辊底式加热炉耐火浇注料的研究动态

辊底式加热炉耐火浇注料的研究动态

辊底式加热炉是连接薄板厚连续机和薄板厚的装置。（1）根据工艺要求均匀加热薄板的芯部。目前投产的生产线连铸坯入炉温度一般在850~1050℃之间,出炉温度(轧制温度)为1130~l150℃,在炉内需提温80~300℃。要求出炉板坯长度与宽度方向温差小于10℃(板坯边部约40mm范围内温度比中部温度高约40℃)。(2)在单尺坯轧制时,炉子能储存若干块单尺坯;当轧机换辊或出现事故停轧时,连铸机送来的薄板坯可储存在加热炉内,保证连铸机正常生产,炉子起到了缓冲、储存的作用。根据轧钢工艺要求,单尺坯生产时,缓冲时间应大于12min,确保轧机有充足的时间换辊和处理事故。为了减少炉体散热,节约能源,同时为保证在辊底式加热炉发生故障时能够打开炉膛进行快速冷却,以便尽快进入炉内抢修,辊底炉全部采用轻质耐火材料砌筑,以降低炉体的蓄热和导热。本文对国内辊底式加热炉用耐火浇注料和炉辊隔热耐火材料的研究动态进行综述。1机械主料的研制在CSP工艺中,轧机能力是连铸机能力的2倍,需要2台铸机和1条轧线相匹配,因而需2座加热炉来共同完成两线连铸向一线轧机供坯的任务。主流加热设备是炉长较长的辊底式加热炉,例如:邯钢薄板坯连铸连轧工程中的辊底式加热炉炉长为179.6m(1号加热炉)+66.8m(2号保温炉),内宽为2280mm。包钢薄板厂辊底式炉长度为:1号炉200.8m;2号炉200.15m;炉子内宽2160mm;涟钢CSP辊底式加热炉长度1号炉为291m;2号炉288m;炉子内宽2080mm等。炉顶及侧墙上部采用硅酸铝质陶瓷纤维折叠块砌筑,炉顶盖支撑梁采用轻质粘土浇注料配以锚固砖浇注。表1为施罗曼·西马格公司提供辊底式加热炉用耐火浇注料的技术要求,具体有最高使用温度为1375℃的高强度浇注料、1204℃的隔热浇注料、1260℃的隔热浇注料、1093℃的隔热浇注料和1316℃的熔合硅浇注料5种。濮耐高温材料有限公司和武汉科技大学进行了耐火浇注料的国产化研究。对于1375℃高强度浇注料,用于均热炉的炉墙、部分炉顶、渣斗的高温侧,直接与火焰和氧化铁皮相接触,采用焦宝石为主要原料,以纯铝酸钙水泥为结合剂。对于1204℃、1093℃和1260℃3种隔热浇注料,体积密度为900kg/m3左右。其中1260℃隔热浇注料用在烟道内衬,烟气温度为1250℃,使用条件相对1093℃隔热浇注料和1204℃隔热浇注料苛刻,选择氧化钾、氧化钠和氧化铁含量相对较低的多孔熟料A为主要原料。1204℃和1093℃隔热浇注料使用温度一般不超过1200℃,用在隔热层,选择普通多孔熟料B为主要原料。3种隔热浇注料中均加入了漂珠,以铝酸钙水泥为结合剂。1316℃熔合硅浇注料,正常工作温度为1200~1300℃,用于浇注均热炉炉顶的连接梁,工作条件较为苛刻;由于炉顶连接梁没有膨胀缝,所以要求其体积稳定性好、热稳定性优、高温强度大和导热系数低,是CSP薄板坯均热炉用耐火浇注料中极为关键的材料,所以选择熔融石英为主要原料,同时加入氧化铝微粉和硅微粉,以纯铝酸钙水泥为结合剂。CSP薄板坯均热炉用耐火浇注料的主要原料化学成分见表2。在上述原材料选择的基础上,对于1375℃高强度浇注料,为了降低体积密度,在研制过程中,加入少量的多孔熟料A,使研制的1375℃高强度浇注料达到了指标要求。对于1204℃、1093℃和1260℃三种隔热浇注料,关键是控制浇注料的体积密度。对于1316℃熔合硅浇注料,骨料主要选择熔融石英。熔融石英线膨胀系数小,具有热震稳定性较高的特点。基质料加入适量的氧化铝来提高材料的高温性能,为了提高熔合硅浇注料的施工及使用性能,基质部分还加入了适量的氧化铝微粉和氧化硅微粉,采用低水泥结合的方式,研制的浇注料满足1316℃熔合硅浇注料的指标要求。图1为所研制的1316℃熔合硅浇注料的线膨胀率,该浇注料从室温到1300℃线膨胀率均小于0.3%,说明该浇注料体积变化较小。另外,该浇注料经1100℃水冷试验,热震稳定性大于30次,而且经30次热震后的砖面用肉眼几乎看不到有裂纹,说明其热震稳定性较好。另外,该浇注料0.1MPa的荷重软化温度(变形0.6%)1295℃,表明该料有一定的高温使用承受能力。研制的耐火浇注料于2003年6月用于华菱薄板有限公司CSP均热炉A线施工,合计用量694.5t,其中1375℃高强度浇注料345t,1204℃隔热浇注料95t,1260℃隔热浇注料31t,1093℃隔热浇注料178t,1316℃碳熔合硅浇注料45.5t。整个均热炉于2003年12月28日施工结束,2004年1月25日试产,现经1年多的运行情况看,所研制的CSP薄板坯均热炉用耐火浇注料满足了使用需要,整个均热炉的运行效果令人满意,达到了设计要求。2试验研究与试验结果炉辊辊身由两根同心碳钢管构成,冷却水由内管进入,从两管间环缝排出。辊身上带有4个耐热铸钢辊环,用以支撑板坯,辊环外径300mm,厚81mm,材质为高合金耐热铸钢。为防止板坯产生黑印,相邻炉辊上的辊环呈交错布置。辊身和辊环采用装配结构,避免了不同材质间焊接问题。辊环间的辊身用耐热材料绝热。辊身的绝热采用镍丝纤维绳和纤维喷涂包扎。炉辊通过“C”形钩并借助车间吊车人工更换,用时约30min。辊底式加热炉通过辊身上4圈宽为80mm的辊环与铸坯接触,完成铸坯的支撑与输送。由此可见,炉辊是辊底式加热炉机械设备中最重要、最易损坏的关键设备,其在线量大、价格高、寿命低。例如:邯钢CSP两座加热炉炉辊总量为218套,包钢CSP两座加热炉炉辊总量为338套。然而,由于炉辊隔热包扎专利技术的限制,炉辊目前由国外整体进口。对于炉辊金属结构部分,其国产化的关键是耐热钢环。包钢于2001年9月开始进行炉辊及辊环的国产化研制。根据德国提供的辊环耐热温度小于1200℃和钢号化学成分(如表3);通过对LOI炉辊辊环的取样分析(如表4),进行了代用材料的成分设计(如表5)。完成了KHR48N钢的试制,其化学成分、物理力学性能如表6、7所示。经过2年的国产化研究,炉辊从小批量试用发展为成批使用,其耐热性、耐磨性、耐腐蚀性、寿命与德国LOI产品相当,但价格仅为LOI辊的1/3,每支节省人民币5万元。包钢炉辊辊身采用陶瓷纤维喷涂料和耐火纤维绳包扎,为德国RHI公司生产,由散状陶瓷纤维喷涂料与结合剂(即喷涂用胶)经喷涂机处理形成粘稠浆状混合物,通过喷枪直接喷射到转动的炉辊表面,与陶瓷纤维绳一同黏结在一起。拍打成型后,经干燥炉(200±10)℃烘烤38h后使用。这种喷涂料为含锆高铝纤维棉,耐温1400℃;陶瓷纤维绳内附加强耐热合金钢丝,耐温900℃;炉辊最高使用温度达1250℃,设计使用寿命为10个月。由于炉辊布置区域、部位不同,有的炉辊寿命可达1年。但由于其产品成分要求苛刻、技术含量高、使用条件恶劣等因素,长期以来依赖进口,曾试用国产耐材,但终因使用寿命短(仅4个月左右)而被淘汰。目前,已试验了几家国外公司的产品,其中,1家德国公司的炉辊结构较为特殊,其辊身先用纤维棉包扎后再用耐热钢板做为外层保护套,预计其使用寿命在1年以上,但实验结果只有5个月左右,主要由于外层保护钢板与纤维棉之间密封不严,导致窜火烧损炉辊。由于其价格相当昂贵(每根造价大约在5000欧元)、施工难度大,最终未能应用。针对炉辊隔热耐火材料剥落修复后烘烤时间长的问题,涟钢与濮耐提出了采用免烘烤快干防爆耐火浇注料进行修复的思路,并根据辊底式加热炉的设计参数(如表8),制定了浇注料的理化性能要求(如表9),选择表10中的原材料,进行了浇注料的研制,并在涟钢与原普通低水泥浇注料包扎炉辊和纤维绳、纤维喷涂包扎炉辊进行了对比试验,实验结果表明,普通低水泥浇注料包扎炉辊使用6个月左右,出现大于15%的浇注层剥落而终止使用;纤维绳、纤维喷涂包扎炉辊使用寿命一般小于3个月;同时,采用这两种方法修复的炉辊使用前都需进行36h的烘烤;而采用免烘烤快干防爆耐火浇注料包扎的炉辊使用寿命大于10个月,浇注脱模后,自然放置8h便可使用。针对国内CSP加热炉炉辊大部分从国外整体进口的现状,以及采用耐火纤维绳缠绕加耐火喷涂料,或者采用耐火浇注料震动成型两种方法制作的进口炉辊存在的不足,主要有:(1)采用耐火纤维绳缠绕加耐火喷漆涂料制作的炉辊,制做工艺复杂,制出的炉辊强度低,抗震动性能差,不耐高温烟气冲刷,使用寿命低,并且使用前必须烘烤,投资大,占地面积也大;(2)采用耐火浇注料制作的炉辊,制做工艺简单,使用前不必烘烤,所用的耐火浇注料的主要成分为Al2O3、SiO2,但炉辊在使用过程中经常出现炸裂,影响炉辊的使用寿命,使用寿命只有6个月左右。马钢提供了一种不易炸裂的炉辊包扎用耐火浇注料发明专利,是由下述配比的组分(质量分数/%)制成:电熔莫来石(小于3mm)为20~45,焦宝石(l~5mm)0~30,莫来石(小于200目)10~20,堇青石(小于5mm)10~25,蓝晶石(小于180目)5~10,氧化硅微粉(小于5μm)2~3,氧化铝微粉(小于5μm)5~8,高铝水泥4~5,不锈钢纤维2~4,防爆纤维0.1~0.15,三聚磷酸钠0.15~0.3,水7.5~10。其中,高铝水泥为A80水泥,不锈钢纤维长×宽×高为20mm×1mm×0.5mm。防爆纤维熔点为110~160℃。针对炉辊常规纤维喷涂隔热包扎方式使用寿命短而浇注料包扎方式隔热性能差的实际问题,从提高隔热性能与延长使用寿命的综合角度考虑,洛阳创新耐火材料有限公司与珠钢提供了一种提高炉辊保温材料寿命的方法。该方法可以较好地解决炉辊耐材使用寿命短(小于3个月)和保温性能差(炉辊冷却水回水温度大于50℃)造成能源浪费两个主要问题。其技术方案是:先在炉辊辊环与辊环之间的水冷管壁上,按100~150mm间距,焊接上Φ8mm×50mm的304耐热钢铆固钉。在水冷管壁上均匀涂抹轻质耐火胶泥,然后用厚度为25mm的陶瓷纤维毯将炉辊水冷管包扎起来,在已包扎了纤维毯的水冷管上缠绕Φ10~20mm耐热钢丝增强的陶瓷纤维绳,边缠绳边涂抹耐火胶泥。绳与绳之间缝隙为1~2mm左右,确保绳的四周均有胶泥粘附,纤维绳缠绕至距辊环表面以下10mm处,再在纤维绳缠绕表面抹上一层约3mm厚的耐火胶泥,此后,炉辊放入烘烤炉进行100~200℃烘烤不小于8h。3加热炉用纳米材料的国产化辊底式加热炉是薄板坯连铸机与薄板坯连轧机之间的连接设备,其工作性能的好坏将直接影响到整个生产线的正常运行。自从1996年,西马克公司与中国签订3条CSP生产线合同以来,先后有20条类似的生产线投入运行,为此,针对加热炉用耐火