一、研究的背景与问题

耐火材料是高温工业的重要基础和支撑材料，对高温工业产品质量提升与品种开发、高效生产和节能减排具有重要作用。钢铁、有色和石化等高温行业，能耗高、污染重，成为制约我国工业绿色高质量发展的瓶颈。因此节能降碳重点高温行业对耐火材料品种质量和性能提出更高要求，长寿化、功能化与绿色化成为耐火材料技术发展的新标志。

炼焦工业是冶金、化工行业的支柱产业。近10年来我国年焦炭产量约4.5亿吨左右，达到世界总产量的68%。焦化工序作为钢铁企业中消耗资源最多的工序，其能耗占整个钢铁工序能耗的13%左右。为此， 2022年1月24日，国务院印发《“十四五”节能减排综合工作方案》，部署的重点行业绿色升级工程中提到，推进焦化行业的节能改造和污染物深度治理。

焦炉作为一种庞大的能量转换热工设备，高能耗、环保问题突出，如何实现焦炉的高效清洁绿色生产成为人们关注的焦点。

（1）焦炉炉体表面的节能环保

据分析，焦炉炉体表面散热量大，能耗占焦炉总能耗的10％以上，焦炉表面散热量大、能耗高，而在焦炉所有的散热表面中，焦炉炉顶结构复杂，有散热强度大的装煤孔和看火孔等，通常采用耐火砖砌筑，在长期高温炙烤下，易膨胀出现缝隙和孔洞，造成炭化室烟气、热气从缝隙窜出，导致热损失巨大、环境恶劣、维护费用高等一系列问题，严重影响到大型焦炉的高效安全运行，亟待解决。

（2）热回收焦炉技术国产化发展

为解决炼焦行业清洁高效生产的问题，在美国第一代、德国第二代焦电技术的基础上，我国通过引进、消化吸收和全面创新，形成了具有国际领先水平的第三代清洁环保能源高效利用焦电联产技术，开发了国内外首创的新一代清洁环保全能量智能型热回收焦炉。该焦化技术消除了全部化产工序，实现了对高温烟气的全封闭回收和高温烟气余热的高效利用，真正实现了污染物的源头治理，具有“有焦无化，消除污水，源头环保，高效发电，无固废外排”的技术集成优势，将会成为国内外焦炭产业发展的方向。但其集气系统对耐火隔热材料要求严苛，要求材料具有高温强度高，抗高温强气流冲刷、腐蚀性能好，截热效果好，使用温度高，热震稳定性好，整体性、施工性能好等特点。目前传统耐火材料应用后存在密封性差、蹿漏严重、耐材损毁严重寿命短、焦炭烧蚀率高等技术难题，严重制约了该技术的应用推广，亟需研究新型的炉衬耐火材料及整体配置技术，以解决制约新一代热回收焦炉长寿、高效安全环保运行的技术瓶颈。

二、解决问题的思路与技术方案

基于融合新型热回收焦炉复杂服役环境因素的“二位一体”系统模拟仿真，研究温度场、流场等与耐火材料之间的相互关系，揭示多场耦合下耐火材料服役行为的演化规律。在此基础上，以传热理论和材料微观结构设计为基础，进行高效多孔莫来石原料制备、新型梯度截热高强系列热管理功能材料的研究、材料整体配置设计、施工砌筑技术等方面研究，并不断总结经验，提高改进，最终形成一套完善的高温工业炉节能环保新技术，支撑高温工业节能降耗发展。技术路线如图1所示。

三、主要创新性成果

项目技术突破了传统不定性隔热耐火材料难以达到的力学性能，实现了材料高强度、低导热性能的平衡统一，解决高温窑炉长寿高效、节能减碳用炉衬材料的技术瓶颈。项目取得以下创新：

1.基于融合复杂服役环境因素的“二位一体”系统模拟，研究温度场、流场等与耐火材料之间的相互关系，揭示多场耦合下耐火材料服役行为的演化规律，指导炉衬设计和新型耐火材料研发，实现窑炉长寿化运行。

2.创新性地发明低导热高强度的材料协同提升技术，研制出梯度截热高强功能材料，可有效解决高温窑炉长寿高效、节能减碳用炉衬材料的技术瓶颈。

（1）发明原位发泡技术与纳米高温氧化物复合技术，提出复相平衡微孔绝热材料新理念。

（2）提出功能化多元复合调控梯度截热材料性能新技术。

3.高强轻质骨料的合成技术。首次研究并利用过渡液相扩散法制备了多孔莫来石材料，具有使用温度高、强度高、导热率低等特性，实现孔结构可控。工艺简单、效率高及无环境污染等优势。

4.关键苛刻部位耐材结构设计及综合砌筑技术，集气管处低导材料选择及结构设计、炉顶高强低导材料砌筑技术研究。

研制的大型焦炉梯度截热高强系列热管理功能材料，具有高温强度高，抗高温强气流冲刷、腐蚀性能好，截热效果好，使用温度高，热震稳定性好，整体性、施工性能好等特点。项目申请专利13项（其中发明专利6项），获专利授权12项。在SCI、中文期刊等国内外学术刊物发表论文5篇，其中SCI 3篇。

四、应用情况与效果

项目整体技术经在大型焦炉炉顶、热回收焦炉高温烟道、炉底板等使用验证，具有优异的节能效果。目前开发的产品技术成熟质量稳定，已先后在宝钢、山东佳祥、吉林鑫达、洛阳力拓、信阳钢铁、辽宁华鑫等热回收焦炉用户应用，应用情况如下：

应用案例1在国内某立式焦炉炉顶维修使用。使用中采用两种维修方案对比试验，方案1为综合配置方案（即采用新型截热板+纤维增强梯度截热浇注料维修），方案2为全部采用截热浇注料施工的维修方案。

备注：1.方案1为综合配置方案，即采用新型截热板+纤维增强梯度截热浇注料的维修方案；

2.方案2为全部采用截热浇注料施工的维修方案。

备注：1.方案1为综合配置方案，即采用新型截热板+纤维增强梯度截热浇注料的维修方案；

2.方案2为全部采用截热浇注料施工的维修方案。

两种维修方案对比试验研究显示：采用综合配置方案的效果优于全部采用截热浇注料的维修方案（见表1、表2）；综合配置方案维修后炉顶整体情况较好，施工结束24小时后对炉顶各点进行测量（见图2、图3），温度较高的倒烟孔四周降温明显，降温约40-50℃，其它各点降温20℃左右，起到很好的保温效果。

图2施工结束24小时后炉顶倒烟孔附近的温度情况

图3施工结束24小时后炉顶普通部位的温度情况

应用案例2：研制的梯度截热系列材料在国内某清洁环保全能量智能型热回收焦炉高温烟道配置应用。在最苛刻的烟道上升管的配置情况与传统的轻质莫来石砖配置方案进行对比（见表3）。应用情况见组图4.

应用结果显示：1）烟道内衬厚度减少、重量降低，整体性大大改善，内衬材料耐候性强，解决高温烟气串漏和高温烟道高温变形导致烟道寿命低的问题，应用寿命延长。2）集气管外温度下降20-30℃，吨焦发电量提高150KWH, 节能减碳效果显著。

应用案例3：在国内某清洁环保全能量智能型热回收焦炉炉底配置应用。应用结果显示：研制的梯度截热材料膨胀率低，热震稳定性好，解决炉底由于温度差别产生的应力破坏引起的炉底串漏现象，炉底稳定性增强；耐候性优异，抵抗高温和化学气体的腐蚀能力强，整体寿命延长，应用效果见组图4。

组图4梯度截热材料在热回收焦炉炉底应用情况

应用案例4：项目利用浇注方式开发了一种尺寸可达2770×3000×200mm的超大型梯度截热预制产品，具有抗热震性能优异、整体性好、高温体积稳定的特点，目前已在信阳金港的集气管混合箱切断阀上应用（见组图5）。