黃 環(huán)

(攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司煤化工廠,四川攀枝花617022)

攀鋼新1#、2#干熄焦干熄爐牛腿損壞原因的分析及對策

黃 環(huán)

(攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司煤化工廠,四川攀枝花617022)

根據(jù)攀鋼新1#、2#干熄焦干熄爐牛腿的損壞狀況,分析其損壞的原因和存在的問題,通過優(yōu)化生產(chǎn)管理,提高該區(qū)域材質(zhì)使用標準,嚴格施工管理,改善結(jié)構(gòu)設計的可行性等手段,延長牛腿的使用壽命,從而實現(xiàn)干熄焦效能的充分發(fā)揮。

干熄焦 牛腿 損壞 改進

1 引言

作為焦化工序節(jié)能減排的重要項目—干熄焦在國內(nèi)已廣泛應用。隨著國產(chǎn)大型化干熄焦的推廣應用,干熄焦技術的發(fā)展與研究成為焦化行業(yè)關注的焦點,尤其是針對干熄焦技術的發(fā)展與實際應用中干熄爐斜道區(qū)的損壞問題成為亟待解決的問題。從目前國內(nèi)現(xiàn)有干熄焦系統(tǒng)運行情況看,斜道區(qū)破損已經(jīng)嚴重制約干熄焦的安全運行和效能發(fā)揮。攀鋼新1#,2#焦爐配套145t/h干熄焦系統(tǒng)自2006年投產(chǎn)至今已經(jīng)行三次大型停產(chǎn)檢修,其中牛腿破損嚴重,2008年修時30組牛腿更換了28組;運行一年之后,牛腿破損依然嚴重,牛腿更換達14組之多。

2 斜道牛腿損傷狀況

圖1是2008年年修時拍攝的照片,從圖上可以清楚地看出,開裂部分主要發(fā)生在牛腿與環(huán)形隔墻相連部位,裂縫主要是原來的磚縫。雖然在2008年年修時進行了大面積的牛腿更換并對未更換的牛腿進行填補,但沒有解決根本性的問題。圖2是2009年年修時拍攝的干熄爐牛腿的照片,可以看出開裂和斷裂的現(xiàn)象更為嚴重。

3 斜道牛腿斷裂原因分析

干熄焦國產(chǎn)化推進以來,除武鋼一期及馬鋼干熄焦采用36個牛腿支撐外,目前國內(nèi)干熄焦斜道區(qū)普遍采用30個牛腿,斜道區(qū)溫度頻繁波動和循環(huán)煙氣的連續(xù)沖刷,承重受力大又不易換修,牛腿磚使用了抗急冷急熱性能較好、抗強度大的莫來石—碳化硅質(zhì)磚,同時配以相同材質(zhì)的耐火泥整磚錯縫砌筑,拱頂結(jié)構(gòu)。從36個牛腿到30個牛腿,結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,但是耐火材料和相應的條件不變,造成了斜道區(qū)斷裂的現(xiàn)象較為一致,從拱頂沿受力點向下磚層出現(xiàn)了開裂和斷開。斜道牛腿損壞的主要原因如下:

圖1 攀鋼干熄焦干熄爐牛腿(2008年6月攝)

圖2 攀鋼干熄焦干熄爐牛腿(2009年9月攝)

3.1 莫來石—碳化硅磚質(zhì)量不穩(wěn)

國內(nèi)大部分干熄爐斜道牛腿大部分選用莫來石—碳化硅磚,莫來石—碳化硅成多相材料[1]。它具有碳化硅機械強度高、熱導率高、膨脹系數(shù)低、熱震穩(wěn)定性好、耐化學侵蝕等好特點。經(jīng)驗表明,莫來石的發(fā)育情況、碳化硅的粒度分布、燒結(jié)溫度以及燒成時間直接影響莫來石—碳化硅磚的性能。必須控制原料、工藝,否則使磚質(zhì)變脆、強度變差、熱穩(wěn)定性降低。表1為莫來石—碳化硅磚技術指標,其中產(chǎn)品實測值為武鋼7#干熄爐用磚[2]。由表1看出,產(chǎn)品實測值與技術指標相差大,其先天不足—高溫強度低、熱震穩(wěn)定性差,無法滿足干熄爐內(nèi)復雜的工況。

表1 干熄爐斜道斜道牛腿耐火磚部分指標

3.2 耐火泥粘結(jié)強度不夠

從損壞的牛腿實物可以看出,火泥和磚體之間不粘結(jié),耐火泥磚縫炭化硅耐火泥抗折強度不夠。現(xiàn)在的烘爐溫度最高達800℃,遠低于耐火泥的和荷重軟化溫度1600℃,耐火泥硬化強度達不到要求,無法完全粘結(jié),容易產(chǎn)生磚層滑動,無法保證灰縫設計要求,烘爐膨脹均勻后,產(chǎn)生的應力無法消除,斜道磚與頂部形成擠壓,造成薄弱部分磚體受損斷裂。

3.3 砌筑執(zhí)行標準和烘爐管理不嚴

斜道的砌筑進程不能過快,有嚴格的規(guī)定。規(guī)定斜道支撐梁一天只能砌筑3層磚(在具有強度后才能砌筑上一層磚)。并將灰縫嚴格控制在3 mm±1 mm的范圍,不允許以灰縫來調(diào)節(jié)各層耐火磚的標高。砌體磚縫中含有20 t左右的水分,因此溫風干燥過程非常重要,然而在溫風烘爐時,由于蒸汽溫度、壓力和其他生產(chǎn)中的一些客觀因素,忽視前期的升溫重要性,不僅水分出不來,而且膨脹不均勻,造成損壞。

3.4 斜道受循環(huán)氣體沖刷和磨損嚴重

焦炭自上而下,循環(huán)氣體自下而上運動過程中,斜道區(qū)牛腿耐火材料承受著焦炭的撞擊、磨損和氣流、粉塵的沖刷;斜道牛腿下部溫度約為300℃,上部溫度約為1000℃,牛腿耐火材料由下到上,存在近700℃的溫度梯度,致使耐火材料內(nèi)部應力聚集。焦炭夾帶的有害介質(zhì)、冷卻產(chǎn)生的還原性氣體和煤灰粉塵也是導致耐材熔解、侵蝕、損毀的因素。在這些破損原因中,溫度波動產(chǎn)生的熱應力是導致牛腿耐火材料損毀的主要因素。所以嚴格的操作管理來保證溫度波動不大非常有必要。

3.5 系統(tǒng)生產(chǎn)操作管理不嚴格,加劇斜道熱脹冷縮

由于調(diào)試不充分,設備管理、日常維護不到位,造成系統(tǒng)故障率提高,生產(chǎn)節(jié)奏不平衡。攀鋼新1#,2#干熄焦系統(tǒng)中采用的是單皮帶運焦,每班都要進行停排焦維護﹑清掃,為了保證蒸汽的質(zhì)量頻繁的調(diào)整排焦量,排焦量波動較大,使爐體冷熱收縮加劇:在冷態(tài)下,耐材呈周邊向中心收縮運動,對爐體拉裂現(xiàn)象較突出;在熱態(tài)下,熱膨脹形成的牽引力加劇了爐體耐材的不規(guī)則位移,形成磚泥剝裂、脫落;另外生產(chǎn)過程中同一層面,冷卻室上下部溫度的不均勻也造成爐體耐材不規(guī)則裂變。

3.6 斜道牛腿結(jié)構(gòu)設計有待完善

斜道以上預存室環(huán)形煙道耐火材料總重180t左右,按目前常見干熄爐30組牛腿計算,每組牛腿承重為6t左右的力,承受的壓強大。其牛腿損壞非常有規(guī)律,都是發(fā)生在牛腿的爐內(nèi)端及環(huán)形隔墻與牛腿相連的部分,而從斜道區(qū)爐襯的幾何形狀看,這些損壞部位都是環(huán)形隔墻重力偏心載荷的作用區(qū),顯然損壞與構(gòu)造性應力有關。因此,我們先對該區(qū)域的受力情況進行分析。

以牛腿為對象進行受力分析。假設,在干熄焦裝置完成砌筑、尚未烘爐的初始狀態(tài)下,牛腿與上方的環(huán)形隔墻和下方的支座結(jié)合良好,完全為面接觸狀態(tài)。則受力分析化簡為圖3所示。在忽略牛腿本身重力作用條件下,牛腿受到以下5個方向力的作用[5]。

圖3 牛腿初始狀態(tài)下的受力

F1—環(huán)形隔墻的重力

F2—牛腿底座的支撐力

F3—環(huán)形隔墻對牛腿斜面的推力

F4—外墻向內(nèi)的推力

F5—環(huán)形隔墻對牛腿的向外的水平推力

并且這5個力得以平衡,牛腿處于靜止狀態(tài)。

F1、3=F2

F3、5=F4

F1、3＊a=F3、5＊b

從圖3牛腿的受力可以看出。牛腿受力矩的作用,環(huán)形隔墻偏心載荷作用是牛腿所受的第一作用力,其它力均為平衡該力而產(chǎn)生的。牛腿在環(huán)形隔墻重力力矩作用下,將產(chǎn)生以下部支點B為圓心的向爐內(nèi)傾倒的變形趨勢,而這種傾倒趨勢完全由與牛腿相連的環(huán)形隔墻施加的水平推力F3、5所平衡。當出現(xiàn)以下情況時,水平推力F3、5作用力矩不足以平衡環(huán)形隔墻偏心載荷作用力矩,牛腿就會發(fā)生向內(nèi)傾倒變形。

干熄焦裝置開始點火升溫后,隨著溫度的升高,在溫度和力的雙重作用下,牛腿內(nèi)端上下方向和與牛腿相連的環(huán)形隔墻的環(huán)形方向,磚縫處的火泥沿壓力方向的收縮要大于其他部位。牛腿前端的垂直磚縫,因上下方向的壓力過大,在其內(nèi)部存在橫向的張應力,若耐火泥的強度不夠,牛腿前端的垂直磚縫就會開裂。顯然,隔墻環(huán)形方向上的收縮、牛腿上下方向上的收縮、牛腿前端垂直磚縫的開裂,均會導致環(huán)形隔墻對支柱向外的水平推力F3、5松弛,牛腿將與環(huán)形隔墻一起向內(nèi)傾倒變形,如圖4所示。

圖4 環(huán)形隔墻松馳造成的傾倒變形

4 改進措施

4.1 改進斜道區(qū)耐火材質(zhì)和火泥強度

目前使用的莫來石—碳化硅磚,其高溫耐壓強度。高溫下的抗折性能和熱震穩(wěn)定性能存在不穩(wěn)定性,另外由于受力不均勻,無法承受上部巨大的壓強;可考慮采用指標性能更優(yōu)越,穩(wěn)定性能更高的磚質(zhì),部分廠家已開始嘗試使用SiC—SiN質(zhì)磚來改善斜道區(qū)的使用壽命?，F(xiàn)在所用耐火泥強度相對較低(只有磚的1/10),粘結(jié)能力差[3]。必須考慮增加耐火泥強度:①可以在砌筑時調(diào)整膠體含量的調(diào)配比例,增加黏合性;②適當增增加同材質(zhì)的顆粒調(diào)配以增加強度;③嚴格烘爐制度,確保耐火泥強度性能提高。

4.2 加強施工和烘爐管理

在施工砌筑時,必須嚴格管理,規(guī)范砌筑,合理掌握煙道平衡圈梁砌筑,均勻分配支撐牛腿的重心及圓周分布角度。杜絕因工期及其他因素降低砌筑要求,綜合考慮季節(jié)性因素,盡量在夏季,秋季開始砌筑,在砌筑過程中要嚴格掌握灰縫誤差(±0.5),合理控制好磚縫及水平度,發(fā)現(xiàn)斜道位移或塌腰現(xiàn)象,立即停止砌筑,及時調(diào)整。合理工期應控制在22天;即每天一層,13天砌筑完成斜道牛腿。干燥期6天;干燥期結(jié)束后,重新測量水平度,無差異后支模砌筑拱頂部位,一天一層,22天后完成斜道區(qū)砌筑,確保斜道區(qū)形成整體,從而提高承重的均勻。施工完成后的烘爐對爐體至關重要,根據(jù)所用的耐火材料特性制,莫來石磚質(zhì)在300℃前的膨脹量較大,所以在制定干燥曲線時,從常溫到300℃應充分考慮時間周期,均勻控制升溫速度,現(xiàn)場操作人員應該嚴格按照升溫曲線進行升溫,嚴禁出現(xiàn)波動[4]。

4.3 嚴格生產(chǎn)管理

干熄的穩(wěn)定對增強耐材的使用壽命有著非常重要的意義,必須控制合理的操作管理制度,控制系統(tǒng)參數(shù),使其保持熱態(tài)平衡,降低熱脹冷縮產(chǎn)生的危害。

1、控制頻繁升降溫。減少干熄爐內(nèi)紅焦冷卻次數(shù),減少熱脹冷縮產(chǎn)生的損壞

系統(tǒng)檢修時,盡可能采取保溫措施防止干熄爐完全冷卻造成爐體損壞。

2、完善操作制度,維持工況穩(wěn)定。減少物料在爐內(nèi)產(chǎn)生的偏隙保持穩(wěn)定的排焦量,保證物料流動的均勻性,減少圓周方向各點溫差,可以有效減緩機械磨損力和因溫度波動產(chǎn)生的裂縫和剝落。

3、運用合理的氣料比,維持裝焦量與排焦量的均衡。對于干熄焦能力為145t/h的干熄焦裝置,通過生產(chǎn)過程的控制均衡排焦量為100～120 t/h范圍,干熄率可達96%以上,且蒸發(fā)量將穩(wěn)定在72 t/h,合適的氣料比可降低氣流對牛腿的沖刷,風量盡可能穩(wěn)定減少大幅度波動,如必要也必須間隔30分鐘才能調(diào)整風量,這樣才能使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。

4、盡量縮短檢修和清掃時間。檢修時不能往干熄爐內(nèi)裝焦,排焦量被迫大幅度減少,溫度波動較大。由于攀鋼新1#,2#干熄焦系統(tǒng)中采用的是單皮帶運焦,每班都得停皮帶清掃,排焦被迫停排,溫度波動更大,整個系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,耐材的熱脹冷縮較大。對于攀鋼在建的干熄焦系統(tǒng)非常有有必要運用雙溜槽、雙皮帶運焦系統(tǒng)。

4.4 設計結(jié)構(gòu)改型

針對目前這種干熄焦斜道區(qū)牛腿的破壞,由張應力集中引起。能否通過形狀結(jié)構(gòu)的改進來避免牛腿區(qū)張應力的發(fā)生,我們對斜道區(qū)構(gòu)筑的兩個設想:一是考慮用整磚砌筑牛腿,可避免牛腿磚垂直磚縫收縮問題;二是考慮在牛腿中引用水冷壁技術,將牛腿內(nèi)部嵌入一個循環(huán)水冷壁,外部砌磚,起主要支撐作用的是內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)。當然,這只是兩點設想,能否可行,還需要深入研究。

關于斜道區(qū)的結(jié)構(gòu),國外也有一些不同的設計,如日本品川公司有“雙層斜道”的專利設計,在我國也已引進。其要點是:在斜道口上下方向的中間增加一道耐火磚環(huán),把每個斜道口分成兩層。這道環(huán)的作用就是要對牛腿增加一個向外的推力,防止支柱過度地向內(nèi)傾倒變形。

5 結(jié)論

以上就是對攀鋼新1#,2#干熄焦干熄爐牛腿損壞的原因進行的分析及對策。對于斜道損壞嚴重的狀況,應加強施工管理,嚴格生產(chǎn)管理,規(guī)范系統(tǒng)操作,形成整套科學的管理體系,同時經(jīng)科學計算后在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設計上進行改良,這些將是延長斜道牛腿壽命的直接辦法。

1.司全京,張效鋒.莫來石結(jié)合碳化硅制品的研制[J].耐火材料,1999,3(2):90～92.

2.方昌榮,代潔.干熄爐斜道區(qū)耐火材料改進與應用[J].煤化工,2008,3(1):36～38.

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4.錢虎林,王飛.干熄焦爐斜道區(qū)存在問題的分析與探索[J].安徽冶金,2008,2(1):54～55.

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ANALYSIS AND COUNTER MEASURES OF THE PROBLE MS IN DQC CORBEL AREA OF PANSTEEL NE W 1#,2#COKE DRY QUENCHING PROCESS

Huang Huan
(Panzhihua Iron and Steel Group,Panzhihua Steel and Vanadium Co.,Ltd.Coal Chemical Plant,Panzhihua,Sichuan,617022,China)

Causes of damage and collapse of the DQC corbel and other problems are introduced of Pan steel new 1#,2#Coke Dry Quenching Process.Service life of the DQC corbel is increased by optimizing production management,raising the standard for the material used in the area,enhancing construction management and improving structural design,to fully realize the benefit of DQC.

DQC,corbel,fracture,improvement

2010-03-07

黃環(huán),男,攀鋼新鋼釩煤化工廠技改辦,從事干熄焦施工管理。