探討加熱爐改造過(guò)程中耐火材料的應(yīng)用

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2107-5042-4394

摘? 要：耐火材料是指非金屬材料在無(wú)荷重的情況下能耐超過(guò)1 600? ℃的高溫，隨著現(xiàn)代科技與工藝的進(jìn)步，耐火材料實(shí)現(xiàn)了多重改革，特別是各類(lèi)耐火材料礦產(chǎn)資源的發(fā)現(xiàn)、挖掘、提煉技術(shù)的進(jìn)步，為將加熱爐改造得更加精良提供了基礎(chǔ)與保障?；诖?，該文深入探究了耐火材料在加熱爐上的發(fā)展歷程及應(yīng)用，并為之后加熱爐的改造提供有效的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：加熱爐? ?耐火材料? ?發(fā)展歷程? ?應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TG155.1;TQ175.7? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）06（b）-0033-03

Discussion on the Application of Refractory in the Transformation of Heating Furnace

GAO Yan

（Fujian Sangang Metallurgical Construction Co.， Ltd.， Sanming， Fujian Province，365000 China）

Abstract： Refractories refer to non-metallic materials that can withstand high temperatures of more than 1 600 ℃ without load. With the progress of modern science and technology， refractories have realized multiple reforms， especially the progress of discovery， mining and refining technology of various refractory mineral resources， which provides a foundation and guarantee for the transformation of heating furnace. Based on this， this paper deeply explores the development and application of refractories in heating furnace， and provides effective reference value for the transformation of heating furnace.

Key Words： Heating furnace; Refractory material; Development history; Application

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以及對(duì)耐火材料需求的增加，我國(guó)在耐火材料的探索、提煉上進(jìn)行了深入研究。當(dāng)前，我國(guó)各省區(qū)已探明的耐火材料資源有數(shù)百億噸，為動(dòng)力、機(jī)械制造、石油、化工等行業(yè)的需求提供了良好的保障。加熱爐是提煉、鍛造金屬設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)設(shè)備的軋制、鍛造以及成品有著巨大的影響，因此提高耐火材料在加熱爐中的應(yīng)用，使之能抗更高的溫度，為鍛造金屬提供有效熔爐，是當(dāng)前研究與改造的重點(diǎn)。該文針對(duì)耐火材料的分類(lèi)、發(fā)展以及在加熱爐中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的分析，希望能進(jìn)一步為加熱爐之后的改造提供參考價(jià)值。

1? 耐火材料的分類(lèi)

耐火材料是指無(wú)機(jī)非金屬材料能經(jīng)受住1 600 ℃以上的溫度，包括天然礦石和特定工藝生產(chǎn)的各種產(chǎn)品，例如：高粘土、粘土磚、保溫磚等，在高溫條件下仍然保持良好的物理性能與力學(xué)性能，擁有高強(qiáng)度的穩(wěn)定性，是各種高溫裝置的必備材料，耐火材料一般是與高溫技術(shù)相輔相成的，在東漢時(shí)期，耐火材料一般為黏土，大多數(shù)窯體也是用黏土質(zhì)制成。1990年初，耐火材料發(fā)展成為高純度、高密度、超高溫產(chǎn)品，并出現(xiàn)了耐火纖維或無(wú)定型耐火材料，無(wú)需燒結(jié)，能耗低。如今，在核能技術(shù)、新能源技術(shù)的支持下，耐火材料已護(hù)肩具有抗腐蝕、耐高溫等特點(diǎn)。

耐火材料因用途不一分為了多種品種，因此，為了方便對(duì)耐火材料進(jìn)行科學(xué)研究、有效管理和合理選用，有必要進(jìn)行科學(xué)分類(lèi)。目前，主要將耐火材料按照化學(xué)屬性分類(lèi)，也有將之按照化學(xué)礦物組成分類(lèi)，或者按照生產(chǎn)工藝分類(lèi)、材料形態(tài)分類(lèi)等，這些均是耐火材料分類(lèi)的有效方法。

（1）根據(jù)耐火材料所能承受溫度的高低，可分為3個(gè)層次。第一層次為普通材料，可耐受1 770 ℃以下的溫度;第二層次為高級(jí)耐火材料，可耐受2 000 ℃以下的溫度;第三層次為特級(jí)耐火材料，可以耐受2 000 ℃以上的溫度。

（2）依據(jù)制品的不同形狀與尺寸，可以將耐火材料分為標(biāo)準(zhǔn)型、異型、特異型等不同的分類(lèi)，主要的制品包括坩堝、管道、器皿等。

（3）依據(jù)制造方法可以將耐火材料分為不定型耐火材料、燒成制品以及不燒成制品這3個(gè)部分。

（4）依據(jù)化學(xué)屬性可以將耐火材料分為中性耐火材料、酸性耐火材料以及堿性耐火材料這3種。

（5）依據(jù)化學(xué)礦物質(zhì)組成來(lái)進(jìn)行分類(lèi)是當(dāng)前耐火材料最常見(jiàn)的分類(lèi)方法，在科研、使用以及生產(chǎn)過(guò)程中均具有較強(qiáng)的實(shí)際意義?？梢砸罁?jù)其礦物質(zhì)組成分為硅制、鎂鈣質(zhì)、鎂硅質(zhì)碳復(fù)合耐火材料等。

（6）依據(jù)耐火材料使用方法分類(lèi)，可以將之分為耐火泥漿、干式振動(dòng)料、投射料等10種。

2? 耐火材料的發(fā)展歷程

耐火材料將直接決定加熱爐爐型結(jié)構(gòu)，對(duì)其運(yùn)行工況、使用壽命與檢修次數(shù)均有重要影響。我國(guó)加熱爐總體來(lái)說(shuō)共經(jīng)歷了3個(gè)時(shí)期，下文就詳細(xì)對(duì)3個(gè)時(shí)期進(jìn)行分別闡述。

2.1 粘土磚和高鋁磚時(shí)期

在20世紀(jì)中期以前，我國(guó)主要是用黏土磚與高鋁磚等作為耐火板，爐體結(jié)構(gòu)以國(guó)產(chǎn)化為主。高溫性能差和爐子結(jié)構(gòu)缺陷是爐子使用壽命很低的原因。另外，爐子在運(yùn)行中容易溶解、脫落，從而造成爐體局部損壞嚴(yán)重，不得不經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)，致使工作效率低下。

2.2 搗打料、可塑料、粘土澆注料和水泥結(jié)合普通澆注料時(shí)期

從20世紀(jì)70年代末到20世紀(jì)80年代，爐子都配備了閘板材料、塑料澆注，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次改良，傳統(tǒng)的磚砌爐子結(jié)構(gòu)逐漸向無(wú)粘結(jié)耐火材料應(yīng)用轉(zhuǎn)變，爐體的建造也逐漸開(kāi)始用澆注料與水泥進(jìn)行配合使用，這樣不僅可以承擔(dān)適合砌體的平頂結(jié)構(gòu)，而且具有良好的整體性和空氣密度，更有利于對(duì)加熱爐的維護(hù)與保養(yǎng)。

2.3 低水泥、超低水泥和無(wú)水泥澆注料時(shí)期

自工業(yè)革命以來(lái)，耐火材料技術(shù)等到了飛速發(fā)展，特別是不著色耐火材料技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)出現(xiàn)了低水泥、超低水泥、無(wú)水泥鑄件等一批高技術(shù)耐火材料，并在冶金行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。低水泥、無(wú)水泥以及超低水凝鑄件等是在件是在普通鑄件的基礎(chǔ)上，運(yùn)用流變學(xué)原理、最致密的包裝理論和最細(xì)的粉末技術(shù)研制而成的一種高技術(shù)耐火鑄件。由于采用了最緊湊的包裝理論和超細(xì)粉體技術(shù)，該類(lèi)材料具有低孔隙率、低孔徑、高密度、強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

3? 耐火材料在加熱爐的應(yīng)用

爐墻、爐頂、爐底這3個(gè)部分共同組成了爐體，也就是這3個(gè)部分的耐火性能將直接決定加熱爐的使用壽命與質(zhì)量。在加熱爐的一側(cè)前壁上建造一個(gè)最終燃燒器，在吸入段的前壁上安裝一個(gè)出口門(mén)，在前壁的另一側(cè)安裝一個(gè)支撐槍。除爐門(mén)和入口開(kāi)口外，加熱部分的側(cè)壁上有時(shí)還安裝有側(cè)燃燒器^[1]。水冷器滑塊或陶瓷坩堝合在一起，其間的走道由實(shí)心梁（地板）和走道梁組成。傳統(tǒng)上，爐頂是指由磚或無(wú)定形耐火材料制成的固體爐的地板。影響風(fēng)蝕和熱應(yīng)力，特別是加熱部分前面的爐板和吸入?yún)^(qū)，容易損壞，是整個(gè)爐膛最為薄弱的地方，若是無(wú)法保證這個(gè)地方耐火材料的應(yīng)用，將對(duì)整個(gè)加熱爐的使用壽命造成影響。

3.1 磚砌爐體用隔熱磚和耐火磚砌筑的爐襯

加熱爐的保溫能力是由黏土保溫磚、硅藻土以及耐火纖維膜制造而成。用磚砌的爐體的厚度為113～300 mm。爐墻臺(tái)面采用粘土煙花砌筑，厚度為230～400 mm。這些洞可以用磚拱、特殊的封條或長(zhǎng)的粘土煙花來(lái)建造。如果爐墻很高，就要適當(dāng)間隔安裝高鋁拉石，防止?fàn)t墻起作用。同時(shí)，爐墻地面應(yīng)夯實(shí)，爐墻受鉆孔影響易損壞。燃燒器周?chē)锌缀蛡?cè)孔的爐壁最易受高溫、快速冷熱和機(jī)械作用的破壞，爐膛下層厚度為300～400 mm，一般將采用黏土耐火磚來(lái)砌筑預(yù)熱段，在加熱段一般采用高鋁磚砌筑，并在其上方放置一層冶金氧化鎂以及抗氧化鐵的侵蝕，在保護(hù)層也可以直接用鎂磚砌筑。但是，由于高溫、撞擊、運(yùn)動(dòng)鎖定和爐渣侵蝕等原因，吸入段的大塊地板插入床很快被破壞，若是使用高鋁磚或者鎂磚作為工作層的時(shí)候，大約擁有半年以上的壽命，若是使用剛玉磚等作為耐火材料的時(shí)候，其一般壽命可以達(dá)到一年以上。磚拱屋面，層厚230～250 mm，保溫70 mm左右^[2]。懸掛式平屋頂?shù)膾齑u分為凹槽、凹槽、雙音符和拉伸式。通常，鋁土礦用于懸掛，高粘土也用于高溫范圍。不均勻懸石一般用于爐板的加深，無(wú)需形成保溫層。壁爐爐頂?shù)谋Ｙ|(zhì)期為1～2年，高鋁氧化磚軸線(xiàn)稍長(zhǎng)，未燒鋁可使燒成磚的耐久性提高一倍。在正常運(yùn)行時(shí)，軋鋼爐的使用壽命一般為1～3年，而鍛造爐由于間歇運(yùn)行、熱應(yīng)力和機(jī)械碰撞等原因，使用壽命為3～11個(gè)月。

3.2 耐火纖維可塑料搗制爐體

爐體采用耐火纖維和塑料沖壓成型，帶錨固件的工作層采用耐火塑料沖壓成型。錨與掛磚之間的縫隙應(yīng)用耐火塑料填充，并用風(fēng)錘或搗固機(jī)壓印。包括爐帶，通常是分層分段建造，表面刮毛，氣孔捆綁，拉伸點(diǎn)切除。因此，采用耐火纖維可塑料搗制爐體的優(yōu)點(diǎn)是：整體性強(qiáng)，燒結(jié)性好，耐高溫，襯里不會(huì)脫落，其使用壽命將達(dá)到13年以上^[3]。

3.3 襯火澆注料澆灌爐體

爐襯用于澆注爐子的工作層，爐壁和爐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)與耐火塑料爐房的結(jié)構(gòu)相同，在安裝錨或掛磚后，將耐火澆注料混合物放置在一側(cè)，然后用振動(dòng)器（棒）振搗密實(shí)，必須進(jìn)行連續(xù)施工和及時(shí)維護(hù)。20世紀(jì)80年代以前，采用高鋁水泥或抗磷耐火材料澆灌爐子工作層，但爐子工作層在高溫范圍內(nèi)容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂變，使用壽命一般為2～4年。20世紀(jì)80年代以來(lái)，窯梁工作層在窯樹(shù)上采用了各種粘土膠或低水泥離心機(jī)，在高溫區(qū)采用了剛玉、莫來(lái)石或抗渣蝕鎂鉻鑄鐵澆水，在水床上采用耐磨鋼纖維鑄鐵澆水，干燥時(shí)間約為8天。正常運(yùn)行時(shí)，軋鋼爐的壽命可達(dá)4～10年，加熱爐的使用壽命為2～4年。

燒器是一種耐火制品，用于燃燒器的不同部位，主要是為了聚攏火焰，以更好地達(dá)到適宜溫度，一般情況下?tīng)t頂安裝的是平焰燃燒器，在爐壁上安裝其他燃燒器。燃燒器采用鐘形塔的形式，鐘形塔由一個(gè)或多個(gè)部件組成，并與爐體結(jié)合。燃燒器中心應(yīng)與燃燒器中心對(duì)齊，充分保證空氣與燃燒料進(jìn)行有效融合，形成穩(wěn)定的燃燒火焰，并保證整個(gè)燃燒過(guò)程良好。磚體及其周?chē)臓t襯經(jīng)常處于高溫狀態(tài)，用于煤氣的粘土燒嘴的使用壽命約為1年，但只有3～6個(gè)月，當(dāng)使用高鋁氧化物或硅藻土燒嘴時(shí)，其使用壽命為1～2年。采用剛玉或莫來(lái)石低水泥阻燃劑制成的燃燒器可用于加熱器，使用壽命為6個(gè)月到3年^[4]。

3.4 燃燒室用耐火材料

加熱爐燃煤燃燒室可以分為旋風(fēng)式活塞式兩種，通常由地板、墻壁和頂部組成。普通燃燒室的內(nèi)襯通常用粘土磚或高鋁磚砌筑。由于高溫和高溫波動(dòng)，爐渣在除渣過(guò)程中受到侵蝕和破壞，其使用壽命約為1年。

其主要是采用剛玉磚、莫來(lái)石、鎂鋁錠等耐火材料來(lái)澆筑爐體，充分保證爐體的整體性能，其使用壽命也可以達(dá)到1～2年。尾窯是連接燃燒室與加熱爐之間的通道，在工作時(shí)，內(nèi)部的溫度將達(dá)到1 600 ℃^[5]。其主要是用剛玉磚或者是硅線(xiàn)石磚，使用壽命只有半年左右。

3.5 爐底水冷管絕熱用耐火材料

大中型推鋼或步進(jìn)式高爐的地下水冷管由厚壁水冷管的縱向、橫向和支撐管組成，保溫的目的是減少冷卻介質(zhì)的熱量供應(yīng)，減少熱量，提高加熱質(zhì)量。隔熱方法包括用特殊粘土磚或蹄封制成的馬賽克，用耐火塑料或鑄鐵制成的焊接磚預(yù)制塊焊接，以及用耐火纖維膜現(xiàn)場(chǎng)粘合，壽命一般為3～12個(gè)月^[6]。現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)采用優(yōu)質(zhì)耐火塑料、超低水泥、無(wú)水泥等耐火澆注料，使用壽命1年以上。

4? 結(jié)語(yǔ)

自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)不斷加強(qiáng)冶金行業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)，隨著對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)、吸收、消化與研究，我國(guó)冶金行業(yè)的裝備水平得到了巨大提升，尤其是對(duì)新型耐火材料的研究與應(yīng)用更是取得了重大突破。加熱爐作為冶金行業(yè)重要的加工設(shè)備，對(duì)整個(gè)加工過(guò)程有著無(wú)與倫比的影響力。而耐火材料對(duì)加熱爐的爐型、使用壽命、運(yùn)行狀況等有著巨大影響，因此探究加熱爐改造過(guò)程中耐火材料的應(yīng)用，將是冶金行業(yè)當(dāng)前與未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)研究項(xiàng)目之一。該文主要是從耐火材料分類(lèi)、耐火材料發(fā)展史以及耐火材料在加熱爐中的應(yīng)用3個(gè)方面進(jìn)行闡述，希望能為加熱爐的改造提供一點(diǎn)參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁偉成，徐光，袁清，等.非等溫氧化工藝下含Si低碳鋼氧化行為的實(shí)驗(yàn)研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，40（4）：245-250.

[2] 袁清，徐光，周明星.低碳高強(qiáng)鋼氧化鐵皮的形貌和熔化過(guò)程研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，40（5）：321-325.

[3] 夏盛流.淺談步進(jìn)式加熱爐安裝和爐襯施工技術(shù)要點(diǎn)[J].華東科技：學(xué)術(shù)版，2017（10）：334-335，364.

[4] 黃育飛，王戰(zhàn)民，曹喜營(yíng)，等.耐火澆注料爆裂理論研究及應(yīng)用實(shí)踐[J].中國(guó)有色冶金，2019，48（2）：1-5.

[5] 張豐，胡浩.耐火纖維噴涂技術(shù)在冶金加熱爐上的運(yùn)用[J].世界有色金屬，2019，4（14）：120，122.

[6] 張永.探討轉(zhuǎn)底式加熱爐的爐襯設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018，14（17）：94-95，98.

作者簡(jiǎn)介：高巖（1982—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)闋t窯砌筑施工管理。