探讨加热炉改造过程中耐火材料的应用

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2107-5042-4394

摘  要：耐火材料是指非金属材料在无荷重的情况下能耐超过1 600  ℃的高温，随着现代科技与工艺的进步，耐火材料实现了多重改革，特别是各类耐火材料矿产资源的发现、挖掘、提炼技术的进步，为将加热炉改造得更加精良提供了基础与保障。基于此，该文深入探究了耐火材料在加热炉上的发展历程及应用，并为之后加热炉的改造提供有效的参考价值。

关键词：加热炉   耐火材料   发展历程   应用

中图分类号：TG155.1;TQ175.7          文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）06（b）-0033-03

Discussion on the Application of Refractory in the Transformation of Heating Furnace

GAO Yan

（Fujian Sangang Metallurgical Construction Co.， Ltd.， Sanming， Fujian Province，365000 China）

Abstract： Refractories refer to non-metallic materials that can withstand high temperatures of more than 1 600 ℃ without load. With the progress of modern science and technology， refractories have realized multiple reforms， especially the progress of discovery， mining and refining technology of various refractory mineral resources， which provides a foundation and guarantee for the transformation of heating furnace. Based on this， this paper deeply explores the development and application of refractories in heating furnace， and provides effective reference value for the transformation of heating furnace.

Key Words： Heating furnace; Refractory material; Development history; Application

随着现代科学技术的进步，以及对耐火材料需求的增加，我国在耐火材料的探索、提炼上进行了深入研究。当前，我国各省区已探明的耐火材料资源有数百亿吨，为动力、机械制造、石油、化工等行业的需求提供了良好的保障。加热炉是提炼、锻造金属设备的关键设备，对设备的轧制、锻造以及成品有着巨大的影响，因此提高耐火材料在加热炉中的应用，使之能抗更高的温度，为锻造金属提供有效熔炉，是当前研究与改造的重点。该文针对耐火材料的分类、发展以及在加热炉中的应用进行了详细的分析，希望能进一步为加热炉之后的改造提供参考价值。

1  耐火材料的分类

耐火材料是指无机非金属材料能经受住1 600 ℃以上的温度，包括天然矿石和特定工艺生产的各种产品，例如：高粘土、粘土砖、保温砖等，在高温条件下仍然保持良好的物理性能与力学性能，拥有高强度的稳定性，是各种高温装置的必备材料，耐火材料一般是与高温技术相辅相成的，在东汉时期，耐火材料一般为黏土，大多数窑体也是用黏土质制成。1990年初，耐火材料发展成为高纯度、高密度、超高温产品，并出现了耐火纤维或无定型耐火材料，无需烧结，能耗低。如今，在核能技术、新能源技术的支持下，耐火材料已护肩具有抗腐蚀、耐高温等特点。

耐火材料因用途不一分为了多种品种，因此，为了方便对耐火材料进行科学研究、有效管理和合理选用，有必要进行科学分类。目前，主要将耐火材料按照化学属性分类，也有将之按照化学矿物组成分类，或者按照生产工艺分类、材料形态分类等，这些均是耐火材料分类的有效方法。

（1）根据耐火材料所能承受温度的高低，可分为3个层次。第一层次为普通材料，可耐受1 770 ℃以下的温度;第二层次为高级耐火材料，可耐受2 000 ℃以下的温度;第三层次為特级耐火材料，可以耐受2 000 ℃以上的温度。

（2）依据制品的不同形状与尺寸，可以将耐火材料分为标准型、异型、特异型等不同的分类，主要的制品包括坩埚、管道、器皿等。

（3）依据制造方法可以将耐火材料分为不定型耐火材料、烧成制品以及不烧成制品这3个部分。

（4）依据化学属性可以将耐火材料分为中性耐火材料、酸性耐火材料以及碱性耐火材料这3种。

（5）依据化学矿物质组成来进行分类是当前耐火材料最常见的分类方法，在科研、使用以及生产过程中均具有较强的实际意义。可以依据其矿物质组成分为硅制、镁钙质、镁硅质碳复合耐火材料等。

（6）依据耐火材料使用方法分类，可以将之分为耐火泥浆、干式振动料、投射料等10种。

2  耐火材料的发展历程

耐火材料将直接决定加热炉炉型结构，对其运行工况、使用寿命与检修次数均有重要影响。我国加热炉总体来说共经历了3个时期，下文就详细对3个时期进行分别阐述。

2.1 粘土砖和高铝砖时期

在20世纪中期以前，我国主要是用黏土砖与高铝砖等作为耐火板，炉体结构以国产化为主。高温性能差和炉子结构缺陷是炉子使用寿命很低的原因。另外，炉子在运行中容易溶解、脱落，从而造成炉体局部损坏严重，不得不经常进行维护与保养，致使工作效率低下。

2.2 捣打料、可塑料、粘土浇注料和水泥结合普通浇注料时期

从20世纪70年代末到20世纪80年代，炉子都配备了闸板材料、塑料浇注，经过无数次改良，传统的砖砌炉子结构逐渐向无粘结耐火材料应用转变，炉体的建造也逐渐开始用浇注料与水泥进行配合使用，这样不仅可以承担适合砌体的平顶结构，而且具有良好的整体性和空气密度，更有利于对加热炉的维护与保养。

2.3 低水泥、超低水泥和无水泥浇注料时期

自工业革命以来，耐火材料技术等到了飞速发展，特别是不着色耐火材料技术的发展，我国出现了低水泥、超低水泥、无水泥铸件等一批高技术耐火材料，并在冶金行业得到了广泛应用。低水泥、无水泥以及超低水凝铸件等是在件是在普通铸件的基础上，运用流变学原理、最致密的包装理论和最细的粉末技术研制而成的一种高技术耐火铸件。由于采用了最紧凑的包装理论和超细粉体技术，该类材料具有低孔隙率、低孔径、高密度、强度高、稳定性好等特点。

3  耐火材料在加热炉的应用

炉墙、炉顶、炉底这3个部分共同组成了炉体，也就是这3个部分的耐火性能将直接决定加热炉的使用寿命与质量。在加热炉的一侧前壁上建造一个最终燃烧器，在吸入段的前壁上安装一个出口门，在前壁的另一侧安装一个支撑枪。除炉门和入口开口外，加热部分的侧壁上有时还安装有侧燃烧器^[1]。水冷器滑块或陶瓷坩埚合在一起，其间的走道由实心梁（地板）和走道梁组成。传统上，炉顶是指由砖或无定形耐火材料制成的固体炉的地板。影响风蚀和热应力，特别是加热部分前面的炉板和吸入区，容易损坏，是整个炉膛最为薄弱的地方，若是无法保证这个地方耐火材料的应用，将对整个加热炉的使用寿命造成影响。

3.1 砖砌炉体用隔热砖和耐火砖砌筑的炉衬

加热炉的保温能力是由黏土保温砖、硅藻土以及耐火纤维膜制造而成。用砖砌的炉体的厚度为113～300 mm。炉墙台面采用粘土烟花砌筑，厚度为230～400 mm。这些洞可以用砖拱、特殊的封条或长的粘土烟花来建造。如果炉墙很高，就要适当间隔安装高铝拉石，防止炉墙起作用。同时，炉墙地面应夯实，炉墙受钻孔影响易损坏。燃烧器周围有孔和侧孔的炉壁最易受高温、快速冷热和机械作用的破坏，炉膛下层厚度为300～400 mm，一般将采用黏土耐火砖来砌筑预热段，在加热段一般采用高铝砖砌筑，并在其上方放置一层冶金氧化镁以及抗氧化铁的侵蚀，在保护层也可以直接用镁砖砌筑。但是，由于高温、撞击、运动锁定和炉渣侵蚀等原因，吸入段的大块地板插入床很快被破坏，若是使用高铝砖或者镁砖作为工作层的时候，大约拥有半年以上的寿命，若是使用刚玉砖等作为耐火材料的时候，其一般寿命可以达到一年以上。砖拱屋面，层厚230～250 mm，保温70 mm左右^[2]。悬挂式平屋顶的挂砖分为凹槽、凹槽、双音符和拉伸式。通常，铝土矿用于悬挂，高粘土也用于高温范围。不均匀悬石一般用于炉板的加深，无需形成保温层。壁炉炉顶的保质期为1～2年，高铝氧化砖轴线稍长，未烧铝可使烧成砖的耐久性提高一倍。在正常运行时，轧钢炉的使用寿命一般为1～3年，而锻造炉由于间歇运行、热应力和机械碰撞等原因，使用寿命为3～11个月。

3.2 耐火纤维可塑料捣制炉体

炉体采用耐火纤维和塑料冲压成型，带锚固件的工作层采用耐火塑料冲压成型。锚与挂砖之间的缝隙应用耐火塑料填充，并用风锤或捣固机压印。包括炉带，通常是分层分段建造，表面刮毛，气孔捆绑，拉伸点切除。因此，采用耐火纤维可塑料捣制炉体的优点是：整体性强，烧结性好，耐高温，衬里不会脱落，其使用寿命将达到13年以上^[3]。

3.3 衬火浇注料浇灌炉体

炉衬用于浇注炉子的工作层，炉壁和炉顶的结构与耐火塑料炉房的结构相同，在安装锚或挂砖后，将耐火浇注料混合物放置在一侧，然后用振动器（棒）振捣密实，必须进行连续施工和及时维护。20世纪80年代以前，采用高铝水泥或抗磷耐火材料浇灌炉子工作层，但炉子工作层在高温范围内容易产生结构裂变，使用寿命一般为2～4年。20世纪80年代以来，窑梁工作层在窑树上采用了各种粘土胶或低水泥离心机，在高温区采用了刚玉、莫来石或抗渣蚀镁铬铸铁浇水，在水床上采用耐磨钢纤维铸铁浇水，干燥时间约为8天。正常运行时，轧钢炉的寿命可达4～10年，加热炉的使用寿命为2～4年。

烧器是一种耐火制品，用于燃烧器的不同部位，主要是为了聚拢火焰，以更好地达到适宜温度，一般情况下炉顶安装的是平焰燃烧器，在炉壁上安装其他燃烧器。燃烧器采用钟形塔的形式，钟形塔由一个或多個部件组成，并与炉体结合。燃烧器中心应与燃烧器中心对齐，充分保证空气与燃烧料进行有效融合，形成稳定的燃烧火焰，并保证整个燃烧过程良好。砖体及其周围的炉衬经常处于高温状态，用于煤气的粘土烧嘴的使用寿命约为1年，但只有3～6个月，当使用高铝氧化物或硅藻土烧嘴时，其使用寿命为1～2年。采用刚玉或莫来石低水泥阻燃剂制成的燃烧器可用于加热器，使用寿命为6个月到3年^[4]。

3.4 燃烧室用耐火材料

加热炉燃煤燃烧室可以分为旋风式活塞式两种，通常由地板、墙壁和顶部组成。普通燃烧室的内衬通常用粘土砖或高铝砖砌筑。由于高温和高温波动，炉渣在除渣过程中受到侵蚀和破坏，其使用寿命约为1年。

其主要是采用刚玉砖、莫来石、镁铝锭等耐火材料来浇筑炉体，充分保证炉体的整体性能，其使用寿命也可以达到1～2年。尾窑是连接燃烧室与加热炉之间的通道，在工作时，内部的温度将达到1 600 ℃^[5]。其主要是用刚玉砖或者是硅线石砖，使用寿命只有半年左右。

3.5 炉底水冷管绝热用耐火材料

大中型推钢或步进式高炉的地下水冷管由厚壁水冷管的纵向、横向和支撑管组成，保温的目的是减少冷却介质的热量供应，减少热量，提高加热质量。隔热方法包括用特殊粘土砖或蹄封制成的马赛克，用耐火塑料或铸铁制成的焊接砖预制块焊接，以及用耐火纤维膜现场粘合，寿命一般为3～12个月^[6]。现场生产采用优质耐火塑料、超低水泥、无水泥等耐火浇注料，使用寿命1年以上。

4  结语

自改革开放以来，我国不断加强冶金行业技术开发，随着对国外先进技术的学习、吸收、消化与研究，我国冶金行业的装备水平得到了巨大提升，尤其是对新型耐火材料的研究与应用更是取得了重大突破。加热炉作为冶金行业重要的加工设备，对整个加工过程有着无与伦比的影响力。而耐火材料对加热炉的炉型、使用寿命、运行状况等有着巨大影响，因此探究加热炉改造过程中耐火材料的应用，将是冶金行业当前与未来发展的重点研究项目之一。该文主要是从耐火材料分类、耐火材料发展史以及耐火材料在加熱炉中的应用3个方面进行阐述，希望能为加热炉的改造提供一点参考价值。

参考文献

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作者简介：高岩（1982—），男，硕士，工程师，研究方向为炉窑砌筑施工管理。