軋鋼加熱爐水梁耐材裂紋的分析

張克純，丁元強，高春麗，劉瑞洪，韓廣勝

（山東聚辰熱能科技有限公司，山東 濱州 255300）

軋鋼加熱爐的水梁設(shè)計結(jié)構(gòu)以步進式、推鋼式為代表。預(yù)熱段溫度一般在800～1 000 ℃，加熱段溫度一般在1 100～1 300 ℃， 出鋼溫度一般在1 200～1 250℃； 所以軋鋼加熱爐內(nèi)所分布的水梁處于不同的溫度環(huán)境中。筑爐完成烘爐以后，水梁耐火材料工作襯體沿水梁環(huán)向和縱向易出現(xiàn)裂紋， 環(huán)向裂紋之間跨度間隔一般在0.5 m左右，縱向裂紋沿水梁方向的單側(cè)或雙側(cè)均有出現(xiàn)，加上膨脹縫和施工縫，裂縫顯得格外偏多，裂紋寬度在1～3 mm不等。 過多的水梁裂紋不僅影響了外觀質(zhì)量， 也增加了使用過程中水梁耐材剝落的幾率。出現(xiàn)裂紋以后，業(yè)主、設(shè)計、施工及材料各方站在本位主義的立場各執(zhí)一詞， 然而問題沒能得到解決。 本文以水梁鋼構(gòu)件與耐材對應(yīng)溫度下的熱膨脹差異進行問題討論分析， 力求尋找一個合理的解決方向，以解決問題為目的，客觀、公正、科學地認識和分析水梁裂紋， 并推出水梁用微膨脹自流澆注料，加上施工、設(shè)計技術(shù)彌補進行項目試用，通過試驗跟蹤驗證，得到了良好的收效。

1 水梁結(jié)構(gòu)設(shè)計概況

步進式加熱爐橫梁為雙水梁結(jié)構(gòu)， 水梁立柱有單立柱和雙立柱之分；推鋼加熱爐多以單水梁為主，不管單水梁還是雙水梁，耐材裂紋存在共性，所以暫以雙水梁為代表進行討論分析。 水梁頂部設(shè)計有耐磨滑塊直接接觸鋼坯起支撐作用，水冷管為20#碳鋼設(shè)計，壁厚一般為16～20 mm，水冷管外壁焊接有耐熱不銹鋼錨固件，在耐火材料施工前，錨固釘涂刷1 mm厚度的瀝青漆； 水冷管設(shè)計水壓1.3 MPa以內(nèi)，管內(nèi)為飽和蒸汽， 循環(huán)狀態(tài)下的正常工作壓力為0.8～1 MPa，水冷管內(nèi)蒸汽溫度在180 ℃左右。緊貼水冷管外包裹有20 mm左右厚度的硅酸鋁陶瓷纖維棉， 外側(cè)澆注施工70 mm左右厚度的自流耐火澆注料。 圖1為水梁結(jié)構(gòu)圖，圖2為橫梁截面圖。

圖1 水梁結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 橫梁截面圖（B-B截面）

2 裂紋在加熱爐水梁上的具體表現(xiàn)

加熱爐耐材施工完畢后便進入烘爐階段。 烘爐一般有兩種形式： 第一種形式為烘爐到一定程度便開始布鋼，投入試生產(chǎn)或正式生產(chǎn)階段；第二種形式按照烘爐曲線執(zhí)行完畢后便有序降溫停爐， 進行爐內(nèi)檢查和細節(jié)完善工作。 結(jié)合多年的現(xiàn)場勘察對比發(fā)現(xiàn)： 烘爐結(jié)束直接投入生產(chǎn)的加熱爐水梁不規(guī)則裂紋較少一些，所表現(xiàn)出的裂紋寬度略窄一點，基本在1 mm左右；烘爐結(jié)束后便降溫停爐的項目，水梁不規(guī)則裂紋表現(xiàn)明顯，且數(shù)量偏多，裂紋寬度偏大，最大能達3～4 mm。 水梁三通環(huán)向、縱向不規(guī)則裂紋更為明顯，水梁立柱縱向裂紋偏多，并且上下貫通；橫梁除環(huán)形裂紋以外，沿中線縱向裂紋也較為明顯。圖3為水梁裂紋示意圖；圖4為橫梁實物裂紋圖；圖5為水梁立柱實物裂紋圖片。

圖3 水梁裂紋示意圖

圖4 橫梁實物裂紋圖

圖5 水梁立柱實物裂紋圖片

3 加熱爐水梁裂紋產(chǎn)生的原因分析

3.1 水梁熱工設(shè)計參數(shù)

圖6為水梁測溫依據(jù)結(jié)構(gòu)圖，根據(jù)加熱爐水冷管設(shè)計壓力和正常工作壓力條件，查飽和蒸汽壓力與溫度對應(yīng)表，得到水冷管內(nèi)部飽和蒸汽溫度在180 ℃左右，因為水梁分布在爐內(nèi)預(yù)熱段、加熱段及均熱段，即水梁耐材工作層溫度按1 000 ℃、1 300 ℃及1 200 ℃進行參考計算，初始環(huán)境溫度均按常溫20 ℃參考，相關(guān)熱工參數(shù)均參考工業(yè)爐設(shè)計手冊[1]（見表1）。

表1 水梁設(shè)計相關(guān)熱工參數(shù)

圖6 水梁測溫依據(jù)結(jié)構(gòu)圖

表2為水梁自流澆注料理化指標及檢測數(shù)據(jù)，因為本圓筒壁熱流方向?qū)儆谟赏庀騼?nèi)導熱， 并且半徑比較小，所以采用多層平面壁導熱公式進行計算，先計算出熱流密度， 再采用多層平面壁層間界面溫度計算公式，計算出相關(guān)界面溫度，從而計算出耐火材料與金屬水冷管壁在對應(yīng)溫度狀態(tài)下的膨脹量，再計算降溫到常溫狀態(tài)下的線變化量， 結(jié)合其他因素的影響，最終找出裂紋產(chǎn)生的主要原因。

表2 水梁自流澆注料理化指標及檢測數(shù)據(jù)

3.2 熱工參數(shù)計算

由于中間層硅酸鋁陶瓷纖維棉屬于軟質(zhì)物體，故只考慮耐火材料與碳鋼水冷管之間的應(yīng)力關(guān)系；因水冷管碳鋼材質(zhì)導熱系數(shù)較大，正常工作狀態(tài)下t3在爐內(nèi)的溫度差較小，其導熱系數(shù)變化較小，影響甚小，可忽略不計，所以不考慮其溫度差異的影響，線膨脹率采用同一參數(shù)12×10-6/℃計算。

穩(wěn)態(tài)多層平壁熱流密度計算公式：

穩(wěn)態(tài)多層平壁層間界面溫度計算公式：

式中：q—熱流密度，W/m2

t—各層間溫度，℃

δ—相關(guān)層材料厚度，mm

λ—相關(guān)層材料的平均熱導率，W/（m·℃）

根據(jù)已知條件先計算出自流耐火澆注料、 陶瓷硅酸鋁纖維棉的平均熱導率， 碳鋼水冷管熱導率較大，壁厚較薄，影響偏差小于0.2%，故直接采用導熱值45 W/（m·℃）為其平均熱導率；以t1=1 000 ℃為例，按試算逼近法，先假設(shè)中間溫度t2=800 ℃，t3=185 ℃，則自流耐火澆注料平均熱導率為：

通過公式（1）計算出熱流密度：

通過公式（2）計算出層間溫度：

與原假定t2=800 ℃，t3=185 ℃相比， 約差分別為2.8%和1.6%，t2差值均略大，需重新假定t2=777 ℃、t3=182 ℃進行計算（進行迭代法計算以不超2%為標準，直至達到要求為止）。182 ℃

再次與假定t2=777 ℃、t3=182 ℃相比， 約差分別為0.26%和0%，基本趨于無窮接近，即為計算出的結(jié)果正確。

采用同樣的方法把t1所處不同溫度段的熱流密度和各層間溫度計算結(jié)果匯總于表3。通過表3的t3結(jié)果， 可判定為水冷管在正常工作狀態(tài)下的溫度環(huán)境相對穩(wěn)定，幾乎無溫差，所以，在計算水冷管正常工作狀態(tài)下的熱膨脹量時不再考慮其不同溫度段的溫差影響，即按182 ℃參考計算。

表3 t1所處不同溫度段時t2、t3計算出的對應(yīng)溫度

熱膨脹量計算公式：

式中：ΔL—熱膨脹量，mm

α—熱膨脹系數(shù)，10-6/℃

L—單位長度，m

T1—原始溫度，20 ℃

T2—工作溫度，℃

由公式（3）得出水冷管工作狀態(tài)下各溫度段的熱膨脹量：

ΔL=12×10-6×1×（182-20）=1.94 mm/m

根據(jù)表2已知檢測數(shù)據(jù)由公式（3）得出水梁耐材正常工作狀態(tài)下各溫度段的熱膨脹量：

由于加熱爐工作狀態(tài)下， 爐內(nèi)區(qū)間溫度并非像設(shè)計那么完美，爐內(nèi)是一個非均溫的工作環(huán)境，在此分析過程暫且不考慮過渡區(qū)間的溫度狀態(tài)， 按既定設(shè)計溫度參考分析。根據(jù)熱膨脹量計算公式，所計算出的水冷管、 水梁耐材工作狀態(tài)下的熱膨脹量及相互之間對應(yīng)關(guān)系參數(shù)匯總于表4。

表4 水梁耐材與水冷管不同溫度的膨脹變化

4 計算結(jié)果討論分析

從表4數(shù)據(jù)可以看出， 加熱爐正常工作狀態(tài)下，低溫段耐材的膨脹量在6.6 mm/m， 而相對應(yīng)水冷管的膨脹量為1.94 mm/m， 兩者之間有4.66 mm/m的相對差；加熱段、均熱段相對差分別為6.66 mm/m和6.1 mm/m。 從數(shù)據(jù)上分析，正常工作狀態(tài)下耐材的膨脹量要大于水冷管， 所以耐材施工留設(shè)合理的膨脹縫是必要的； 耐材與水冷管在爐內(nèi)的膨脹方向是多方向的，主要以長度方向向兩側(cè)膨脹為主。目前耐材的過盈熱膨脹應(yīng)力釋放主要從以下幾個因素分解：①水梁耐材施工過程所留設(shè)的膨脹縫；②耐材脫水和燒結(jié)過程的自身微收縮；③硅酸鋁纖維棉的柔軟性和錨固件施工時的特殊處理吸納。

從對各個項目現(xiàn)場了解的狀態(tài)分析， 高溫狀態(tài)下很少出現(xiàn)剝落以及脹裂拉伸裂紋現(xiàn)象， 主要是材料在高溫時處于膨脹狀態(tài)， 設(shè)計有膨脹縫所確保的應(yīng)力釋放空間， 高溫狀態(tài)下金屬錨固件同時伴有高溫韌性，可以跟隨耐材的膨脹進行微量位移，故而很少出現(xiàn)剝落和裂紋現(xiàn)象。 大部分裂紋都是降到常溫后進爐檢查時才發(fā)現(xiàn)， 而大部分裂紋的斷面較為新鮮，沒有受到煙氣污染的表象，并且使用溫度在不超1 200 ℃的部位和使用時間很短的爐型上表現(xiàn)居多。根據(jù)常規(guī)耐材線變化檢測數(shù)據(jù)分析， 燒后常溫狀態(tài)一般處于負變化，所以，水冷管降溫后恢復(fù)到了原始長度， 但耐材由于體積的負變化會產(chǎn)生過多的收縮拉伸，降溫過程錨固件堅硬程度隨之上升，會阻止耐材的空間位移， 單純錨固件施工時的纏繞膠帶或涂刷瀝青的處理效果是不夠的，故而在長度方向0.5 m左右便出現(xiàn)不同程度的環(huán)形裂紋， 并伴隨大量豎紋的出現(xiàn)， 也足以證明大部分水梁裂紋是在降溫過程出現(xiàn)的。

水梁耐材大部分為鋁硅系耐火自流澆注料，由于本系列耐材1 200～1 550 ℃會伴隨一定量的二次莫來石相變[2]，區(qū)間內(nèi)溫度、反應(yīng)時間和相變量成正比， 帶來一定量的不可逆體積變化， 相變充分的耐材，線變化基本處于正值，彌補了耐材降溫過程的過度收縮所帶來的裂紋現(xiàn)象， 這也印證了部分加熱爐烘爐后直接布鋼連續(xù)工作一類爐型， 停爐后很少發(fā)現(xiàn)裂紋的原因。

綜合分析， 加熱爐水梁裂紋的出現(xiàn)是在一個復(fù)雜多變、相互交錯的環(huán)境中產(chǎn)生，水梁裂紋的影響因素較多，比如設(shè)計不合理、耐材制造欠佳、施工質(zhì)量差及爐子超常規(guī)使用等。就本文所描述的裂紋而言，就是金屬材料與無機非金屬材料之間， 在不同環(huán)境溫度下的相互應(yīng)力作用結(jié)果。所以，解決水梁裂紋是一個共同提高和不斷改進的過程， 設(shè)計要結(jié)合相關(guān)聯(lián)的熱工參數(shù)，耐材要關(guān)注和了解現(xiàn)場應(yīng)用，施工不能單純地追求進度和成本， 各專業(yè)之間要相互學習和交流， 理論和應(yīng)用相結(jié)合， 對問題進行不斷的改進，共同努力來推動工業(yè)窯爐領(lǐng)域的不斷進步。

5 降低或減少水梁裂紋的建議措施

5.1 設(shè)計與施工措施

從設(shè)計角度對水梁的膨脹縫留設(shè)做出要求，立柱之間的橫梁脹縫跨度以0.8～1.2 m為宜， 兩端留設(shè)2～3 mm脹縫即可，最大跨度盡量不要超過1.5 m。

埋設(shè)在澆注料內(nèi)的錨固釘， 以纏繞塑膠類材料為宜，尤其錨固件的端頭要確保處理到位，避免高溫金屬膨脹導致垂直應(yīng)力脹裂耐材； 水梁立柱高度以不超過1.5 m為宜，作為三通連接處的施工脹縫要設(shè)置填充物； 施工過程將硅酸鋁纖維棉在水冷管上包扎纏緊，耐材攪拌加水嚴格安照施工說明進行控制，確保施工質(zhì)量和烘烤工藝。

5.2 耐材設(shè)計措施

水梁耐材一般采用自流或半自流鋁硅系耐火澆注料，按加熱爐的常規(guī)使用溫度參考，降溫后的線變化一般為負值，以調(diào)節(jié)成正值為宜，耐材配置設(shè)計微膨脹自流澆注料更佳，1 200～1 300 ℃的線變化檢測值在0～+0.5%為宜。

5.3 水梁用微膨脹抗渣自流澆注料的應(yīng)用

從表5微膨脹抗渣自流澆注料的檢測指標分析，脫模強度和烘干強度不是太高， 但足以滿足脫模施工，隨著溫度的提高，強度逐步增加，加熱永久線變化在1 200 ℃和1 300 ℃時已經(jīng)達到了微膨脹的效果，與軋鋼加熱爐的實際工作溫度較為吻合。在某項目進行工業(yè)應(yīng)用，通過組織安排合理施工，加強施工要點控制； 從施工到后期應(yīng)用等相關(guān)環(huán)節(jié)進行跟蹤驗證，微膨脹抗渣自流澆注料能夠滿足加熱爐使用，烘爐后水梁耐材襯體除膨脹縫以外基本沒有出現(xiàn)不規(guī)則裂紋，并且具有良好的抗渣效果。 圖7為水梁用微膨脹抗渣自流澆注料施工過程脫模照片；圖8為水梁用微膨脹抗渣自流澆注料烘爐后的照片。

圖7 水梁用微膨脹抗渣自流澆注料施工脫模圖片

圖8 水梁用微膨脹抗渣自流澆注料烘爐后圖片

表5 水梁用微膨脹抗渣自流澆注料理化指標

6 結(jié)語

（1）加熱爐水梁耐材裂紋，是屬于金屬水冷管與耐材襯體兩種不同材料在復(fù)雜多變環(huán)境下的膨脹、收縮變化不同所帶來的應(yīng)力作用裂紋， 一般在降溫過程中出現(xiàn)。

（2）加熱爐水梁采用微膨脹抗渣自流澆注料，能夠彌補加熱爐降溫過程因水梁耐材過度收縮造成的體積變化；結(jié)合優(yōu)化設(shè)計、合理施工，可以減少甚至杜絕加熱爐水梁耐材應(yīng)用過程的裂紋出現(xiàn)， 而且能起到對氧化鐵皮起到抗侵蝕作用。