干熄焦炉牛腿用耐火材料的应用

干熄焦炉牛腿用耐火材料的使用干法熄焦简称干熄焦(CDQ)，是相对于湿熄焦而言的米用惰性气体熄灭赤热 焦炭的一种熄焦方法，是钢铁工业重大节能环保技术基本原理是在干熄炉内红 热焦块与惰性气体逆向流动发生热交换使焦炭冷却，被加热的惰性气体再把热量 传给锅炉的换热面产生蒸汽在循环风机的作用下，惰性气体在系统中不断循环 将焦炭的温度从1000°C冷却到250°C以下，达到熄焦的目的干熄焦能回收利用 红焦的显热，改善焦炭质量，减轻熄焦操作对环境的污染图1 千叶厂干熄焦工艺流程图1、焦炉和导焦车 2、焦罐 3、提升机 4、上料漏斗 5、预存室 6、熄焦室 7、 喷气装置8、排焦装置9、皮带运送机10、焦炭排出温度200〜250C 11、焦炭装入 温度950〜1050C 12、稀释空气13、除尘器14、锅炉15、气体温度750〜800C 16、 旋风分离器 17、辅助鼓风机 18、稀释氮 19、循环气风机 20、焦炭 21、惰性气体 22、 提升塔 23、气体温度 170〜180C、干熄焦炉用耐火材料干熄焦炉砌筑体属于竖炉式结构，是正压状态的圆筒型直立砌体炉体自上 而下分别是预存段、斜道区和冷却段预存段的上部是锥顶区，因其装焦前后温 度有波动，所以对该部位耐火材料砌体的热震稳定性能要求较高。

另外在干熄炉 装入口，耐火砖受焦炭磨损程度大，温度变化也大因此，这些部位选择耐冲刷 性、耐磨损、耐热震性好和抗折强度大的莫来石-碳化硅砖砌筑干熄焦炉用莫来石-碳化硅砖的部分理化指标见下表 1表 1 莫来石结合碳化硅砖理化指标砖种显气 孔率%体积密度 g/cm3常温耐压 强度 Mpa抗折强(iioo°cX0.5h), Mpa热震稳定性（1100C 水冷），次SiC,%Al O ,%23Fe O ,%23A型莫来石碳化硅砖W21三2.5三85三20三40三30三35W1.0B型莫来石 碳化硅砖W21三2.5三85－三50三40三30W1.2预存段中部是直段实心耐火砖砌体，主要承受装入红焦后产生了热膨胀以及 装入焦炭的冲击和磨损，此部位要选择高强耐磨、耐热震性好的 A 型莫来石砖砌 筑干熄焦炉用莫来石砖的部分理化指标见下表2表 2 莫来石砖理化指标砖种显气孔率％体积密度g/cm3常温耐压强度Mpa热震稳定性（1100C 水冷），次Al O ,%23Fe O ,%23A 型莫来石砖W18三2.4±75±30±55W1.3B 型莫来石砖W17±2.45±85±22±55W1.3预存段下部是环型烟道，分为内墙和外墙两重环型砌体。

内墙要承受装入焦 炭的冲击和磨损，还要防止预存段与环型烟道因压力差而产生窜漏现象，因而采 用带沟舌的高强度 A 型莫来石耐火砖进行砌筑斜道区温度频繁波动，而且循环气体携带焦炭粉尘，对该部位激烈冲刷，因 此对斜道区内层砖的抗热震性和抗磨损性都有很高的要求由于斜道区耐火砖要 承受上部砌体的重量，并要在温度频繁波动的条件下抵抗循环气体的冲刷和焦炭 粉尘的磨损，又不易翻修，所以该部位选择耐冲刷、耐磨损、耐热震性好和抗折 强度大的莫来石-碳化硅砖砌体冷却段直段耐火砖砌体虽然结构简单，但它的内壁耐火砖砌体由于要承受焦 炭往下流动时激烈的磨损，所以是最容易受损的部位之一由于干熄焦炉冷却段 磨损最大，温度变化也较频繁，所以选用高强耐磨，耐热震性好的 B 型莫来石砖二、牛腿部位的结构方式目前牛腿部位使用主要采用下面三种方式1、新日铁原型模式采用两块砖并接、舌槽咬合结构，层与层之间采用错 缝压砌方式，柱部材料（牛腿）采用QAT （莫来石-碳化硅砖）而后因使用开裂 对此类结构进行了改进，改用整砖结构损毁表现为对接竖缝开裂，造成结构错 位受力不均，从支柱工作面向深处裂缝扩展，产生压碎和断裂开裂和断裂的程 度随时间延长剥落愈加严重，直至柱部损毁。

2、 新日铁改进型模式有2种设计方式：①采用了插销式定位，在武钢柱 部砖排列的基础上，将端头两环砖改为整砖；②前2层两块砖并接，采用S型舌槽 咬合，第三层采用一层整砖砌筑方式，如此循环材质为BE3-LN（高级粘土砖） 损毁表现为抗磨损性能差，整体柱部较好，只有个别支柱的下部出现断裂3、 日本NKK设计模式日本NKK模式烟道部位为双斜道设计，材质为QAT因 为采用了双斜道方式，两柱间增加了连接支撑，柱部开裂大大减少此种方式目 前采用的较少，但为了解决牛腿开裂的问题，已有部分厂家开始尝试2002〜2005年中冶焦耐设计的柱部结构采用的是两块砖并接的新日铁原型 设计形式，加之对火泥耐火度和荷软提出了较高的要求，火泥在高温下基本不出 现液相，火泥吸收砖体的热膨胀和各种应力的能力大大减弱，容易造成砖缝开裂， 支柱下部砖断裂（因下部砖半镶嵌于内筒墙体中，应力加剧所致），武钢、马钢、 通钢、莱钢几座干熄焦炉支柱均出现同类现象 2005 年下半年，中冶焦耐对柱 部进行了结构改进，将柱部端头设计为一块整砖，其目的就是解决砖缝开裂现象 在后来的唐钢、通钢中沿用了这一设计思想中日联采用的新日铁改进型柱部方 式，柱部砖无开裂现象，整体使用效果好于QAT材质，尤其以迁安使用效果最好。

存在的主要问题就是材料耐磨性不如QAT和仅有个别砖柱断裂这两种结构形式 基本没有大的差异通过对2种设计和2种材质的使用效果分析，QAT和BE3-LN在柱部使用中各有优缺点QAT材质表现出良好的耐磨性，但材料“黑芯”区域太大，内外强度存 在差异，且材料的热膨胀系数偏高，材料韧性较差，易造成结构损坏；BE3-LN 热膨胀系数低，有利于防止砖缝开裂，整体性能较好，但材料耐磨性能一般三、斜道区牛腿的损毁原因干熄焦系统干熄炉斜道区牛腿开裂、掉砖现象是国内干熄焦系统普遍存在的 难题，也是国内同行共同关注的焦点由于至今没有有效的解决措施，已严重影 响到干熄焦生产的安全平稳运行和维修成本斜道区的耐火材料损坏非常有规律，都是发生在支柱的炉内端及环形隔墙与 支柱相连的部分而从斜道区炉衬的几何形状看这些损坏部位都是环形隔墙重 力偏心载荷的作用区，显然损坏与构造性应力有关下图 2 为使用前后牛腿的使 用情况图2 牛腿使用前后的对比照片干熄焦斜道区一般采用30个牛腿，整砖错缝砌筑，牛腿砖使用莫来石－碳化 硅砖，拱顶结构；由于干熄焦牛腿承受着干熄炉预存段约2001的重量，斜道区损 坏一般从拱顶沿受力点向下剪切断裂，造成砖层拔离脱落目前使用的莫来石－碳化硅砖，其高温耐压强度。

高温下的抗折性能和热震 稳定性能存在不稳定性，另外由于受力不均匀，无法承受上部巨大的压强；可考 虑采用指标性能更优越，稳定性能更高的砖质，部分厂家已开始尝试使用氮化硅 结合碳化硅砖来改善斜道区的使用寿命目前干熄焦炉一般3~4年要进行一次大修，其中斜道区牛腿更是基本上每年 都要更换1/3，给生产带来很大的不便四、改善牛腿使用情况可采取的措施1、斜道区设计结构改型，合理分配支撑承载压强为保证焦炭的冷却能力， 可考虑烟道开口面积扩大到原来的1．5倍．减少烟道数，以保证牛腿承载面积有 效增大增加承载能力将支撑牛腿的倾斜角度由原来的70°降低至63〜65°, 以增加根部的承载受力支撑；将带“凹槽”单层砖改为无槽整砖，以增加强度 改进时要满足烟道出口阻力与系统稳定的设计要求还可以对调节砖布置结构进 行调整减少单个烟道出口金属调节砖以减少阻力,保证气流畅通2、严格砌筑标准在干熄炉耐材砌筑时,就要严格管理坚决执行砌筑标 准,合理掌握烟道平拱圈梁砌筑均匀分布支撑牛腿的重力面,使其均匀受力3、 完善操作制度,维持工况稳定减少物料在炉内产生的偏隙,保持稳定 的排焦量,保证物料流动的均匀性,减少圆周方向各点温差。

可以有效减缓机械 磨损力和因温度波动产生的裂缝和剥落4、 运用合理的气料比,降低循环系统的阻力．减缓气流对耐材的冲刷5、 尽量减少干熄炉内红焦完全冷却的检修次数．保证热态平衡减少耐材 热胀冷缩产生的破坏6、 增加耐火泥强度,合理控制砖缝五、采用氮化硅结合碳化硅砖作为牛腿的可行性由于斜道区牛腿受到上面预存段很大的压力,材料必须具有很高的高温强度 才能抵抗住压力的破坏,氮化硅结合碳化硅材料高温抗折强度达到 45MPa 以上, 是莫来石结合碳化硅材料的2倍同时斜道区牛腿材料需要具有很好的耐磨性和 热震稳定行能,氮化硅结合碳化硅材料都不输于莫来石结合碳化硅材料而且氮 化硅结合碳化硅材料的内部结构更均匀,不会出现莫来石结合碳化硅材料的“黑 芯”问题,材料的稳定性更好牛腿材料大部分为异形机压砖,从模具设计及成 型的角度上来看,莫来石结合碳化硅材料能成型,氮化硅结合碳化硅材料也就没 有成型问题所以从技术上来讲,采用氮化硅结合碳化硅材料替代莫来石结合碳 化硅材料作为斜道区牛腿是完全可行的目前国内已经有好几家干熄焦炉开始采 用氮化硅结合碳化硅材料作斜道区牛腿了（如湘潭钢铁,刚招完标）六、市场容量分析以一个140 吨的干熄焦炉为例，总共需要各种耐火材料 854 吨，其中粘土砖 312 吨，隔热砖 70 吨，莫来石砖 361 吨，莫来石结合碳化硅砖 111 吨。

其中莫 来石结合碳化硅材料主要用在斜道区，占总用量的 97%，其余少量用在预存区 如果把莫来石结合碳化硅材料全部更换为氮化硅结合碳化硅材料，则总共需要 118 吨由于采用氮化硅结合碳化硅材料后，牛腿的消耗就很少了，每年只需更换少 量的牛腿（湘潭钢铁这次招标只有 3.5 吨，估计就一个牛腿的量，相当于 1/30） 如果我们按干熄焦炉的最高寿命 4 年计算，算上少量更换的量，平均每年的氮化 硅结合碳化硅砖的用量为 32.45 吨截止2010 年底，我国已投产干熄焦炉为 105 套，在建的有 54套，干熄焦炭 能力15877 万吨/年，占我国炼焦总产能5 亿吨的 31.8％，我国大中型钢铁企业 焦化厂的干熄焦率已达 83％以上按照总共159 套干熄焦炉计算，每年用在斜道区牛腿上的氮化硅结合碳化硅 材料在5160 吨左右湘潭钢铁这次的中标价为 17000 元/吨，我们按照每吨售价 15000 元计算， 市场容量为 7740 万元七、市场推广存在的问题目前使用的干熄焦牛腿使用寿命不高，除了跟材料本身的性能不能满足使用 要求之外，另一个重要的原因是结构的设计及操作问题，目前部分研究机构和用 户已经开始注意这个问题，并取得了一些效果。

由于氮化硅结合碳化硅材料相对 于莫来石结合碳化硅材料价格贵了 50%以上，在这些厂家推广会造成一定的难度 不过对于大多数长期受困牛腿寿命不高，自己又没有办法解决的厂家有推广意义。