我国加热炉用耐火材料的应用与发展

我国加热炉用耐火材料的应用与发展

1加热炉用纳米材料的技术指标进步已达到世界先进水平加热炉是钢铁厂的重要设备，是钢铁厂的“心脏”。因此，加热炉的运行条件、维护时间和使用寿命长度一直受到钢铁厂的高度关注。耐火材料对加热炉的运行有着极大的影响,耐火材料的技术进步和耐火材料的性能、质量,不仅影响加热炉的炉型结构,而且影响着加热炉的运行状况、维修频次和使用寿命。然而,由于加热炉属于长期运行,又是非常关键的热工设备,各轧钢厂对加热炉材料的选用非常慎重,加上各耐火材料企业对新材料在加热炉上的应用也是慎之又慎,因此,加热炉用耐火材料的技术进步要比炼钢用耐火材料的技术进步相对滞后。我国加热炉用耐火材料先后经历了普通粘土砖和高铝砖、捣打料和可塑料、普通浇注料和高性能浇注料时期。近年来,一大批耐火材料研究和生产单位,对加热炉用耐火材料进行了大量的研究,使加热炉用耐火材料得到了长足的进步,我国加热炉耐火材料的技术水平已接近世界先进水平。目前,我国加热炉用耐火材料正在向智能型快干浇注料和快干自流浇注料阶段过渡。2不定型材料在加热炉中的应用20世纪70年代以前,我国加热炉用耐火材料主要采用粘土砖和高铝砖,炉型结构主要为拱顶结构(见图1)。由于使用的耐火材料属于低档材料,高温性能差,加上炉型结构存在缺陷,加热炉的使用寿命很低。此外,由于炉顶砖在加热炉运行过程中易产生松动、脱落,以及局部损毁过快,加热炉在运行过程中,维修频繁,作业率较低,致使当时的加热炉运行稳定性差,加热炉的热效率较低,钢坯的加热质量也不尽如意。20世纪70年代后期至80年代,我国的耐火材料工作者和轧钢工作者开始在加热炉上采用捣打料、可塑料、粘土浇注料和水泥结合普通浇注料。上述材料在加热炉上的应用,改变了传统的砖砌炉体结构,开始了不定型耐火材料在加热炉上的应用时期。上述材料的应用,不仅简化了加热炉的炉体砌筑施工,还大大延长了加热炉的使用寿命,提高了加热炉的整体性,改善了加热炉的加热质量。采用捣打料、可塑料、粘土浇注料和水泥结合普通浇注料砌筑的加热炉炉体结构示意图如图2所示。从图2可以看出,采用不定型耐火材料(捣打料、可塑料和浇注料)砌筑的炉体结构,不仅可以采用平顶结构,方便砌筑,而且炉体的整体性好,气密性好,有利于加热炉的操作和维护。表1给出了典型捣打料、可塑料、粘土浇注料和水泥结合普通浇注料的理化性能。上述材料尽管存在着各自的局限性,在使用过程中受到了一定的制约,但上述材料的应用开辟了不定型耐火材料在加热炉领域应用的先河,为不定型耐火材料在加热炉领域的发展和加热炉炉型结构的改进奠定了基础。20世纪80年代后期,随着不定型耐火材料技术的不断进步,低水泥、超低水泥和无水泥浇注料等一系列高技术耐火材料在我国问世,并在冶金工业的各种热工窑炉上得到应用。20世纪90年代初期,重庆钢铁研究设计院采用濮阳耐火材料厂生产的低水泥浇注料开始在加热炉上应用,并取得了良好的使用效果。之后,低水泥、超低水泥和无水泥浇注料迅速在加热炉上得到广泛应用。低水泥、超低水泥和无水泥浇注料是利用流变学原理、最紧密堆积理论和超细粉技术,在普通浇注料基础上发展起来的一类高技术耐火浇注料。由于采用了最紧密堆积理论和超细粉技术,这类材料具有气孔率低、气孔尺寸细小、密度大、体积稳定性好、强度高和加水量低等特点。超细粉材料不仅能充填浇注料的颗粒间隙,降低浇注料的气孔率和气孔尺寸,提高浇注料的致密性和体积稳定性,而且由于超细粉材料具有极高的表面能,能使浇注料形成凝聚结合,并在中温下就开始产生固相烧结,从而使低水泥、超低水泥和无水泥浇注料具有极高的低温强度和中高温强度。同传统的水泥结合浇注料相比,低水泥、超低水泥和无水泥浇注料最突出的特点是在800℃~1200℃范围内的强度显著提高,不存在传统的水泥结合浇注料在该温度下的强度低谷区。低水泥、超低水泥和无水泥浇注料在各个温度下的强度,都比传统的水泥结合浇注料要高。而且,低水泥、超低水泥和无水泥浇注料的强度随着处理温度的提高而增加。表2给出了低水泥、超低水泥和无水泥浇注料和传统的水泥结合浇注料的性能。从表中可以看出,同传统的水泥结合浇注料相比,低水泥的强度高出30~80MPa,而加水量则降低一半以上。图3给出了低水泥和传统的水泥结合浇注料的强度对比。从图中可以明显看出,传统的水泥结合浇注料在800℃~1200℃的范围内有明显的强度低谷区,而低水泥浇注料的强度则随着温度的升高而增加,不存在强度低谷区的问题。由于低水泥、超低水泥和无水泥浇注料性能优良,砌筑方便,上世纪90年代以来,我国许多加热炉已采用了低水泥、超低水泥和无水泥浇注料整体浇注结构。然而,由于在低水泥、超低水泥和无水泥浇注料中都加入有超细粉,这类材料的气孔率很低,导致在烘烤过程中,水分排除非常困难。这就要求烘炉时间长、烘炉曲线制定的非常合理,并严格按照烘炉曲线执行,如果控制不当,有可能产生爆裂,出现严重的安全和质量事故。此外,由于低水泥、超低水泥和无水泥浇注料属于触变性材料,在材料的施工过程中,需要有强制振动才能使之充填致密,保证其良好的结构强度。因此,这类材料的施工劳动强度很大,如果振动不够,会导致局部出现空洞,尤其是加热炉炉顶锚固砖周围,从而影响整体强度和气密性。针对上述问题,上世纪90年代后期以来,濮耐厂进行了深入细致的研究工作,研制成功了加热炉用快干浇注料、快干自流浇注料和快干抗渣浇注料。这类材料既保持了低水泥、超低水泥和无水泥浇注料优良的使用性能,还可以快速施工,特别是可以快速烘烤,使整体浇注的炉体在3~5天以内完成烘烤。而快干抗渣浇注料除了上述特点外,还具有优良的抗氧化铁皮侵蚀特性。这类材料已在20多座加热炉上进行了成功的试用,为缩短加热炉的施工工期、提高加热炉的作业率提供了有利的条件。目前,濮耐厂研制的加热炉用免烘烤浇注料和自流浇注料,已小批量试用成功,正在扩大试用范围,一旦取得突破,将为冶金行业带来更大的效益。快干浇注料和快干自流浇注料理化性能见表3、表4。3蓄热式加热炉介绍蓄热式加热炉是近年来发展起来的一种新式加热炉,由于蓄热式加热炉节能效果特别显著,可达20%~50%,而且,可以显著减少CO2和NOx的排放,因此,这类加热炉受到了冶金行业的极大重视。蓄热式加热炉主要有通道式蓄热式加热炉、外置式蓄热式加热炉和烧嘴式蓄热式加热炉。其断面示意图见图4、图5和图6。同一般的加热炉相比,蓄热式加热炉的燃烧方式、换热方式、换热介质等方面都发生了重大变化,炉型结构也因之发生了变化。根据蓄热式加热炉的结构特点,需要开发新的耐火材料,以满足蓄热式加热炉炉墙内通道较多,结构复杂,施工困难,烘烤困难的特点。近年来,濮耐厂在开发研制适应于蓄热式加热炉的高技术耐火材料方面,做了大量有益的工作。3.1水冷管包材料蓄热式加热炉炉体材料一般采用快干浇注料、快干自流浇注料和快干抗渣浇注料(有的厂家采用微膨胀低水泥浇注料),理化性能见表3、表4。采用这类材料,可以保证蓄热式加热炉炉体具有优良的整体结构和气密性,具有极高的强度,优良的抵抗气流冲刷性,优良的抗结构剥落性的抗渣性。而且,采用这类材料,施工速度快,烘烤周期短(3~5d),可以为轧钢厂节省宝贵的生产时间,为企业带来显著的经济效益。水冷管包扎采用快干自流浇注料。水冷管包扎部位,由于材料厚度小,一般在40~60mm,若采用浇注料,很难振动充分,从而影响材料的整体性和强度;采用快干自流浇注料,不仅材料可以自行充填致密,材料的整体性和强度能够保证,而且,易于施工和烘烤,所以,快干自流浇注料是加热炉水冷管理想的包扎材料。快干浇注料、快干自流浇注料和快干抗渣浇注料除适用于蓄热式加热炉外,其它炉型的大中修也适用。3.2蓄热体的种类和使用要求蓄热体是蓄热式加热炉的关键材料。它是蓄热式加热炉的换热介质,它们将加热炉内废烟气的热量吸收过来储存,然后用储存的热量将空气或燃料加热,这样,不仅提高了空气和燃料的预热温度,降低了废气的排放温度,节约能源,同时,还减少了CO2和NOx的排放,有益于环境保护。鉴于蓄热体的特殊使用条件,要求蓄热体必须具备良好的蓄热和放热能力,同时,在频繁的废气与空气和燃料的换向作用下,蓄热体承受着剧烈的热冲击,所以,蓄热体还必须具有优异的热震稳定性。蓄热体主要有如下三种形式:蜂窝体、蓄热球和蓄热管。在成型方式上,蜂窝体和蓄热管采用挤注法成型,而蓄热球则分为手工成型和机制成型两种;在材料上,蜂窝体主要有堇青石质和莫来石质,而蓄热球和蓄热管主要有高铝质和莫来石质。蜂窝体、蓄热球、蓄热管的理化性能指标见表5~表7。由表5可见,堇青石质的蜂窝体的使用温度以低于1250℃为宜,而莫来石质的蜂窝体则使用到1500℃的温度。但是,堇青石材料因为热膨胀系数很小,其热震稳定性最好,在1250℃以下使用,有很好的使用效果。手工成型的蓄热球,生产效率极低,无论从使用性能上,还是工期的保证方面,手工成型的蓄热球都存在明显的不足。濮耐厂开发的机制球状蓄热体,具有强度高、热震稳定性好、和手工打制的产品相比,具有生产速度快,质量稳定等优点。3.3具有使用功能的其他特点外置式蓄热式加热炉连通管道和蓄热室用耐火材料,应具有密度小、蓄热少的特点,保温性能好,使热能最大限度地通过蓄热体来进行交换;此外,它们还应具有热震稳定性好和体积稳定性好的特点,在使用过程中,不产生结构剥落和开裂,以保证使用寿命和气密性。莫来石轻质浇注料具有密度小、蓄热少和热震稳定性好、体积稳定性好的特点,是蓄热式加热炉连通管道和蓄热室理想的耐火材料,莫来石轻质浇注料的理化性能见表8。3.4工艺成因分析本产品选用与炉衬浇注料基本相同的原料和颗粒级配,加入特种外加剂,采用独特工艺制成。其理化指标一般均与炉衬浇注料相同,所以它的受热变化情况与周围浇注料基本上是一致的,但是强度指标却高得多。对于通道式蓄热式加热炉,因炉墙较宽,可做成异型锚固砖,满足其工艺的需要。4蓄热式加热炉用的高科技材料将作为随着我国冶金工业的技术进步,耐火材料工业也将持续进步。近期内,我国的加热炉将迅速向蓄热式加热炉的方向发展,除了新建的加热炉将越来越多地采用蓄热式技术外,目前在线的加热炉也将逐步改造为蓄热式加热炉。为了适应这种变化,进一步提高蓄热式加热炉用耐火材料的使用性能,蓄热式加热炉用耐火材料的研究工作仍需加强,一系列新的高技术耐火材料将会研制和应用于加热炉。下面对今后蓄热式加热炉用的高技术耐火材料作一预测:(1)高性能快干自流浇注料高性能的快干自流浇注料将越来越多地被采用,以适应蓄热式加热炉结构复杂、施工困难和烘烤困难的特殊条件。随着技术的不断进步和研究的深入,免烘烤自流浇注料也将问世。高性能快干自流浇注料和免烘烤自流浇注料可以用于炉顶、炉墙和水冷管包扎。(2)高性能蓄热体随着蓄热式加热炉的迅速增加,对使用温度更高、使用性能更好的蓄热体耐火材料的需求将会越来越迫切。这类材料可能是非氧化物材料,如氮化物等,也可能是进行结构改性、甚至采用纳米材料改性的氧化铝材料或其它材料。(3)泵送自流料这类材料具有施工速度快、机械化程度高的特点,随着炉子大型化和降低劳动强度的需要,这类材料将逐步受到重视。(4)湿法喷射浇注料湿法喷射浇注料可以无模具施工,具有施工简捷、施工速度快的优点,这类材料的问世,将会给我国的加热炉乃至我国的耐火材料工业带来重大的影响。5发展高效节能技术20世纪70年代以来,通过轧钢工作者和耐火材料工作者的共同努力,我国加热炉用耐火材料得到了迅猛的发展。加热炉用耐火材料先后从粘土砖、高铝砖发展为捣打料和可塑料,普通浇注料和近年来的高性能浇注料、