徐 仲，李飛飛，翟廉賀，李顏輝

（河南中鴻集團(tuán)煤化有限公司，河南 平頂山 467045）

1 焦?fàn)t爐門的技術(shù)要求

焦?fàn)t屬于單個(gè)炭化室間歇性生產(chǎn)，一座焦?fàn)t或一組焦?fàn)t的全部炭化室整體形成連續(xù)性生產(chǎn)的窯爐。焦?fàn)t爐門用于封閉焦?fàn)t炭化室的機(jī)、焦兩側(cè)爐口，與焦?fàn)t炭化室爐墻組成一個(gè)完整的隔絕空氣加熱的干餾空間。每一個(gè)炭化室的一個(gè)生產(chǎn)周期都需要進(jìn)行一次裝煤與一次推焦操作，機(jī)、焦兩側(cè)的爐門均需要啟閉一次。

傳統(tǒng)的大型焦?fàn)t爐門主要由高導(dǎo)熱的蠕墨鑄鐵爐門外殼、高導(dǎo)熱的蠕墨鑄鐵磚槽和爐門襯磚砌體三層材料構(gòu)成，其中爐門襯磚砌體通常采用小塊堇青石耐火磚加耐火泥漿砌筑而成。傳統(tǒng)焦?fàn)t爐門結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 傳統(tǒng)焦?fàn)t爐門結(jié)構(gòu)示意圖

生產(chǎn)狀態(tài)下，焦?fàn)t爐門金屬外壁暴露在大氣中，爐門內(nèi)壁襯磚與炭化室內(nèi)煤焦接觸。隨著周期性進(jìn)行的炭化室干餾過程和炭化室裝出爐的爐門啟閉，爐門外壁溫度在室溫至200℃范圍變化，而爐門內(nèi)壁襯磚溫度卻在室溫至1 000℃以上的范圍劇烈改變。

在這種頻繁的爐門啟閉操作機(jī)械力作用與溫度劇烈變化熱應(yīng)力作用的特殊工況條件下，要求焦?fàn)t爐門具有較低的導(dǎo)熱性，良好的熱震穩(wěn)定性。

焦?fàn)t是耗能較大的工業(yè)窯爐。正常情況下，焦?fàn)t維持生產(chǎn)需要耗費(fèi)49%～52%的自產(chǎn)煤氣。大型焦?fàn)t表面的散熱損失占煉焦耗熱量的8%～12%，其中焦?fàn)t爐門的平均熱損失約占整個(gè)焦?fàn)t熱損失的10%以上[1]。

要求焦?fàn)t爐門具有較低的導(dǎo)熱性，就是為了有效減少炭化室內(nèi)部的熱流通過熱傳導(dǎo)作用傳至爐門的金屬外殼乃至環(huán)境空氣中，以保護(hù)爐門金屬外殼，減少焦?fàn)t的散熱損失。焦?fàn)t爐門導(dǎo)熱性過高，會(huì)加大爐門的散熱，惡化爐門附近的工作環(huán)境，并可能增加焦?fàn)t邊火道的熱負(fù)荷，出現(xiàn)爐頭生焦。

要求焦?fàn)t爐門具有良好的熱震穩(wěn)定性，就是要求爐門襯磚具有抵抗溫度的急劇變化而不破壞的性能，能夠長(zhǎng)期保持爐門的低導(dǎo)熱性和高嚴(yán)密性。熱震穩(wěn)定性是耐火材料力學(xué)性能和熱學(xué)性能的綜合表現(xiàn)。熱震穩(wěn)定性好的爐門襯磚可以在長(zhǎng)期反復(fù)的冷熱變化中保持其材料的強(qiáng)度和形狀的完好性，熱震穩(wěn)定性不好的爐門襯磚將在短期使用后強(qiáng)度大幅度降低，發(fā)生開裂、剝落甚至斷裂破壞，失去對(duì)爐門金屬外殼的保護(hù)，炭化室的高溫影響到爐門金屬外殼，使之變形，失去嚴(yán)密性。爐門與爐門框之間嚴(yán)密性不好，容易泄漏無組織逸散性煙塵，污染環(huán)境，甚至著火燃燒，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致爐門框、爐柱變形失效。

此外，還要求焦?fàn)t爐門操作輕便，清理容易，維護(hù)簡(jiǎn)單。

由于傳統(tǒng)的焦?fàn)t爐門難以全面滿足以上技術(shù)要求，焦化工作者通過不斷探索，開發(fā)新型焦?fàn)t爐門。1978年美國(guó)成功開發(fā)堇青石多孔陶瓷制備工藝，1983年日本首先應(yīng)用了由預(yù)制大塊磚組成的焦?fàn)t爐門。隨后，我國(guó)開發(fā)出堇青石多孔陶瓷質(zhì)預(yù)制大塊磚爐門，并在河南中鴻集團(tuán)煤化有限公司（以下簡(jiǎn)稱中鴻公司）等單位進(jìn)行試用與改進(jìn)，逐步完善并向焦化廠推廣。

2 低導(dǎo)熱爐門的創(chuàng)新要素

2.1 理想的爐門磚生產(chǎn)原料

低導(dǎo)熱爐門的襯磚采用的材料屬于堇青石陶瓷復(fù)合材料。堇青石是一種硅酸鹽晶體礦物，其形狀多為柱狀或塊狀等。堇青石的化學(xué)式為2MgO·2A12O3·5Si O2(MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)13.7%，A12O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)34.9%，Si O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)51.4%)，熔點(diǎn)為1 460℃。由于堇青石的分子結(jié)構(gòu)中有較大的空隙，在高溫作用下分子的受熱振動(dòng)有足夠的空間，故其熱膨脹系數(shù)非常小(2×10-6/℃左右)，且具有良好的耐高溫性、化學(xué)穩(wěn)定性、介電性能以及高溫力學(xué)性能等，因此被認(rèn)為是理想的抗熱震材料。

多孔陶瓷是一種用特殊方式成型，然后在高溫下燒成，得到的具有大量開口或閉口氣孔的陶瓷材料。多孔陶瓷具有體積密度低、滲透率高、隔熱性能好、壽命長(zhǎng)、抗腐蝕、耐高溫和易生成的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子、航空航天、環(huán)保、化工、冶金等領(lǐng)域。多孔陶瓷的氣孔率與體積密度成反比，與導(dǎo)熱系數(shù)成正比。在多孔陶瓷性能中，較低的體積密度和導(dǎo)熱性是原始堇青石不具備但爐門襯磚特別需要的，如體積密度不大于1.30 t/m3的多孔陶瓷，其導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.55 W/（m·K）（350℃±25℃），而黏土質(zhì)體積密度為2.10 t/m3，導(dǎo)熱系數(shù)約為1.05 W/（m·K）（350℃±25℃）[2]。因此，將堇青石制成多孔陶瓷，或者將堇青石與多孔陶瓷復(fù)合，可以成為兼具優(yōu)良抗熱震性與低導(dǎo)熱性的焦?fàn)t爐門襯磚的理想原料[3]。

2.2 簡(jiǎn)化的爐門結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的焦?fàn)t爐門橫截面由內(nèi)而外由襯磚、磚槽和外殼三層材料構(gòu)成（見圖1）。低導(dǎo)熱爐門僅由預(yù)制大磚與爐門外殼二層材料構(gòu)成，預(yù)制大磚通過自帶螺栓直接緊固到爐門外殼上，省去了爐門磚槽。這種結(jié)構(gòu)上的變化至少有三方面的優(yōu)點(diǎn)：其一，因沒有質(zhì)量大的爐門磚槽，爐門質(zhì)量減輕；其二，因沒有高導(dǎo)熱的爐門磚槽，爐門隔熱性變好；其三，因沒有一定厚度的爐門磚槽，爐門的總厚度減薄。

2.3 特殊的預(yù)制大磚生產(chǎn)工法

傳統(tǒng)小塊爐門襯磚的生產(chǎn)過程與一般黏土磚無異，即：配料→混合→模壓成型→脫?！匀桓稍铩娣扛稍铩鸁伞鷻z驗(yàn)，不適合生產(chǎn)堇青石多孔陶瓷材料。堇青石多孔陶瓷材料的生產(chǎn)方法有顆粒堆積法、發(fā)泡法、擠壓成型法、添加造孔劑法、有機(jī)泡沫體浸漬法、溶膠-凝膠法、凝膠注模法等[4]，其中僅凝膠注模法可以部分借鑒用于生產(chǎn)預(yù)制大磚。

預(yù)制大磚由于單塊磚體積超大、質(zhì)量超重、而且結(jié)構(gòu)特殊，不能采取傳統(tǒng)工藝技術(shù)。預(yù)制大塊磚的制作采用了全新的生產(chǎn)工法，其原理類似于預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件+普通耐火磚的生產(chǎn)過程，完整工藝流程包括：制作鋼骨架→焊接安裝螺栓→鋼結(jié)構(gòu)涂裝保護(hù)→配料→混合→振動(dòng)澆注成型→養(yǎng)護(hù)→脫模→自然干燥→烘房干燥→燒成→檢驗(yàn)。

3 低導(dǎo)熱爐門的工業(yè)應(yīng)用實(shí)踐

3.1 焦?fàn)t概況

中鴻公司2×60孔6 m搗固焦?fàn)t共有120個(gè)炭化室、240個(gè)爐門，焦?fàn)t爐門工作時(shí)承受炭化室溫度為900℃～1 200℃。原爐門襯磚采用異型堇青石耐火磚砌筑，經(jīng)過頻繁的冷熱作用，耐火磚出現(xiàn)了斷裂、破碎、松動(dòng)等現(xiàn)象，影響爐門密封，致使煤氣外泄，造成能源浪費(fèi)及環(huán)保問題。另外，在使用一段時(shí)間后，爐門隔熱效果也明顯下降，焦?fàn)t爐門表面溫度達(dá)到200℃，大量熱量散失，造成能源的浪費(fèi)。

3.2 低導(dǎo)熱爐門的結(jié)構(gòu)與性能

中鴻公司逐步更換了新低導(dǎo)熱爐門，每個(gè)新爐門僅使用5塊堇青石多孔陶瓷預(yù)制大磚，通過螺栓直接固定在爐門外殼上，僅有4條磚縫，相對(duì)于原爐門采用磚槽鑲砌51層102塊小磚而言，磚縫大幅減少。

低導(dǎo)熱爐門大磚與原爐門襯磚的理化指標(biāo)比較如表1所示。

表1 低導(dǎo)熱爐門大磚與原爐門襯磚的理化指標(biāo)比較

3.3 低導(dǎo)熱爐門的使用效果

3.3.1 爐門的質(zhì)量變輕

新爐門相比原爐門，由于省去了磚槽，質(zhì)量變輕20%以上，新舊爐門的質(zhì)量比較詳見表2。

表2 新舊爐門的質(zhì)量比較

表3 新舊兩種爐門表面溫度比較 ℃

3.3.2 爐門的嚴(yán)密性增強(qiáng)

新爐門使用性能更優(yōu)異的堇青石多孔陶瓷預(yù)制爐門大磚，磚縫大幅度減少，使?fàn)t門的整體性和嚴(yán)密性顯著增強(qiáng)。原爐門磚縫眾多，在使用過程中由于積焦、積炭，磚縫寬度很容易被擴(kuò)大，使?fàn)t門的密閉及隔熱保溫性能快速下降。在使用新爐門后，跑煙冒火的現(xiàn)象鮮見發(fā)生，十分有利于焦?fàn)t的清潔環(huán)保生產(chǎn)。

3.3.3 焦?fàn)t產(chǎn)能提高

低導(dǎo)熱爐門大磚的厚度為410 mm，比原爐門襯磚厚度減薄了10 mm，再加上省去了磚槽（厚度40 mm），每個(gè)爐門的厚度減薄了50 mm。焦?fàn)t機(jī)、焦兩側(cè)更換新爐門后，炭化室長(zhǎng)度增加了100 mm。按照每個(gè)搗固煤餅的長(zhǎng)度增加100 mm計(jì)，120孔焦?fàn)t每年可增產(chǎn)焦炭8 000 t以上。

3.3.4 保溫隔熱效果改善

中鴻公司的焦?fàn)t爐門采取逐步更換的方式完成升級(jí)換代，歷時(shí)18個(gè)月。在同時(shí)使用新舊爐門的過程中，對(duì)新爐門的表面溫度進(jìn)行了檢測(cè)，同時(shí)也對(duì)新舊兩種爐門的保溫隔熱效果進(jìn)行了比較，結(jié)果見表3。

由表3可知，更換新型爐門后，表面溫度平均降低57℃左右，溫度下降比較明顯，估算爐門散熱量降低約30%，節(jié)能與改善環(huán)境效果明顯。

3.3.5 維護(hù)檢修方便

低導(dǎo)熱爐門采用預(yù)制大磚后，磚體表面光滑平整，基本不黏結(jié)焦油、焦油渣與焦粉，現(xiàn)場(chǎng)清理維護(hù)容易；即使更換爐門襯磚，也只需要松緊螺帽，檢修十分方便，勞動(dòng)強(qiáng)度顯著減輕。

4 結(jié) 語

由于環(huán)保與節(jié)能壓力，要求焦?fàn)t爐門具有更低的導(dǎo)熱性，更高的熱震穩(wěn)定性。河南中鴻集團(tuán)煤化有限公司與耐火材料研發(fā)單位合作，開發(fā)與應(yīng)用的低導(dǎo)熱預(yù)制大磚爐門質(zhì)量輕、嚴(yán)密性強(qiáng)、保溫隔熱效果改善、維護(hù)檢修方便，還能提高焦?fàn)t產(chǎn)能，工業(yè)使用效果良好，值得在焦化領(lǐng)域大面積推廣應(yīng)用。