徐平坤
現(xiàn)代大型焦爐用耐火材料達到萬噸以上，磚型近千種，其中硅磚占60%～70%。進入21世紀以來，我國新建了多座大型焦爐，又逢國內(nèi)外焦爐大修周期，硅磚的需求量猛增。我國是硅磚生產(chǎn)大國，生產(chǎn)規(guī)模達40萬噸以上，除了滿足本國需要，還大量出口到日本、美國、意大利、韓國等國家，并且一些傳統(tǒng)使用的耐火材料性能及質(zhì)量有所提高，有的改用新型耐火材料。
焦爐在長期（20年~30年）使用過程中，始終處于高溫高壓狀態(tài)，正常工作耐火材料溫度為1100℃左右，加熱立火道的溫度可達1550℃以上。各部分使用的耐火材料及其發(fā)展情況大致如下：
提高硅磚的導熱性
在炭化室的焦炭，在推焦前30min，焦餅溫度達到950℃~1050℃，燃燒室長期在1300℃以上。炭化室和燃燒室除受到高溫作用之外，還要承受上部砌體及設備的靜荷重、裝煤車及推焦機工作時的動負荷、燒結(jié)焦時膨脹所產(chǎn)生的壓力、推焦時與焦炭的摩擦作用，以及灰分、熔渣、水分和酸性氣體的侵蝕。因此，炭化室和燃燒室普遍選擇導熱性好、荷重軟化溫度高和高溫機械強度好的硅磚，特別是炭化室與燃燒室中間的隔墻用的硅磚有特殊的要求。提高生產(chǎn)效率是人們普遍追求的目標，焦爐實現(xiàn)這個目標的方法如下：一是減少炭化室與燃燒室隔墻的厚度，以前這樣的隔墻厚度為125mm，現(xiàn)在一些大型焦爐的厚度已減至95mm。二是提高硅磚的熱導率，將燃燒室的煙氣熱量加速傳給炭化室里的煤料，縮短炭化時間，提高產(chǎn)量。據(jù)測算一座寬為44cm的炭化室，隔墻厚度為11cm，所用硅磚熱導率為1.867W/（m·K），加熱溫度為1349℃，生產(chǎn)率為9.8kg/（m2·h），當硅磚熱導率為2.09W/（m·K）時，在其他條件相同的情況下，焦爐生產(chǎn)率可提高10%，如果熱導率提高到2.904W/（m·K），則生產(chǎn)率可提高50%。
由于高導熱性硅磚能加速傳熱過程，因而可降低燃燒煙氣的溫度，有利于節(jié)約能源、降低燃料消耗，同時還減輕對環(huán)境的污染。因為煙氣中氮氧化物的濃度與溫度有關(guān)，加熱溫度越高，氮氧化物的濃度也越高。近年來，國內(nèi)外對提高硅磚的導熱性進行了大量研究，得出的結(jié)果大致如下：
——要提高硅磚的體積密度。生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)硅磚要選擇雜質(zhì)含量低，特別是Al2O3低的純凈硅石做原料。要盡量提高硅磚體積密度，降低氣孔率。因為氣孔率與熱導率有直接關(guān)系，當硅磚的氣孔率從20%～21%降低到13%～14%時，它的熱導率（1100℃時）提高約25%～30%。
——在硅磚的配料中加入添加劑。國內(nèi)研究人員加入1.5%～2.5%的Fe2O3 ，可促進鱗石英轉(zhuǎn)化，熱導率提高，使焦爐生產(chǎn)能力提高9%。近年來，又有人研究采用燒成時能轉(zhuǎn)化成SiO2的添加劑，如SiC、Si3N4和硅粉，一般添加量為0.5%～10%。在燒成過程中，添加劑被氧化轉(zhuǎn)化成SiO2，它與基質(zhì)中的SiO2熔合在一起，使硅磚的體積密度提高5%～8%，顯氣孔率降低到12%～17%，耐壓強度提高40%～120%，熱導率提高15%～40%，抗折強度提高35%～55%。
——關(guān)注鱗石英含量與真密度。從礦物組成來看，硅磚的熱導率主要取決于鱗石英的含量，磚中鱗石英含量從35%提高到50%，熱導率提高15%～20%。鱗石英晶體具有相互交錯的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，不但導熱性能好，而且還具有較高的荷重軟化溫度和機械強度、高溫下的體積穩(wěn)定性等，鱗石英含量是評價硅磚質(zhì)量的重要指標。一般通過硅磚的真密度可以看出硅磚的質(zhì)量，當真密度為2.30g/cm3～2.32g/cm3的硅磚比較好，大于2.32g/cm3的硅磚中殘余石英含量偏高。硅磚質(zhì)量的關(guān)鍵指標是真密度，其直接影響焦爐的膨脹量與爐體的完好率。
我國焦爐硅磚的發(fā)展
硅磚質(zhì)量是確保焦爐爐體一代爐齡的基本條件，它砌筑于焦爐的心臟部位，對基本性能及外形尺寸要求很高。一些大型耐火材料生產(chǎn)企業(yè)對焦爐硅磚生產(chǎn)工藝進行深入細致研究和改進。如某廠采用結(jié)晶硅石與膠結(jié)硅石并用，合理配料，降低原料臨界顆粒尺寸和礦化劑加入量、延長燒成保溫時間，生產(chǎn)出鱗石英含量為70%～75%、殘余石英含量≤0.7%、真密度小于2.32g/cm3的優(yōu)質(zhì)硅磚。過去，我國硅磚的殘余石英量一般都在1%以上，而現(xiàn)在出口硅磚的殘余石英量已降低到1%以下，有的甚至趨近于零，達到世界先進水平。
蓄熱室及小煙道：蓄熱室、小煙道及格子磚在進行熱交換時，受到溫度急變的影響。因此，小煙道襯磚和蓄熱室格子磚過去都選擇熱震穩(wěn)定性好的粘土磚，而7.63m焦爐采用半硅磚。
粘土磚：我國現(xiàn)在仍大量生產(chǎn)粘土磚，一般粘土磚的熱震穩(wěn)定性比較好。安徽一單位在粘土磚配料中加入紅柱石和硅線石等添加物，使粘土磚的熱震穩(wěn)定性大于50次，最高達278次，顯氣孔率為17.1%。但粘土磚的不足是在高溫條件下使用時磚體產(chǎn)生收縮、磚縫擴大、漏風漏氣，同時也影響爐體壽命。
半硅質(zhì)耐火材料是指SiO2含量在60%以上、Al2O3含量在15%~30%的硅酸鋁質(zhì)耐火材料。我國一般采用高硅質(zhì)粘土制磚，也有用硅石與軟質(zhì)粘土配料，制造工藝與粘土磚相似。最好還是采用葉蠟石為原料生產(chǎn)半硅磚。
爐頂、涼焦臺等部位的耐火材料：爐頂及涼焦臺受濕熱焦炭的沖刷磨損、含酸性介質(zhì)的熱水汽侵蝕、焦炭熱沖擊損傷、環(huán)境溫度變化等因素的影響，導致爐頂及涼焦臺損傷。因此，一些焦爐使用缸磚，但其配方復雜、價格昂貴。有企業(yè)用蠟石磚代替缸磚后，使用壽命達10年以上。葉蠟石加熱到1400℃時，其莫氏硬度從常溫的1～2級提高到7～8級，而強度也有很大提高，因此，蠟石磚的耐磨性很好。蠟石磚的熱膨脹率在900℃時達到0.744%～0.831%，熱震穩(wěn)定性達到20次以上，使焦爐密封性好并能抵抗溫度變化，同時也能抵抗酸性物質(zhì)及氣體、炭素、焦油的侵蝕，因為蠟石磚的耐酸度達93.5%。
爐門用耐火材料：焦爐的爐門以及煙道（上升管及橋管）和加煤孔、配套的爐蓋，普遍使用粘土磚、保溫磚及堇青石磚砌筑和耐熱耐磨的特種合金鋼板（磚套和爐蓋）。這種砌體和鋼板保溫效果差，使用壽命短（一般在1年~2年），整體性差，密封不嚴，污染空氣，砌體尺寸厚，占用焦爐工作空間大，空間利用率低，干餾率（成焦率）一般，燃料浪費嚴重。針對爐門使用粘土磚及堇青石磚的缺陷，寶鋼開發(fā)出了表面涂釉處理的莫來石—堇青石澆注料預制塊，組成整體結(jié)構(gòu)的爐門內(nèi)襯。
應用結(jié)果表明，由于材料的優(yōu)良保溫性能，爐門的散熱大大降低。經(jīng)過實測，爐門本體的外表溫度比原爐門的外表溫度低50℃～70℃，降低了能源消耗；新爐門內(nèi)襯厚度比原爐門減薄70mm，增加了炭化室容積；新型爐門的使用效果好于粘土磚及保溫磚，使用壽命在4年以上，解決了焦爐的節(jié)能環(huán)保問題，是大型焦爐爐門的發(fā)展方向。
爐頭用耐火材料：燃燒室兩側(cè)爐頭在爐門開閉過程中溫度變化大，且受動荷載的影響，一般選用高鋁磚；近年來，開始選用熱震穩(wěn)定性好的紅柱石磚或硅線石磚。
硅質(zhì)泥漿：硅質(zhì)泥漿是砌筑焦爐爐體硅磚的粘結(jié)材料，它的質(zhì)量直接影響爐體的砌筑質(zhì)量和使用壽命。泥漿的臨界顆粒尺寸是按砌磚灰縫大小來決定的，普遍在0.5mm～1mm。在硅質(zhì)泥漿中加入2%～5%的硼砂，砌體接縫會黏結(jié)得十分堅固，砌體抗熱震性得到提高，從而延長焦爐壽命。
焦爐的維修
大部分焦爐砌體都是通過熱修補來維護，常有人用高鋁熟料、磷酸或磷酸二氫鋁結(jié)合劑，采用噴涂或涂抹的方法修補損毀部位。但磷酸或磷酸二氫鋁結(jié)合劑在熱磚表面形成蒸汽層，800℃～1000℃時強度下降，一般只能使用2～3個月。日本新日鐵公司采用w（SiO2）為94.4%、w（Al2O3）為1.2%、w（CaO）為2.3%、w（K2O+Na2O）為2.1%、粒度小于0.2mm的SiO2質(zhì)粉料，用火焰噴補，附著率可達100%。
我國火焰噴補料的要求是SiO2含量為60%～68%，耐火度為1250℃~1280℃，通過0.25mm篩網(wǎng)，小于0.125mm的噴補料占65%～70%。日本火焰噴補的耐用性一般在3年以上。我國先后在攀鋼、本鋼、酒鋼、濟鋼等20多家單位的焦化廠使用火焰噴補法對焦爐進行了噴補，噴補層耐用性大多數(shù)在3～4年，本鋼焦爐耐用性更高，在4年以上。如果一座焦爐自始至終采用火焰噴補維修，一代爐齡可延長10年~15年。但火焰噴補維修成本較高，效率低的火焰噴補適合焦爐小面積損傷的維修。對于維修任務重的老齡焦爐來說，改進傳統(tǒng)的維修工藝或介于二者之間的工藝——半干法維修，是比較好的辦法。烏克蘭一家公司開發(fā)出修復焦爐用的熔融石英磚，采用熔融石英骨料，石英微粉和水玻璃干粉結(jié)合劑配料，制品的抗折強度達24.1MPa，氣孔率為16%，耐火度為1740℃。日本某公司開發(fā)出一種熱修用的焦爐硅磚，真密度為2.28，熱震穩(wěn)定性比普通硅磚好。
