陶瓷纖維爐襯常見問題原因分析及解決方法

侯世英

（中國二十冶集團(tuán)有限公司，上海 201900）

當(dāng)前工業(yè)爐陶瓷纖維爐襯作為一種有效的節(jié)能手段應(yīng)用日趨廣泛。陶瓷纖維以其密度低、導(dǎo)熱系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好及抗熱震性強(qiáng)等優(yōu)良特性，已廣泛應(yīng)用于冶金、石油、化工、機(jī)械、電子、建筑、輕工等行業(yè)，是耐火、保溫、隔熱、隔音、防火的優(yōu)選材料。國內(nèi)耐火纖維的應(yīng)用多是將其二次制品如氈、毯、板、組合纖維塊等，在現(xiàn)場采用層鋪法、疊砌法、模塊或折疊塊等施工方法形成爐襯。

1 陶瓷纖維爐襯的主要結(jié)構(gòu)形式

在工業(yè)爐中陶瓷纖維爐襯常見的結(jié)構(gòu)形式主要有層鋪式、疊砌式、模塊復(fù)合結(jié)構(gòu)等。

層鋪式是將陶瓷纖維用于爐子內(nèi)襯的最常見的施工方法，在爐子的內(nèi)表面使用若干層不同等級、厚度相同或不同的陶瓷纖維毯，組合成層狀結(jié)構(gòu)，用耐熱鋼制造的錨固螺栓固定。 除工作層采用搭接方式鋪砌外，其余各層采用對縫連接方式鋪砌，各層間錯(cuò)縫鋪砌，如圖1所示。

圖1 層鋪式纖維爐襯示意圖

疊砌式是將陶瓷纖維毯切成長方形， 將其對應(yīng)于爐殼面成直角方向疊砌， 纖維毯的被切斷的端部可露于爐內(nèi)表面，毯子的寬面同爐襯厚度方向一致，并用耐熱鋼制做的穿釘穿入纖維毯中， 從而將其固定在爐殼上。爐頂采用疊砌式纖維毯爐襯時(shí)，利用專用胎具進(jìn)行鋪砌， 纖維毯人工壓縮率達(dá)15%～20%，保證纖維毯工作面的平整， 可減少常規(guī)鋪砌法造成的纖維毯層與層之間錯(cuò)臺、起皺等質(zhì)量通病。疊砌式纖維爐襯如圖2所示。

圖2 疊砌式纖維爐襯示意圖

纖維毯切成長條，層疊而成，或者將毯子來回折疊組合起來， 能夠?qū)⑺?guī)定厚度襯里層一次施工的模塊化的制品。 例如，現(xiàn)在當(dāng)從厚度25 mm的毯上制作300 mm×300 mm×100 mm的模塊時(shí)， 若將纖維毯切割成300 mm×100 mm， 逐層疊加在一起至規(guī)定層數(shù)再壓縮至300 mm時(shí)，稱為纖維模塊；將毯子切成300 mm×25 mm的長條然后疊加至規(guī)定層數(shù)再壓縮至300 mm，則稱為纖維折疊塊。 纖維模塊和纖維折疊塊如圖3所示。

圖3 纖維模塊和纖維折疊塊標(biāo)準(zhǔn)外形圖

纖維模塊或纖維折疊塊作為爐襯通常使用兩種安裝方法：粘結(jié)法和錨固法。 粘結(jié)用的模塊，用于已有爐襯的內(nèi)表面的強(qiáng)化絕熱（貼面襯砌），可用于內(nèi)襯層一側(cè)，因此可用氈或毯做坯料，層壓成長方形，再用有機(jī)或無機(jī)粘結(jié)劑粘結(jié)，形成一體化。用金屬錨固件安裝的模塊， 先要將固定模塊用的耐熱鋼螺栓焊接在爐殼內(nèi)側(cè)鋼板上，然后鋪砌1～2層纖維毯作為安全爐襯， 然后用螺母穿過纖維模塊將其固定于已焊接的螺栓上。

盡管陶瓷纖維爐襯優(yōu)勢明顯，但在不同氣氛、長期高溫使用過程中也存在很多問題，主要如下：

（1）錨固螺栓頭部及根部腐蝕；爐殼鋼板內(nèi)側(cè)腐蝕。

（2）陶瓷纖維爐襯與其他耐火材料不同，表面部位的纖維毯在高溫作用下受到氣流沖擊容易發(fā)生剝落、飛散而導(dǎo)致爐內(nèi)環(huán)境污染；

（3）纖維制品之間有接縫，在較高溫度下由于纖維的熱收縮性，很容易造成貫通縫隙，接縫開裂有可能導(dǎo)致熱量大量損失而使?fàn)t襯收縮及錨固件損壞變形，導(dǎo)致爐殼溫度過高甚至變紅。

當(dāng)然，耐火陶瓷纖維還有纖維澆注料、纖維噴涂料、纖維可塑料等不定形纖維材料，但根據(jù)應(yīng)用范圍和使用效果來看，層鋪式、疊砌式及纖維模塊復(fù)合結(jié)構(gòu)等作為爐襯應(yīng)用更加普遍。本文僅列舉了層鋪式、疊砌式及纖維模塊復(fù)合結(jié)構(gòu)等作為爐襯在使用過程中存在的主要問題， 對產(chǎn)生問題的原因進(jìn)行了具體分析，并提出了相應(yīng)的解決方法。

2 纖維爐襯產(chǎn)生問題的原因分析及解決方法

通過對纖維爐襯使用過程常見的問題進(jìn)行分析，主要可以歸為以下幾類問題。

2.1 陶瓷纖維爐襯錨固螺栓、爐殼的腐蝕問題

2.1.1 錨固螺栓頭部腐蝕

錨固螺栓的腐蝕， 主要是長時(shí)間在高溫下作用的結(jié)果。 目前陶瓷纖維爐襯安裝用的金屬錨固件基本上采用Fe-Ni-Cr三元系鐵基耐熱合金，主要生成的Cr2O3是高溫下熱力學(xué)唯一穩(wěn)定的氧化物，由于其晶體結(jié)構(gòu)與缺陷的存在，Cr2O3在高溫下會(huì)進(jìn)一步氧化，生成有揮發(fā)性的CrO3，這種反應(yīng)在950 ℃以上非?？?， 因此，Cr2O3保護(hù)膜的使用溫度不適宜超過1 000 ℃。 它在生長過程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)壓力，氧也有可能通過保護(hù)膜的微裂紋向里滲透，進(jìn)一步增大內(nèi)應(yīng)力，造成Cr2O3保護(hù)膜出現(xiàn)剝落。剝落后保護(hù)膜還要再一次重新形成， 幾次反復(fù)后耐熱合金全部被腐蝕掉， 所以一定要在錨固件的允許使用溫度范圍內(nèi)來選擇。

解決方法：

（1）改變錨固螺栓的材質(zhì)，如前半部分采用陶瓷材質(zhì)，與此配套固定螺母也采用陶瓷墊固定；或選用耐更高溫度的材料，或選用直徑更大的錨固螺栓。

（2）螺栓頭部及螺母用陶瓷纖維制品保護(hù)，如用濕氈將露出在爐內(nèi)的金屬部分包裹起來， 使其避免直接接觸爐氣中的煤氣， 以及采用陶瓷螺帽使錨固螺栓不暴露在爐內(nèi)等方法（見圖4）。

圖4 錨固螺栓頭部保護(hù)實(shí)物圖

2.1.2 錨固螺栓根部及爐殼內(nèi)側(cè)鋼板腐蝕

在燃燒重油的爐子中，重油燃燒會(huì)產(chǎn)生約1 500×10-6的SO2，其中約2%會(huì)轉(zhuǎn)變成酸根（SO3），爐膛內(nèi)的氣體溫度降至露點(diǎn)（SO3的含量為30×10-6、露點(diǎn)溫度約為130～150 ℃）以下，由于陶瓷纖維通氣性較好，爐內(nèi)氣氛通過纖維接觸到爐殼內(nèi)側(cè)鋼板時(shí)，含硫的氧化物在爐殼內(nèi)側(cè)與水分（爐內(nèi)水蒸氣在溫度較低的爐殼內(nèi)側(cè)結(jié)成露珠）一起形成濃度較高的硫酸，不僅將爐殼內(nèi)側(cè)鋼板和螺栓根部腐蝕，而且使陶瓷纖維變成黃色，其表面層可緩慢形成網(wǎng)狀的點(diǎn)腐蝕。

解決方法：

將腐蝕爐殼內(nèi)側(cè)鋼板和螺栓的爐氣用物理方法隔斷，在爐殼內(nèi)側(cè)鋼板及錨固螺栓根部涂耐酸涂料，或者在爐殼上噴一層澆注料也可以起到抗腐蝕作用。 另外一個(gè)有效的方法是在靠近爐殼內(nèi)側(cè)的絕熱層間鋪設(shè)不透氣的金屬箔或采用覆鋁箔針刺毯。 針對酸性氣氛的爐子，在爐殼內(nèi)側(cè)會(huì)產(chǎn)生酸，當(dāng)其濃度高時(shí)也可能侵蝕一般使用的含鈣錨固件， 此時(shí)選擇金屬錨固件必須慎重。

2.2 爐襯表面纖維毯產(chǎn)生剝落、飛散

重質(zhì)不定形耐火材料剝落是熱震性出現(xiàn)后，其抗熱震性差所致。陶瓷纖維爐襯表面的粉化剝落，與其有一定相似之處。耐火材料在高溫使用過程中，長時(shí)間和溫度變化使其內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)也在不斷變化，發(fā)展到一定程度必然伴有形狀的變化， 造成母體一定程度的變化，耐火纖維也是這樣，雖然其抗熱震性較好，但會(huì)失去彈性并出現(xiàn)較大的收縮。

陶瓷纖維在低溫下應(yīng)力未釋放仍能保持其不定形態(tài)或非晶態(tài)，不產(chǎn)生收縮。 在高溫下由于應(yīng)力的釋放、析晶與結(jié)晶、晶粒長大等因素的影響，耐火纖維開始釋放應(yīng)力的同時(shí)也伴隨著析晶，或由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生收縮。 陶瓷纖維在生產(chǎn)應(yīng)用中的損壞原因是長時(shí)間在高溫下加熱， 纖維發(fā)生析晶，晶粒長大和晶相轉(zhuǎn)變而出現(xiàn)的收縮，一是造成纖維桿自身斷裂粉化， 二是產(chǎn)生收縮形成纖維制品間隙擴(kuò)大，火焰竄入后燒壞爐殼、錨固件而使結(jié)構(gòu)破壞。

解決方法：

在設(shè)計(jì)高溫爐襯時(shí)應(yīng)首先要考慮選用陶瓷纖維的安全使用溫度，使用部位的溫度要經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算，選材時(shí)留有余地， 還必須充分考慮加熱使用的燃料種類、爐內(nèi)氣氛條件、環(huán)境條件等因素，選擇合適的防護(hù)方法， 如采用強(qiáng)度高、 耐氣流沖刷性能好的材料，使陶瓷纖維作為爐襯可以獲得長期穩(wěn)定的特性。陶瓷纖維爐襯表面可以采取防護(hù)技術(shù)， 主要有不銹鋼襯板防護(hù)、表面噴涂固化劑、陶瓷纖維板防護(hù)、貼面防護(hù)、硅鋁布防護(hù)、多晶纖維毯防護(hù)等技術(shù)，以防止剝落物、飛散物污染爐內(nèi)環(huán)境。

2.3 爐殼外表溫度過高

對于陶瓷纖維爐襯而言， 爐殼外表溫度高于設(shè)計(jì)值是一種常見的問題。 爐殼溫度高的原因主要是采用高導(dǎo)熱性的金屬錨固件、 無機(jī)質(zhì)的粘結(jié)劑以及纖維間的接縫開裂等幾個(gè)因素。 另外一個(gè)主要原因是爐墻內(nèi)部的對流傳熱， 陶瓷纖維制品具有90%以上的氣孔率，透氣性很高，因此與其他爐襯材料不同的是，爐內(nèi)氣氛處于容易進(jìn)出的狀態(tài)。因此在爐內(nèi)強(qiáng)制對流或者爐內(nèi)壓力高的時(shí)候， 就容易引起爐殼溫度上升。

解決方法：

（1）對導(dǎo)熱性良好的金屬錨固件，可以改變材質(zhì)，如前半部分采用陶瓷材質(zhì)，與此配套的固定螺母也采用陶瓷墊固定； 或螺栓頭部及螺母用陶瓷纖維制品保護(hù)， 如用濕氈將露出在爐內(nèi)的金屬部分包裹起來。

（2）增加爐襯厚度，采用透氣性低的絕熱材料，為了抑制對流侵蝕， 可在靠近爐殼內(nèi)側(cè)的絕熱層間鋪設(shè)不透氣的金屬箔或采用覆鋁箔針刺毯。

（3）采用透氣率較低的材料，如作為靠近爐殼的隔熱層采用巖棉等，但為了抑制爐墻內(nèi)的對流傳熱，可用透氣率低的材質(zhì)如硅酸鈣板等。

（4）陶瓷纖維爐襯接縫開裂，主要是模塊式爐襯和疊砌式爐襯， 向爐內(nèi)側(cè)重疊組合的接縫容易產(chǎn)生開裂。當(dāng)接縫開裂并擴(kuò)展到一定程度后，支撐爐襯的金屬支撐件會(huì)變形，爐殼也會(huì)變紅，可能成為安全隱患而且影響爐子正常使用。 爐襯安裝時(shí)必須加強(qiáng)質(zhì)量管控，嚴(yán)格按照施工工藝操作，爐子使用過程中及時(shí)對爐襯進(jìn)行檢修維護(hù)，下文將重點(diǎn)闡述。

2.4 纖維爐襯接縫開裂引起的錨固件變形、爐殼變紅

用陶瓷纖維制品施工的爐襯，不論是層鋪式、疊砌式還是模塊復(fù)合結(jié)構(gòu)， 都同過去的耐火磚結(jié)構(gòu)或澆注料、耐火可塑料的結(jié)構(gòu)不同，疊砌式、模塊式的纖維爐襯在制作安裝時(shí)不可避免受到一定程度的擠壓，在受力的過程中，纖維制品會(huì)產(chǎn)生變形，并具有一定的內(nèi)應(yīng)力。 這種內(nèi)應(yīng)力在爐子生產(chǎn)前和生產(chǎn)過程中都要釋放， 在內(nèi)應(yīng)力釋放過程中纖維制品發(fā)生開裂。如使用溫度超過纖維本身的析晶溫度，纖維會(huì)失去彈性，其應(yīng)力也隨之消失。不論是制作安裝原因還是纖維自身特性， 長時(shí)間高溫作用都會(huì)導(dǎo)致纖維在體積上的收縮，表現(xiàn)在模塊單元間接觸縫隙加大，高溫工作面由于長時(shí)間受熱， 先從工作面接觸縫裂開成錐形，火焰開始接觸內(nèi)兩側(cè)纖維，這樣兩側(cè)纖維又成了工作面。 纖維的收縮方向總是與火焰方向垂直相反內(nèi)向，收縮縫越來越大，最終導(dǎo)致火焰容易從此處竄入，使錨固件變形、爐殼鋼板氧化燒損嚴(yán)重。

用陶瓷纖維作為爐襯可以獲得長期穩(wěn)定的特性， 在較高溫度下操作爐子的最大問題是如何防止陶瓷纖維爐襯裂縫收縮。

（1）對于層鋪式纖維爐襯，施工過程質(zhì)量控制是關(guān)鍵。

如某立式連續(xù)退火爐其爐襯多采用層鋪式耐火纖維結(jié)構(gòu)，爐襯厚度200～300 mm，多采用不同溫度等級的8～12層25 mm厚耐火纖維毯層鋪而成。

由于纖維結(jié)構(gòu)層數(shù)多、等級不同，多采用橫向鋪砌法并且每層平臺鋪砌時(shí)要一次完成， 受到爐內(nèi)外平臺空間制約，堆放的成卷的纖維毯由于顏色、厚度相同，使用過程中極容易混淆。鋪砌過程中不論采用橫向鋪砌還是縱向鋪砌， 對于每段爐襯接縫處理時(shí)總存在不同程度的問題，如纖維等級混淆、內(nèi)外層錯(cuò)縫尺寸不夠、對接不夠嚴(yán)密等。

施工過程中采取的技術(shù)措施包括：在陶瓷纖維毯表面噴涂溫度等級字樣或在成卷端部按溫度等級噴涂不同顏色油漆做出標(biāo)識， 鋪砌時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求逐層鋪砌，確保不同等級的纖維毯正確使用；纖維毯鋪砌時(shí)應(yīng)減少接縫，且錯(cuò)縫鋪設(shè)，各層間錯(cuò)縫不少于100 mm；隔熱層可采用對縫連接，受熱面層接縫應(yīng)搭接，搭接長度不少于100 mm；纖維毯在對縫處應(yīng)留有余量以備壓縮；在爐墻轉(zhuǎn)角或爐墻與爐頂、爐底連接處，纖維毯應(yīng)交錯(cuò)相接，不得內(nèi)外通縫；遇孔洞部位加工時(shí)，切口尺寸應(yīng)小于實(shí)際尺寸；緊固錨固件時(shí)，應(yīng)松緊適度等等。

（2）對于疊砌式和纖維模塊復(fù)合結(jié)構(gòu)，選擇正確的材質(zhì)和壓縮比，加強(qiáng)施工過程質(zhì)量控制，生產(chǎn)運(yùn)行及時(shí)維護(hù)。

陶瓷纖維疊砌式和纖維模塊復(fù)合結(jié)構(gòu)選材時(shí)，除滿足最重要的溫度條件， 還要考慮爐內(nèi)煙氣條件和經(jīng)濟(jì)效益等方面的要求， 以獲得最佳的應(yīng)用節(jié)能效果。 選用陶瓷纖維制品的分級溫度應(yīng)高于爐內(nèi)設(shè)計(jì)溫度至少100 ℃以上， 纖維制品只有在低于分級溫度100～200 ℃以下使用方能保持纖維類材料的優(yōu)良的使用性能和較長的使用壽命。

陶瓷纖維疊砌式和纖維模塊的體積密度對導(dǎo)熱系數(shù)影響較大， 纖維壓縮比一般約為20%～25%，模塊最佳體積密度為180～240 kg/m3，如果小于該值，其抗沖刷性和抗侵蝕能力將降低，而高于該體積密度，在纖維模塊制作過程中， 纖維被折斷的可能性大大增加， 同時(shí)固態(tài)纖維本身形成一個(gè)通道使傳熱量增大，氣孔率降低從而導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增加。

施工時(shí)對于安全爐襯即疊砌式和纖維模塊的背襯更應(yīng)重視， 一般安全爐襯采用兩層纖維毯層鋪式鋪設(shè)，層與層之間接縫應(yīng)錯(cuò)開，錯(cuò)縫不少于100 mm；對縫連接嚴(yán)密。錨固件焊接過程應(yīng)保證位置精確，焊接牢固。

對于疊砌式纖維爐襯， 采用粘結(jié)劑在其表面貼砌一層模塊， 表面再涂刷一遍高溫涂料或表面固化劑，也可以起到抑制纖維裂縫的作用。

對于采用兵列式排列的纖維模塊（見圖5），不同排之間必須用相應(yīng)材質(zhì)的補(bǔ)償纖維毯對折、 壓縮擠緊后塞入。當(dāng)用于爐頂時(shí)，補(bǔ)償纖維毯還要用耐熱不銹鋼“U”形釘進(jìn)行固定以防止其脫落。

圖5 兵列式排列纖維模塊示意圖

對于采用拼花地板式排列的纖維模塊（見圖6），為保證模塊區(qū)域安裝密實(shí)度， 局部應(yīng)加墊同材質(zhì)的纖維毯， 其折疊后的尺寸比加墊區(qū)域的尺寸稍大約5～10 mm，折疊紋朝向爐內(nèi)工作層。

圖6 拼花地板式排列纖維模塊示意圖

不論對哪種排列方式的纖維模塊和疊砌式爐襯，安裝結(jié)束后應(yīng)及時(shí)檢查纖維爐襯的密實(shí)度，若密實(shí)度不足或空隙較大時(shí)應(yīng)立即進(jìn)行補(bǔ)償毯的填塞；在纖維模塊或疊砌式纖維表面涂刷配套的高性能的涂料或表面硬化劑， 也可以有效防止纖維爐襯裂縫的產(chǎn)生。

對普通的陶瓷纖維爐襯， 側(cè)墻轉(zhuǎn)角、 側(cè)墻與爐頂、 爐底的連接或與其他耐火材料連接的部位出現(xiàn)問題較多，這些部位不能有直通縫，必須采用交錯(cuò)相接并密實(shí)。

總之，陶瓷纖維爐襯由于其機(jī)械強(qiáng)度極小，易遭受工件的碰撞、刮傷等等，也容易受到堿蒸汽等的化學(xué)侵蝕。 若致密的耐火材料受到損傷， 只僅限于表面，而陶瓷纖維的損傷則大得多，因此陶瓷纖維襯砌的爐子必須高度重視安裝質(zhì)量及運(yùn)行維護(hù)過程的修補(bǔ)。爐襯施工時(shí)必須嚴(yán)格按照工藝要求施工，質(zhì)量控制必須貫穿于施工全過程， 發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理和修復(fù)。在多數(shù)情況下纖維爐襯接縫開裂出現(xiàn)的較早，因此爐子烘爐生產(chǎn)操作開始后， 最晚一個(gè)月內(nèi)就要對爐襯進(jìn)行檢查修補(bǔ)。此后，除發(fā)現(xiàn)纖維爐襯有裂縫及時(shí)進(jìn)行填塞處理外， 基本不需要對爐襯進(jìn)行長期的連續(xù)修補(bǔ)。

3 結(jié)語

綜上所述， 陶瓷纖維爐襯已成為目前爐襯發(fā)展的一種趨勢，代表著工業(yè)爐現(xiàn)代化發(fā)展的水平，陶瓷纖維爐襯的正確采用與否， 直接決定著爐子的使用效果、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，在設(shè)計(jì)、選材、施工及生產(chǎn)時(shí)應(yīng)充分考慮文中提出的問題及解決方法， 使陶瓷纖維爐襯的性能最優(yōu)化， 真正能高效生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品并發(fā)揮好節(jié)能降耗作用。