王清文

（山东四化环保节能工程有限公司， 山东 济南 250100）

摘 要：针对干熄焦炉炉衬结构在实际运行中的损坏现象进行深入分析，指出了炉衬设计中的固有缺陷，如斜道牛腿砖损坏和环形风道损坏，重点对其损坏机理进行探究，并提出了相应的改进方法。斜道牛腿砖的改进方案包括增加倾斜角度实现垂直支撑，以及采用间隔式支撑减少耐火砖承受的内应力。在环形风道内筒砖设计方面，针对支架的变形和膨胀问题，对材料厚度及砖型设计进行了优化，并引入干法砌筑技术，以及添加陶瓷纤维纸和挡墙来降低热应力损害。在改造完成后，干熄焦炉的使用寿命和可靠性得以提升。

关键词：干熄焦炉；炉衬结构；损坏分析；耐火材料

0 引言

干熄焦炉是一种广泛应用于钢铁工业中的设备，其主要功能是在炼焦过程中将煤转化为焦炭，同时回收化学产品并产生可燃气体。干熄焦炉的炉衬作为直接与高温化学反应接触的关键部件，往往存在一些固有的结构设计缺陷。传统炉衬材料和设计方法存在着诸多不足，如热稳定性差、抗侵蚀能力弱等，随着焦炼工艺的不断发展，对焦炉炉衬结构提出了更严格的技术要求^[1]。焦炉设计缺陷不仅影响炉衬的使用寿命，也可能对整个干熄焦工艺的稳定性和效率产生负面影响。因此，深入探讨干熄焦炉炉衬结构设计中的固有缺陷，并提出有效的改进方法，对于延长炉衬使用寿命、提高生产效率、降低能源消耗具有重要的现实意义。

1 干熄焦炉损坏分析

干熄焦炉的结构分为预存段、冷却段和换热段三个主要部分。炉衬系统由轻质保温砖、黏土砖和莫来石碳化硅砖构成，材料被砌筑在炉体钢结构上，以及环形风道内筒的砌体中，如图 1 所示。炉衬结构设计上的大规模维修周期为 8 年，但实际的维修周期通常在 15~23 个月之间。在年修周期内，冷却段的耐材主要因与焦炭的直接接触而出现磨损，最大磨损深度可达 100 mm。

预存段由于不直接接触焦炭，损坏较小。损坏较为严重的区域是斜道牛腿和过顶砖，这些区域由于受生产过程中的不均匀装入和热交换引起的热胀冷缩影响，以及循环气体中的固体颗粒冲蚀，导致耐火砖出现裂纹和剥落。根据维修情况来看，过顶砖和牛腿砖的损坏情况较为严重，尤其是在一次除尘出口附近的区域，该区域的气体流速快，对砖梁的冲刷剧烈^[2]。

如表面裂缝等相对较轻的损坏，通常出现在斜烟道至一次除尘出口对面的区域。冷却段的工作层耐材因持续受到焦炭摩擦，在年修周期内产生不同程度的磨损，而预存段和环风道的砖体损耗则相对较小。

2 干熄焦炉炉衬结构固有缺陷

2.1 斜道牛腿砖损坏

干熄焦炉的斜道牛腿砖的损坏，如开裂和脱落，是缩短年修周期和降低炉子可靠性的主要原因。环风道内筒砌筑高度为 10 m，由于两端无固定，稳定性较差，其设计上的缺陷对炉子的长期运行构成了重大影响。损坏的牛腿和过顶砖作为砌筑基础，一旦发生脱落，将导致整个结构的崩溃，迫使生产中断^[3]。

此外，由于牛腿和过顶砖位于炉内，检查和维护工作面临极大挑战。虽然可以通过中栓孔使用内窥镜进行检查，但是受炉内高温和粉尘影响导致维修难度增加。牛腿砖的逐层悬挑结构和频繁的温度波动，以及冷却气流和焦炭颗粒的冲击，进一步增加了维修更换工作的难度。特别是与斜道砖咬合的部分，年修时难以更换，影响了牛腿砖在服役周期中的性能，降低了整体的可靠性。

2.2 环风道损坏

焦炭侧压力和风道内外压力差引起的应力较小，应力通常不超过 1.3 MPa，远低于风道材料的承受极限。此外，风道的变形程度相对较小，装焦过程中的应力不会造成环风道损坏。 当热应力与其他结构应力相互作用时，其值可以达到 68 MPa，特别是与牛腿段相接的区域。相接区域由于温度波动、重力影响以及制造过程中的倒角等因素，容易出现应力集中现象。中间区域的应力值虽然未达到莫来石砖 75 MPa 的强度极限，但从变形情况来看，风道的 1/3 至中间部分的总变形量相当显著，为 26 mm，出现明显的膨胀现象^[4]。长期运行过程中， 这种膨胀可能导致墙体扭曲，形成向外的“鼓肚”现象，并随着时间的推移而加剧，最终形成孔洞，导致风道损坏。

此外，干熄焦炉在多次的升温和降温过程中，风道的变形可能导致砖与火泥的接合处分离。在干熄焦炉检修后再次升温时，砖与火泥分离现象加剧，导致风道的膨胀区域进一步扩大。由于循环气体中携带的灰尘等颗粒物质可能进入缝隙，风道无法实现整体收缩，导致膨胀区域无法收缩。在生产和升温过程中，风道的膨胀现象可能进一步加剧，最终导致风道的坍塌。

3 干熄焦炉炉衬结构改进

3.1 斜道牛腿支撑改进

在高温环境下，红焦与牛腿及过顶砖梁的直接接触可能导致耐火材料承受较大的内部应力。由于这些部位使用的莫来石砖或氮化硅砖尺寸较大，在热负荷作用下容易产生裂缝，这些裂缝可能会逐渐扩展，最终导致砖体出现断裂、分层甚至脱落的现象^[5]。因此，需要对干熄炉斜道和过顶砖梁等关键部位的耐火材料选择及其结构设计进行进一步的优化和改进。

为提高耐火材料的使用寿命，可以增大牛腿的倾斜角度，实现垂直支撑。如果受到循环气体流路的限制，可以采用间隔式的垂直支撑方案。通过对牛腿支撑的改进，可以最大限度地发挥耐火砖的抗压优势，同时减少或避免其承受弯曲和剪切作用。

3.2 环风道内筒砖设计

在干熄焦炉的环形风道耐火材料设计中，原风道厚度为 350 mm，但变形发生在风道的 1/3 处。因此，对风道部分区域进行加厚改进。具体来说，风道底部至1/3 处的厚度增至 440 mm，而上部则调整为 400 mm，以减少生产过程中的变形影响。选用的耐火材料为 A 级莫来石砖，这种材料具有高耐火度和优异的耐磨及耐压性能，符合干熄焦炉的工况要求^[6]。在砖型设计上，考虑到施工中砖缝控制的难度和环形风道中部较大的变形量，采用干法砌筑技术，利用咬合砖型提高施工规范性和热应力的适应性。

新设计的砖型包括 GAM3053c 和 GAM3053d 两种，砖块通过咬合砌筑，中间填充 3 mm 厚的陶瓷纤维纸，陶瓷纤维纸材料具有轻质、耐高温和良好的热稳定性等优点，便于施工并有助于控制砖缝。为了提高砖型的应力承受能力，将 GAM3053c 砖型的宽度增至440 mm，而 GAM3053d 砖型宽度为 400 mm，分别比原砖型增加了 90 mm 和 50 mm 的厚度。改进后风道下段厚度达到 440 mm，高度为 1 560 mm，上段厚度为400 mm，高度为 2 964 mm。

在砌筑方法上，采用干法砌筑，不使用耐火泥，而是在砖上增加沟舌结构，沟舌深度为 14 mm，以增强上下环的结合力并防止滑动^[7]。砖型设计采用凹凸方式，利用砖自身的咬合砌筑，避免耐火材料脱落和灰烬挤入缝隙的问题。

此外，为了应对热应力引起的“鼓胀”问题，在环形风道增设了 18 个小挡墙，以增强对风道膨胀的抵抗能力，防止坍塌。此次改造主要集中于环形风道砖型的变更，而其他部分如拱顶过顶砖、中栓看火孔等保持原设计不变，因此所需材料种类相对较少。

4 结语

通过对炉衬损坏情况的详细分析，明确了斜道牛腿砖和环风道内筒是炉衬结构中损坏最为严重的部分。针对斜道牛腿砖的损坏问题，提出了增大倾斜角度和采用间隔式垂直支撑的改进方案，以提高耐火材料的使用寿命。对于环风道内筒的损坏，通过加厚风道部分区域和采用新的砖型设计，有效减少了生产过程中的变形影响。同时，通过干法砌筑技术和增设小挡墙，增强了风道对热应力的适应性和抵抗能力。这些改进措施有望显著提高干熄焦炉炉衬结构的可靠性和维修周期，为干熄焦炉的长期稳定运行提供了有力保障。

参考文献

[1] 高配亮，王希波，蔡国庆，等.干熄焦炉斜道区长寿化耐火材料的研制与应用[J].耐火与石灰，2021，46（4）：1-4.

[2] 谭德灯，熊寿春，谭春华，等.干熄焦炉内衬智能拆除的研究及应用前景[J].建筑科技，2023，7（3）：99-102.

[3] 窦恒，石永红.140 t/h 干熄焦炉环形风道内墙体修复技术的应用[J].燃料与化工，2023，54（3）：21-23.

[4] 徐海军.山西中阳钢铁焦炉及干熄焦混合烟气超低排放技术论证及应用[J].冶金管理，2022（5）：177-179.

[5] 韩藏娟，张美杰.干熄焦炉斜道区耐火材料及损毁机制研究进展[J].耐火材料，2022，56（3）：267-271.

[6] 魏春满，马银华，纪博文，等.基于 ANSYS Workbench 的干熄焦炉环形风道静态侧压力分析[J].鞍钢技术，2020（2）：27-30.

[7] 耿祥，陆正明，钱志明.干熄焦炉炉衬仿构设计缺陷分析及改进[J].工业炉，2021，43（6）：67-70.