王清文
（山東四化環(huán)保節(jié)能工程有限公司， 山東 濟南 250100）
摘 要：針對干熄焦爐爐襯結構在實際運行中的損壞現象進行深入分析，指出了爐襯設計中的固有缺陷，如斜道牛腿磚損壞和環(huán)形風道損壞，重點對其損壞機理進行探究，并提出了相應的改進方法。斜道牛腿磚的改進方案包括增加傾斜角度實現垂直支撐，以及采用間隔式支撐減少耐火磚承受的內應力。在環(huán)形風道內筒磚設計方面，針對支架的變形和膨脹問題，對材料厚度及磚型設計進行了優(yōu)化，并引入干法砌筑技術，以及添加陶瓷纖維紙和擋墻來降低熱應力損害。在改造完成后，干熄焦爐的使用壽命和可靠性得以提升。
關鍵詞：干熄焦爐；爐襯結構；損壞分析；耐火材料
0 引言
干熄焦爐是一種廣泛應用于鋼鐵工業(yè)中的設備，其主要功能是在煉焦過程中將煤轉化為焦炭，同時回收化學產品并產生可燃氣體。干熄焦爐的爐襯作為直接與高溫化學反應接觸的關鍵部件，往往存在一些固有的結構設計缺陷。傳統(tǒng)爐襯材料和設計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，對焦爐爐襯結構提出了更嚴格的技術要求[1]。焦爐設計缺陷不僅影響爐襯的使用壽命，也可能對整個干熄焦工藝的穩(wěn)定性和效率產生負面影響。因此，深入探討干熄焦爐爐襯結構設計中的固有缺陷，并提出有效的改進方法，對于延長爐襯使用壽命、提高生產效率、降低能源消耗具有重要的現實意義。
1 干熄焦爐損壞分析
干熄焦爐的結構分為預存段、冷卻段和換熱段三個主要部分。爐襯系統(tǒng)由輕質保溫磚、黏土磚和莫來石碳化硅磚構成，材料被砌筑在爐體鋼結構上，以及環(huán)形風道內筒的砌體中，如圖 1 所示。爐襯結構設計上的大規(guī)模維修周期為 8 年，但實際的維修周期通常在 15~23 個月之間。在年修周期內，冷卻段的耐材主要因與焦炭的直接接觸而出現磨損，最大磨損深度可達 100 mm。
預存段由于不直接接觸焦炭，損壞較小。損壞較為嚴重的區(qū)域是斜道牛腿和過頂磚，這些區(qū)域由于受生產過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，導致耐火磚出現裂紋和剝落。根據維修情況來看，過頂磚和牛腿磚的損壞情況較為嚴重，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，對磚梁的沖刷劇烈[2]。
如表面裂縫等相對較輕的損壞，通常出現在斜煙道至一次除塵出口對面的區(qū)域。冷卻段的工作層耐材因持續(xù)受到焦炭摩擦，在年修周期內產生不同程度的磨損，而預存段和環(huán)風道的磚體損耗則相對較小。
2 干熄焦爐爐襯結構固有缺陷
2.1 斜道牛腿磚損壞
干熄焦爐的斜道牛腿磚的損壞，如開裂和脫落，是縮短年修周期和降低爐子可靠性的主要原因。環(huán)風道內筒砌筑高度為 10 m，由于兩端無固定，穩(wěn)定性較差，其設計上的缺陷對爐子的長期運行構成了重大影響。損壞的牛腿和過頂磚作為砌筑基礎，一旦發(fā)生脫落，將導致整個結構的崩潰，迫使生產中斷[3]。
此外，由于牛腿和過頂磚位于爐內，檢查和維護工作面臨極大挑戰(zhàn)。雖然可以通過中栓孔使用內窺鏡進行檢查，但是受爐內高溫和粉塵影響導致維修難度增加。牛腿磚的逐層懸挑結構和頻繁的溫度波動，以及冷卻氣流和焦炭顆粒的沖擊，進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)風道損壞
焦炭側壓力和風道內外壓力差引起的應力較小，應力通常不超過 1.3 MPa，遠低于風道材料的承受極限。此外，風道的變形程度相對較小，裝焦過程中的應力不會造成環(huán)風道損壞。 當熱應力與其他結構應力相互作用時，其值可以達到 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、重力影響以及制造過程中的倒角等因素，容易出現應力集中現象。中間區(qū)域的應力值雖然未達到莫來石磚 75 MPa 的強度極限，但從變形情況來看，風道的 1/3 至中間部分的總變形量相當顯著，為 26 mm，出現明顯的膨脹現象[4]。長期運行過程中， 這種膨脹可能導致墻體扭曲，形成向外的“鼓肚”現象，并隨著時間的推移而加劇，最終形成孔洞，導致風道損壞。
此外，干熄焦爐在多次的升溫和降溫過程中，風道的變形可能導致磚與火泥的接合處分離。在干熄焦爐檢修后再次升溫時，磚與火泥分離現象加劇，導致風道的膨脹區(qū)域進一步擴大。由于循環(huán)氣體中攜帶的灰塵等顆粒物質可能進入縫隙，風道無法實現整體收縮，導致膨脹區(qū)域無法收縮。在生產和升溫過程中，風道的膨脹現象可能進一步加劇，最終導致風道的坍塌。
3 干熄焦爐爐襯結構改進
3.1 斜道牛腿支撐改進
在高溫環(huán)境下，紅焦與牛腿及過頂磚梁的直接接觸可能導致耐火材料承受較大的內部應力。由于這些部位使用的莫來石磚或氮化硅磚尺寸較大，在熱負荷作用下容易產生裂縫，這些裂縫可能會逐漸擴展，最終導致磚體出現斷裂、分層甚至脫落的現象[5]。因此，需要對干熄爐斜道和過頂磚梁等關鍵部位的耐火材料選擇及其結構設計進行進一步的優(yōu)化和改進。
為提高耐火材料的使用壽命，可以增大牛腿的傾斜角度，實現垂直支撐。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。通過對牛腿支撐的改進，可以最大限度地發(fā)揮耐火磚的抗壓優(yōu)勢，同時減少或避免其承受彎曲和剪切作用。
3.2 環(huán)風道內筒磚設計
在干熄焦爐的環(huán)形風道耐火材料設計中，原風道厚度為 350 mm，但變形發(fā)生在風道的 1/3 處。因此，對風道部分區(qū)域進行加厚改進。具體來說，風道底部至1/3 處的厚度增至 440 mm，而上部則調整為 400 mm，以減少生產過程中的變形影響。選用的耐火材料為 A 級莫來石磚，這種材料具有高耐火度和優(yōu)異的耐磨及耐壓性能，符合干熄焦爐的工況要求[6]。在磚型設計上，考慮到施工中磚縫控制的難度和環(huán)形風道中部較大的變形量，采用干法砌筑技術，利用咬合磚型提高施工規(guī)范性和熱應力的適應性。
新設計的磚型包括 GAM3053c 和 GAM3053d 兩種，磚塊通過咬合砌筑，中間填充 3 mm 厚的陶瓷纖維紙，陶瓷纖維紙材料具有輕質、耐高溫和良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，便于施工并有助于控制磚縫。為了提高磚型的應力承受能力，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。改進后風道下段厚度達到 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構，溝舌深度為 14 mm，以增強上下環(huán)的結合力并防止滑動[7]。磚型設計采用凹凸方式，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題。
此外，為了應對熱應力引起的“鼓脹”問題，在環(huán)形風道增設了 18 個小擋墻，以增強對風道膨脹的抵抗能力，防止坍塌。此次改造主要集中于環(huán)形風道磚型的變更，而其他部分如拱頂過頂磚、中栓看火孔等保持原設計不變，因此所需材料種類相對較少。
4 結語
通過對爐襯損壞情況的詳細分析，明確了斜道牛腿磚和環(huán)風道內筒是爐襯結構中損壞最為嚴重的部分。針對斜道牛腿磚的損壞問題，提出了增大傾斜角度和采用間隔式垂直支撐的改進方案，以提高耐火材料的使用壽命。對于環(huán)風道內筒的損壞，通過加厚風道部分區(qū)域和采用新的磚型設計，有效減少了生產過程中的變形影響。同時，通過干法砌筑技術和增設小擋墻，增強了風道對熱應力的適應性和抵抗能力。這些改進措施有望顯著提高干熄焦爐爐襯結構的可靠性和維修周期，為干熄焦爐的長期穩(wěn)定運行提供了有力保障。
參考文獻
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