題目：
幹熄爐耐火材料劣化機理及提高壽命的研究
一、選題背景
1.1 課題的提出及意義
鋼鐵工業迅猛發展，必然導致焦化企業迅速擴張。據統計，我國XX年焦化企業共生產焦炭33554萬t[1]，而80%的產量是採用溼法熄焦工藝裝置。在溼法熄焦過程中產生大量的蒸汽排到大氣中，其蒸汽中含有hcn、h2s、nh3、酚類及粉塵等大量有害物質[2]嚴重汙染了環境，不僅有大量的熱能被白白浪費，而且消耗了大量的熄焦水，另外對焦炭質量也有影響。隨著世界能源短缺的不斷加劇[3]和我國能源需求的快速增長，以及國家環保法規的不斷完善，特別是對工業企業環境治理要求的不斷提高，幹法熄焦的節能和環保優勢必然會得到充分發揮，焦化行業普及推廣幹熄焦技術勢在必行。
與溼法熄焦相比干熄焦的特點如下：
(1)回收紅焦顯熱
採用幹熄焦可回收約80%的紅焦顯熱，平均每熄1噸焦炭可回收3.9mpa、450℃蒸汽0.5t以上[4]，發達國家可產0.6t左右。日本新日鐵株式會社曾對其企業內部包括幹熄焦、高爐爐頂煤氣壓差發電等所有節能專案效果進行過分析，結果乾熄焦裝置節能佔總節能的50%。
(2)減少環境汙染
煉焦車間採用溼法熄焦，每熄1噸紅焦炭就要將0.5t含有大量酚、氰化物、硫化物及粉塵的蒸汽拋向天空，嚴重地汙染了大氣及周圍的環境[5]。這部分汙染佔煉焦對環境汙染的三分之一。幹熄焦則是利用惰性氣體，在密閉系統中將紅焦熄滅，並配備良好的除塵設施，基本上不汙染環境。
(3)改善焦炭質量
幹熄焦與溼熄焦相比，焦炭m40提高3-8個百分點，m10改善0.3-0.8個百分點[6]這對降低鍊鐵成本，提高生鐵產量極為有利，尤其對採用噴煤粉技術的大型高爐效果更加明顯。國際上公認: 大型高爐採用幹熄焦焦炭可使其焦比降低2%，使高爐生產能力提高1%。
幹熄焦與溼熄焦相比，確實存在著投資高及本身能耗高的問題，這是制約我國幹熄焦技術發展的主要因素，也是我們一直想解決的問題。但幹熄焦帶來的經濟效益、環境效益和節能效果完全可以抵消其投資高及本身能耗高帶來的不足[7]
但近幾年來，幹熄焦工程推廣進度並不快，全國需改造成幹熄焦的焦爐約2200座左右，而至今投產的卻不足100座[8]其原因雖然很多，但幹熄焦的耐火材料達不到設計和使用年限，損毀嚴重，迫使幹熄爐停產檢修而造成業主經濟損失是一大制約因素[9]。
幹法熄焦簡稱幹熄焦(coke dry quenching，簡稱cdq)是相對於用水熄滅熾熱焦炭的溼熄焦而言的，其基本原理[10]閉路的迴圈系統內，利用惰性的迴圈氣體，在幹熄爐內與紅焦換熱從而冷卻焦炭。吸收了紅焦熱量的惰性迴圈氣體將熱量傳遞給幹熄焦鍋爐產生中壓(或高壓)蒸汽，用於發電或供熱。被冷卻的惰性迴圈氣體再由迴圈風機鼓入幹熄爐冷卻紅焦。幹熄爐結構圖如圖1所示。
圖 1 幹熄爐結構圖
幹熄焦耐火材料主要用於幹熄爐、一次除塵器等受沖刷和磨損的部位。初期的幹熄爐和一次除塵器工作面層所採用的耐火材料僅是一種普通的耐火磚，從執行情況來看，幹熄爐斜道區、冷卻段耐火磚斷裂、掉磚和磨損非常嚴重，每年的正常維修已無法保證幹熄爐生產的需要，1年後就需大修更換[11]，耐火材料存在的諸多問題嚴重影響著幹熄焦後續生產的正常進行。
1.2幹熄焦技術國內外現狀
1.2.1國內幹熄焦現狀概述
寶鋼1985年從日本新日鐵引進4套75t/h幹熄焦裝置用於焦化生產，這是我國首次使用幹熄焦裝置。經過多年使用，裝置執行良好，改善了焦化廠環境，經濟效益高，各項指標都超過設計水平[12]。
鞍鋼1號幹熄焦系統是鞍鋼1、2號焦爐的配套專案[13]，也是鞍鋼重點環保技改專案，採用目前國內最新型的幹熄焦技術，是世界上工藝及裝置最先進的幹熄焦工程之一。鞍鋼幹熄焦工藝流程由幹熄和迴圈氣體兩大部分組成，最大處理能力和排焦能力分別為140t/h 和155t/h，年處理焦炭達100萬t，裝置國產化率達到90%以上。
武鋼焦化公司幹熄焦系統是武鋼重點環保效益工程[14]，焦炭幹熄率達到93%以上。為使幹熄焦裝置儘快達產，武鋼在引進先進工藝的基礎上，自主開發相容三電一體化的電器儀表控制系統，可使電機車定位精度達到±10mm水平。
攀鋼幹熄焦系統是攀鋼焦爐異地大修工程重要配套專案之一，其處理能力為145t/h，主要裝置國產化，整體系統包括幹熄爐、鍋爐、除塵系統以及相配套的各種裝置，XX年4月開始按幹熄率為100%組織生產[15]。
濟鋼6、7號焦爐150t/h幹熄焦工程引進了新日鐵的最新技術，國內首家採用高溫高壓自然迴圈鍋爐，採用多項國內先進技術，產汽量86.3t/h，年幹熄焦炭112萬t，發電17600萬kw•h，是目前國內規模最大的幹熄焦裝置之一[16]。
另外，唐鋼、包鋼、沙鋼、萊鋼、杭鋼及本鋼等相應的幹熄焦專案也已投產執行。
1.2.2國外幹熄焦現狀概述
工業化幹熄焦裝置雖然最早由烏克蘭發明，但由於其裝置處理能力、自動化控制水平及環境保護措施方面沒有多大改進，因此其技術領先地位被在這些方面有很大突破的日本所取代。
日本的新日鐵、nkk等公司建設的幹熄焦單爐處理能力均達到200t /h以上，遠遠超過烏克蘭的70t/h。他們在裝焦裝置上採用料鍾布料，改進了鼓風裝置位置和結構，採用旋轉密封閥式連續排焦和旋轉焦罐接焦等措施。在迴圈系統增加了節能設施，使氣料比由1500時/t焦降至1200m 3/t 。這不但使單爐處理能力得以提高，而且大大降低了裝置執行費用。在自動控制方面，實現了三電一體化，作到了全自動無人操作。
除塵方面採用了地面站、實現了無塵操作，日本的幹熄焦技術不僅在日本被普遍採用，而且打人了德國和韓國以及我國市場。
二十世紀80年代以來，德國tsoa公司成功地將水冷柵和水冷壁置人幹熄爐，並將幹熄爐斷面由圓形改為方形，同時在排焦和幹熄爐的出氣方式上進行了根本改進，使焦炭在幹熄爐中下降及氣流在幹熄爐中上升實現了均勻分佈，大大提高了換熱效率，使氣料比降至1000m3/t以下，進一步降低了裝置的執行費用。
同時，傳統幹熄焦工藝中的一次除塵器被省去，整個迴圈系統大大簡化並減少。自動控制方面，tsoa幹熄焦同樣實現了無人操作。tsoa幹熄焦不僅在德國，而且在韓國和中國臺灣也得到了應用。
1.3幹熄焦用耐火材料概述
在cdq展初期，由於cdq耐火材料的使用溫度不高(1000℃~1200℃)，人們未對其重視，考慮到cdq用耐火材料使用環境與高爐爐身環境相似，所以採用與高爐爐身部位使用的耐火材料大致等同的材質，各國均採用了粘上質耐火材料。然而，隨著焦炭高生產率的發展，冷卻形式的變化和餘熱的回收帶來的操作變化(如噴氣，噴霧等增加熱回收)，耐火材料的使用條件變得更加苛刻，單純的粘上製品已不能滿足需要，研究cdq用專用耐火材料已成為必須。日本學者於八十年代研製出cdq車及內襯用耐火材料，並取得了專利。其運焦車用耐火材料為用矽酸鹽或si3n4結合的sic火材料，主成分sic本身具有高耐磨性和高的熱傳導率，並且在1000℃下並不會因為氧化而降低製品的熱震穩定性、耐磨性。即使高溫下sic氣接觸氧化形成sio2降低製品的效能。
1.4延長幹熄焦耐火材料使用壽命的研究現狀
沙鋼焦化廠2*140t/h幹熄焦工程是焦化一期、二期1-4號jn60-6型焦爐的配套工程，其執行一年後停爐年修時對爐內進行了仔細檢查，發現斜道區部分牛腿磚不同程度出現斷裂、脫落、變形等現象，冷卻段耐火磚存在不同程度的磨損現象，平均磨損量在40mm左右，最大為80mm。沙鋼工作人員雖然對幹熄爐進行了換磚修復，但是再次停爐檢修時發現上述現象仍然存在，可見換磚修復未能取得良好的效果[17]。
鞍鋼化工總廠一、二、三期幹熄焦工程分別於XX年10月、XX年12月和XX年10月投產執行，鞍鋼在年修期間發現，幹熄爐砌體和一次除塵膨脹節的實際磨損非常嚴重，表現為磚體損壞、塌沉、脫落等，尤其是預存段和冷卻段之間的部分，幾乎沒有完好的調節磚。鞍鋼的工作人員更換了大約三分之一的耐火材料，但實際效果並不是很好[18]。
杭鋼75t/h幹熄焦工程專案於XX年5月19日竣工投產，XX年12月對幹熄焦裝置進行首次停產年修時發現，32個斜道牛腿磚正面及兩側面出現不同程度的裂紋，斜道牛腿側面磚縫出現拉裂，牛腿磚兩側面因氣流沖刷成坑狀磨損，冷卻段部分襯磚表面出現不同深度的孔洞，有層狀剝落現象。杭鋼工作人員對幹熄爐斜道區進行換磚修復，對冷卻段使用高強耐磨澆注料(as-1)進行整體澆築,澆築厚度100mm,澆築高度2.8m，但並未取得良好的效果[19]。
馬鋼幹熄焦裝置在執行投產一年後的停爐大修中發現，斜道牛腿側面產生裂紋，正面直縫出現大的開裂，且部分耐火磚有斷裂的現象。鑑於此，馬鋼工作人員採取了提高關鍵部位耐火材料強度指標，在斜道牛腿處採用整磚砌築以加強抗拉強度等措施來延長幹熄焦耐火材料的使用壽命，但效果並不明顯[20]。
武鋼焦化的幹熄焦裝置從XX年12月投產至XX年3月，不到3年的時間進行過3次停爐檢修。檢修原因均為36個斜道支撐樑不同程度地存在耐火磚疏鬆、斷裂和脫落等現象，預存段過樑磚多處出現下沉、斷裂、破損。XX年3月再次檢修時，採取了改進磚型結構、選用優質塞隆結合碳化矽磚、提高耐火泥漿常溫黏結強度等措施，對斜道36根支撐樑和過樑進行解體重砌後投入使用。於XX年9月進行正常停爐年修時觀察，尚未發現掉磚等嚴重現象，但依然有問題存在，檢修效果一般[21]。
耐火材料嚴重損壞迫使幹熄焦裝置頻繁停產檢修，造成業主成本持續增加[22]以，延長幹熄焦耐火材料使用壽命的問題正受到世界各國越來越多的重視。
以往延長幹熄焦耐火材料使用壽命的研究只是針對某一方面進行，具有很大的片面性。但事實上，造成幹熄焦耐火材料損壞的因素繁多，例如：(1)幹熄焦裝置整體結構設計不合理;(2)不能合理的選擇耐火材料;(3)耐火材料及耐火泥本身的質量問題;(4)由於種種原因，不能嚴格按要求砌築;(5)烘爐不當;(6)耐火材料所處的工況不穩;(7)對耐火材料維護不當等[23]火材料存在的諸多問題嚴重影響著幹熄焦後續生產的正常進行。
延長幹熄焦耐火材料的使用壽命是一項系統工程，本文通過認真分析幹熄焦各個部位耐火材料損壞的原因，制定相應的措施來延長幹熄焦耐火材料使用壽命。
二、研究方案
2.1 主要研究內容
找出影響幹熄焦耐火材料使用壽命的因素，認真分析造成幹熄焦耐火材料異常損壞的原因。對耐火材料使用前後、使用期間的物理化學效能採用電鏡、xrd、抗壓強度等方法進行表徵，對延長幹熄焦耐火材料使用壽命的方案進行優化，使其達到最優結果。
2.2 目標
通過認真分析宣鋼焦化廠幹熄焦各個部位耐火材料損壞的原因，同時借鑑以往的實踐經驗，結合本工程實際情況制定相應的措施來達到延長幹熄焦耐火材料使用壽命的目的。
2.3方法手段
對耐火材料使用前後的物理化學效能採用電鏡、xrd、抗壓強度等方法進行表徵。
2.4改進及創新
對於延長幹熄焦耐火材料使用壽命的研究，國內對其研究的很少，國外對其研究的也不多。
以往對延長幹熄焦耐火材料使用壽命的研究只是針對某一方面進行，具有很大的片面性，而本文則是通過認真分析造成幹熄焦耐火材料損壞的原因，採用電鏡、xrd、抗壓強度等方法對耐火材料進行表徵，提出延長其使用壽命的措施。
三、進度安排
第1-2周：查閱國內外相關文獻，熟悉課題研究背景。
第3-4周：初步確定研究方案，完成開題報告，準備實驗材料和裝置。
第5-6周：找出幹熄焦耐火材料損壞的原因。
第7-10周：採用電鏡、xrd、抗壓強度等方法對初裝的耐火材料進行表徵。
第11-12周：採用電鏡、xrd、抗壓強度等方法對使用後的耐火材料進行表徵。
第13-15周：提出延長耐火材料實驗壽命的措施，整理相關資料，撰寫畢業論文。
第16周：準備答辯。
四、參考文獻
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