轧钢加热炉用耐火材料的发展历程与技术进步_徐平坤.pdf

工 业 炉Industrial Furnace第45卷第1期2023年1月Vol.45 No.1Jan.2023加热炉是用来把初轧坯、连铸坯、小钢锭等进行加热到热轧所需要温度的热工设备。主要有推钢式加热炉、步进式加热炉、环形炉及蓄热式加热炉等。加热炉是轧钢厂的关键设备，炉子的运行状态、维修次数、使用寿命等受到极大关注。耐火材料对炉子运行情况的影响非常大。耐火材料的技术进步不仅影响耐火材料本身的性能、质量以及炉子的维修次数、使用寿命，还影响加热炉的炉型结构。我国的轧钢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等历程。一般轧钢加热炉工作温度在1 2001 350，长期使用的最高温度也不会超过1 500，广泛使用SiO2-Al2O3系耐火材料，对于浇注料用原材料的选择及其配方的设计十分重要，既要考虑使用温度，也要考虑材料成本，做到性价比高的耐火浇注料。近年来，又对轧钢加热炉用耐火材料进行了大量研究，取得多项成果，使我国加热炉用耐火材料的生产与使用达到国际先进水平。目前正向智能型快干浇注料阶段过渡。收稿日期：2022-04-04作者简介：徐平坤（1939），男，高级工程师，主要从事耐火材料研发及生产管理工作.轧钢加热炉用耐火材料的发展历程与技术进步徐平坤（广州耐火材料厂，广东 广州510300）摘要：加热炉是把钢坯加热到热轧所需要温度的热工设备。我国加热炉用耐火材料经历了从耐火制品到浇注料，其结构也从砖砌的拱顶改为不定形耐火材料的平顶吊挂结构，目前正向节能型的蓄热式加热炉发展。由于长期使用温度不超过1 500，广泛使用SiO2-Al2O3系耐火材料。蓄热式加热炉广泛应用智能型快干浇注料、快干自流浇注料、纳米结合浇注料、无水泥浇注料等高性能浇注料及蓄热体材料。加热炉用耐火材料的研究仍在继续，今后泵送浇注料、喷射浇注料、高性能无水泥浇注料以及免烘烤浇注料和免烘烤自流浇注料也将在加热炉上得到广泛应用。关键词：加热炉；耐火材料；浇注料；快干自流浇注料；蓄热体中图分类号：TG307；TQ175.7文献标识码：A文章编号：1001-6988（2023）01-0016-06Development History and Technological Progress of Refractory Materialsfor Rolling Steel Heating FurnacesXU Pingkun（Guangzhou Refractory Plant,Guangzhou 510300,China)Abstract:The heating furnace is a thermal equipment that heats the billet to the required temperaturefor hot rolling.The refractory used for heating furnace in China has gone through the process from refractoryproducts to castables,and its structure has also been changed from brick vault to flat ceiling suspensionstructure of amorphous refractory.At present,it is developing towards energy-saving regenerative heatingfurnace.SiO2-Al2O3refractories are widely used because the long-term service temperature is not more than1 500.The regenerative heating furnace is widely used with intelligent quick drying castables,quickdrying self flow castables,nano bonded castables,cementless castables and other high-performance casta-bles and regenerative materials.The research on refractory materials for heating furnace is still continuing.In the future,pumping castables,spraying castables,high-performance cement free castables,non bakingcastables and non baking self flowing castables will also be widely used in heating furnace.Key words:heating furnace;refractory material;castable;quick drying self flow castable;regenerator16工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月1轧钢加热炉用耐火材料的发展历程11.1粘土砖和高铝砖时期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。由于使用低档耐火材料，高温性能差，加上炉型结构存在缺陷，加热炉使用寿命低，特别是在运行过程中炉顶砖易产生松动、脱落及局部损毁过快，维修频繁，作业率较低。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20世纪70年代后期至80年代加热炉进入不定形耐火材料应用期，改变了传统的砖砌炉体结构。采用捣打料、可塑料、粘土浇注料和水泥结合普通浇注料，其炉体不仅可以采用平顶结构，方便砌筑，而且炉体整体性好、气密性好，有利于操作和维护。1.3低水泥、超低水泥和无水泥浇注料时期20世纪80年代后期，随着不定形耐火材料的技术进步，在我国出现了低水泥、超低水泥和无水泥等一系列的高技术耐火材料，同时也在加热炉上应用。这类浇注料具有气孔率低、气孔尺寸细小、密度大、体积稳定性好、强度高和加水量少等特点。1.4快干浇注料、快干自流浇注料和快干抗渣浇注料在蓄热式加热炉上应用20世纪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，还可快速施工，特别是可以快速烘烤，使整体浇注料的炉体在35天内完成烘烤，而快干抗渣浇注料，除以上特点外，还具有优良的抗氧化铁皮侵蚀的特性。2加热炉用耐火材料现状及损毁机制2轧钢加热炉分为推钢式、步进式及环形加热炉，以及蓄热式加热炉。2.1步进式加热炉步进式加热炉主要特征在于用步进式炉底（或步进梁）带动炉料向前运行，也就是替代推钢式加热炉的推钢机使炉料向前运行。各部位温度基本恒定，分别为800900、1 1501 200 及1 2001 300 三个段带，即预热带、加热带和均热带。如宝钢步进梁式加热炉，全长56.7 m，内宽12.6 m，最大有效炉床面积600 m2，生产能力350 t/h，加热温度1 250。步进梁式加热炉炉墙，一般采用复合结构，炉膛是整体用浇注料，外侧用复合绝热层，炉体上部用低水泥浇注料，隔热层用轻质粘土砖。炉顶自工作面向外依次是低水泥浇注料（230 mm厚）、硅酸铝纤维毯（30 mm厚），浇注料膨胀缝处用锚固砖。炉底用镁砖、粘土砖和轻质粘土砖，总厚534 mm。固定梁立柱根部和步进梁立柱穿过炉底的开孔处，用轻质粘土浇注料和低水泥浇注料。炉内支撑梁及其立柱管的上部用硅酸铝纤维毡（20 mm厚），外包一层防水普通塑料布，然后再捣制低水泥浇注料。立柱管的下部也全部使用低水泥浇注料。步进底式加热炉与步进梁式加热炉的结构大同小异，主要是炉底结构不一样，固定底300 mm用一层磷酸盐耐火预制件或磷酸盐浇注料，活动炉底用轻质高铝砖或轻质粘土砖，工作面用磷酸盐钢纤维高铝预制件。2.2环形加热炉其炉衬由230 mm厚的低水泥浇注料和耐火纤维毡组成。炉底由碳化硅浇注料和粘土砖、轻质粘土砖和硅钙板构成。2.3普通加热炉耐火材料的损毁机制随着不定形耐火材料在加热炉上使用效果的提升，整体浇注加热炉的厂家越来越多，炉子的气密性和寿命有较大的提高。但由于加热炉的长期高温作用，经受钢锭磨损及装料机夹钳碰撞等作用，炉盖经常启闭，炉衬经受急冷急热作用，以及熔融氧化铁皮渣等的侵蚀作用。因此，也使加热炉用耐火材料出现很多问题：（1）推钢式加热炉的推钢滑轨和平台磨损较严重，造成推钢困难，甚至出现拱钢现象；（2）推钢式加热炉的水冷管包扎块易掉落，采用一般不定形耐火材料，振动不到位，施工十分困难；（3）不定形耐火材料烘烤时间太长，稍有不慎，炉体容易爆裂；（4）烧嘴砖的寿命不能与炉体寿命同步，烧嘴砖一旦损坏，需要停产更换，否则会影响燃烧质量，甚至造成结焦堵塞影响生产；（5）环形加热炉的隔墙容易被坯料碰撞，水冷管护砖易脱落，如遇突然停水，管变形，会造成隔墙倒塌，检修时间长，劳动强度大。3加热炉用耐火材料的合理选用及高效耐火材料的应用33.1加热炉对耐火材料的选用轧钢加热炉用耐火浇注料与用耐火砖砌筑相17比，施工简单、易操作、施工期短、工程费用低、使用寿命36年，比高铝砖寿命提高14倍，节能70%左右。因此，加热炉广泛采用低水泥的SiO2-Al2O3系耐火浇注料。从耐火材料的基本性能及性价比的要求，在众多的硅铝系耐火原料中，应该选择杂质含量低、烧结好的高铝矾土熟料，在配方方面，应该尽量少加水泥，以减少CaO的含量。3.1.1炉墙和炉顶用浇注料经过大量的试验研究得出：在加热炉的预热段，工作温度一般在1 200 以下，采用Al2O3含量50%55%左右的低水泥高铝矾土熟料浇注料，完全可满足要求。加热段及均热段也称高温段，工作温度一般在1 350 左右，可选择Al2O3含量60%左右的低水泥高铝矾土浇注料，其细粉可选择杂质含量低的原材料，以提高使用性能。其主要理化性能见表1。3.1.2锚固砖加热炉用不定形耐火材料做工作衬，锚固砖的选择较为关键，对耐火材料内衬起重要作用。在普通项目编号123440556065110 16 h2.202.252.352.45耐压强度/MPa110 16 h303540401 300 3 h50606565抗折强度/MPa110 16 h55661 300 16 h7788线变化率/%110 3 h00.200.200.200.21 300 3 h0-0.50-0.50-0.50-0.5长期使用温度/1 3001 3501 3501 350用途低温段炉顶、炉墙低温段炉顶、炉墙炉的各部位炉的各部位w（Al2O3）/%体积密度/gcm-3表1普通炉墙、炉顶用低水泥浇注料的主要理化指标加热炉的一般部位，国家标准中的牌号LZ-55完全可满足要求。而在水梁及压下部位，一般选择振动成型的PN-JZ-58锚固砖。因为振动成型的材料临界颗粒较大，材料的结合强度较高，砖的抗拉强度也较机压成型高。两种锚固砖的主要理化指标见表2。3.1.3膨胀缝的设计及膨胀板的选用加热炉不定形耐火材料内衬的膨胀缝数值和分布，应该根据耐火材料的线膨胀系数及所承受的温度来确定。通常按以下公式计算：P=aL（tt0）式中：P膨胀缝尺寸，mma线膨胀系数，L砌体尺寸，mmt砌体最高温度，t0砌体原有温度，加热炉内衬用浇注料计算结果，即每2 m左右留10.2 mm膨胀缝。实际施工选择每2 m留8 mm膨胀缝，因为高温下材料有液相生成，可缓冲材料膨胀应力。关于膨胀材料：可选择耐火纤维毡，或者采用由聚氯乙烯制造的PVC膨胀缝板。聚氯乙烯没有明显熔点，约80 左右开始熔化，可缓冲材料的膨胀应力。3.2优质高效耐火材料的应用针对上面提到的加热炉用耐火材料存在的问题及损毁机