武吉 ，龐克亮 ，譚嘯 ，甘秀石 ，侯士彬 ，王超

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山114009；2.鞍鋼集團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）

焦爐是焦炭生產流程中的主要設備，主要由耐火材料砌筑而成。由于焦爐推焦（機側）、出焦（焦側）過程中爐門反復打開與關閉，導致爐門磚溫度在1 100℃與環(huán)境溫度之間反復波動，爐門溫度急劇變化，爐門磚發(fā)生膨脹收縮，加之推焦過程中推焦桿帶動爐門振動［1］，門栓施壓以及取掛爐門時爐門體與爐門框、爐門掛鉤的碰撞，焦爐爐門磚耐火材料較容易破裂、損壞。除此之外，焦爐爐門磚還要承受推焦提爐門時與焦炭的摩擦，以及荒煤氣中煤焦油、碳粉、石墨等的侵蝕。在煉焦過程中，爐門散熱損失占煉焦熱損失的0.82%～3.48%，爐門的保溫效果直接影響爐頭焦炭質量［2-4］。基于以上問題，采取減小爐門磚耐火材料的導熱系數、優(yōu)化爐門磚結構及性能等一系列節(jié)能環(huán)保改造措施，能夠改善爐門磚的保溫效果和爐頭焦炭質量，顯著降低煤氣用量，避免外來雜質的滲透以及摘取爐門過程中機械振動對襯磚的破壞，同時能夠有效避免爐門跑火、冒煙現象，降低焦爐爐門處的污染排放。

1 爐門磚耐火材料現狀

焦爐爐門磚耐火材料已由傳統的粘土質、輕質隔熱材料向耐火性能更好的堇青石、莫來石以及堇青石復合材料方向發(fā)展。爐門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、較低的傳熱系數和密度、耐侵蝕及抗結碳性能等［5］。

1.1 傳統的粘土磚

傳統粘土磚價格便宜、強度高，是早期焦爐耐火材料的主要選擇。粘土磚導熱系數相對較高，一般在 1～1.28 W/(m·K)范圍內［6］，保溫效果相對較差；且粘土磚內氣孔相對較多，熱膨脹性明顯，抗熱震性不好，使用壽命偏低。目前，國內外焦爐爐門磚已不再將粘土質作為首選材料。

1.2 輕質隔熱材料

輕質隔熱材料導熱系數低、密度小。20世紀90年代，國內某些焦化廠開始采用輕質磚代替?zhèn)鹘y粘土磚。濟鋼焦化廠曾采用聚輕質爐門磚取代原粘土爐門磚，爐門磚導熱系數明顯變小，爐門磚減薄50 mm后爐門表面溫度降低20℃以上［7］，爐頭熱損失降低，機焦側爐頭焦炭質量得到改善。宣鋼焦化廠曾采用輕質漂珠磚代替粘土、堇青石襯磚，機焦側爐門磚重量分別減輕0.58 t、0.65 t，且由于輕質漂珠磚導熱系數低，爐頭溫度顯著提高30℃左右，在降低煉焦耗熱量的同時節(jié)省了加熱煤氣的用量［8-9］。

輕質材料除了自身質量較輕外，還包含有氣孔，但是顯氣孔過多容易致使煉焦過程中煤焦油、碳素等滲透至磚孔隙中，降低耐火材料的耐蝕性能。為此，武漢科技大學曾研究了氣孔結構參數與輕質磚熱導率的關系，結果表明，添加漂珠可顯著增加輕質磚的閉氣孔，但開氣孔變化不大，輕質磚的熱導率隨著總氣孔率的增大呈指數關系減小，小于150 μm范圍內的氣孔與熱導率的相關性最好［10］。為了克服聚輕質爐門磚強度低的問題，加強型聚輕質爐門襯磚被研發(fā)與使用［11］。不同爐門磚耐火材料理化性能指標如表1所示。

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

1.3 堇青石復合型耐火材料

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、較小的熱導率，同時又有較強的抗壓能力，是目前焦爐爐門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合型材料，包括堇青石-莫來石復合材料［14-18］、粘土-熔融石英［19］、鎂鋁尖晶石-堇青石復合材料［20-21］、莫來石-氧化鋁復合材料等，這些耐火材料的性能明顯優(yōu)于堇青石材料，具體見表2。

表2 堇青石復合型爐門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 焦爐爐門磚新技術

2.1 焦爐爐門磚大型化澆筑

以爐門大型預制塊技術代替?zhèn)鹘y小塊磚砌筑技術可明顯改善爐門保溫效果，提高爐門使用壽命，同時減少因小塊磚縫滲透侵蝕產生的冒火冒煙現象，國外一些發(fā)達國家率先采用了爐門大型預制塊技術。

中鋼耐火材料有限公司以堇青石-莫來石、鋁酸鹽水泥、復合添加劑為原料制備大型焦爐爐門預制磚，得到最佳預制塊氣孔率低至14.5%，熱線膨脹率約為0.43%，耐壓強度達到37 MPa，并成功將該種大型預制塊應用于日本新日鐵大型焦爐［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、硅微粉結合劑對焦爐爐門預制件性能的影響，認為水泥和硅微粉結合劑可降低預制磚的抗震性能和材料強度，并給出了合適的結合劑配比［23］。

韶鋼采用表面涂釉的莫來石-堇青石質預制塊，爐門磚表面溫度降低20℃以上，爐門表面每小時散熱可以減少0.18 GJ［15］。宜興丁山耐火器材有限公司以石英、莫來石、堇青石等為原料，制備焦爐爐門大型襯磚，并在首鋼京唐焦化廠7.63 m焦爐、寶鋼焦化廠6 m焦爐等推廣應用［24］，實踐證明，該類大型襯磚性能指標優(yōu)于現用的機壓成型燒成莫來石-堇青石襯磚。鞍鋼對6 m焦爐爐門磚進行改造，采用5～7塊預制磚取代原有小塊粘土磚砌筑結構，爐門抗侵蝕和保溫效果明顯改善，同時有效提高了焦爐裝煤量［25］。

在焦爐爐門大型預制塊磚基礎上，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磚，采用耐火泥將5塊厚為360 mm整體澆筑的襯磚進行銜接。復合材料整體澆筑爐門與堇青石小磚砌筑爐門相比，爐門表面溫度明顯降低，另外整體澆筑的爐門表面沒有澆筑縫隙，抗侵蝕性較好，便于爐門清掃［26］。

萊蕪鋼鐵以莫來石、硅微粉、氧化鋁粉為主要原料整體澆筑4.3 m焦爐爐門磚，爐門表面溫度與粘土磚砌筑爐門相比降低20～30℃，壽命提高2～3倍，并在爐門內表面涂刷防粘渣劑，煤氣、焦油泄漏情況減少［6］。

目前，國內外在焦爐機、焦側使用爐門大型預制磚或整體澆筑已成為焦爐保溫、密封、長壽的發(fā)展方向，但大型預制磚或整體澆筑安裝和更換相對困難，增加了勞動強度，且整體澆筑爐門一旦發(fā)生損壞，更換費用相對較高。

2.2 焦爐爐門磚表面涂釉技術

爐門磚表面涂釉技術是從陶瓷涂釉逐步演變而來，爐門磚涂釉不僅可使表面光滑，還可降低爐門磚導熱系數，改善爐門保溫效果；爐門表面涂釉可提高致密性、減少表面氣孔率，減少爐門表面侵蝕、滲透、結石墨、掛焦油現象，改善爐門清掃作業(yè)條件；一些表面涂釉材料還具有耐磨、耐高溫、抗折損性能。釉膨脹系數與基體間的適配性直接關系到其遭遇熱震時是否剝落，始熔溫度、軟熔溫度范圍、高溫黏度變化以及膨脹系數［27］是耐火材料用高溫釉配方設計需要考慮的關鍵因素。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，釉面散布微氣孔結構。目前，涂釉爐門磚已經在寶鋼、武鋼、鞍鋼、首鋼等大型鋼鐵、焦化企業(yè)得到推廣應用。

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

爐門磚表面涂釉技術目前成為國內外耐火材料性能研究的重要方向。日本焦爐為解決爐門上粘附焦油的問題，開發(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，釉面熱膨脹系數達到2.85×10-6，與堇青石襯磚熱膨脹系數3.2×10-6相匹配，可有效防止釉面開裂［29］。

北京科技大學以莫來石-堇青石質為主要材料，同時配加氧化鋁粉、硅微粉、純鋁酸鈣水泥，制備爐門內襯磚后，以堇青石、長石類等為涂釉原料，經液漿噴涂和高溫處理后得到了高強度、低氣孔率和良好熱穩(wěn)定性的爐門預制件襯磚［30］。

2.3 焦爐爐門磚結構優(yōu)化改型技術

為了增大現有頂裝焦爐裝煤量，提高焦炭產量，實現焦爐節(jié)能減排，提高爐門磚使用壽命，焦化企業(yè)對現有焦爐爐門磚結構進行了優(yōu)化改造。

2.3.1 焦爐爐門磚減薄技術

焦爐爐門磚減薄技術是指在保證焦炭質量前提下，采用低導熱系數耐火爐門磚，對爐門磚進行優(yōu)化改造。寧波鋼鐵焦化廠將堇青石爐門磚減薄80 mm，同時加隔熱板，爐門表面溫度變化不大，爐門使用2年后爐門磚狀況良好，改造后的2座55孔焦爐年焦炭增產顯著［31］。

唐山中潤煤化工有限公司將焦爐爐門磚厚度減薄40 mm，有效增大了炭化室容積，單爐裝煤量增加2 000 kg［32］。鞍鋼也采用了焦爐爐門磚減薄技術，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，焦炭產量增加。國內部分焦化廠爐門磚減薄情況及效果見表3。

表3 國內部分焦化廠爐門磚減薄情況及效果Table 3 Thickness-reducing Situation on Oven Door Bricks and Effects in Some Domestic Coking Plants

2.3.2 焦爐爐門密封、保溫性能改進技術

隨著新環(huán)保標準出臺，焦化企業(yè)環(huán)保壓力逐漸增大，為了避免焦爐冒火冒煙現象，對焦爐密封性、保溫性能改造力度大大增加。馬鋼、太鋼、武鋼均對7.63 m焦爐對爐門刀邊結構進行了改造，將“Z”字型刀邊改為腹板式刀邊，焦爐密封性能得到改善［33-34］。馬鋼還對焦側爐門磚結構、機側小爐門磚槽進行了密封改造，焦爐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，改善了摘取爐門冒煙問題，減少了塌焦現象，同時降低了備件的消耗。寧波鋼鐵焦化廠為了降低爐門表面溫度，減少焦爐爐門散熱量，采用磚槽與腹板間增墊隔熱層的方式，有效減少了磚槽對外部的傳熱，實現了節(jié)能降耗效果［35-37］。通過各種保溫、密封技術改造的相應實施，各鋼鐵、焦化企業(yè)焦爐爐門冒火冒煙現象明顯減少，環(huán)保效果顯著。

3 展望

（1）從爐門磚材料性能角度出發(fā)，未來焦爐爐門勢必會向著保溫性能好、耐侵蝕、耐高溫、輕量化方向發(fā)展；

（2）從爐門磚制作原料出發(fā)，為了滿足爐門磚多重耐火材料性質指標，爐門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合材料方向發(fā)展，如堇青石-莫來石、堇青石-鎂鋁尖晶石、堇青石-莫來石-氧化鋁等；

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

（4）從焦爐爐門操作角度出發(fā)，襯磚表面涂釉技術越來越受焦化企業(yè)關注，該技術不僅提高爐門磚表面耐火性能和耐蝕性，而且還極大地方便了爐門清門清框，改善了操作環(huán)境。

4 結語

隨著高爐大型化以及富氧、噴煤等技術的發(fā)展，高爐用焦炭質量的穩(wěn)定成為了制約高爐穩(wěn)定順行的關鍵因素。焦爐爐門磚的保溫效果、壽命直接影響焦爐機、焦兩側焦炭的質量；焦爐操作機械化、自動化要求爐門磚長壽化；加之環(huán)保標準愈加嚴格，以往焦爐爐門冒火、冒煙現象勢將遭到杜絕。因此，焦爐爐門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。