EC&S沖天爐用耐火材料及筑爐流程介紹

孫 帆,李孝艷,劉曉斌,喬進(jìn)國(guó)

（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261199）

近年來(lái)，隨著鑄造生產(chǎn)水平的提高，沖天爐開(kāi)始向“大型化、熱風(fēng)水冷無(wú)爐襯、連續(xù)出鐵”的方向發(fā)展[1]。而采用熱風(fēng)技術(shù)的沖天爐，其內(nèi)部耐火材料的侵蝕遠(yuǎn)比冷風(fēng)爐更為嚴(yán)重，同時(shí)想要實(shí)現(xiàn)連續(xù)出鐵即增加沖天爐爐齡，選用合適的耐火材料變得尤為重要。根據(jù)沖天爐不同部位的溫度及使用要求，選擇性能優(yōu)異的耐火材料，可以有效減少侵蝕，延長(zhǎng)使用壽命，對(duì)實(shí)現(xiàn)沖天爐的長(zhǎng)爐齡和熔化狀況的穩(wěn)定都有重要的意義。本文對(duì)EC&S沖天爐用耐火材料的性能和成分等做了詳細(xì)介紹，并總結(jié)該沖天爐的筑爐流程。

1 EC&S沖天爐簡(jiǎn)介

濰柴鑄鍛公司所用EC&S沖天爐為熱風(fēng)水冷長(zhǎng)爐齡沖天爐，設(shè)計(jì)熔化速率為35t/h，出鐵溫度1500℃，可連續(xù)運(yùn)行45天，相對(duì)于電爐熔化，沖天爐熔化是一種更經(jīng)濟(jì)的化鐵方式。

當(dāng)前EC&S沖天爐采用兩班制操作，鐵焦比為8∶1，爐料配比為70%廢鋼∶20%回爐∶10%生鐵及適量硅鐵和錳鐵，使用提升機(jī)從爐頂向爐內(nèi)加料，加入16～17批料滿爐即可開(kāi)風(fēng)熔化。每天熔化時(shí)間約10小時(shí)，熔化量400噸。由于EC&S沖天爐的長(zhǎng)爐齡設(shè)計(jì)，每天熔化結(jié)束后，只需放空爐內(nèi)殘留的鐵水和爐渣，并補(bǔ)充適量焦炭，不用進(jìn)行修爐操作。同時(shí)在EC&S沖天爐整個(gè)熔化周期內(nèi)，沖天爐的熔化速率、送風(fēng)量、鐵焦比及鐵水質(zhì)量都可以保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

2 常用耐火材料介紹

耐火材料是耐火度不低于1580℃的無(wú)機(jī)非金屬材料。耐火材料在無(wú)荷重時(shí)抵抗高溫作用的穩(wěn)定性，即在高溫?zé)o荷重條件下不熔融軟化的性能稱為耐火度，它表示耐火材料的基本性能[2]。

耐火材料主成分是指對(duì)材料的性質(zhì)起決定作用并構(gòu)成耐火基體的成分。耐火材料按其主成分的化學(xué)性質(zhì)可分為酸性耐火材料、中性耐火材料和堿性耐火材料。

酸性耐火材料是以SiO2為主成分的耐火材料，主要指硅磚和鋯英石磚等，抗酸性爐渣侵蝕能力強(qiáng)，但抗熱振性差。

中性耐火材料是以Al2O3、Cr2O3和碳為主成分的耐火材料，包括剛玉磚，高鋁磚等，對(duì)酸性渣和堿性渣都有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，其中以Al2O3基耐火材料應(yīng)用最為廣泛，具有化學(xué)穩(wěn)定性好，耐高溫、耐磨等優(yōu)異性能。

堿性耐火材料主要是指以MgO和CaO為主成分的耐火材料，包括鎂磚、鎂鋁磚、鎂鉻磚等，其對(duì)堿性渣具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力。

除常見(jiàn)的磚型耐火材料外，在沖天爐上廣泛使用的一類耐火材料是不定性耐火材料。

所謂不定性耐火材料，是指具有一定粒度級(jí)配的耐火骨料和粉料、結(jié)合劑、外加劑混合而成不經(jīng)成型和燒成而直接使用的耐火材料，分為澆注料、噴涂料、搗打料、干振料、耐火泥漿等。

3 EC&S沖天爐用耐火材料介紹

3.1 EC&S沖天爐爐體結(jié)構(gòu)

圖1為EC&S沖天爐爐體結(jié)構(gòu)示意圖，爐體由爐殼（分為熔化帶和預(yù)熱帶兩部分）、爐缸、出鐵口、分渣器、流槽、引風(fēng)環(huán)等組成。熔化帶爐殼采用無(wú)爐襯設(shè)計(jì)，爐殼采用AIXI X－1050型鋼，熔化過(guò)程中外加循環(huán)水冷卻爐殼，這是由于熔化帶工作溫度高，受鐵水沖刷和侵蝕嚴(yán)重，若在該部位增加耐火材料，其侵蝕速度會(huì)非?？?，無(wú)法保證沖天爐的長(zhǎng)爐齡設(shè)計(jì)，同時(shí)熔化帶的爐徑會(huì)隨著熔化時(shí)間的延長(zhǎng)而變大，造成熔化狀態(tài)的不穩(wěn)定。除熔化帶爐殼外，EC&S沖天爐爐體其余部位均有耐火材料。表1為EC&S沖天爐主要部位耐火材料工作溫度及要求。根據(jù)各部位的工作溫度及要求，選擇合適的耐火材料，可有效提高使用壽命，降低成本。

圖1 EC&S沖天爐爐體結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 引風(fēng)環(huán)耐火材料

引風(fēng)環(huán)是沖天爐上部圍繞爐體的環(huán)形管道，作用是將沖天爐爐氣引出并導(dǎo)向燃燒室，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。引風(fēng)環(huán)內(nèi)耐火材料應(yīng)具有隔熱保溫的作用，同時(shí)要保護(hù)爐體不受損傷。熱風(fēng)沖天爐用噴涂料常采用以粘土熟料或高鋁礬土熟料為骨料，以水玻璃等為結(jié)合劑的耐火材料。EC&S沖天爐引風(fēng)環(huán)內(nèi)部使用GUN CAST 28LI噴涂料，該材料具有回彈量小，噴補(bǔ)性能優(yōu)異的特點(diǎn)，其成分組成為 Al2O3:48.0%；SiO2:41.4%；CaO:6.0%；Fe2O3:1.8%；Na2O+K2O：1.8%。其中 Na2O+K2O以 R2O·nSiO2·mH2O形式存在（R2O表示堿金屬），俗稱水玻璃。水玻璃溶于水中會(huì)水解形成溶膠，溶膠具有良好的膠結(jié)性能[4]。噴涂料采用機(jī)械噴射方法施工，加入適量的水玻璃，有利于提高材料的施工性能。

3.3 預(yù)熱帶耐火材料

預(yù)熱帶位于熔化帶以上，引風(fēng)環(huán)以下，工作溫度范圍較寬，在650～1100℃之間。預(yù)熱帶要承受鐵料從爐頂?shù)袈鋷?lái)的機(jī)械沖擊和熔化過(guò)程中爐料下降導(dǎo)致的磨損，同時(shí)由于預(yù)熱帶工作溫度范圍寬，還需要有承受冷熱沖擊的能力。

表1 EC&S沖天爐主要部位耐火材料工作溫度及要求

圖2 EC&S沖天爐引風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

預(yù)熱帶使用低水泥莫來(lái)石基體澆注料QUICKCAST62，其主要成分組成為Al2O3:66.1%；SiO2:27.2%。莫來(lái)石是以3Al2O32SiO2結(jié)晶相為主要成分的耐火原料，具有良好的高溫力學(xué)性能，以莫來(lái)石為基體的耐火材料具有高的密度和純度，同時(shí)有優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和抗熱震性，低的熱膨脹率。天然莫來(lái)石較為稀少，現(xiàn)在工業(yè)用的莫來(lái)石基本為人造莫來(lái)石，采用燒結(jié)法或電熔法制得。

低水泥莫來(lái)石基體澆注料水泥含量為3%～8%，且CaO含量?jī)H為2%，比同材質(zhì)普通澆注料使用溫度高，最高使用溫度可達(dá)1700℃。

3.4 爐缸耐火材料

爐缸區(qū)位于風(fēng)口以下，工作溫度在1350～1650℃，爐缸內(nèi)側(cè)受到鐵水及爐渣的沖刷和侵蝕，工作環(huán)境較為惡劣。爐缸由多種耐火材料共同構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可知，爐底材料為兩層搗打料，爐壁由外向內(nèi)依次是陶瓷纖維紙、高鋁磚、澆注料和噴涂料。

圖3 EC&S沖天爐爐缸結(jié)構(gòu)示意圖

爐底下層使用CW LADLE RAM 搗打料，其成分組成為Al2O3:59.8%；SiO2：37.8%，是一種氧化鋁基耐火材料，將其用在爐底的最下層，可以有效抵抗鐵水在爐底的滲透。爐底上層使用CW THERMOSIL RAM搗打料，其成分組成為Al2O3:52%；SiO2:10%；(SiC+C):32%，它是一種添加了樹(shù)脂結(jié)合劑的Al2O3和(SiC+C)混合搗打耐火材料，該材料強(qiáng)度較高，化學(xué)性能穩(wěn)定，顆粒尺寸較下層材料更大，同時(shí)由于添加了SiC+C，可以有效抵抗鐵水的沖刷和侵蝕。

爐壁部分最外側(cè)耐火材料是一層1.6mm厚的Al2O3/SiO2基的陶瓷纖維紙，具有保溫隔熱和密封的作用。陶瓷纖維紙內(nèi)側(cè)為一層高鋁磚，磚之間的縫隙填充氣硬性耐火膠泥。高鋁磚內(nèi)側(cè)為VCAST980A澆注料，這是一種超低水分和水泥的莫來(lái)石基澆注料，施工完成后其內(nèi)部的水分可以快速以氣體形式排出，其強(qiáng)度高，氣孔率低，體積穩(wěn)定性好。爐壁最內(nèi)側(cè)為一層KARB SHIELD GUN噴涂料，SiC+C含量高達(dá)45%且添加抗氧化劑，其施工性能較好，可以有效抵抗鐵水和爐渣的侵蝕。爐缸修筑完成后可以連續(xù)熔化35天。

3.5 出鐵口耐火材料

出鐵口位于爐缸底部，連接爐缸和分渣器，其位置如圖3所示。出鐵口截面積小，鐵水流速快，因此出鐵口受到鐵水的沖刷腐蝕嚴(yán)重，其壽命往往決定著爐齡的長(zhǎng)短。出鐵口耐火材料為CW368塑性料，是含有(SiC+C)25%的剛玉基材料，尤其適合于抗侵蝕條件苛刻的部位，具有較好的施工性能，結(jié)構(gòu)致密且氣孔率低。

3.6 分渣器耐火材料

分渣器位于出鐵口外側(cè)，作用是利用鐵水和爐渣的密度不同將其分離，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。鐵水經(jīng)擋渣板撇去浮渣后流出分渣器，而爐渣留在擋渣板的左側(cè)并從排渣口排出，這樣就實(shí)現(xiàn)了鐵渣分離。

圖4 EC&S沖天爐分渣器結(jié)構(gòu)示意圖

分渣器使用含（SiC+C）28%的剛玉基潮打耐火材料CW469 RAM搗打而成，該材料結(jié)構(gòu)致密，氣孔率低，具有優(yōu)異的抗渣侵蝕能力和抗氧化能力。

3.7 流槽耐火材料

流槽是連接分渣器和保溫電爐的部分，耐火材料使用含有MgO4.5%的高鋁基澆注料，該材料具有較強(qiáng)的抗鐵水沖刷能力、高的冷熱強(qiáng)度和抗渣侵蝕能力。Al2O3-MgO基的耐火材料在1400℃會(huì)生產(chǎn)尖晶石，導(dǎo)致體積發(fā)生膨脹，使得組織致密化，可以有效抵抗鐵水和爐渣的滲透[5]。

4 EC&S沖天爐筑爐流程

4.1 引風(fēng)環(huán)修筑

引風(fēng)環(huán)使用風(fēng)動(dòng)噴涂機(jī)將GUN CAST 28LI噴涂料噴至引風(fēng)環(huán)內(nèi)壁，采用半干法施工，即先加少量水將噴涂料潤(rùn)濕，然后噴涂過(guò)程中在噴嘴處加剩余水，最終將耐火材料壓實(shí)在內(nèi)壁。引風(fēng)環(huán)側(cè)面噴涂料厚度為7.6cm，上下面厚度為15.2cm，噴涂過(guò)程中，適當(dāng)調(diào)節(jié)噴涂風(fēng)壓，一次噴涂厚度以噴涂料不滑移或不墜落為準(zhǔn)，且不宜小于20mm。

沖天爐停爐期間可以打開(kāi)引風(fēng)環(huán)對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，首先清理引風(fēng)環(huán)內(nèi)及引風(fēng)環(huán)通向燃燒室管道內(nèi)的積塵殘?jiān)瑫r(shí)，檢查其內(nèi)壁的完好性，如內(nèi)壁耐火材料有脫落，使用塑性耐火材料把脫落的地方用力搗實(shí)、修平，然后用封箱膏和石棉紙將引風(fēng)口密封。

4.2 預(yù)熱帶修筑

預(yù)熱帶耐火材料使用QC62澆注料澆注而成，設(shè)計(jì)厚度為23cm。將預(yù)制的圓柱形胎具安裝到爐殼內(nèi)，并將澆注料澆注到胎具與爐殼的間隙中，澆注料經(jīng)12小時(shí)可以完全水硬固化。澆注料使用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌預(yù)處理，調(diào)節(jié)水的加入量來(lái)優(yōu)化施工性能。

4.3 爐缸及出鐵口修筑

爐缸由多種耐火材料共同構(gòu)成，其修筑過(guò)程也較為復(fù)雜。首先是緊貼爐壁鋪設(shè)一側(cè)陶瓷纖維紙，在纖維紙內(nèi)側(cè)砌一層高鋁磚，厚度為12cm，高鋁磚之間的縫隙使用耐火膠泥抹平，然后安裝澆注用內(nèi)胎，使用V-CAST980A澆注料填滿高鋁磚與內(nèi)胎間的空隙。出鐵口與爐缸同時(shí)進(jìn)行修筑，將出鐵口胎具安裝到位，胎具底部應(yīng)當(dāng)高出爐底30cm，并伸出爐壁內(nèi)側(cè)5cm，以保證其它部位耐火材料施工完成后出鐵口不被堵塞。使用CW368塑性料對(duì)其進(jìn)行修筑，材料的厚度至少達(dá)到10cm。

待耐火材料固化后拆除胎具并用天然氣和焦炭進(jìn)行烘烤，以排出耐火材料中的水分，烘烤工藝如圖5所示。以不大于15℃/小時(shí)的升溫速度開(kāi)始加熱，在烘烤過(guò)程中如出現(xiàn)帶壓蒸汽排出，應(yīng)停止升溫，并在這一溫度下進(jìn)行保溫，直到帶壓蒸汽消失后，再繼續(xù)烘烤過(guò)程。

圖5 EC&S沖天爐烘爐工藝

烘烤完成后，使用啟動(dòng)噴涂機(jī)在澆注料內(nèi)側(cè)噴一層5cm厚的KARB SHIELD GUN噴涂料，并修補(bǔ)找平。爐底最下層使用CW LADLE RAM搗打料，厚度為10～15cm，遠(yuǎn)離出鐵口一側(cè)要高于出鐵口側(cè)5cm，即爐底要有3°～5°的的斜度，以利于鐵水和爐渣的流出。爐底上層為CW THERMOSIL RAM搗打料，厚度約20cm。搗打料均使用專門(mén)的搗打機(jī)進(jìn)行打?qū)嵳移健t底和噴涂料施工完成后，再次加入適量焦炭進(jìn)行烘烤。

4.4 分渣器和流槽修筑

分渣器使用CW469 RAM潮打料修筑，在分渣器底部加入該材料搗打緊實(shí)并安放胎具，隨后搗打整個(gè)分渣器至出鐵口底部。分渣器修好后用小火烘烤12小時(shí)以避免出現(xiàn)裂紋，起出胎具后用大火烘烤24小時(shí)即完成修筑過(guò)程。

流槽的修筑過(guò)程與分渣器類似，不同的是流槽選用69A澆注料，修筑時(shí)直接澆注，不需要進(jìn)行搗打。澆注完成后固化48小時(shí)，然后進(jìn)行烘烤24小時(shí)，流槽即修筑完成。

5 總結(jié)

本文對(duì)濰柴EC&S沖天爐的情況進(jìn)行了介紹，分析了沖天爐主要部位耐火材料工作溫度及要求，同時(shí)對(duì)各部位當(dāng)前使用的耐火材料的成分和性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明耐火材料的選用符合工作要求，滿足EC&S沖天爐的長(zhǎng)爐齡設(shè)計(jì)，總結(jié)了EC&S沖天爐的修筑過(guò)程及需要注意的事項(xiàng)，為以后的修筑工作提供借鑒和參考。