徐平坤

　　現(xiàn)代大型焦?fàn)t用耐火材料達(dá)到萬噸以上，磚型近千種，其中硅磚占60%～70%。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國新建了多座大型焦?fàn)t，又逢國內(nèi)外焦?fàn)t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(dá)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?fàn)t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(dá)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(dǎo)熱性

　　在炭化室的焦炭，在推焦前30min，焦餅溫度達(dá)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(shè)備的靜荷重、裝煤車及推焦機(jī)工作時(shí)的動(dòng)負(fù)荷、燒結(jié)焦時(shí)膨脹所產(chǎn)生的壓力、推焦時(shí)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(dǎo)熱性好、荷重軟化溫度高和高溫機(jī)械強(qiáng)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(biāo)，焦?fàn)t實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)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?fàn)t的厚度已減至95mm。二是提高硅磚的熱導(dǎo)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(shí)間，提高產(chǎn)量。據(jù)測(cè)算一座寬為44cm的炭化室，隔墻厚度為11cm，所用硅磚熱導(dǎo)率為1.867W/（m·K），加熱溫度為1349℃，生產(chǎn)率為9.8kg/（m2·h），當(dāng)硅磚熱導(dǎo)率為2.09W/（m·K）時(shí)，在其他條件相同的情況下，焦?fàn)t生產(chǎn)率可提高10%，如果熱導(dǎo)率提高到2.904W/（m·K），則生產(chǎn)率可提高50%。

　　由于高導(dǎo)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(shí)還減輕對(duì)環(huán)境的污染。因?yàn)闊煔庵械趸锏臐舛扰c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(duì)提高硅磚的導(dǎo)熱性進(jìn)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?yàn)闅饪茁逝c熱導(dǎo)率有直接關(guān)系，當(dāng)硅磚的氣孔率從20%～21%降低到13%～14%時(shí)，它的熱導(dǎo)率（1100℃時(shí)）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(jìn)鱗石英轉(zhuǎn)化，熱導(dǎo)率提高，使焦?fàn)t生產(chǎn)能力提高9%。近年來，又有人研究采用燒成時(shí)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(qiáng)度提高40%～120%，熱導(dǎo)率提高15%～40%，抗折強(qiáng)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(dǎo)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(dǎo)率提高15%～20%。鱗石英晶體具有相互交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不但導(dǎo)熱性能好，而且還具有較高的荷重軟化溫度和機(jī)械強(qiáng)度、高溫下的體積穩(wěn)定性等，鱗石英含量是評(píng)價(jià)硅磚質(zhì)量的重要指標(biāo)。一般通過硅磚的真密度可以看出硅磚的質(zhì)量，當(dāng)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(biāo)是真密度，其直接影響焦?fàn)t的膨脹量與爐體的完好率。

　　我國焦?fàn)t硅磚的發(fā)展

　　硅磚質(zhì)量是確保焦?fàn)t爐體一代爐齡的基本條件，它砌筑于焦?fàn)t的心臟部位，對(duì)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(duì)焦?fàn)t硅磚生產(chǎn)工藝進(jìn)行深入細(xì)致研究和改進(jìn)。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(shí)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(dá)到世界先進(jìn)水平。

　　蓄熱室及小煙道：蓄熱室、小煙道及格子磚在進(jìn)行熱交換時(shí)，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?fàn)t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(dá)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(shí)磚體產(chǎn)生收縮、磚縫擴(kuò)大、漏風(fēng)漏氣，同時(shí)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(tái)等部位的耐火材料：爐頂及涼焦臺(tái)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(dǎo)致爐頂及涼焦臺(tái)損傷。因此，一些焦?fàn)t使用缸磚，但其配方復(fù)雜、價(jià)格昂貴。有企業(yè)用蠟石磚代替缸磚后，使用壽命達(dá)10年以上。葉蠟石加熱到1400℃時(shí)，其莫氏硬度從常溫的1～2級(jí)提高到7～8級(jí)，而強(qiáng)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(shí)達(dá)到0.744%～0.831%，熱震穩(wěn)定性達(dá)到20次以上，使焦?fàn)t密封性好并能抵抗溫度變化，同時(shí)也能抵抗酸性物質(zhì)及氣體、炭素、焦油的侵蝕，因?yàn)橄炇u的耐酸度達(dá)93.5%。

　　爐門用耐火材料：焦?fàn)t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(yán)，污染空氣，砌體尺寸厚，占用焦?fàn)t工作空間大，空間利用率低，干餾率（成焦率）一般，燃料浪費(fèi)嚴(yán)重。針對(duì)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(yù)制塊，組成整體結(jié)構(gòu)的爐門內(nèi)襯。

　　應(yīng)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(shí)測(cè)，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?fàn)t的節(jié)能環(huán)保問題，是大型焦?fàn)t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(dòng)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?fàn)t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(huì)黏結(jié)得十分堅(jiān)固，砌體抗熱震性得到提高，從而延長焦?fàn)t壽命。

　　焦?fàn)t的維修

　　大部分焦?fàn)t砌體都是通過熱修補(bǔ)來維護(hù)，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(bǔ)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(shí)強(qiáng)度下降，一般只能使用2～3個(gè)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(bǔ)，附著率可達(dá)100%。

　　我國火焰噴補(bǔ)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(bǔ)料占65%～70%。日本火焰噴補(bǔ)的耐用性一般在3年以上。我國先后在攀鋼、本鋼、酒鋼、濟(jì)鋼等20多家單位的焦化廠使用火焰噴補(bǔ)法對(duì)焦?fàn)t進(jìn)行了噴補(bǔ)，噴補(bǔ)層耐用性大多數(shù)在3～4年，本鋼焦?fàn)t耐用性更高，在4年以上。如果一座焦?fàn)t自始至終采用火焰噴補(bǔ)維修，一代爐齡可延長10年~15年。但火焰噴補(bǔ)維修成本較高，效率低的火焰噴補(bǔ)適合焦?fàn)t小面積損傷的維修。對(duì)于維修任務(wù)重的老齡焦?fàn)t來說，改進(jìn)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(fù)焦?fàn)t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(qiáng)度達(dá)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?fàn)t硅磚，真密度為2.28，熱震穩(wěn)定性比普通硅磚好。