焦?fàn)t爐門(mén)磚應(yīng)用研究進(jìn)展與展望

武吉 ，龐克亮 ，譚嘯 ，甘秀石 ，侯士彬 ，王超

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼集團(tuán)北京研究院有限公司，北京 102211；3.鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山114021）

焦?fàn)t是焦炭生產(chǎn)流程中的主要設(shè)備，主要由耐火材料砌筑而成。由于焦?fàn)t推焦（機(jī)側(cè)）、出焦（焦側(cè)）過(guò)程中爐門(mén)反復(fù)打開(kāi)與關(guān)閉，導(dǎo)致?tīng)t門(mén)磚溫度在1 100℃與環(huán)境溫度之間反復(fù)波動(dòng)，爐門(mén)溫度急劇變化，爐門(mén)磚發(fā)生膨脹收縮，加之推焦過(guò)程中推焦桿帶動(dòng)爐門(mén)振動(dòng)［1］，門(mén)栓施壓以及取掛爐門(mén)時(shí)爐門(mén)體與爐門(mén)框、爐門(mén)掛鉤的碰撞，焦?fàn)t爐門(mén)磚耐火材料較容易破裂、損壞。除此之外，焦?fàn)t爐門(mén)磚還要承受推焦提爐門(mén)時(shí)與焦炭的摩擦，以及荒煤氣中煤焦油、碳粉、石墨等的侵蝕。在煉焦過(guò)程中，爐門(mén)散熱損失占煉焦熱損失的0.82%～3.48%，爐門(mén)的保溫效果直接影響爐頭焦炭質(zhì)量［2-4］?；谝陨蠁?wèn)題，采取減小爐門(mén)磚耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)、優(yōu)化爐門(mén)磚結(jié)構(gòu)及性能等一系列節(jié)能環(huán)保改造措施，能夠改善爐門(mén)磚的保溫效果和爐頭焦炭質(zhì)量，顯著降低煤氣用量，避免外來(lái)雜質(zhì)的滲透以及摘取爐門(mén)過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)對(duì)襯磚的破壞，同時(shí)能夠有效避免爐門(mén)跑火、冒煙現(xiàn)象，降低焦?fàn)t爐門(mén)處的污染排放。

1 爐門(mén)磚耐火材料現(xiàn)狀

焦?fàn)t爐門(mén)磚耐火材料已由傳統(tǒng)的粘土質(zhì)、輕質(zhì)隔熱材料向耐火性能更好的堇青石、莫來(lái)石以及堇青石復(fù)合材料方向發(fā)展。爐門(mén)磚耐材除了要具備常規(guī)耐材性能外，還要具有比爐墻磚更好的耐火性能，包括抗熱震性能、較低的傳熱系數(shù)和密度、耐侵蝕及抗結(jié)碳性能等［5］。

1.1 傳統(tǒng)的粘土磚

傳統(tǒng)粘土磚價(jià)格便宜、強(qiáng)度高，是早期焦?fàn)t耐火材料的主要選擇。粘土磚導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高，一般在 1～1.28 W/(m·K)范圍內(nèi)［6］，保溫效果相對(duì)較差；且粘土磚內(nèi)氣孔相對(duì)較多，熱膨脹性明顯，抗熱震性不好，使用壽命偏低。目前，國(guó)內(nèi)外焦?fàn)t爐門(mén)磚已不再將粘土質(zhì)作為首選材料。

1.2 輕質(zhì)隔熱材料

輕質(zhì)隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)低、密度小。20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)某些焦化廠開(kāi)始采用輕質(zhì)磚代替?zhèn)鹘y(tǒng)粘土磚。濟(jì)鋼焦化廠曾采用聚輕質(zhì)爐門(mén)磚取代原粘土爐門(mén)磚，爐門(mén)磚導(dǎo)熱系數(shù)明顯變小，爐門(mén)磚減薄50 mm后爐門(mén)表面溫度降低20℃以上［7］，爐頭熱損失降低，機(jī)焦側(cè)爐頭焦炭質(zhì)量得到改善。宣鋼焦化廠曾采用輕質(zhì)漂珠磚代替粘土、堇青石襯磚，機(jī)焦側(cè)爐門(mén)磚重量分別減輕0.58 t、0.65 t，且由于輕質(zhì)漂珠磚導(dǎo)熱系數(shù)低，爐頭溫度顯著提高30℃左右，在降低煉焦耗熱量的同時(shí)節(jié)省了加熱煤氣的用量［8-9］。

輕質(zhì)材料除了自身質(zhì)量較輕外，還包含有氣孔，但是顯氣孔過(guò)多容易致使煉焦過(guò)程中煤焦油、碳素等滲透至磚孔隙中，降低耐火材料的耐蝕性能。為此，武漢科技大學(xué)曾研究了氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與輕質(zhì)磚熱導(dǎo)率的關(guān)系，結(jié)果表明，添加漂珠可顯著增加輕質(zhì)磚的閉氣孔，但開(kāi)氣孔變化不大，輕質(zhì)磚的熱導(dǎo)率隨著總氣孔率的增大呈指數(shù)關(guān)系減小，小于150 μm范圍內(nèi)的氣孔與熱導(dǎo)率的相關(guān)性最好［10］。為了克服聚輕質(zhì)爐門(mén)磚強(qiáng)度低的問(wèn)題，加強(qiáng)型聚輕質(zhì)爐門(mén)襯磚被研發(fā)與使用［11］。不同爐門(mén)磚耐火材料理化性能指標(biāo)如表1所示。

表1 不同爐門(mén)磚耐火材料理化性能指標(biāo)Table 1 Physicochemical Properties of Different Refractory Materials for Building Oven Door Bricks

1.3 堇青石復(fù)合型耐火材料

堇青石（2MgO·2Al2O3·5SiO2）屬鋁鎂硅酸鹽礦物，耐火材料中的堇青石一般均為人工合成。堇青石具有較低的熱脹系數(shù)、較小的熱導(dǎo)率，同時(shí)又有較強(qiáng)的抗壓能力，是目前焦?fàn)t爐門(mén)磚上最常用的耐火材料之一。

早期的堇青石一般由工業(yè)氧化鋁、粘土、高嶺土、滑石、鋁礬土、焦寶石等合成［12］。堇青石具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，但其高溫荷重性能相對(duì)較差［13］，為了更加完善堇青石的高溫性能，目前研究較多的是堇青石復(fù)合型材料，包括堇青石-莫來(lái)石復(fù)合材料［14-18］、粘土-熔融石英［19］、鎂鋁尖晶石-堇青石復(fù)合材料［20-21］、莫來(lái)石-氧化鋁復(fù)合材料等，這些耐火材料的性能明顯優(yōu)于堇青石材料，具體見(jiàn)表2。

表2 堇青石復(fù)合型爐門(mén)磚耐火材料理化性能Table 2 Physicochemical Properties of Refractory Material for Building Cordierite Complex-type Oven Door Bricks

2 焦?fàn)t爐門(mén)磚新技術(shù)

2.1 焦?fàn)t爐門(mén)磚大型化澆筑

以爐門(mén)大型預(yù)制塊技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)小塊磚砌筑技術(shù)可明顯改善爐門(mén)保溫效果，提高爐門(mén)使用壽命，同時(shí)減少因小塊磚縫滲透侵蝕產(chǎn)生的冒火冒煙現(xiàn)象，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家率先采用了爐門(mén)大型預(yù)制塊技術(shù)。

中鋼耐火材料有限公司以堇青石-莫來(lái)石、鋁酸鹽水泥、復(fù)合添加劑為原料制備大型焦?fàn)t爐門(mén)預(yù)制磚，得到最佳預(yù)制塊氣孔率低至14.5%，熱線膨脹率約為0.43%，耐壓強(qiáng)度達(dá)到37 MPa，并成功將該種大型預(yù)制塊應(yīng)用于日本新日鐵大型焦?fàn)t［22］。中鋼洛耐院還以焦寶石、堇青石、硅石粉和廢硅磚粉等為主要原料，研究了水泥、硅微粉結(jié)合劑對(duì)焦?fàn)t爐門(mén)預(yù)制件性能的影響，認(rèn)為水泥和硅微粉結(jié)合劑可降低預(yù)制磚的抗震性能和材料強(qiáng)度，并給出了合適的結(jié)合劑配比［23］。

韶鋼采用表面涂釉的莫來(lái)石-堇青石質(zhì)預(yù)制塊，爐門(mén)磚表面溫度降低20℃以上，爐門(mén)表面每小時(shí)散熱可以減少0.18 GJ［15］。宜興丁山耐火器材有限公司以石英、莫來(lái)石、堇青石等為原料，制備焦?fàn)t爐門(mén)大型襯磚，并在首鋼京唐焦化廠7.63 m焦?fàn)t、寶鋼焦化廠6 m焦?fàn)t等推廣應(yīng)用［24］，實(shí)踐證明，該類大型襯磚性能指標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)用的機(jī)壓成型燒成莫來(lái)石-堇青石襯磚。鞍鋼對(duì)6 m焦?fàn)t爐門(mén)磚進(jìn)行改造，采用5～7塊預(yù)制磚取代原有小塊粘土磚砌筑結(jié)構(gòu)，爐門(mén)抗侵蝕和保溫效果明顯改善，同時(shí)有效提高了焦?fàn)t裝煤量［25］。

在焦?fàn)t爐門(mén)大型預(yù)制塊磚基礎(chǔ)上，部分企業(yè)采用大型化整體澆筑工藝。柳鋼焦化廠利用莫來(lái)石、合成的堇青石、熔融石英、工業(yè)氧化鋁等材料整體澆注爐門(mén)磚，采用耐火泥將5塊厚為360 mm整體澆筑的襯磚進(jìn)行銜接。復(fù)合材料整體澆筑爐門(mén)與堇青石小磚砌筑爐門(mén)相比，爐門(mén)表面溫度明顯降低，另外整體澆筑的爐門(mén)表面沒(méi)有澆筑縫隙，抗侵蝕性較好，便于爐門(mén)清掃［26］。

萊蕪鋼鐵以莫來(lái)石、硅微粉、氧化鋁粉為主要原料整體澆筑4.3 m焦?fàn)t爐門(mén)磚，爐門(mén)表面溫度與粘土磚砌筑爐門(mén)相比降低20～30℃，壽命提高2～3倍，并在爐門(mén)內(nèi)表面涂刷防粘渣劑，煤氣、焦油泄漏情況減少［6］。

目前，國(guó)內(nèi)外在焦?fàn)t機(jī)、焦側(cè)使用爐門(mén)大型預(yù)制磚或整體澆筑已成為焦?fàn)t保溫、密封、長(zhǎng)壽的發(fā)展方向，但大型預(yù)制磚或整體澆筑安裝和更換相對(duì)困難，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，且整體澆筑爐門(mén)一旦發(fā)生損壞，更換費(fèi)用相對(duì)較高。

2.2 焦?fàn)t爐門(mén)磚表面涂釉技術(shù)

爐門(mén)磚表面涂釉技術(shù)是從陶瓷涂釉逐步演變而來(lái)，爐門(mén)磚涂釉不僅可使表面光滑，還可降低爐門(mén)磚導(dǎo)熱系數(shù)，改善爐門(mén)保溫效果；爐門(mén)表面涂釉可提高致密性、減少表面氣孔率，減少爐門(mén)表面侵蝕、滲透、結(jié)石墨、掛焦油現(xiàn)象，改善爐門(mén)清掃作業(yè)條件；一些表面涂釉材料還具有耐磨、耐高溫、抗折損性能。釉膨脹系數(shù)與基體間的適配性直接關(guān)系到其遭遇熱震時(shí)是否剝落，始熔溫度、軟熔溫度范圍、高溫黏度變化以及膨脹系數(shù)［27］是耐火材料用高溫釉配方設(shè)計(jì)需要考慮的關(guān)鍵因素。鞍鋼采用的表面涂釉襯磚在微觀顯微鏡下成像如圖1所示，從圖中可以看出襯磚表面形貌均勻分布，釉面散布微氣孔結(jié)構(gòu)。目前，涂釉爐門(mén)磚已經(jīng)在寶鋼、武鋼、鞍鋼、首鋼等大型鋼鐵、焦化企業(yè)得到推廣應(yīng)用。

圖1 表面涂釉襯磚SEM圖Fig.1 SEM Program of Lining Brick with Glaze on the Surface

爐門(mén)磚表面涂釉技術(shù)目前成為國(guó)內(nèi)外耐火材料性能研究的重要方向。日本焦?fàn)t為解決爐門(mén)上粘附焦油的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出具有高抗熱震性的含釉涂層的燒成耐火磚CST-A53，光滑涂釉表面使得焦油極易去除，且釉層與基礎(chǔ)耐火磚的熱膨脹一致，保證了釉層與耐火磚的整體性［28］。

武漢科技大學(xué)研究并制成耐高溫、低膨脹性能的Li2O-MgO-Al2O3-SiO2系堇青石襯磚釉面，該釉面具有較高的致密性和耐蝕性，釉面熱膨脹系數(shù)達(dá)到2.85×10-6，與堇青石襯磚熱膨脹系數(shù)3.2×10-6相匹配，可有效防止釉面開(kāi)裂［29］。

北京科技大學(xué)以莫來(lái)石-堇青石質(zhì)為主要材料，同時(shí)配加氧化鋁粉、硅微粉、純鋁酸鈣水泥，制備爐門(mén)內(nèi)襯磚后，以堇青石、長(zhǎng)石類等為涂釉原料，經(jīng)液漿噴涂和高溫處理后得到了高強(qiáng)度、低氣孔率和良好熱穩(wěn)定性的爐門(mén)預(yù)制件襯磚［30］。

2.3 焦?fàn)t爐門(mén)磚結(jié)構(gòu)優(yōu)化改型技術(shù)

為了增大現(xiàn)有頂裝焦?fàn)t裝煤量，提高焦炭產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t節(jié)能減排，提高爐門(mén)磚使用壽命，焦化企業(yè)對(duì)現(xiàn)有焦?fàn)t爐門(mén)磚結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改造。

2.3.1 焦?fàn)t爐門(mén)磚減薄技術(shù)

焦?fàn)t爐門(mén)磚減薄技術(shù)是指在保證焦炭質(zhì)量前提下，采用低導(dǎo)熱系數(shù)耐火爐門(mén)磚，對(duì)爐門(mén)磚進(jìn)行優(yōu)化改造。寧波鋼鐵焦化廠將堇青石爐門(mén)磚減薄80 mm，同時(shí)加隔熱板，爐門(mén)表面溫度變化不大，爐門(mén)使用2年后爐門(mén)磚狀況良好，改造后的2座55孔焦?fàn)t年焦炭增產(chǎn)顯著［31］。

唐山中潤(rùn)煤化工有限公司將焦?fàn)t爐門(mén)磚厚度減薄40 mm，有效增大了炭化室容積，單爐裝煤量增加2 000 kg［32］。鞍鋼也采用了焦?fàn)t爐門(mén)磚減薄技術(shù)，由厚度420 mm小塊堇青石襯磚改為厚度360 mm堇青石涂釉襯磚，炭化室裝煤容積變大，焦炭產(chǎn)量增加。國(guó)內(nèi)部分焦化廠爐門(mén)磚減薄情況及效果見(jiàn)表3。

表3 國(guó)內(nèi)部分焦化廠爐門(mén)磚減薄情況及效果Table 3 Thickness-reducing Situation on Oven Door Bricks and Effects in Some Domestic Coking Plants

2.3.2 焦?fàn)t爐門(mén)密封、保溫性能改進(jìn)技術(shù)

隨著新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，焦化企業(yè)環(huán)保壓力逐漸增大，為了避免焦?fàn)t冒火冒煙現(xiàn)象，對(duì)焦?fàn)t密封性、保溫性能改造力度大大增加。馬鋼、太鋼、武鋼均對(duì)7.63 m焦?fàn)t對(duì)爐門(mén)刀邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，將“Z”字型刀邊改為腹板式刀邊，焦?fàn)t密封性能得到改善［33-34］。馬鋼還對(duì)焦側(cè)爐門(mén)磚結(jié)構(gòu)、機(jī)側(cè)小爐門(mén)磚槽進(jìn)行了密封改造，焦?fàn)t襯磚改為自下而上逐步收縮的斜坡，矩形改為梯形，利用堤壩原理，改善了摘取爐門(mén)冒煙問(wèn)題，減少了塌焦現(xiàn)象，同時(shí)降低了備件的消耗。寧波鋼鐵焦化廠為了降低爐門(mén)表面溫度，減少焦?fàn)t爐門(mén)散熱量，采用磚槽與腹板間增墊隔熱層的方式，有效減少了磚槽對(duì)外部的傳熱，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗效果［35-37］。通過(guò)各種保溫、密封技術(shù)改造的相應(yīng)實(shí)施，各鋼鐵、焦化企業(yè)焦?fàn)t爐門(mén)冒火冒煙現(xiàn)象明顯減少，環(huán)保效果顯著。

3 展望

（1）從爐門(mén)磚材料性能角度出發(fā)，未來(lái)焦?fàn)t爐門(mén)勢(shì)必會(huì)向著保溫性能好、耐侵蝕、耐高溫、輕量化方向發(fā)展；

（2）從爐門(mén)磚制作原料出發(fā)，為了滿足爐門(mén)磚多重耐火材料性質(zhì)指標(biāo)，爐門(mén)磚耐火材料原料配方將從以往的單一礦物向兩種甚至多種復(fù)合材料方向發(fā)展，如堇青石-莫來(lái)石、堇青石-鎂鋁尖晶石、堇青石-莫來(lái)石-氧化鋁等；

（3）從爐門(mén)磚結(jié)構(gòu)出發(fā)，由于大型澆筑爐門(mén)磚的整體性能穩(wěn)定，大型預(yù)制塊甚至是整體澆筑工藝將逐步替代傳統(tǒng)小塊磚砌筑工藝，同時(shí)，隨著爐門(mén)磚的不斷升級(jí)改造，固定爐門(mén)的鐵件、鑄件結(jié)構(gòu)也將隨之不斷優(yōu)化；

（4）從焦?fàn)t爐門(mén)操作角度出發(fā)，襯磚表面涂釉技術(shù)越來(lái)越受焦化企業(yè)關(guān)注，該技術(shù)不僅提高爐門(mén)磚表面耐火性能和耐蝕性，而且還極大地方便了爐門(mén)清門(mén)清框，改善了操作環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著高爐大型化以及富氧、噴煤等技術(shù)的發(fā)展，高爐用焦炭質(zhì)量的穩(wěn)定成為了制約高爐穩(wěn)定順行的關(guān)鍵因素。焦?fàn)t爐門(mén)磚的保溫效果、壽命直接影響焦?fàn)t機(jī)、焦兩側(cè)焦炭的質(zhì)量；焦?fàn)t操作機(jī)械化、自動(dòng)化要求爐門(mén)磚長(zhǎng)壽化；加之環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)愈加嚴(yán)格，以往焦?fàn)t爐門(mén)冒火、冒煙現(xiàn)象勢(shì)將遭到杜絕。因此，焦?fàn)t爐門(mén)磚不僅要有良好的耐火性能，還要具有保溫效果好、耐侵蝕、整體性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。