鍛造加熱爐用的耐火保溫材料的應(yīng)用和進(jìn)展

文/劉斌·摩根凱龍（荊門(mén)）熱陶瓷有限公司

鍛造加熱爐用的耐火保溫材料的應(yīng)用和進(jìn)展

文/劉斌·摩根凱龍（荊門(mén)）熱陶瓷有限公司

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，而能源生產(chǎn)的發(fā)展相對(duì)滯后得多，解決能源短缺問(wèn)題的一個(gè)最好辦法就是節(jié)能，即減少熱損失，提高熱能的利用效率，減少能源浪費(fèi)。國(guó)際上將節(jié)能工程視為“第五能源”，同石油、煤、天然氣和電力并列五大常規(guī)能源，而節(jié)能的最主要措施之一就是發(fā)展和應(yīng)用耐火保溫隔熱材料。使用耐火保溫隔熱材料能夠有效減少熱損失，節(jié)約燃料，同時(shí)還可以改善勞動(dòng)環(huán)境，保證生產(chǎn)安全，提高工效。

加熱爐用耐火保溫材料

鍛造作為金屬加工的主要方法和手段之一，是核工業(yè)、機(jī)械、電力、汽車(chē)以及軍工、航空航天工業(yè)中不可或缺的主要加工工藝，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有舉足輕重的地位。而鍛造加熱爐作為鍛造生產(chǎn)中的重要設(shè)備，約占總能耗的25％。因此，在鍛造加熱爐上采用合適的優(yōu)質(zhì)耐火保溫材料來(lái)達(dá)到節(jié)能減排的目的就顯得非常重要。

鍛造加熱爐的主要工作特點(diǎn)有：

⑴間歇式運(yùn)行，急冷急熱。

⑵爐內(nèi)溫度高（高達(dá)1200℃以上），爐溫波動(dòng)大。

⑶爐內(nèi)工作壓力大，受爐窯制造成本和環(huán)保要求的影響，大多數(shù)鍛造加熱爐的排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)得并不合理，排煙不暢，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)壓力過(guò)高。如果操作工人不嚴(yán)格按升溫曲線操作，陡然增加燃料或加大進(jìn)氣量，也會(huì)導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)壓力過(guò)高。

⑷工作氣氛復(fù)雜，工作環(huán)境差，燃料的不充分燃燒以及鍛造過(guò)程中工件產(chǎn)生大量的氧化皮對(duì)爐襯的工作壽命都有較大的影響，并且使用重油燃料比使用天然氣更復(fù)雜、惡劣。

鍛造加熱爐內(nèi)襯耐火保溫材料主要有耐火保溫磚、不定形澆注料和陶瓷纖維制品。

耐火保溫磚

采用耐火保溫磚（黏土磚和高鋁磚）作為保溫爐襯砌筑的磚體爐型主要為拱頂結(jié)構(gòu)，磚體密度大，抗氣流沖刷性好。但這種磚體結(jié)構(gòu)用在間歇式的高溫鍛造加熱爐中其耐急冷、急熱性能差。在加熱爐運(yùn)行中，爐磚易產(chǎn)生松動(dòng)、脫落、甚至開(kāi)裂，尤其是在燒嘴區(qū)域，其使用壽命更短。高溫氣流可以穿透磚襯，燒損爐殼。加熱爐在運(yùn)行過(guò)程中，維修頻繁，作業(yè)率較低，致使?fàn)t子運(yùn)行穩(wěn)定性差。由于耐火保溫磚本身的導(dǎo)熱率高，使得爐子的熱效率較低。同時(shí)，磚體密度大對(duì)爐體的承重要求也比較高。因此，耐火保溫磚作鍛造加熱爐襯保溫材料的應(yīng)用已逐步退出市場(chǎng)。

不定型澆注料

采用不定型澆注料作耐火保溫爐襯的鍛造加熱爐，其整體澆注改變了傳統(tǒng)的磚砌爐體結(jié)構(gòu)，不管爐門(mén)結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，澆注料均能填滿空間，并且修補(bǔ)也較方便。整體澆注簡(jiǎn)化了加熱爐的爐體砌筑施工，延長(zhǎng)了加熱爐的使用壽命，提高了加熱爐的整體性。不定型澆注料耐火保溫材料的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工控制更加精確，窯爐內(nèi)的溫度分布也更加均勻。

鍛造加熱爐爐襯可采用陶瓷纖維毯或陶瓷纖維板與纖維模塊組合。與火焰接觸的耐火層采用纖維模塊，疊鋪結(jié)構(gòu)使得纖維與受熱面垂直，高溫收縮小，耐高溫和氣流沖刷性能好。與爐殼接觸的絕熱層采用平鋪纖維毯或纖維板，平鋪結(jié)構(gòu)纖維與受熱面平行，導(dǎo)熱系數(shù)小，有利于爐襯的絕熱。因此，這種組合結(jié)構(gòu)有利于提高爐襯的絕熱性和氣密性，減少熱短路，增加抗沖刷能力，并能有效地保證纖維與鋼結(jié)構(gòu)之間的連接強(qiáng)度，提高爐襯的使用壽命，減少熱損失，節(jié)約能源?，F(xiàn)場(chǎng)安裝施工周期短，維修方便。

陶瓷纖維耐火保溫材料的新進(jìn)展

ACZ（含鋯）纖維制品

由于陶瓷纖維制品優(yōu)良的性能，在鍛造加熱爐中應(yīng)用非常廣泛，特別是纖維毯和纖維模塊。目前在溫度大于1200℃的鍛造加熱爐中，許多窯爐設(shè)計(jì)者或客戶會(huì)選用含鋯纖維，該纖維的分類溫度為1430℃，長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)1200℃。但是，受爐內(nèi)壓力、氣氛、環(huán)境等眾多因素的影響，含鋯纖維的使用壽命會(huì)大大降低，在使用半年后纖維將失去彈性，逐漸結(jié)晶、粉化和脫落。同時(shí)，因制備含鋯纖維的原料鋯英砂的價(jià)格大幅上漲，使得含鋯制品的價(jià)格上浮，導(dǎo)致含鋯纖維制品的應(yīng)用受到制約。因此，在鍛造加熱爐中急需一種使用性能優(yōu)良，價(jià)格相對(duì)適宜的耐火保溫纖維。

ASC（含鉻）纖維制品

ASC（含鉻）纖維是在制備硅鋁陶瓷纖維的二氧化硅（SiO2）和氧化鋁主成分中添加了起化學(xué)穩(wěn)定作用的氧化鉻Cr2O3，使其在纖維受熱后的晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中起到抑制晶粒生長(zhǎng)速率的作用，實(shí)現(xiàn)纖維耐熱性能的提高。

含鉻纖維具有如下特點(diǎn)：

⑴抗氣氛能力強(qiáng)，起化學(xué)穩(wěn)定作用的Cr2O3使得含鉻纖維的抗氣氛能力增強(qiáng)。

⑵采用先進(jìn)的制造技術(shù)、高純度的原料、獨(dú)特的配方及添加劑高溫成纖，使得含鉻纖維更細(xì)，制品中氣孔尺寸更小，對(duì)熱傳導(dǎo)的阻尼更大，導(dǎo)熱系數(shù)更低。藝簡(jiǎn)單，不需燒成，設(shè)備簡(jiǎn)單，可制成預(yù)制塊，也可在各種爐窯上整體搗打；整體性強(qiáng)，氣密性好，可以任意選型，能滿足熱工設(shè)備復(fù)雜外形的要求。其主要缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需要定制模板和專用設(shè)備，澆注料配比需要嚴(yán)格控制，對(duì)施工工人的要求也比較高，且施工、烘烤較嚴(yán)，烘爐時(shí)間較長(zhǎng)，一般需5～7天。否則，在使用時(shí)易引起爐體開(kāi)裂、剝落甚至大塊崩裂。同時(shí)澆注料也存在和磚體結(jié)構(gòu)同樣的抗熱振性能差，因此，其在間歇式鍛造加熱爐中的應(yīng)用也存在很大的局限，目前多應(yīng)用于鍛造加熱爐的爐底或臺(tái)車(chē)。

陶瓷纖維制品

耐火保溫磚及澆注料雖然在一定程度上滿足了鍛造加熱爐的使用要求，但在節(jié)能和使用壽命上達(dá)不到理想的效果。目前，在鍛造加熱爐中多采用陶瓷纖維制品做爐襯。陶瓷纖維由氧化鋁和硅石在1800～2000℃的高溫下熔化后，熔液經(jīng)噴吹或甩絲形成纖維，是一種輕質(zhì)耐火保溫材料，其使用徹底改變了窯爐襯層系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用陶瓷纖維進(jìn)行再加工還可以制造各種各樣的耐火保溫產(chǎn)品，如陶瓷纖維毯、陶瓷纖維模塊、陶瓷纖維板、燒嘴和高溫涂料等。依據(jù)爐子使用溫度和氣氛選擇相應(yīng)級(jí)別的陶瓷纖維制品，可達(dá)到提高爐襯壽命，減少爐襯蓄、散熱損失，節(jié)約能源的目的。

與傳統(tǒng)的耐火保溫材料（耐火保溫磚、澆注料）相比，陶瓷纖維制品性能更為優(yōu)良：

⑴低熱導(dǎo)率，比高品質(zhì)耐火保溫磚的熱效率高出40％。

⑵輕質(zhì)量，窯爐的結(jié)構(gòu)支撐質(zhì)量可降低40％。

⑶低儲(chǔ)熱量，可提高窯爐的可用性和生產(chǎn)力。

⑷優(yōu)良的抗熱沖擊性能。

⑸化學(xué)性穩(wěn)定，可以抵抗大多數(shù)化學(xué)侵蝕，不受煙氣中烴類、水和蒸汽的影響。

⑹高機(jī)械彈性，可組裝好后發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)，不會(huì)損壞。

⑺較低的安裝成本，標(biāo)準(zhǔn)的安裝操作規(guī)程，纖維襯層不需要晾干或養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

⑻維修方便，受損的陶瓷纖維制品可以迅速更換，減少停爐時(shí)間。

⑼熱效率高，降低襯層厚度，增加窯爐使用空間。同時(shí)陶瓷纖維制品對(duì)溫度變化的快速反應(yīng)使得

⑶使用溫度高達(dá)1250℃，ASC纖維在同等條件下的使用溫度比硅、鋁系列的高純纖維高100～200℃；與含鋯纖維相比，其長(zhǎng)期使用溫度提高了30～50℃，有效地填補(bǔ)了含鋯纖維和氧化鋁多晶纖維之間溫度領(lǐng)域的空白，非常適合于高溫鍛造加熱爐窯的使用。

⑷含鉻纖維高溫使用性能穩(wěn)定。實(shí)際應(yīng)用表明，在1200℃以上的高溫爐中工作半年后，含鉻纖維（模塊和毯）仍有足夠的彈性，而含鋯纖維（模塊和毯）會(huì)失去彈性，逐漸結(jié)晶、粉化。

圖1所示為AS（Al2O3-SiO2）、ASZ（Al2O3-SiO2-ZrO2）和ASC（Al2O3-SiO2-Cr2O3）陶瓷纖維在1100～1400℃高溫下隨時(shí)間變化的線收縮對(duì)比數(shù)據(jù)，可以看出ASC纖維在短期高溫煅燒后其狀態(tài)趨于穩(wěn)定，收縮最小，相同條件下明顯低于AS和ASZ。因此，含鉻纖維在長(zhǎng)期高溫下工作性能穩(wěn)定。

圖1 AS、ASZ、ASC陶瓷纖維高溫下隨時(shí)間變化的線收縮對(duì)比

有資料顯示，+6價(jià)的鉻具有很強(qiáng)的氧化作用，對(duì)人體的消化道、呼吸道、皮膚和黏膜都有危害，更甚者可導(dǎo)致肺癌。在含鉻纖維的生產(chǎn)中，作為添加劑的鉻粉中的鉻元素是+3價(jià)的。摩根公司為了探究含鉻纖維制品中的鉻元素高溫下是否存在價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)變（從+3價(jià)轉(zhuǎn)化成+6價(jià)），在美國(guó)賓州州立材料分析實(shí)驗(yàn)室對(duì)含鉻纖維加熱到1427℃，持續(xù)216h后對(duì)樣品進(jìn)行了XPS分析（X射線光電子能譜分析），結(jié)論是含鉻纖維樣品在加熱前后中探測(cè)到的所有的鉻都是以良性的+3價(jià)形式存在，所有樣品中都沒(méi)有探測(cè)到+6價(jià)的鉻。因此含鉻纖維生產(chǎn)、儲(chǔ)存及應(yīng)用過(guò)程中是不具有致癌性的。

基于含鉻纖維的高溫優(yōu)良性能，在大于1200℃的高溫鍛造加熱爐中可利用含鉻模塊或含鉻復(fù)合模塊替代含鋯模塊來(lái)提高高溫鍛造加熱爐的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

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1500高溫涂料

由于鍛造加熱爐工作溫度高，氣氛復(fù)雜（以重油為燃料，爐內(nèi)硫含量大，氣氛更為惡劣）、爐內(nèi)壓力大，為延長(zhǎng)含鉻纖維在鍛造加熱爐中的使用壽命，可在含鉻纖維表面涂覆1500高溫涂料。高溫涂料作為熱面涂層，可幫助襯里材料抵抗化學(xué)侵蝕和氧化皮侵蝕，減少氣氛的影響，提高襯里的熱效率，延長(zhǎng)襯里使用壽命。此外，涂層在高溫下與纖維發(fā)生適度的化學(xué)反應(yīng)，形成陶瓷結(jié)合，還可提高纖維的抗風(fēng)蝕、抗剝落及氣密性能。1500高溫涂料還可以作為鍛造加熱爐填補(bǔ)料，用于修補(bǔ)襯里裂縫、收縮縫（纖維收縮）和襯里受損區(qū)域（由撞擊等引起）。

結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)耐火保溫材料近年來(lái)得到了迅速發(fā)展，不僅數(shù)量上滿足了需要，而且產(chǎn)品質(zhì)量上也有很大進(jìn)步，但隨著國(guó)家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和節(jié)能環(huán)保政策的加強(qiáng)，新型節(jié)能降耗耐火保溫材料將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。在鍛造行業(yè)，針對(duì)加熱爐間歇式、高爐溫、高爐壓和氣氛復(fù)雜等運(yùn)行特點(diǎn)，根據(jù)不同部位（如爐墻、爐底和爐門(mén)）的不同使用要求，爐襯的選材、設(shè)計(jì)和施工必須合理、科學(xué)，才能最終達(dá)到節(jié)約能源和提高爐襯壽命的目的。然而目前國(guó)內(nèi)窯爐安裝隊(duì)伍多不具備專業(yè)施工資質(zhì)，施工水平參差不齊，尤其是鍛造加熱爐這種復(fù)雜爐況，必須在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)基礎(chǔ)上結(jié)合爐體現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量尺寸，制定優(yōu)化的施工方案才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。摩根熱陶瓷作為提供工程熱管理全套產(chǎn)品和解決方案的專業(yè)公司，對(duì)鍛造加熱爐的節(jié)能工程具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，建立了從爐體選材、方案設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、驗(yàn)收及后續(xù)服務(wù)等一系列完整的流程，最大化保證客戶利益。

劉斌，摩根凱龍（荊門(mén)）熱陶瓷有限公司總經(jīng)理，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，中國(guó)絕熱節(jié)能材料協(xié)會(huì)理事。