為45°，密度為0.5t/m3，進行牛腿受力分析見圖2。

焦炭因自重在安息角上有一個滑動的趨勢，圖中F1為焦炭自重在45°方向的分量。可將牛腿上方正對的焦炭視為一個整體作用在牛腿上，牛腿平均寬為250mm，則牛腿正對上方的焦炭總重量為1.25t，F(xiàn)1和F1a分別計算為0.88t和0.65t。F1a的壓力通過焦炭顆粒傳遞到同層磚縫上，若火泥在升溫過程中結合力不足，就會造成同層磚縫開裂。

查攀鋼1、2#干熄焦工況下干熄爐內循環(huán)氣體流速設計值為：斜道口10.26m/s，通過查文獻得知：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)氣體流速最高不會超過10.26m/s，通過循環(huán)氣體組成可以估算其密度，計算循環(huán)氣體流動產生的壓強不會超過150Pa，對于牛腿磚縫的影響遠遠小于焦炭滑動產生的壓強。

因此可以推斷焦炭直接接觸牛腿，會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 化學侵蝕影響

內襯磚長期經受高溫 CO、H2等氣體的侵蝕。在冷卻工藝中形成強、中、弱可變的還原性氣氛，CO可使耐材發(fā)生崩解。因為在高溫下會發(fā)生炭黑的析出反應：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，則會加速反應，且反應是循環(huán)進行的，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（在450℃，F(xiàn)e+C→Fe2C9→Fe3C）時產生體積膨脹以及炭黑呈線狀的離析過程中，使得耐材熟料顆粒之間的結合被破壞。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，還會緩慢發(fā)生莫來石晶相的分解，其反反應為3Al2O3·2SiO2→Al2O3（剛玉）+SiO（g）+O2，O2+CO+H2→CO2+H2O，SiO2遷移中，物相發(fā)生多晶型轉化，使磚的結構強度下降，產生裂紋、剝落等損蝕[4]。

堿侵蝕。烏克蘭在對使用 年后干熄焦內襯磚的研究[5]中證明，焦炭表面富集一定的堿金屬在750℃以上可產生少量的鉀鈉或其鹽的蒸汽，飛灰中的熔渣，它們會分解莫來石晶相結構，形成松脆質結構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

牛腿承載預存段和錐體部的全部重量，理論上每條支柱應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提高中溫結合強度，在使用環(huán)境溫度下火泥基本不燒結，火泥的結合性能無法發(fā)揮，應采取化學結合方式。在造成同層開裂后，牛腿垂直度偏斜，受力不均，導致端面牛腿磚斷裂。

4 改進探討

4.1 改進斜道區(qū)牛腿安裝結構

對牛腿的部分磚型由兩塊合并為整磚，對于此種設計改進的使用效果需要進一步跟蹤驗證，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。

將斜道設計成雙煙道，其特點是：在斜道口上下方向的中間增加一道耐火磚環(huán)，把每個斜道口分成兩層，這道環(huán)的作用就是要對牛腿增加一個向外的推力，防止牛腿過度的向內傾倒變形。

4.2 改進牛腿砌筑火泥

牛腿用火泥性能改進，火泥應與使用環(huán)境和實際要求相匹配，提高磚與磚之間的粘結強度，并能吸收高溫熱膨脹。將目前較先進的材料氮化硅和β-碳化硅使用火泥進行對比，在有差距的參數(shù)指標上進行提高（見表1）。

4.3 改善干熄爐內化學反應氣氛

在保證質量情況下減少牛腿磚中FeO的含量，可以減少牛腿磚內部應力。同時根據單種煤的供應情況，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反應氣氛。

5 結 論

（1）正常情況下，使用目前的牛腿砌筑火泥，牛腿在上部內環(huán)磚的自重產生的橫向張力不會使端面磚開裂。

（2）焦炭直接接觸牛腿垂直向磚縫，通過滑動產生的壓力，會加速同層牛腿磚縫間隙增大。

（3）提高牛腿砌筑火泥的粘結強度，有利于減輕同層開裂，延長牛腿使用壽命，提高干熄焦年修間隔時間。

參考文獻：

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

[2]盧一國，馮占力，王曉陽.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.干熄焦用內襯磚的損蝕機理及對策[J].煤化工，2004，第1期（總第110期）：27-29.

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