加热炉耐火材料的应用

摘要：耐火材料是指耐火度不低于1580℃的一类无机非金属材料。耐火材料广泛用于冶金、化工、石油、机械制造、硅酸盐、动力等工业领域，在冶金工业中用量最大，占总产量的50％～60％。本文重点探讨加热炉耐火材料的应用。

　关键词： 加热炉；耐火材料；高温技术

　中图分类号：TG155.1+2文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）16-0033-02

　1耐火材料的发展及分类

　耐火材料与高温技术相伴出现，大致起源于青铜器时代中期。中国东汉时期已用粘土质耐火材料做烧瓷器的窑材和匣钵。20世纪初，耐火材料向高纯、高致密和超高温制品方向发展，同时出现了完全不需烧成、能耗小的不定形耐火材料和耐火纤维。现代，随着原子能技术、空间技术、新能源技术的发展，具有耐高温、抗腐蚀、抗热振、耐冲刷等综合优良性能的耐火材料得到了应用。

　耐火材料种类繁多，通常按耐火度高低分为普通耐火材料（1580～1770℃）、高级耐火材料（1770～2000℃）和特级耐火材料（2000℃以上）；按化学特性分为酸性耐火材料、中性耐火材料和碱性耐火材料。此外，还有用于特殊场合的耐火材料。现在对于耐火材料的定义，已经不仅仅取决于耐火度是否在1580℃以上了。目前耐火材料泛指应用于冶金、石化、水泥、陶瓷等生产设备内衬的无机非金属材料。

　2耐火材料在加热炉上的发展历程及应用

　耐火材料对加热炉的炉型有着极大的影响，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、维修次数和使用寿命。我国加热炉用耐火材料先后采用了普通粘土砖、高铝砖；捣打料、可塑料、普通浇注料和高性能浇注料时期。

　2.1 耐火材料在加热炉上的发展历程

　2.1.1 粘土砖和高铝砖时期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。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，加热炉使用寿命很低。此外，炉顶砖在运行过程中易产生松动、脱落以及局部损毁过快，使得加热炉维修频繁，作业率较低。

　2.1.2 捣打料、可塑料、粘土浇注料和水泥结合普通浇注料时期７０年代后期至80年代，加热炉上开始采用捣打料、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。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。

　2.1.3 低水泥、超低水泥和无水泥浇注料时期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。低水泥、超低水泥和无水泥浇注料是利用流变学原理，最紧密堆积理论和越细粉技术，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。

　2.2 耐火材料在加热炉体的应用炉体由炉墙、炉底和炉顶组成。在炉子一侧端墙安装有端烧嘴，均热段端墙上还有出料门，另一侧端墙上有进料门。侧墙除有炉门和入孔外，加热段侧墙上有时也安装侧烧嘴；推钢式炉炉底由均热床和水冷管滑道或陶瓷滑轨砖组成，步进式炉炉底则由固定梁（底）和步进梁组成。习惯上所称炉底系指砖砌或不定形耐火材料制作的实炉底。炉顶分为拱顶和平顶两种。炉顶部位受高温、气流冲刷和热应力等因素影响，特别是加热段前部和均热段的炉顶，较易损毁，是整个炉体的薄弱环节。因此，炉顶的寿命，即代表加热炉的使用寿命。

    2.2.1 砖砌炉体用隔热砖和耐火砖砌筑的炉衬。炉子绝热层用粘土质或高铝质隔热砖、漂珠砖、硅藻土砖及耐火纤维毡等材料砌筑。厚度为113~300mm，炉墙工作层用粘土质耐火砖砌筑，厚度为230~400mm，开孔洞处可用砖砌拱、用异型砖拼砌或搭盖长条粘土质耐火砖。如炉墙较高需在适当的间距处安设高铝质抗拉砖，以防炉墙起到。同时，加热段炉墙底部需加厚，以增加其稳定性。受钢坯碰撞的炉墙较易损毁。烧嘴周围和侧出钢口等开孔洞部位的炉墙，受高温、急冷急热和机械等作用最易损坏。炉底工作层厚度为300~400mm，预热段用粘土质耐火砖砌筑，加热段则用粘土砖或高铝砖砌筑，其上铺一层冶金镁砂以抵抗氧化铁皮渣的侵蚀，也可用镁砖或镁铬砖直接砌筑一层保护层。均热段的实底均热床因受高温和钢坯冲击、移动磨损及渣侵蚀等作用，损毁较快。该部位用高铝砖或镁砖作工作层时，使用寿命约为半年，改用电熔莫来石砖或刚玉砖使用寿命可延长至1年左右。炉顶为砖砌拱顶时，其工作层厚度为230~250mm，绝热层厚度约为70mm。吊挂平顶用的吊挂砖分为单沟式、单面槽式、双面槽式和夹持式等类型。一般用矾土质吊挂转，高温区也有用高铝质吊挂砖的。炉顶压下部位常用的异性吊挂砖不需作绝热层。粘土质耐火砖炉顶的使用寿命为1~2年，高铝砖炉顶的寿命略高些。将烧成砖改用不烧高铝质吊挂砖后，使用寿命可提高1倍左右。在正常操作的情况下，轧钢加热炉的使用寿命一般为1~3年，锻钢加热炉因间歇操作，受热应力和机械碰撞等作用大，其使用寿命为3~11个月。

　2.2.2 预制块吊装炉体预制块是用铝酸盐水泥、磷酸盐低水泥和水玻璃等耐火浇注料制造的。如用粘土结合耐火浇注料制作预制块需配有锚固件。炉顶预制块分为拱形和长条形两种，如配用钢筋，必须安放在非工作层内。

　2.2.3 耐火纤维可塑料捣制炉体用耐火可塑料捣打制成的安有锚固件的炉衬工作层。在锚固砖或吊挂砖的间隙部位需填充耐火可塑料料坯，并用风锤或捣固机捣打密实。包括炉底在内的耐火可塑料一般带分层、分段连续施工，并将表面刮毛、扎排气孔和切出膨胀缝。耐火可塑料炉衬的优点是整体性强、烧结性好和高温强度高。因此，炉衬一般不剥落，使用寿命约13年。

　2.2.4 衬火浇注料浇灌炉体用耐火浇注料现场浇灌的炉衬工作层。炉墙和炉顶部位的构造和耐火可塑料炉体的相同。锚固件或吊挂砖安装就位后，从一侧开始布耐火浇注料拌和料，然后用振动器（棒）振动密实，应连续施工、及时养护。1980年之前，一般用高铝水泥或磷酸盐耐火浇注料浇灌炉衬工作层，但高温区域的炉衬工作层易产生结构剥落，影响使用。寿命一般为2~4年。1980年以后，炉体普遍用各种粘土结合或低水泥系列耐火浇注料浇灌炉衬工作层，高温区炉底有事用抗渣蚀的刚玉质、莫来石质或镁铬质耐火浇注料，均热床则用耐磨的耐热钢纤维耐火浇注料进行浇灌。烘炉时间约需8天。在正常操作的情况下，轧钢加热炉的使用寿命可达4~10年，锻钢加热炉的使用寿命为2~4年。

　烧嘴砖是用于各种烧嘴部位的耐火制品，主要起组织火焰的作用。平焰烧嘴安装在炉顶上，其他烧嘴均安装在炉墙上。烧嘴砖呈喇叭口形状，由一块或若干块组成，并镶砌在炉衬内，其中心须与烧嘴中心对准，已办证燃料与空气的有效混合和预热，组织好火焰形状并稳定燃烧过程。该砖及其周围的衬体经常遭受高温、温度骤变和气流冲刷等作用。损毁较快。烧煤气用的粘土质烧嘴砖使用寿命1年左右，以重油为燃料时，其寿命仅为3~6个月。改用高铝质或硅线石质烧嘴砖时，寿命为1~2年。用刚玉质或莫来石质低水泥系列耐火浇注料制作的烧嘴砖，在燃油加热炉上使用，寿命为6个月至3年。

2.2.5 燃烧室用耐火材料用于烧煤的加热炉，分为往复炉排式和旋风燃烧式等多种类型，一般由底、墙和顶等部分组成。普通燃烧室的衬体通常用粘土砖或高铝砖砌筑，因受使用温度高且温度波动大、熔渣侵蚀和清渣时的接卸损伤等影响，其寿命为1年左右。当采用特等高铝熟料、刚玉、莫来石或镁铝尖晶石等耐火浇注料浇灌衬体时，整体性好、不粘渣，使用寿命可延长至1~2年。腰炉是燃烧室和加热炉炉膛之间的通道，使用温度1600℃左右，用硅线石砖或刚玉砖砌筑时，其寿命仅为0.5年左右。

　2.2.6 炉门和出钢槽用耐火材料用于封闭炉墙上的孔洞，分为侧开式和升降式两种。炉门一般用粘土砖、耐火浇注料或耐火可塑料、高铝质隔热砖或耐火纤维毡等材料做内衬；侧开式炉门可使用一个炉役，升降式炉门因受温度波动和机械碰撞等因素的影响，使用寿命达2年以上。

　2.2.7 陶瓷滑道用耐火材料小型推钢式加热炉，由棕刚玉-碳化硅质滑轨砖组成陶瓷滑道，在炉子长度方向上用耐火砖砌筑2行或4行基墙。在基墙上砌筑高铝碳化硅座砖，然后安装滑轨砖并组成陶瓷滑道。钢坯在滑道上移动，实现上、下两面加热，具有能耗少、钢坯上无黑印等优点。陶瓷滑道承受高温、钢坯荷重、高温磨损和氧化铁皮渣侵蚀等作用，使用条件较苛刻，其寿命1年左右。

　2.2.8 炉底水冷管绝热用耐火材料大、中型推钢式或步进梁式加热炉，炉底水冷管由纵向、横向分布的和起支撑作用的厚壁水冷管组成。绝热的目的是降低冷却介质带走的热量、减少钢坯嘿印和提高加热质量。其绝热方式分为异型粘土砖镶嵌或马蹄形砖吊挂、耐火可塑料或耐火浇注料制成的焊瓦式预制块焊接及用该料与耐火纤维毡现场包扎等。使用寿命一般为3~12个月。采用优质耐火可塑料、超低水泥或无水泥等耐火浇注料进行现场包扎，其使用寿命在1年以上。

　2.2.9 烟道与烟囱用耐火材料耐火材料在蓄热式加热炉上的应用，90年代后期以来，加热炉用快干浇注料、快干自流浇注料和快干抗渣浇注料。这类材料既保证了低水泥、超低水泥和无水泥浇注料的优良使用性能，还可以快速施工，特别是可以快速烘烤，使整体浇注料的炉体在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。

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