干熄焦炉各部位用耐火材料的选择配置及炉衬易损部位的损毁机理探讨.docx

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1、干熄焦炉各部位用耐火材料的选择配置及炉衬易损部位的损毁机理探讨干熄焦炉用耐火材料干法熄焦作为炼铁系统最大的节能技术，正受到越来越多国内企业的关注。与传统的湿法熄焦相比，干熄焦具有能充分减少环境污染、回收红焦显热、提高焦炭质等优点。干熄焦炉用耐火材料选择如下：Ol干熄焦炉常用耐火材料干熄炉砌体属于竖窑式结构，炉体自上而下可分为预存室、斜道区、冷却室和一次除尘装置等。国内常见干熄焦炉用耐火材料列于表1。表1干熄焦炉各部位常用耐火材料一览表使用部位备用材晚寿和年解质IriM永久层砧上随工作层修“率I部削M区储存室卜部环膨风道B级奂朱石iK化秫林（BT类4）高强A级交来石传5-73-4斜遨区莫米石-碳

2、化硅砖1.5*2冷却室ASt更火有衲AI-SiC传45-6i次除尘装置烟道B缄更*H传78丹A级吏来各技202常用耐火材料的局限性目前，国内大多数干熄焦炉斜道区采用莫来石-碳化硅砖，该耐火材料具有较好的热震稳定性、耐磨性、高抗折强度、强抗侵蚀性等。但随着干熄焦技术的日益普及和成熟完善，研究发现干熄焦炉耐材，尤其是斜道区耐材的寿命偏短，导致干熄焦炉运行检修周期短，检修时间长。且与锅炉系统检修不匹配，导致干熄焦炉维护成本居高不下，运行效能下降，甚至影响到高炉的顺利运行。为延长斜道区耐火材料寿命并提高干熄焦炉的运行效率,各干熄焦厂家不断进行改进，包括改善耐火制品的外观质量和尺寸偏差，严格控制砌筑质量

3、，确保每个牛腿受力均匀,预留膨胀空间，合理安排烘炉计划，尽量保证干熄焦炉稳定运行。然而，这些改良办法无法从根本上解决干熄焦炉内衬寿命偏短的问题。干熄焦炉内衬损坏，尤其是斜道区耐材内衬的损坏，导致停炉修补的周期短、次数多（表2）。初期基本每年需要停炉一次对斜道进行浇筑修补，而反复浇筑修补将进一步缩短干熄焦炉的运行周期，引发停炉检修频率上升。2干熄焦炉检修情况一览表使用莫东石-硅化硅碍作为斜道区耐材）雄修规校平均结修Il度/年维修Y均停产时同/d小修I2t)-2S中修940、45大修5607003干熄焦炉用新型耐火材料针对斜道区耐火材料寿命偏低的问题专门开展技术攻关,研发了复相氮化物结合碳化硅产品

4、并不断加以改良。目前，以氮化物结合碳化硅耐火材料制品作为干熄焦炉关键部位耐火材料的技术理念，得到了柳钢等多家用户的认可。部分厂家在未改变干熄焦炉型结构和操作工况的条件下，采用氮化硅结合碳化硅或氮化硅/氧氮化硅复相结合碳化硅耐火材料制品对莫来石碳化硅砖进行替代，斜道区耐火材料的寿命有了显著提高。以国内A厂为例，干熄焦炉斜道区使用莫来石碳化硅破1年之后，停炉检修时斜道区耐火材料已发生不同程度的损毁（详见图1）,包括砖体磨损、缺边掉角，甚至整砖脱落。其中，耐火材料损毁致使牛腿支撑部分的结构改变最为严重，出现严重垮塌,急需进行维修。而改用复相氮化物结合碳化硅砖之后，在干熄焦炉整体耐火材料结构、操作工况

5、等条件均未发生变动的情况之下，同样使用1年后，在停炉检修时发现斜道区耐火材料未发生任何脱落、掉边现象，保持了整体结构的完好，不需要进行拆除和更换（图2）o截至目前，复相氮化物结合碳化硅砖在干熄焦炉斜道区的最长使用寿命已达8年。干熄焦炉耐火材料炉衬易损部位的损毁机理针对干熄焦炉体的损坏情况，综合目前同内干熄焦生产过程中存在的各种问题，发现干熄焦炉体最主要的损坏部位是斜道区牛腿砖。易损部位的损毁机理如下：1、结构原因通过理论计算与分析指出，斜道区耐材损坏以结构应力为主，斜道牛腿受上部环梁、环形风道自重的压力，焦炭向下移动的摩擦力、向上的循环气体夹带焦粉的冲刷力和材料本身膨胀、收缩的内力作用。炉体升

6、温时，环形风道和环梁沿直径方向向外膨胀，而牛腿膨胀向炉心变化，形成剪切力;由于焦炭和循环气体温度变化，在无外力作用下环梁的直径基本不变，只是环梁的砖缝被拉开。焦炭、循环气沐及耐火材料的温度沿斜道高度连续变化，特别是斜道区下部温度在300700t之间变化，会产生很大的热应力，从而造成耐火材料的拉裂、剥落等。牛腿冷收缩时受到上部砌沐的压力使其头部破被拉断，同时受焦炭和循环气体温度变化的影响使彼龟裂、剥蚀而损坏。2、化学侵蚀原因在受到结构应力损毁的同时，炉内介质对耐火材料产生化学作用，主要包括以下几个方面：(1)循环气体中的CO在300600C范围内发生化学反应(2Co今C02+C),分离出的游离碳

7、对耐火材料有侵蚀作用，会造成耐火砖砌体破裂或完全损坏。(2)国产的莫来石砖和碳化硅砖一般都含有Fe2O3,内衬砖高温状态下长期经受CO、H2等气体的侵蚀,在强还原性气氛下极易与Fe2O3反应。反应方程式为：3CO+Fe2O332Fe+3CO2和4+Fe2O3今3H2O+2Fe0生成的C02(g)、H20(g)与灼热的焦炭在高温状态下又生成强还原件气体CO、H2,进一步加速游离碳的生成。(3)碱侵蚀。对干熄焦内衬破的研究中发现，焦炭表面富集一定的碱金属，在750以上可产生少量的钾钠或钾盐钠盐的蒸气,它们会分解莫来石晶相结构形成松脆质结构的六方钾钠霞石等低熔物，致使制品表层呈层状脱落，在焦炭、气流

8、的作用下磨损加速。(4)各种有害介质与炉衬材料发生化学作用导致的化学浸蚀损毁。附参考资料：干熄焦炉斜道区耐火材料的损毁以及干熄焦炉斜道区耐火材料的发展干熄焦炉斜道区耐火材料的损毁根据CDQ工艺可知，斜道区耐火材料长期处于温度急剧波动、高温荷重、焦炭磨损和化学侵蚀等十分恶劣的工况条件下。斜道支柱是干熄焦炉最关键、最容易损毁的部位，其过早损毁直接影响了干熄焦炉的使用寿命。干熄焦炉斜道支柱的损毁原因主要有以下几个方面：(1)结构应力作用在整体结构设计上，斜道支柱以倾斜的方式支撑上部耐火材料等近300t的重量，支柱倾角约为69。，且承载截面宽度仅为200mm左右。上部载荷对斜道支柱施加较大的压应力和剪

9、切应力，一般耐火材料难以在高温下长期承受荷重。(2)热应力作用干熄焦炉斜道支柱上部与热风或热焦炭接触，下部与冷风或冷焦炭接触，斜道支柱从上到下存在近40CrC的温度梯度，导致其耐火材料内部存在较大的热应力。此外，干熄焦炉斜道支柱部位每年经历1300余次较大的温度波动，反复的升降温度导致耐火材料冷热收缩加剧，加速损毁。(3)焦炭磨损斜道区是风道进出口，长期承受焦炭、焦粉和高速气流的不断冲击、磨损，反复的冲刷磨损加速了耐火材料的损毁。(4)化学侵蚀作用焦炭表面夹带的碱金属和冷却工艺中的还原气体会与耐火材料发生一定程度的化学反应，产生低熔点物相或使耐火材料结构破坏，从而导致斜道支柱耐火材料的损毁。干

10、熄焦炉斜道区耐火材料发展干熄焦炉为竖窑结构，从上到下分为锥段、预存段、环形风道、斜道区和冷却段。在干法熄焦过程中，1000C左右的红焦从干熄焦炉顶部装入，下降到冷却段并与低温惰性气体(N2)进行热交换，红焦温度降至200C以下后排出。低温惰性循环气体(N2)在干熄炉冷区段与焦炭逆流换热，温度升高至900960C后从斜道支柱之间的风道口进入环形风道，在环形风道汇集后通过开口部进入一次除尘器，除尘后进入余热锅炉，在余热锅炉内的循环气体温度降为160左右，由循环风机加压后在进一步降温至约130C后再次进入干熄炉与焦炭换热。斜道支柱是干熄焦炉的关键部位，其作为风道口的同时必须以倾斜悬挑的方式承载上部耐

11、火材料及设备的重量。因此，斜道支柱耐火材料的选择至关重要。二期使用国产致密粘土砖替代从日本进口的莫来石砖，但其使用寿命仅为1年左右，完全不能满足干熄焦的生产需要。对二期国产致密粘土砖和进口莫来石砖分别进行了XRD衍射分析，结果表明：国产粘土砖的主晶相为方石英，莫来石相较少，而进口莫来石砖的主晶相为莫来石和红柱石，-方石英为次晶相。在此分析基础上，蒋伟锋等选择红柱石、焦宝石和莫来石等为主要原料，通过高温烧结制备了以莫来石为主晶相的红柱石莫来石砖，红柱石在烧结过程中形成针状或纤维状的莫来石网络结构，极大地提高了制品的抗热震性能，但制品强度偏低。研究了红柱石粒度对干熄焦用耐材制品使用性能的影响，结果

12、发现适当引入红柱石超细粉，可以降低试样的烧成温度，提高热震稳定性，同时不降低试样的强度。AI2O3-SiC病应用于干熄焦炉斜道区，但实际使用中仍存在整体性差、寿命不高等问题。随着干熄焦技术的引进消化吸收并大量国产化，干熄焦炉斜道区用耐火材料逐渐发展为性能优良的莫来石碳化硅豉，至今仍占据主导地位，但实际效果并不理想，使用2-3年后会出现开裂损毁等现象。以白刚玉、莫来石和碳化硅为主要原料，通过添加ZrO2微粉和红柱石微粉并高温烧成制备了应力缓冲型莫来石碳化硅材料，但由于ZrO2相变过程和红柱石分解过程的体积变化量难以控制，导致实际应用效果不佳。为了规避莫来石碳化硅质在干熄焦炉中服役时强度不够的弊端，国内相继研发了各种碳化硅材料。利用反应烧结制备了高强度、高抗热震性的BSC砖，但该材料成型性能和烧结性能较差。SiO2结合SiC破应用于某干熄焦炉中，但由于干熄炉内的碱性物质易与Si02反应低熔点物质，破坏材料结构。氮氧更合材料以碳化硅、单质硅为主要原料，在高纯氮气中isoor高温烧成制备了Si3N4结合SiC砖，该材料具有高强度、高抗热震性和高耐磨等特点，并将Si3N4结合SiC砖应用在武钢干熄炉斜道区，但Si3N4结合SiC砖制备工艺更杂，生产成本较高，并未在焦化行业广泛推广应用。