徐平坤

　　現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，又逢國內外焦爐大修周期，硅磚的需求量猛增。我國是硅磚生產大國，生產規模達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，并且一些傳統使用的耐火材料性能及質量有所提高，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，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、燒結焦時膨脹所產生的壓力、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。提高生產效率是人們普遍追求的目標，焦爐實現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，提高產量。據測算一座寬為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，焦爐生產率可提高10%，如果熱導率提高到2.904W/（m·K），則生產率可提高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，有利于節約能源、降低燃料消耗，同時還減輕對環境的污染。因為煙氣中氮氧化物的濃度與溫度有關，加熱溫度越高，氮氧化物的濃度也越高。近年來，國內外對提高硅磚的導熱性進行了大量研究，得出的結果大致如下：

　　——要提高硅磚的體積密度。生產優質硅磚要選擇雜質含量低，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。國內研究人員加入1.5%～2.5%的Fe2O3 ，可促進鱗石英轉化，熱導率提高，使焦爐生產能力提高9%。近年來，又有人研究采用燒成時能轉化成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，添加劑被氧化轉化成SiO2，它與基質中的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絡結構，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、高溫下的體積穩定性等，鱗石英含量是評價硅磚質量的重要指標。一般通過硅磚的真密度可以看出硅磚的質量，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。硅磚質量的關鍵指標是真密度，其直接影響焦爐的膨脹量與爐體的完好率。

　　我國焦爐硅磚的發展

　　硅磚質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企業對焦爐硅磚生產工藝進行深入細致研究和改進。如某廠采用結晶硅石與膠結硅石并用，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的優質硅磚。過去，我國硅磚的殘余石英量一般都在1%以上，而現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定性好的粘土磚，而7.63m焦爐采用半硅磚。

　　粘土磚：我國現在仍大量生產粘土磚，一般粘土磚的熱震穩定性比較好。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生收縮、磚縫擴大、漏風漏氣，同時也影響爐體壽命。

　　半硅質耐火材料是指SiO2含量在60%以上、Al2O3含量在15%~30%的硅酸鋁質耐火材料。我國一般采用高硅質粘土制磚，也有用硅石與軟質粘土配料，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、含酸性介質的熱水汽侵蝕、焦炭熱沖擊損傷、環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，組成整體結構的爐門內襯。

　　應用結果表明，由于材料的優良保溫性能，爐門的散熱大大降低。經過實測，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，解決了焦爐的節能環保問題，是大型焦爐爐門的發展方向。

　　爐頭用耐火材料：燃燒室兩側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，開始選用熱震穩定性好的紅柱石磚或硅線石磚。

　　硅質泥漿：硅質泥漿是砌筑焦爐爐體硅磚的粘結材料，它的質量直接影響爐體的砌筑質量和使用壽命。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。在硅質泥漿中加入2%～5%的硼砂，砌體接縫會黏結得十分堅固，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，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℃。日本某公司開發出一種熱修用的焦爐硅磚，真密度為2.28，熱震穩定性比普通硅磚好。