干熄焦裝置冷卻段耐材研究應用新進展

秦建濤，王文學，翟紅軍，蔡國慶，王希波，徐國濤

（1山東耐材集團魯耐窯業有限公司，山東 淄博255200；2寶鋼中央研究院武漢分院，湖北 武漢430080）

1 前 言

干熄焦裝置（CDQ）是國家發改委啟動的十大節能工程之一。干法熄焦相對濕法而言，具有環保、節能的優點。干熄焦工程是一項工藝技術先進的環保節能型工程，在減少環境污染、節省水資源、能源再利用和保證焦炭質量方面發揮重要作用，由于焦碳質量的提高對保證高爐穩定操作、降低焦比、提高高爐生產效率也提供了重要保障。

2 干熄焦冷卻段耐火材料的使用環境

干熄焦冷卻段存在焦炭下移時的機械磨損，底吹的冷卻氣體夾帶焦粉撞擊爐壁而產生粉塵磨損；以及氣流溫度梯度變化產生熱應力引起的高溫剝落等環境。循環氣體主要由N2、CO2和CO組成，其中N2含量超過70%，周圍氣氛是還原氣氛。在300～800℃范圍內進行化學反應，分離出的游離碳對耐火材料有侵蝕作用，會造成耐火磚砌體破裂或完全損壞。冷卻段底部溫度低，焦炭硬度增大，磨損加大。綜上所述，冷卻段主要存在熱應力的作用、機械荷載的作用、化學侵蝕的作用、氣流沖刷的作用等主要因素，需要耐火材料具有很高的機械強度、抗化學侵蝕性、抗沖刷、熱震穩定性和耐磨性的特點。

3 干熄焦冷卻段用磚應用情況

3.1 國外干熄焦冷卻段耐火材料的使用狀況

日本是干熄焦使用最成熟的國家，早期使用的冷卻段耐火材料為QN53的致密黏土磚，這樣的材質在早期可以滿足生產的要求。隨著氮氣冷卻，強化操作的條件發生變化，冷卻段的破壞速率加大，更換檢修頻繁。新日鐵干熄焦爐在冷卻段開始采用改進型耐火材料H31LL以提高其耐磨性。

3.2 國內干熄焦冷卻段耐火材料的使用狀況

目前國內干熄焦冷卻段工作層多采用B級莫來石（BM）。從多座不同規格、不同爐型的干熄焦爐停爐檢查情況來看，有些磨損比較嚴重，呈現凹凸不平的狀況，多數壽命一般為3～5 a。嚴重的已經將172 mm的內襯磚磨損掉或因磨損過多而脫落。從某公司140 t/h干熄焦爐停爐檢查來看，運行18個月后莫來石磚磨損量達50～70 mm，而且在圓周方向和高度方向存在磨損程度不一的現象；但有部分干熄焦設備使用壽命接近5 a，冷卻段配置為B級莫來石磚。

在實際應用中，冷卻段用耐火材料采用B級莫來石磚與黏土磚咬砌，長磚與短磚交替砌筑，即一環為長黏土磚，B級莫來石就用短磚；另一環為B級莫來石長磚，黏土磚就用短磚，循環交替進行。實際破損的結果表明：到了后期，破損嚴重部位的莫來石短磚全部磨損掉火脫落，只殘留有長黏土磚。黏土磚的磨損速率遠大于莫來石磚，其磨損量較大；因此，造成局部磨損較深，黏土磚為凹進的部分多，莫來石磚為凸出的部分多。干熄焦爐使用近2～3 a后（見圖1），冷卻段下部破損嚴重。

從破損分析看：并不是冷卻段所有位置的磨損量都大，在冷卻段上部（斜道以下的5～7層）磚的磨損量最小，以下磚的磨損比較嚴重。也就是斜風道下1/4高度方向的冷卻段爐襯磨損較少，而其下的磨損量較大［1］。磨損不一致的原因是隨著焦炭的不斷下移，焦炭溫度越來越低，強度會增加，加劇了中下部耐火材料的磨損。

從破損調查的情況看，僅依靠莫來石磚很難提升干熄焦爐的1次大修時間。在干熄焦年修中也有采用耐磨澆注料進行澆注修補，減緩磨損的發生。但采用澆注料澆注填補的方式會改變干熄爐圓周直徑，影響氣流在爐內的走向，造成排焦產生偏析，效果不理想。寶鋼在冷卻段采用了預制塊砌筑，使用2 a后無明顯磨損。中日聯也對冷卻段耐材性能做了針對強度提升改進，磨損狀況也有所改善。

圖1 某單位干熄焦爐使用2～3 a后狀況

4 國內干熄焦冷卻段耐磨磚的研制生產

從目前國內干熄焦存在的問題進行分析，研制出耐材磨損量少、服役壽命長、維修維護頻率低的新型耐磨磚替換B級莫來石磚已成為干熄焦廠家關注的焦點。

4.1 國內干熄焦冷卻段耐磨磚的研制應用

國內耐火廠家針對耐磨性和熱震穩定性開展不少工作，研制出了性能優于傳統BM磚的新型耐磨磚，在很大程度上提高了干熄焦冷卻段材料的使用壽命，國內干熄焦爐冷卻段用耐火材料主要性能見表1。耐磨性檢測依據GB/T 18301—2012《耐火材料常溫耐磨性試驗方法》。

表1 新型耐磨磚主要理化指標

從理化指標上看，各廠家都針對耐磨性重點做了改進。

4.2 魯耐窯業復相結合耐磨磚的研制應用

2012年山東耐材集團魯耐窯業有限公司和武鋼研究院聯合對干熄焦冷卻段用工作層進行重新選材和新產品研發，對不同耐火材料的性能進行對比研究（見表2），研制出耐磨性優良的耐磨磚。

表2 7種不同組成耐火材料的性能

4.2.1 試驗條件

磨損介質采用≤0.178 mm的碳化硅砂，噴砂量1 kg，在溫度450 ℃的條件下，用0.44～0.45 MPa壓縮空氣在恒定噴吹壓力下噴吹15 min。

4.2.2 復相結合耐磨磚的研制

將幾種耐火材料在給定的試驗條件下進行耐磨性試驗。發現含SiC磚A的基質致密，燒結好，氣孔很少，磨損量小；其破壞是先基質后骨料，破壞速率最低。含SiC磚B的基質比較致密，但燒結后氣孔相對增加，雖然磨損量較小，但要考慮膨脹問題。莫來石-紅柱石磚的結構致密，破壞均勻，骨料與基質幾乎同時破壞，磨損量小；但是燒成過程太致密后存在裂紋，需要考慮抗熱破壞性能。含尖晶石磚的基質成分含莫來石相，氧化鋁低氧化硅高，含氧化鎂結構不致密，孔洞多，基質先破壞，骨料后破壞，磨損量也大；這同樣表明提高耐磨損性能的關鍵和薄弱環節是基質組成與結構。含氧化鋯磚的基質氧化鋁低、氧化硅高，含有彌散狀的氧化鋯，結構較致密，基質先破壞，骨料后磨損，磨損量大。剛玉莫來石磚的基質成分為莫來石相，但結構不致密，孔洞多，基質先破壞，骨料后破壞，磨損量大；這說明磨損雖然與骨料有關系，但最重要的是基質的耐磨損性能。傳統的B級莫來石磨損量分別是兩種含SiC磚的2.3、2.18倍，是紅柱石磚的1.75倍，可以預期：采用含SiC的磚或者莫來石紅柱石磚作為干熄焦冷卻段的替代材料，壽命可得到較大提高。

研發產品時從性能匹配原料的合理應用、復相結合原理的應用、二次莫來石化反應的應用、增碳結合劑的選用和適宜的燒成制度以及發明問題解決理論（TRIZ）的應用等創新點出發，充分考慮莫來石、碳化硅具有良好的硬度，耐磨性優良以及紅柱石熱震性能好等優良特點，以莫來石、紅柱石、碳化硅為主要原料，研制了新型復相結合耐磨磚。

4.2.3 新型耐磨磚和B級莫來石磚研究對比

通過對新型耐磨磚和傳統B級莫來石磚（BM）進行耐磨性研究對比，磨損后表面形貌對比見圖2。從圖2中可看出，骨料和基質幾乎同時磨損；新型耐磨磚的磨損量檢測值為2.1 cm/15 min，耐磨損性能比B級莫來石磚提高近4倍。耐壓強度135 MPa以上，其他性能都優于B級莫來石磚。

圖2 B級莫來石磚和新型耐磨磚磨損試驗后的表面形貌

研制的復相結合耐磨磚與B級莫來石磚指標對比見表對比3。

表3 復相結合耐磨磚與B級莫來石磚（BM）技術指標對比

山東耐材集團魯耐窯業有限公司研制的復合相結合耐磨磚，在材料性能上比較B級莫來石有很大的優勢：1）產品由原位SIC和莫來石兩種物相結合，具有創新理念；2）氣孔低、組織結構致密均勻，材料的耐壓強度要明顯高于B級莫來石；3）有很高的常溫耐壓強度和高溫抗折強度、高荷軟軟化溫度等性能；4）耐磨性和抗剝落性能優異，耐磨性優異，磨損量是正常莫來石磚（BM）的1/5。

4.2.4 使用跟蹤及效果檢查

山東耐材集團魯耐窯業有限公司研制的干熄焦冷卻段用復相結合耐磨磚已在武鋼、萊鋼、山鋼日照精品鋼等單位使用。經過4～5 a的使用，體現出了較好的使用效果。

復相結合耐磨磚于2014年首次在武鋼焦化廠2#干熄焦爐冷卻段使用，2018年10月進行了效果檢查。客戶的調查分析報告顯示，2#干熄焦冷卻段在未做修護和維修的情況下使用了4.5 a，磚的工作面基本沒有磨損。根據使用爐況和檢修數據分析，該耐磨磚能使用8 a以上。

通過前期的使用檢查和良好的使用效果，逐漸得到客戶的認可，近幾年定貨量持續遞增。魯耐公司根據不同客戶不同需求研制了相應的產品，如GBX、SCBM13、SCBM7等不同牌號的耐磨磚，較好的滿足了干熄焦冷卻段用耐磨磚的市場需求。干熄焦整體運行壽命明顯提高，可明顯減少濕法熄焦的運行頻次，減少濕法熄焦造成的空氣污染、水污染等問題等問題，具有優化環境、減少污染的優點,為干熄焦長壽化進程奠定了良好基礎。