熄焦是焦炭生产过程中的重要环节之一。熄焦的方式有湿法熄焦和干法熄焦两种。干法熄焦是用惰性气体为载体达到熄焦目的。干熄炉是干熄焦装置中的主要设备，由上部的椎体（炉顶）、预存段（环形气道）、斜道和冷却室组成。炽热的焦炭在干熄炉中与冷惰性气体（N
2）逆向接触进行热交换，焦炭被冷却。与湿法熄焦相比，干法熄焦具有节约能源、减少水资源浪费、改善焦炭质量和保护环境等优点。随着社会的进步，环保、能源、资源的可持续发展，干熄焦已成为我国炼焦行业的发展趋势。
目前，耐火材料存在的诸多问题严重地影响着干熄炉的使用寿命，主要集中在干熄炉的斜道区支撑梁（俗称牛腿）和过梁。为此，我们对干熄炉斜道区的耐火材料进行破损调查，结合干熄炉的工艺特点，提出了改进措施，并成功地应用于武钢7号干熄炉中，取得满意的效果。
1 斜道区耐火材料的破损分析
1.1 干熄炉支撑梁和过梁耐火材料的破损状况
武钢7号干熄炉于2003年12月投产，2004年11月停炉检修时发现支撑梁和过梁耐火材料的破损状况严重，支撑梁正面直缝出现10～25mm的开裂，斜道支撑梁侧面出现3～15mm的裂缝。耐火砖普遍疏松，36个支撑梁不同程度地存在耐火砖表面的龟裂、断裂和脱落现象，有的部位甚至出现断裂剥落三分之一的严重状况。由于支撑梁的破坏，预存段的过梁砖也多处出现下沉、断裂和坍塌。
1.2 斜道支撑梁耐火砌体的破损分析
1. 2. 1 影响支撑梁耐火材料使用寿命的因素
干熄炉斜道区结构复杂，炉内工况变化大，有下列诸多因素影响斜道支撑梁耐火材料的使用寿命。
(1) 在整体结构设计上，斜道支撑梁必须承受预存段上部直筒部分全部耐火材料的重量，高温荷重必然导致结构强度的逐渐降低；
(2) 在焦炭自上而下、惰性气体自下而上的运动过程中，斜道支撑梁的耐火材料承受着焦炭的撞击、磨损、气流及粉尘的冲刷；
(3) 斜道支撑梁下部的温度约为300℃，上部温度约为1000℃，支撑梁的耐火材料由下到上存在近700℃的温度梯度，致使耐火材料内部应力聚集;
(4) 化学浸蚀作用。炼焦夹带的有害介质、冷却产生的还原性气体、煤灰粉尘、余热回收工艺制度的变化（喷雾、喷气、渗透等）等也是导致耐火材料熔解、侵蚀和损毁的因素。在这些破损原因中，温度波动产生的热应力是导致支撑梁和过梁耐火材料损毁的主要因素。
1.2.2 支撑梁结构和耐火砖砖型设计的不合理
干熄炉斜道的支撑梁和过梁对干熄炉预存段上部起着支撑作用，支撑梁和过梁要承受上部的全部重量。斜道上部近300吨的重量施加在斜道的36个支撑梁上，如果支撑梁设计得过于单薄，就难以承受上部砌体的重量，极容易被破坏。目前，大型干熄炉斜道的支撑梁设计均过于单薄，有待于改进。另外，斜道支撑梁耐火砖组合端部的错缝太小，勾、舌设计过多过大，造成上下层耐火砖平面的接触面积变小，受力面积大幅减少，这在某种程度上会加剧耐火砖的损坏。
1.2.3 莫来石结合碳化硅砖的质量不稳
目前，国内大型干熄炉斜道支撑梁大部分选用莫来石结合碳化硅砖。莫来石结合碳化硅砖是通过加入氧化铝、氧化硅，在基质中形成连续莫来石相，将碳化硅骨料包裹形成的多相材料。它具有碳化硅机械强度高、热导率高、膨胀系数低、热震稳定性好、耐化学侵蚀性好等特点，是一种优质耐火材料。经验表明，莫来石结合碳化硅砖的显微结构与碳化硅颗粒分布、莫来石相发育状况、烧成温度、烧成时间等因素有关，这些因素直接影响莫来石结合碳化硅砖性能。因此，必须严格控制原料和工艺。否则，会因二次莫来石化、玻璃化及方石英的形成而使制品变脆，强度变差，热振稳定性降低。表1为莫来石结合碳化硅砖的技术指标，其中产品实测值为武钢7号干熄炉用砖。由表1可看出，产品实测值与技术指标相差较大，由于存在高温强度低和热震稳定性差等先天不足，必然无法满足干熄炉内复杂的工况。
表1 干熄炉斜道支撑梁耐火砖的部分指标
|
莫来石-碳化硅砖 |
耐火度
℃ |
体积
密度
g/cm3 |
显气孔率
％ |
常温耐压强度
MPa |
荷重软化
温度
（0.2MPa）
℃ |
高温抗折强度（1100℃×0.5h）
MPa |
热振稳定性（1100℃↔
冷水）
次 |
|
要求指标 |
≥1770 |
≥2.5 |
≤21 |
≥85 |
≥1600 |
≥20 |
≥50 |
|
实测值 |
＞1800 |
2.6 |
14.9 |
92 |
＞1650 |
12.87 |
13 |
表2 干熄炉斜道区用磷酸盐结合耐火泥浆的技术指标
|
磷酸盐泥浆 |
要求指标 |
实测值 |
磷酸盐泥浆 |
要求指标 |
实测值 |
|
SiC ,% |
≥30 |
30.82 |
抗折黏结强度
MPa |
800℃ |
≥6 |
5.17 |
|
Al2O3 ,% |
≥40 |
44.54 |
|
抗折黏结强度
MPa |
常温1天 |
－ |
0 |
1000℃ |
≥8 |
8.82 |
|
常温2天 |
－ |
0 |
耐火度，℃ |
≥1770 |
1770 |
|
常温3天 |
－ |
0 |
黏结时间， s |
60～120 |
96 |
|
110℃ |
≥4 |
7.4 |
荷重软化温度，℃ |
≥1500 |
1520 |
|
400℃ |
≥6 |
4.71 |
粒 度
％ |
+0.5mm |
≤1 |
0 |
|
600℃ |
≥6 |
3.95 |
-0.074mm |
≥50 |
72.8 |
1.2.4 耐火泥浆选择不当
斜道区支撑梁和过梁要承受上部砌体的全部重量，因而要求支撑梁具有足够的整体结构强度。从损坏的支撑梁可以看出，砖与砖体间不黏结，泥浆强度低，支撑梁未形成整体，故无法承受上部砌体的重量。表2列出了武钢7号干熄炉斜道区用磷酸盐结合莫来石-碳化硅耐火泥浆的技术指标。
从表2可看出，砌筑支撑梁使用的耐火泥浆无常温抗折强度的技术要求，实测值为0。因而在施工过程中，不足以承受上部逐步增加的耐火材料的重量，因此在重力作用下，砖与砖之间产生不同程度的微量偏移，耐火泥浆因受挤压应力而造成黏接面的破坏，造成了支撑梁及过梁的初始破坏。
1.2.5 耐火泥浆强度下降的趋势明显
国内大型干熄炉的支撑梁普遍采用磷酸盐结合耐火泥浆。从拆炉现场观察到，砖剥落处的耐火泥浆疏松。后续试验发现，泥浆试样经1000℃保温3h、保温6h，抗折黏结强度分别为8. 82MPa和7. 25MPa, 随着烧成时间的延长强度降低，为此进行了深入的研究。将泥浆制成70×70×70mm的试样，分别测定其原样、还原气氛1000℃下分别保温3h、 6h试样内层与外层的P2O5含量。试验结果见表3。
表3 磷酸盐结合耐火泥浆在还原气氛中的P2O5含量
|
原样中P2O5体积分数，％ |
1000℃、3h还原气氛下P2O5体积分数，％ |
1000℃、6h还原气氛下P2O5体积分数，％ |
|
内层 |
外层 |
内层 |
外层 |
|
22.82 |
21.68 |
23.34 |
20.78 |
23.51 |
根据表3数据分析，试样内层、外层与原样的P2O5含量有明显变化，并随保温时间的加长变化加大。内层P2O5含量比原样少，外层P2O5含量比原样多，说明P2O5由内层向外层发生迁移。这与磷酸盐结合剂在300℃以上时，P2O5开始升华分解相符。在高温下长期使用后，P2O5完全升华排除，此时若不能过度到陶瓷结合，其强度必然明显降低。
2 斜道区支撑梁耐火材料的改进措施
2.1 改进斜道支撑梁耐火砖的砖型结构
在干熄炉斜道及支撑梁结构不变的情况下，对大型干熄炉斜道支撑梁耐火砖的砖型进行了重新设计。耐火砖采用了“暗扣”技术（已申报专利）。使用这种专利技术的砖型，既可增加砖与砖的平面接触面积，又可减缓耐火砖因形状突变而产生的集中应力，同时还可进一步加强上下层以及同一层砖与砖之间的牵制作用。
2.2 采用优质塞隆结合碳化硅砖
针对干熄炉斜道部位的工况条件以及支撑梁耐火砌体所承受的荷载，对大型干熄炉斜道支撑梁耐火砖的材质及理化指标进行了改进，采用了塞隆结合碳化硅砖。这种砖是由硅、铝、氧、氮组成的化合物，兼有氮化硅和氧化铝的特性，具有极高的热振稳定性和很好的高温力学性能，耐压强度可大于200MPa、1250℃水冷热振稳定性大于250次、热态抗折强度大于40MPa, 其性能远优于莫来石结合碳化硅砖。
2.3 采用溶胶结合的耐火泥浆
根据斜道支撑梁耐火砖的结构及砌筑特点，我们开发研制出了新型、大型干熄炉斜道支撑梁耐火砖砌筑专用的耐火泥浆。斜道区耐火泥浆由原磷酸盐泥浆改为溶胶结合氮化硅碳化硅泥浆。在研制过程中，增加了常温抗折黏结强度。表4列出了其技术指标。
表4 氮化硅结合碳化硅耐火泥浆的技术指标
|
项目 |
干熄炉斜道区耐火泥浆 |
|
技术指标 |
实测值 |
|
SiC , % |
≥50 |
50.8 |
|
Si3N4 , % |
适量 |
|
|
抗折黏结强度
MPa |
常温1天 |
1.0 |
1.68 |
|
常温2天 |
1.5 |
2.29 |
|
常温3天 |
3.5 |
4.05 |
|
110℃ |
6.0 |
8.67 |
|
400℃ |
6.0 |
10.03 |
|
600℃ |
6.0 |
9.63 |
|
800℃ |
6.0 |
10.71 |
|
1000℃ |
8.0 |
9.82 |
|
线变化率（1000℃）,％ |
±0.5 |
-0.26 |
|
黏结时间， s |
60～120 |
96 |
|
粒度，％ |
+0.5mm |
≤1 |
0 |
|
-0.074mm |
≥50 |
72.8 |
2.4 严格控制耐火材料的施工质量
在对耐火砖及耐火泥浆的材质及理化指标改进的基础上，严格控制耐火材料的施工质量也是重要措施之一。为严格控制砌筑过程的施工进度及砌筑质量，对斜道支撑梁部位的耐火砖砌筑制定了严格的质量保证措施，规定斜道支撑梁一天只能砌筑3层砖（在具有强度后才能砌筑上一层砖）并将灰缝严格控制在3±lmm的范围，不允许以灰缝来调节各层耐火砖的标高。
3 结 语
武钢焦化的干熄焦装置从2003年12月投产至2006年3月，不到3年的时间进行过3次停炉检修。检修原因均为斜道支撑梁的耐火砖疏松、龟裂，36个斜道支撑梁不同程度地存在耐火砖断裂和脱落现象，掉砖现象严重，预存段过梁砖多处出现下沉、断裂、破损。如此频繁的检修，不仅增加了生产成本，而且严重影响后续工序生产的正常进行。2006年3月再次检修时，采取了上述综合改进技术，包括改进砖型结构、选用优质塞隆结合碳化硅砖、提高耐火泥浆常温黏结强度等，对斜道36根支撑梁和过梁进行了解体重砌后投入使用。于2007年9月进行正常年修停炉时观察发现，支撑梁和过梁光滑完整，砖缝密实，耐火砖无裂纹、无剥落、无断裂现象。该干熄炉使用至今，尚未发现掉砖等异常现象，效果极为明显。
