秦建濤，王文學，翟紅軍，蔡國慶，王希波，徐國濤

（1山東耐材集團魯耐窯業(yè)有限公司，山東 淄博255200；2寶鋼中央研究院武漢分院，湖北 武漢430080）

1 前 言

干熄焦裝置（CDQ）是國家發(fā)改委啟動的十大節(jié)能工程之一。干法熄焦相對濕法而言，具有環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)點。干熄焦工程是一項工藝技術先進的環(huán)保節(jié)能型工程，在減少環(huán)境污染、節(jié)省水資源、能源再利用和保證焦炭質量方面發(fā)揮重要作用，由于焦碳質量的提高對保證高爐穩(wěn)定操作、降低焦比、提高高爐生產效率也提供了重要保障。

2 干熄焦冷卻段耐火材料的使用環(huán)境

干熄焦冷卻段存在焦炭下移時的機械磨損，底吹的冷卻氣體夾帶焦粉撞擊爐壁而產生粉塵磨損；以及氣流溫度梯度變化產生熱應力引起的高溫剝落等環(huán)境。循環(huán)氣體主要由N2、CO2和CO組成，其中N2含量超過70%，周圍氣氛是還原氣氛。在300～800℃范圍內進行化學反應，分離出的游離碳對耐火材料有侵蝕作用，會造成耐火磚砌體破裂或完全損壞。冷卻段底部溫度低，焦炭硬度增大，磨損加大。綜上所述，冷卻段主要存在熱應力的作用、機械荷載的作用、化學侵蝕的作用、氣流沖刷的作用等主要因素，需要耐火材料具有很高的機械強度、抗化學侵蝕性、抗沖刷、熱震穩(wěn)定性和耐磨性的特點。

3 干熄焦冷卻段用磚應用情況

3.1 國外干熄焦冷卻段耐火材料的使用狀況

日本是干熄焦使用最成熟的國家，早期使用的冷卻段耐火材料為QN53的致密黏土磚，這樣的材質在早期可以滿足生產的要求。隨著氮氣冷卻，強化操作的條件發(fā)生變化，冷卻段的破壞速率加大，更換檢修頻繁。新日鐵干熄焦爐在冷卻段開始采用改進型耐火材料H31LL以提高其耐磨性。

3.2 國內干熄焦冷卻段耐火材料的使用狀況

目前國內干熄焦冷卻段工作層多采用B級莫來石（BM）。從多座不同規(guī)格、不同爐型的干熄焦爐停爐檢查情況來看，有些磨損比較嚴重，呈現(xiàn)凹凸不平的狀況，多數(shù)壽命一般為3～5 a。嚴重的已經(jīng)將172 mm的內襯磚磨損掉或因磨損過多而脫落。從某公司140 t/h干熄焦爐停爐檢查來看，運行18個月后莫來石磚磨損量達50～70 mm，而且在圓周方向和高度方向存在磨損程度不一的現(xiàn)象；但有部分干熄焦設備使用壽命接近5 a，冷卻段配置為B級莫來石磚。

在實際應用中，冷卻段用耐火材料采用B級莫來石磚與黏土磚咬砌，長磚與短磚交替砌筑，即一環(huán)為長黏土磚，B級莫來石就用短磚；另一環(huán)為B級莫來石長磚，黏土磚就用短磚，循環(huán)交替進行。實際破損的結果表明：到了后期，破損嚴重部位的莫來石短磚全部磨損掉火脫落，只殘留有長黏土磚。黏土磚的磨損速率遠大于莫來石磚，其磨損量較大；因此，造成局部磨損較深，黏土磚為凹進的部分多，莫來石磚為凸出的部分多。干熄焦爐使用近2～3 a后（見圖1），冷卻段下部破損嚴重。

從破損分析看：并不是冷卻段所有位置的磨損量都大，在冷卻段上部（斜道以下的5～7層）磚的磨損量最小，以下磚的磨損比較嚴重。也就是斜風道下1/4高度方向的冷卻段爐襯磨損較少，而其下的磨損量較大［1］。磨損不一致的原因是隨著焦炭的不斷下移，焦炭溫度越來越低，強度會增加，加劇了中下部耐火材料的磨損。

從破損調查的情況看，僅依靠莫來石磚很難提升干熄焦爐的1次大修時間。在干熄焦年修中也有采用耐磨澆注料進行澆注修補，減緩磨損的發(fā)生。但采用澆注料澆注填補的方式會改變干熄爐圓周直徑，影響氣流在爐內的走向，造成排焦產生偏析，效果不理想。寶鋼在冷卻段采用了預制塊砌筑，使用2 a后無明顯磨損。中日聯(lián)也對冷卻段耐材性能做了針對強度提升改進，磨損狀況也有所改善。

圖1 某單位干熄焦爐使用2～3 a后狀況

4 國內干熄焦冷卻段耐磨磚的研制生產

從目前國內干熄焦存在的問題進行分析，研制出耐材磨損量少、服役壽命長、維修維護頻率低的新型耐磨磚替換B級莫來石磚已成為干熄焦廠家關注的焦點。

4.1 國內干熄焦冷卻段耐磨磚的研制應用

國內耐火廠家針對耐磨性和熱震穩(wěn)定性開展不少工作，研制出了性能優(yōu)于傳統(tǒng)BM磚的新型耐磨磚，在很大程度上提高了干熄焦冷卻段材料的使用壽命，國內干熄焦爐冷卻段用耐火材料主要性能見表1。耐磨性檢測依據(jù)GB/T 18301—2012《耐火材料常溫耐磨性試驗方法》。

表1 新型耐磨磚主要理化指標

從理化指標上看，各廠家都針對耐磨性重點做了改進。

4.2 魯耐窯業(yè)復相結合耐磨磚的研制應用

2012年山東耐材集團魯耐窯業(yè)有限公司和武鋼研究院聯(lián)合對干熄焦冷卻段用工作層進行重新選材和新產品研發(fā)，對不同耐火材料的性能進行對比研究（見表2），研制出耐磨性優(yōu)良的耐磨磚。

表2 7種不同組成耐火材料的性能

4.2.1 試驗條件

磨損介質采用≤0.178 mm的碳化硅砂，噴砂量1 kg，在溫度450 ℃的條件下，用0.44～0.45 MPa壓縮空氣在恒定噴吹壓力下噴吹15 min。

4.2.2 復相結合耐磨磚的研制

將幾種耐火材料在給定的試驗條件下進行耐磨性試驗。發(fā)現(xiàn)含SiC磚A的基質致密，燒結好，氣孔很少，磨損量??；其破壞是先基質后骨料，破壞速率最低。含SiC磚B的基質比較致密，但燒結后氣孔相對增加，雖然磨損量較小，但要考慮膨脹問題。莫來石-紅柱石磚的結構致密，破壞均勻，骨料與基質幾乎同時破壞，磨損量??；但是燒成過程太致密后存在裂紋，需要考慮抗熱破壞性能。含尖晶石磚的基質成分含莫來石相，氧化鋁低氧化硅高，含氧化鎂結構不致密，孔洞多，基質先破壞，骨料后破壞，磨損量也大；這同樣表明提高耐磨損性能的關鍵和薄弱環(huán)節(jié)是基質組成與結構。含氧化鋯磚的基質氧化鋁低、氧化硅高，含有彌散狀的氧化鋯，結構較致密，基質先破壞，骨料后磨損，磨損量大。剛玉莫來石磚的基質成分為莫來石相，但結構不致密，孔洞多，基質先破壞，骨料后破壞，磨損量大；這說明磨損雖然與骨料有關系，但最重要的是基質的耐磨損性能。傳統(tǒng)的B級莫來石磨損量分別是兩種含SiC磚的2.3、2.18倍，是紅柱石磚的1.75倍，可以預期：采用含SiC的磚或者莫來石紅柱石磚作為干熄焦冷卻段的替代材料，壽命可得到較大提高。

研發(fā)產品時從性能匹配原料的合理應用、復相結合原理的應用、二次莫來石化反應的應用、增碳結合劑的選用和適宜的燒成制度以及發(fā)明問題解決理論（TRIZ）的應用等創(chuàng)新點出發(fā)，充分考慮莫來石、碳化硅具有良好的硬度，耐磨性優(yōu)良以及紅柱石熱震性能好等優(yōu)良特點，以莫來石、紅柱石、碳化硅為主要原料，研制了新型復相結合耐磨磚。

4.2.3 新型耐磨磚和B級莫來石磚研究對比

通過對新型耐磨磚和傳統(tǒng)B級莫來石磚（BM）進行耐磨性研究對比，磨損后表面形貌對比見圖2。從圖2中可看出，骨料和基質幾乎同時磨損；新型耐磨磚的磨損量檢測值為2.1 cm/15 min，耐磨損性能比B級莫來石磚提高近4倍。耐壓強度135 MPa以上，其他性能都優(yōu)于B級莫來石磚。

圖2 B級莫來石磚和新型耐磨磚磨損試驗后的表面形貌

研制的復相結合耐磨磚與B級莫來石磚指標對比見表對比3。

表3 復相結合耐磨磚與B級莫來石磚（BM）技術指標對比

山東耐材集團魯耐窯業(yè)有限公司研制的復合相結合耐磨磚，在材料性能上比較B級莫來石有很大的優(yōu)勢：1）產品由原位SIC和莫來石兩種物相結合，具有創(chuàng)新理念；2）氣孔低、組織結構致密均勻，材料的耐壓強度要明顯高于B級莫來石；3）有很高的常溫耐壓強度和高溫抗折強度、高荷軟軟化溫度等性能；4）耐磨性和抗剝落性能優(yōu)異，耐磨性優(yōu)異，磨損量是正常莫來石磚（BM）的1/5。

4.2.4 使用跟蹤及效果檢查

山東耐材集團魯耐窯業(yè)有限公司研制的干熄焦冷卻段用復相結合耐磨磚已在武鋼、萊鋼、山鋼日照精品鋼等單位使用。經(jīng)過4～5 a的使用，體現(xiàn)出了較好的使用效果。

復相結合耐磨磚于2014年首次在武鋼焦化廠2#干熄焦爐冷卻段使用，2018年10月進行了效果檢查?？蛻舻恼{查分析報告顯示，2#干熄焦冷卻段在未做修護和維修的情況下使用了4.5 a，磚的工作面基本沒有磨損。根據(jù)使用爐況和檢修數(shù)據(jù)分析，該耐磨磚能使用8 a以上。

通過前期的使用檢查和良好的使用效果，逐漸得到客戶的認可，近幾年定貨量持續(xù)遞增。魯耐公司根據(jù)不同客戶不同需求研制了相應的產品，如GBX、SCBM13、SCBM7等不同牌號的耐磨磚，較好的滿足了干熄焦冷卻段用耐磨磚的市場需求。干熄焦整體運行壽命明顯提高，可明顯減少濕法熄焦的運行頻次，減少濕法熄焦造成的空氣污染、水污染等問題等問題，具有優(yōu)化環(huán)境、減少污染的優(yōu)點,為干熄焦長壽化進程奠定了良好基礎。