王清文
（山東四化環(huán)保節(jié)能工程有限公司， 山東 濟(jì)南 250100）
摘 要：針對(duì)干熄焦?fàn)t爐襯結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行中的損壞現(xiàn)象進(jìn)行深入分析，指出了爐襯設(shè)計(jì)中的固有缺陷，如斜道牛腿磚損壞和環(huán)形風(fēng)道損壞，重點(diǎn)對(duì)其損壞機(jī)理進(jìn)行探究，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。斜道牛腿磚的改進(jìn)方案包括增加傾斜角度實(shí)現(xiàn)垂直支撐，以及采用間隔式支撐減少耐火磚承受的內(nèi)應(yīng)力。在環(huán)形風(fēng)道內(nèi)筒磚設(shè)計(jì)方面，針對(duì)支架的變形和膨脹問(wèn)題，對(duì)材料厚度及磚型設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，并引入干法砌筑技術(shù)，以及添加陶瓷纖維紙和擋墻來(lái)降低熱應(yīng)力損害。在改造完成后，干熄焦?fàn)t的使用壽命和可靠性得以提升。
關(guān)鍵詞：干熄焦?fàn)t；爐襯結(jié)構(gòu)；損壞分析；耐火材料
0 引言
干熄焦?fàn)t是一種廣泛應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)中的設(shè)備，其主要功能是在煉焦過(guò)程中將煤轉(zhuǎn)化為焦炭，同時(shí)回收化學(xué)產(chǎn)品并產(chǎn)生可燃?xì)怏w。干熄焦?fàn)t的爐襯作為直接與高溫化學(xué)反應(yīng)接觸的關(guān)鍵部件，往往存在一些固有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷。傳統(tǒng)爐襯材料和設(shè)計(jì)方法存在著諸多不足，如熱穩(wěn)定性差、抗侵蝕能力弱等，隨著焦煉工藝的不斷發(fā)展，對(duì)焦?fàn)t爐襯結(jié)構(gòu)提出了更嚴(yán)格的技術(shù)要求[1]。焦?fàn)t設(shè)計(jì)缺陷不僅影響爐襯的使用壽命，也可能對(duì)整個(gè)干熄焦工藝的穩(wěn)定性和效率產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，深入探討干熄焦?fàn)t爐襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的固有缺陷，并提出有效的改進(jìn)方法，對(duì)于延長(zhǎng)爐襯使用壽命、提高生產(chǎn)效率、降低能源消耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1 干熄焦?fàn)t損壞分析
干熄焦?fàn)t的結(jié)構(gòu)分為預(yù)存段、冷卻段和換熱段三個(gè)主要部分。爐襯系統(tǒng)由輕質(zhì)保溫磚、黏土磚和莫來(lái)石碳化硅磚構(gòu)成，材料被砌筑在爐體鋼結(jié)構(gòu)上，以及環(huán)形風(fēng)道內(nèi)筒的砌體中，如圖 1 所示。爐襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的大規(guī)模維修周期為 8 年，但實(shí)際的維修周期通常在 15~23 個(gè)月之間。在年修周期內(nèi)，冷卻段的耐材主要因與焦炭的直接接觸而出現(xiàn)磨損，最大磨損深度可達(dá) 100 mm。
預(yù)存段由于不直接接觸焦炭，損壞較小。損壞較為嚴(yán)重的區(qū)域是斜道牛腿和過(guò)頂磚，這些區(qū)域由于受生產(chǎn)過(guò)程中的不均勻裝入和熱交換引起的熱脹冷縮影響，以及循環(huán)氣體中的固體顆粒沖蝕，導(dǎo)致耐火磚出現(xiàn)裂紋和剝落。根據(jù)維修情況來(lái)看，過(guò)頂磚和牛腿磚的損壞情況較為嚴(yán)重，尤其是在一次除塵出口附近的區(qū)域，該區(qū)域的氣體流速快，對(duì)磚梁的沖刷劇烈[2]。
如表面裂縫等相對(duì)較輕的損壞，通常出現(xiàn)在斜煙道至一次除塵出口對(duì)面的區(qū)域。冷卻段的工作層耐材因持續(xù)受到焦炭摩擦，在年修周期內(nèi)產(chǎn)生不同程度的磨損，而預(yù)存段和環(huán)風(fēng)道的磚體損耗則相對(duì)較小。
2 干熄焦?fàn)t爐襯結(jié)構(gòu)固有缺陷
2.1 斜道牛腿磚損壞
干熄焦?fàn)t的斜道牛腿磚的損壞，如開(kāi)裂和脫落，是縮短年修周期和降低爐子可靠性的主要原因。環(huán)風(fēng)道內(nèi)筒砌筑高度為 10 m，由于兩端無(wú)固定，穩(wěn)定性較差，其設(shè)計(jì)上的缺陷對(duì)爐子的長(zhǎng)期運(yùn)行構(gòu)成了重大影響。損壞的牛腿和過(guò)頂磚作為砌筑基礎(chǔ)，一旦發(fā)生脫落，將導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的崩潰，迫使生產(chǎn)中斷[3]。
此外，由于牛腿和過(guò)頂磚位于爐內(nèi)，檢查和維護(hù)工作面臨極大挑戰(zhàn)。雖然可以通過(guò)中栓孔使用內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查，但是受爐內(nèi)高溫和粉塵影響導(dǎo)致維修難度增加。牛腿磚的逐層懸挑結(jié)構(gòu)和頻繁的溫度波動(dòng)，以及冷卻氣流和焦炭顆粒的沖擊，進(jìn)一步增加了維修更換工作的難度。特別是與斜道磚咬合的部分，年修時(shí)難以更換，影響了牛腿磚在服役周期中的性能，降低了整體的可靠性。
2.2 環(huán)風(fēng)道損壞
焦炭側(cè)壓力和風(fēng)道內(nèi)外壓力差引起的應(yīng)力較小，應(yīng)力通常不超過(guò) 1.3 MPa，遠(yuǎn)低于風(fēng)道材料的承受極限。此外，風(fēng)道的變形程度相對(duì)較小，裝焦過(guò)程中的應(yīng)力不會(huì)造成環(huán)風(fēng)道損壞。 當(dāng)熱應(yīng)力與其他結(jié)構(gòu)應(yīng)力相互作用時(shí)，其值可以達(dá)到 68 MPa，特別是與牛腿段相接的區(qū)域。相接區(qū)域由于溫度波動(dòng)、重力影響以及制造過(guò)程中的倒角等因素，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。中間區(qū)域的應(yīng)力值雖然未達(dá)到莫來(lái)石磚 75 MPa 的強(qiáng)度極限，但從變形情況來(lái)看，風(fēng)道的 1/3 至中間部分的總變形量相當(dāng)顯著，為 26 mm，出現(xiàn)明顯的膨脹現(xiàn)象[4]。長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中， 這種膨脹可能導(dǎo)致墻體扭曲，形成向外的“鼓肚”現(xiàn)象，并隨著時(shí)間的推移而加劇，最終形成孔洞，導(dǎo)致風(fēng)道損壞。
此外，干熄焦?fàn)t在多次的升溫和降溫過(guò)程中，風(fēng)道的變形可能導(dǎo)致磚與火泥的接合處分離。在干熄焦?fàn)t檢修后再次升溫時(shí)，磚與火泥分離現(xiàn)象加劇，導(dǎo)致風(fēng)道的膨脹區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大。由于循環(huán)氣體中攜帶的灰塵等顆粒物質(zhì)可能進(jìn)入縫隙，風(fēng)道無(wú)法實(shí)現(xiàn)整體收縮，導(dǎo)致膨脹區(qū)域無(wú)法收縮。在生產(chǎn)和升溫過(guò)程中，風(fēng)道的膨脹現(xiàn)象可能進(jìn)一步加劇，最終導(dǎo)致風(fēng)道的坍塌。
3 干熄焦?fàn)t爐襯結(jié)構(gòu)改進(jìn)
3.1 斜道牛腿支撐改進(jìn)
在高溫環(huán)境下，紅焦與牛腿及過(guò)頂磚梁的直接接觸可能導(dǎo)致耐火材料承受較大的內(nèi)部應(yīng)力。由于這些部位使用的莫來(lái)石磚或氮化硅磚尺寸較大，在熱負(fù)荷作用下容易產(chǎn)生裂縫，這些裂縫可能會(huì)逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致磚體出現(xiàn)斷裂、分層甚至脫落的現(xiàn)象[5]。因此，需要對(duì)干熄爐斜道和過(guò)頂磚梁等關(guān)鍵部位的耐火材料選擇及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。
為提高耐火材料的使用壽命，可以增大牛腿的傾斜角度，實(shí)現(xiàn)垂直支撐。如果受到循環(huán)氣體流路的限制，可以采用間隔式的垂直支撐方案。通過(guò)對(duì)牛腿支撐的改進(jìn)，可以最大限度地發(fā)揮耐火磚的抗壓優(yōu)勢(shì)，同時(shí)減少或避免其承受彎曲和剪切作用。
3.2 環(huán)風(fēng)道內(nèi)筒磚設(shè)計(jì)
在干熄焦?fàn)t的環(huán)形風(fēng)道耐火材料設(shè)計(jì)中，原風(fēng)道厚度為 350 mm，但變形發(fā)生在風(fēng)道的 1/3 處。因此，對(duì)風(fēng)道部分區(qū)域進(jìn)行加厚改進(jìn)。具體來(lái)說(shuō)，風(fēng)道底部至1/3 處的厚度增至 440 mm，而上部則調(diào)整為 400 mm，以減少生產(chǎn)過(guò)程中的變形影響。選用的耐火材料為 A 級(jí)莫來(lái)石磚，這種材料具有高耐火度和優(yōu)異的耐磨及耐壓性能，符合干熄焦?fàn)t的工況要求[6]。在磚型設(shè)計(jì)上，考慮到施工中磚縫控制的難度和環(huán)形風(fēng)道中部較大的變形量，采用干法砌筑技術(shù)，利用咬合磚型提高施工規(guī)范性和熱應(yīng)力的適應(yīng)性。
新設(shè)計(jì)的磚型包括 GAM3053c 和 GAM3053d 兩種，磚塊通過(guò)咬合砌筑，中間填充 3 mm 厚的陶瓷纖維紙，陶瓷纖維紙材料具有輕質(zhì)、耐高溫和良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，便于施工并有助于控制磚縫。為了提高磚型的應(yīng)力承受能力，將 GAM3053c 磚型的寬度增至440 mm，而 GAM3053d 磚型寬度為 400 mm，分別比原磚型增加了 90 mm 和 50 mm 的厚度。改進(jìn)后風(fēng)道下段厚度達(dá)到 440 mm，高度為 1 560 mm，上段厚度為400 mm，高度為 2 964 mm。
在砌筑方法上，采用干法砌筑，不使用耐火泥，而是在磚上增加溝舌結(jié)構(gòu)，溝舌深度為 14 mm，以增強(qiáng)上下環(huán)的結(jié)合力并防止滑動(dòng)[7]。磚型設(shè)計(jì)采用凹凸方式，利用磚自身的咬合砌筑，避免耐火材料脫落和灰燼擠入縫隙的問(wèn)題。
此外，為了應(yīng)對(duì)熱應(yīng)力引起的“鼓脹”問(wèn)題，在環(huán)形風(fēng)道增設(shè)了 18 個(gè)小擋墻，以增強(qiáng)對(duì)風(fēng)道膨脹的抵抗能力，防止坍塌。此次改造主要集中于環(huán)形風(fēng)道磚型的變更，而其他部分如拱頂過(guò)頂磚、中栓看火孔等保持原設(shè)計(jì)不變，因此所需材料種類(lèi)相對(duì)較少。
4 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)爐襯損壞情況的詳細(xì)分析，明確了斜道牛腿磚和環(huán)風(fēng)道內(nèi)筒是爐襯結(jié)構(gòu)中損壞最為嚴(yán)重的部分。針對(duì)斜道牛腿磚的損壞問(wèn)題，提出了增大傾斜角度和采用間隔式垂直支撐的改進(jìn)方案，以提高耐火材料的使用壽命。對(duì)于環(huán)風(fēng)道內(nèi)筒的損壞，通過(guò)加厚風(fēng)道部分區(qū)域和采用新的磚型設(shè)計(jì)，有效減少了生產(chǎn)過(guò)程中的變形影響。同時(shí)，通過(guò)干法砌筑技術(shù)和增設(shè)小擋墻，增強(qiáng)了風(fēng)道對(duì)熱應(yīng)力的適應(yīng)性和抵抗能力。這些改進(jìn)措施有望顯著提高干熄焦?fàn)t爐襯結(jié)構(gòu)的可靠性和維修周期，為干熄焦?fàn)t的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。
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