干熄爐斜風(fēng)道耐火材料的損毀和提高壽命的途徑
任社安（上海五冶建設(shè)有限公司工業(yè)爐窯工程公司，上海201900）
1 工程概況
焦炭的熄焦方式有濕法熄焦和干法熄焦兩種。濕法熄焦因工藝簡單、投資省，目前國內(nèi)仍然采用,但此方法熱量浪費(fèi)相當(dāng)大,且在焦炭內(nèi)部產(chǎn)生大量熱應(yīng)力,造成焦炭產(chǎn)生裂紋和破裂。此外,煤中的硫在煉焦過程中部分脫除,殘留在焦炭中的硫與水反應(yīng),產(chǎn)生硫化氫和二氧化硫,這些有害氣體與水蒸氣一起排到大氣中污染環(huán)境。與濕法熄焦相比，干法熄焦具有減少水的浪費(fèi)和利用焦炭熱能達(dá)80％，還能改善焦炭質(zhì)量和生產(chǎn)環(huán)境。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)環(huán)保及節(jié)能的要求越來越高，近年來，我國越來越多的鋼鐵廠選用了干法熄焦裝置。
熄焦室是干法熄焦裝置中的主要組成部分，由上部錐體、預(yù)存室（環(huán)形氣道）、斜風(fēng)道和冷卻室組成。焦炭靠自重在熄焦室中從上面的上部錐體經(jīng)預(yù)存室進(jìn)入冷卻室，冷惰性氣體（N2）從下面的風(fēng)帽進(jìn)入冷卻室，在冷卻室中進(jìn)行熱交換后，熱惰性氣體由斜風(fēng)道進(jìn)入環(huán)氣風(fēng)道，在開口部匯集，再經(jīng)過除塵凈化，經(jīng)余熱鍋爐回收熱量后，繼續(xù)循環(huán)使用。
干法熄焦裝置的種類較多，按熄焦能力分為75t/h、100t/h、125t/h、140t/h、160t/h等。 干熄焦系統(tǒng)耐火材料的一代爐齡正常為10～12年，斜風(fēng)道部位為使冷卻氣體容易通過，將圓周20～36等分，并設(shè)置了支柱，斜風(fēng)道支柱承受了上部隔墻及環(huán)風(fēng)道內(nèi)墻耐火材料的重量，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位。斜風(fēng)道部位耐火材料的工作環(huán)境惡劣，長期受急冷急熱、強(qiáng)氣流沖刷、焦炭的摩擦以及不均勻受力等影響，從而導(dǎo)致支撐磚斷裂, 過頂磚出現(xiàn)剝落，無法進(jìn)行正常生產(chǎn)。
圖1 斜道部位損毀狀況
2 損毀機(jī)理
斜煙道部位目前大部分都采用莫來石結(jié)合炭化硅磚, 耐火磚的斷裂形成過程是裂紋的成核、生長、擴(kuò)展（亞臨界裂紋擴(kuò)展-臨界擴(kuò)展）直至斷裂。
（1）SiC材料由于氧化引起裂紋擴(kuò)展機(jī)理。在1000℃環(huán)境中，氧在裂紋尖端與SiC發(fā)生如下反應(yīng)形成含有雜質(zhì)的硅酸鹽晶界薄層。
2SiC+3O2 → 2SiO2 +2CO↑
氧化過程包括氧離子通過氧化層傳遞到裂紋的尖端、SiC→SiO2 反應(yīng)、CO從反應(yīng)區(qū)離出三個(gè)階段。氧化膜的形成是控制裂紋擴(kuò)展的主要因素。SiC材料的裂紋生長屬于氧化膜的塑性效應(yīng)以及隨后的熱激活鍵撕裂機(jī)理控制。
（2）疲勞裂紋成核及擴(kuò)展機(jī)理。由于材料上存在有設(shè)計(jì)和加工的缺陷，以及材料內(nèi)部或表面非均質(zhì)的裂紋成核部位都會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，局部應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生顯微范圍內(nèi)局部塑性變形，隨著循環(huán)應(yīng)力的繼續(xù)，形成尖銳的裂隙，在一定部位上裂隙穿入基體發(fā)展成裂紋。
（3）熱震損傷。材料由于溫度聚變和急冷急熱的條件下產(chǎn)生熱應(yīng)力，在熱沖擊循環(huán)作用下，材料先出現(xiàn)開裂、剝落，然后碎裂或變質(zhì)，最終整體損壞。從斷裂力學(xué)看，當(dāng)熱應(yīng)力導(dǎo)致的存儲(chǔ)于材料內(nèi)的應(yīng)變能足以支付裂紋的成核、生長、擴(kuò)展而新生表面所須的能量，裂紋就形成和擴(kuò)展。為了防止熱震裂紋核的形成，要求材料具有較高的原始強(qiáng)度、熱導(dǎo)和熱擴(kuò)散系數(shù)，以及較低的熱膨脹系數(shù)。然而脆性材料不可避免出現(xiàn)裂紋核，當(dāng)材料的原始強(qiáng)度較高時(shí)，成核后緊接著裂紋的極度動(dòng)態(tài)擴(kuò)展是難以避免的，因此往往導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞。因此對(duì)于處于熱震環(huán)境之中耐火材料原始強(qiáng)度不一定要很高。
3 改進(jìn)方法
（1）提高耐材等級(jí)。建議在斜道部位采用氮化硅結(jié)合炭化硅磚。Si3N4的熱膨脹系數(shù)小，氧化速度慢，體積穩(wěn)定，有良好的導(dǎo)熱性，Si3N4在1900℃才分解。氮化硅結(jié)合炭化硅磚的氮化硅能保護(hù)炭化硅的氧化，提高炭化硅抗氧化性。冷卻段及上部工作層均用粘土結(jié)合莫來石磚，主要解決抗驟冷驟熱和耐磨性。
（2） 施工方法的改進(jìn)。加強(qiáng)控制斜道部位的平整度、斜道及以上部位的中心和垂直度，減少誤差所帶來斜煙道支柱的受力不均而加快損毀的進(jìn)程。
（3）生產(chǎn)過程控制。減少斜道部位的氧化環(huán)境，避免SiC材料由于氧化引起裂紋的擴(kuò)展。
4 施工方法的改進(jìn)
斜風(fēng)道-環(huán)形氣道是干熄焦系統(tǒng)整個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，在施工時(shí)重點(diǎn)控制這兩部分的施工，主要應(yīng)控制標(biāo)高、內(nèi)徑、平整度和灰縫。
（1）標(biāo)高的控制。斜風(fēng)道-環(huán)形氣道標(biāo)高以冷卻區(qū)中段托磚板上表面與環(huán)形氣道上部托磚板上表面之間尺寸作為砌筑分區(qū)基準(zhǔn)。砌筑標(biāo)高調(diào)整值計(jì)算公式如下：
Ｈ=h+n（d+δ）
式中的Ｈ為砌層砌筑標(biāo)高調(diào)整值；h為下部磚層控制標(biāo)高；n為 H與h之間的磚層數(shù)；d為磚厚度；δ為調(diào)整后的灰縫。
調(diào)整后的灰縫δ = 3+（冷卻區(qū)中段托磚板上表面與環(huán)形氣道上部托磚板上表面
實(shí)際相對(duì)高度－設(shè)計(jì)高度）/磚層數(shù)
斜風(fēng)道支撐磚每天砌筑一層，每層每個(gè)支撐磚的標(biāo)高都要檢查復(fù)核，在允許誤差范圍內(nèi)。
（2）內(nèi)徑的控制。斜風(fēng)道-環(huán)形氣道內(nèi)徑位置應(yīng)按斜風(fēng)道鐵殼內(nèi)徑中心（爐芯） 為砌筑基準(zhǔn)，只有中心重合，才能保證斜風(fēng)道支撐磚受力均勻。在爐口焊接十字架，穿一根細(xì)鋼絲，吊一個(gè)5kg線墜，線墜中心對(duì)準(zhǔn)混凝土基礎(chǔ)的爐芯，這根垂直的細(xì)鋼絲作為斜風(fēng)道鐵殼內(nèi)徑中心（爐芯）。砌筑時(shí)在細(xì)鋼絲上系一根伸縮性小的尼龍線，尼龍線上標(biāo)志每層斜風(fēng)道支撐磚半徑尺寸，在每層斜風(fēng)道支撐磚水平上拉線檢查半徑尺寸，同時(shí)檢查斜風(fēng)道支撐磚是否位于爐中心的放射線上。
斜風(fēng)道支撐柱的多少要根據(jù)干熄焦室大小來定，但分布均勻。斜風(fēng)道支撐柱砌筑之前， 以熄焦室與一次除塵器間縱向中心為基準(zhǔn)，在罐殼上分出0°、90°、180°、270°的分度線。再根據(jù)斜風(fēng)道支撐柱設(shè)計(jì)的分度數(shù)，畫出每根斜風(fēng)道支撐柱的分度線。砌筑每層時(shí)要拉線檢查斜風(fēng)道支撐磚是否位于爐中心的放射線上。斜風(fēng)道支撐磚逐漸向爐內(nèi)探伸，每層砌筑時(shí)嚴(yán)禁支撐磚上表面向下傾斜，使用水平尺檢查平整度。
（3）其他砌筑事項(xiàng)。斜風(fēng)道支撐磚在運(yùn)輸過程中要輕拿輕放，以防止碰撞而產(chǎn)生裂紋。斜風(fēng)道支撐磚嚴(yán)禁加工。 斜風(fēng)道支撐磚每天砌筑一層，確保泥漿凝固干燥。斜風(fēng)道支撐磚上拱頂磚砌筑時(shí)應(yīng)安設(shè)支撐拱，防止砌體下沉，支撐拱應(yīng)在烘爐前再拆除。斜風(fēng)道支撐磚上拱頂磚要同時(shí)砌筑，并同時(shí)將鎖磚打入。
5 結(jié)論
氮化硅結(jié)合炭化硅磚由于價(jià)格貴，多數(shù)企業(yè)不采用，還沒有推廣開。通過施工方法的改進(jìn)和控制，提高斜風(fēng)道支撐柱部位的砌筑質(zhì)量。另外，生產(chǎn)過程加強(qiáng)控制，減少爐體不均勻沉降及爐內(nèi)氧化環(huán)境，能提高干熄焦斜風(fēng)道耐火材料使用壽命。
