碳化硅横梁平顶结构在氮窑中应用实践与探讨_颜林波.pdf

窑顶是氮窑窑体结构的重要结构之一，与窑炉的正常运转以及产品的质量产量有着密不可分的关系。窑顶一般支撑在窑墙上，处在窑道空间上方，窑内热气体在集合压力的作用下有自然向上的运动趋势，所以窑顶除了必须耐高温、散热小具有一定的机械强度外，还需保证结构合理，使温度气氛有良好的均匀性。另外由于氮窑中存在腐蚀性气体的挥发，窑顶还需考虑耐腐蚀性能。目前氮窑主要的窑顶结构形式为拱顶和平顶，拱顶主要材质为刚玉-莫来石，平顶一般采用刚玉或碳化硅横梁作为承载件。刚玉-莫来石具有荷重软化点高、抗热震性能好等优点，在各种工业窑炉上得到了广泛的应用。但高温情况下，刚玉-莫来石拱顶会逐渐产生蠕变和腐蚀，特别在Mn-Zn铁氧体的挥发物的酸性腐蚀条件下，导致刚玉-莫来石加速变形下沉，影响窑炉的安全生产。碳化硅具有高温高强度、抗酸性腐蚀等优良特性，国内部分窑炉生产厂家已开始将碳化硅横梁平顶应用到氮窑中，目前反馈其使用效果较好，已逐步验证了碳化硅适应氮窑烧结条件的使用。但碳化硅横梁平顶结构在氮窑上的实践与理论尚存在一些问题，需要大量经验的验证总结与分析，不断研究与探讨，促进氮窑烧结装备的进步。1碳化硅横梁的基本特性窑炉中常用的碳化硅横梁有反应烧结碳化硅陶瓷、重结晶碳化硅陶瓷和无压烧结碳化硅陶瓷三种材料；三种材质碳化硅因为制作工艺不同，其使用温度也有差异。反应烧结碳化硅，一般使用在1 200 的隧道窑中；重结晶碳化硅梁使用再结晶工艺，使用收稿日期：2022-04-08作者简介：颜林波（1990），男，工学硕士，工程师，主要从事热工设备的设计与研究.碳化硅横梁平顶结构在氮窑中应用实践与探讨颜林波，宋晓峰，王世刚，王翼伦（湖南烁科热工智能装备有限公司，湖南 长沙410000）摘要：氮窑窑顶结构的好坏直接影响着窑炉的使用寿命和产品的烧结品质。结合国内氮窑窑顶结构特点，通过对比刚玉拱顶结构，分析和探讨碳化硅横梁平顶结构在氮窑中的应用实践。对结构受力、温度和气氛均匀性、保温性能和氧化反应等理化性能进行分析，为碳化硅横梁结构在氮窑烧结工艺的条件下更好的应用提供理论基础。关键词：碳化硅横梁；平顶；氮窑；应用实践中图分类号：TQ175.6+53文献标识码：B文章编号：1001-6988（2023）01-0029-04Application Practice and Discussion of Silicon Carbide Beam Flat RoofStructure in Nitrogen KilnYAN Linbo,SONG Xiaofeng,WANG Shigang,WANG Yilun（Hunan Shuoke Thermal Intelligent Equipment Co.Ltd.,Changsha 410000,China）Abstract:The top structure of nitrogen kiln directly affects the service life of kiln and the sinteringquality of products.Combined with the structural characteristics of domestic nitrogen kiln roof,the applica-tion practice of silicon carbide beam flat roof structure in nitrogen kiln is analyzed and discussed by com-paring corundum arch roof structure.The physical and chemical properties such as structural stress,tem-perature and atmosphere uniformity,thermal insulation performance and oxidation reaction are analyzed,which provides a theoretical basis for the better application of silicon carbide beam structure under thecondition of nitrogen kiln sintering process.Key words:silicon carbide beam;flat roof;nitrogen kiln;application practice工 业 炉Industrial Furnace第45卷第1期2023年1月Vol.45 No.1Jan.202329温度1 500；无压烧结碳化硅的使用温度相对更高，在1 700 以上。考虑成本和安全因素下，氮窑中一般选用重结晶碳化硅横梁作为窑顶结构。重结晶碳化硅（以下简称碳化硅）材料在高温条件下，仍具有较强的强度，试验可知常温时碳化硅横梁的抗弯强度约为100 MPa，在1 400时约为110MPa，作为氮窑的窑顶承载件是较为合适的；其次是耐酸性腐蚀，氮窑中的SO2-4、盐酸离子很难对碳化硅进行腐蚀；再次导热性能良好，碳化硅横梁直接支撑着放有加热元器件的搁丝板，导热率高，使窑腔升温速率快，窑炉保温功率较小；最后是抗氧化性能，碳化硅横梁虽然会发生氧化反应，但由于氧化时生成的致密SiO2膜会延缓碳化硅的氧化反应，所以相对于其他材料而言具有较强的抗氧化性。2碳化硅横梁平顶结构与拱顶结构受力比较拱顶炉膛结构受力分析如图1所示。炉膛顶部采用弧拱支撑，弧拱由多块耐火砖拼接而成，顶部保温层的重量大部分都压在该弧顶上面。为了保持力平衡，顶部保温层和拱顶的自重需要炉膛两侧的炉墙提供支撑。这种受力特征使得炉墙在高温下向外侧发生横向位移，随着时间的推移，炉壳会逐渐向受力方向产生一定的变形。碳化硅横梁平顶结构中，横梁的支撑点在两侧墙砖上，横梁无水平横向分力，对侧面炉衬材料无相应的应力，如图2所示。其次横梁平顶相比拱顶结构重量较轻，约为刚玉拱顶重量的1/10，且顶部可采用轻质纤维保温棉来保温，顶部重量大幅减轻。通过拱顶结构与碳化硅横梁平顶结构材料对照表（见表1）计算，碳化硅横梁平顶结构的顶部重力是拱顶的1/15，炉膛顶部结构的轻质化得益于轻质材料的使用，对比前后两种材料的比重，碳化硅平顶结构受力和承重都具有一定的优势。3碳化硅横梁平顶结构的温度和气氛均匀性根据传热学、流体力学和温度场理论等知识，运用Fluent流体力学模拟软件，可以对氮窑在不同窑顶结构下的温度场及气流场进行理论和试验分析。在同一截面上，拱顶结构的温度场分布与碳化硅平顶结构比较接近，但拱顶的温度分布更为均匀，如图3所示。平顶结构中间温度较高，两端温度较低，最大温度相差12，在温度均匀性上拱顶优于平顶结构，这是后续在碳化硅横梁平顶结构实践中需进一步探讨的。在气氛均匀性上，拱顶较平顶结构顶部空间增大、存在一定弧拱角，有利于热辐射的集中，辐射热效率增大；其次拱顶空间增大，加大了气流对流速率，一定程度上造成较多热量的排出，使能耗增加。图2平顶框架式炉膛结构受力示意图碳化硅横梁图1炉膛拱顶结构受力示意图刚玉拱顶xxyyyy平顶结构顶部材料拱顶结构顶部材料材料项目容重比/kgm-3材料项目容重比/kgm-3重结晶碳化硅横梁600锆刚玉弧拱块2 800含锆型纤维板180高铝砖2 400多晶莫来石纤维板150DJM30标砖1 100硅酸铝纤维棉板140DJM28标砖900纳米微孔隔热板800.8漂珠砖800普通型维棉板1200.6漂珠砖600表1拱顶结构与碳化硅横梁平顶结构材料对照经验交流：碳化硅横梁平顶结构在氮窑中应用实践与探讨30工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月图3不同窑顶结构同一截面温度仿真图拱顶平顶1 4001 3901 3801 3701 3601 3501 3401 3301 3201 3101 3001 2901 2800.00.20.40.60.81.01.21.41.6温度/K位置/m4炉衬材料保温性能分析碳化硅平顶结构相对于刚玉拱顶结构，侧面无拱顶的横向推力，采用较多的轻质保温材料替代重质耐火材料。在相同厚度的情况下，由于材料的导热系数差异，一定程度上会造成了炉体保温性能的差异。根据热学理论，可以建立炉衬材料导热模型计算炉衬表面温度从而分析其保温性能。如图4所示是氮窑侧面保温炉衬导热示意图，设其厚度各自为h1hn，热导率各自为1n且均为常数。里层与外层表面温度分别为t1和tn，内层的界面温度分别为t2和tn-1。在稳定状态下，单位时间内通过单位面积传递的热量称为热流密度，用Q表示，热流密度与热交换的双方温度差成正比，即：Q=kt（1）式中：Q热流密度，W/m2k传热系数，W/（m2）t双方温度差，即可得出氮窑侧面热流密度Q：Q=t1-t2h11=t2-t3h22=tn-tn+1hnn（2）将式（2）进行转换即可得：t2=t1-Qh11t3=t2-Qh22=t1-Qh11-h32?tn=t1-Qn-1i=1hii将氮窑高温区各个炉衬材料厚度h和热导率带入公式，即得出窑体外表温度t的数值，数值越高，其保温性能越低，由表2可知，拱顶结构需多一层炉衬的情况下，才能将表面温度降至平顶结构的对应温度。因此碳化硅横梁平顶结构的运用不仅减少了炉衬厚度，还一定程度上加强了炉壁的保温性能。5碳化硅横梁氧化与理化反应碳化硅是共价化合物，其化学键具有极强的共价性，具有较好的抗氧化性能和热稳定性。碳化硅是一种非氧化物材料，不可避免地会发生氧化反应，但在高温条件会生成一层致密的SiO2氧化膜，可减少图4氮窑侧面保温炉衬导热简图t1t2t3tn-1tntn+10 xh1h2h3hn-2hn-1hntQ刚玉拱顶外表面温度碳化硅横梁平顶外表面温度材料厚度h/m导热率/W（m）-1tn+1/材料厚度h/mm导热率/W（m）-1tn+1/刚玉莫来石0.082.51 434刚玉莫来石0.082.51 434莫来石砖300.0670.51 367莫来石砖300.0670.51 367莫来石砖280.0670.51 299莫来石砖280.0670.51 299高温纤维板14000.050.21 174高温纤维板14000.050.21 174莫来石砖260.0670.411 092高温纤维板14000.0670.21 006莫来石砖230.0670.22939高温纤维板12000.0670.16796高温纤维板12000.050.16782高温纤维板10000.050.12587高温纤维板10000.050.12573高温纤维板10000.050.12377高温纤维板10000.050.12364高温纤维板10000.050.1275高温纤维板10000.050.1255表2拱顶和平顶侧面炉衬材料表面温度31全面推进绿色制造 加快建设生态文明!氧气与内部碳化硅的接触，从而阻止氧化的继续发生，即实现惰性氧化。研究表明：碳化硅在900 以上开始氧化，1 250 氧化加剧，在1 3001 500 时氧化逐渐减弱；根据氮窑Mn-Zn铁氧体的烧结工艺情况，窑内温度最高一般为1 380，所以此温度下SiO2膜对碳化硅实现了有效的氧化保护。虽然高温条件下，碳化硅的氧化被阻止或减缓，但实际运用中发现，氮窑横梁平顶结构中，碳化硅横梁下方常有熔融的玻璃状物生成，如图5所示。该玻璃状物如冰棱一样悬挂在横梁上，影响产品的装载高度，对安全生产造成隐患。为了查明该玻璃状物的成分和生成原因，取该冷却后的玻璃状物（见图6）进行X-射线光谱半定量（定性）检测，结果见表3，其主要为O、Al、Si三种元素；对其化合物成分检测：SiO2占68.02%、Al2O3占21%。结合试验结果分析，氮窑中的炉衬材料含有Al2O3和碳化硅氧化生成的SiO2，在高温条件下生成了硅酸盐玻璃，该玻璃是一种非晶态，在熔融状态下该玻璃熔体的黏度较大。粘结在碳化硅横梁上，不易清除，对安全生产的隐患较大。所