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制，耐火材料厂家与有关钢厂合作，成功研制出一些优质高效耐火材料。3.2.1高耐磨铬刚玉质推钢滑轨和平台砖该产品采用普通浇注法生产，具有高强度、高密度、高耐磨、耐急冷急热、内外均匀等特性，尤其耐磨性极佳，其主要理化指标见表3。该产品使用寿命为目前国内采用的熔铸锆刚玉砖、锆莫来石砖及棕刚玉-碳化硅砖的25倍，是替代耐热钢铸件及熔铸锆刚玉类推钢滑轨平台砖的首选产品。表2LZ-55和PN-JZ-58锚固砖主要理化指标项目LZ-55PN-JZ-58w（Al2O3）/%55580.2 MPa荷重软化温度/1 4701 500 2 h重烧线变化率/%+0.1-0.4显气孔率/%2222常温耐压强度/MPa44.170综述：轧钢加热炉用耐火材料的发展历程与技术进步18工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月表3滑轨砖和平台砖的主要理化指标w（Al2O3+Cr2O3）/%体积密度（1 500 3 h）/gcm-3耐压强度（1 500 3 h）/MPa抗折强度（1 500 3 h）/MPa线变化率（1 500 3 h）/%最高使用温度/88.03.25150250+1.01 650项目编号CDEw（Al2O3）/%556065施工用量/tm-32.452.502.55体积密度/gcm-3110 16 h2.252.302.35耐压强度/MPa110 16 h4045501 350 3 h607070抗折强度/MPa110 16 h6781 350 3 h888线变化率/%110 16 h0-0.20-0.20-0.21 350 3 h0-0.50-0.50-0.5长期使用温度/1 3501 3501 3503.2.2水冷管包扎用自流浇注料水冷管包扎的施工厚度一般在5060 mm左右，用自流浇注料可借助本身重力作用，不经振动而脱气、流平，从而实现致密化。适用于加热炉水冷管包扎等薄壁部位及各种修补。不易脱落，寿命在一年以上。一般加热炉选择Al2O3含量在60%65%左右的低水泥高铝矾土熟料自流浇注料可满足要求。对于要求更高的、使用条件较差的加热炉可选择莫来石质自流浇注料。水冷管包扎用浇注料的主要理化指标见表4。3.2.3快干防爆浇注料普通低水泥浇注料烘烤时间长，在中修及大修时有工期限制，要缩短浇注料的固化时间。为了水分排出，常加入防爆纤维等防爆剂，使浇注料有较多的开口气孔，便于水分排出。可使烘烤时间由原来的7 d减为3 d，不但比常规时间少4 d，而且烘烤过程还不爆裂。其理化指标见表5。3.2.4烧嘴砖用浇注料烧嘴砖起点火和稳定燃烧作用，直接与火焰接触，使用条件较苛刻。因此对烧嘴砖用原料及配方设计要求较高，要选择质量较好的高铝矾土熟料做骨料，杂质含量少的原料做细粉，合理的铝酸钙水泥加入量配制的专用浇注料生产烧嘴砖，其使用寿命是普通烧嘴砖的2倍以上。其理化指标见表6。3.2.5环形加热炉隔墙预制件环形加热炉隔墙一般用水冷支撑和异型砖砌筑的结构形式，由于装出料时一不注意坯料会碰撞水冷管护砖及突然断水等原因，隔墙较易损坏。一家耐火企业研制出环形加热炉活动插入隔墙，取消水冷件，并采用无水冷吊挂结构，更换时不用停产，也不用烘烤，可直接随炉升温。该预制件具有更换方便、节能、低成本等优点，使用寿命在一年以上。4轧钢加热炉用耐火材料的发展趋势及展望4.1加热炉用耐火材料的发展趋势加热炉用耐火材料的发展与加热炉炉型结构的变化紧密相连。20世纪90年代后期以来，加热炉开始采用快干浇注料、快干自流浇注料和快干抗渣浇注料。这类浇注料既保证了低水泥、超低水泥和无水泥浇注料的优良性能，还可快速施工、快速烘烤，加热炉整体在35天内可以完成烘烤，快干抗渣浇注料还有优良的抗氧化铁皮侵蚀的特性。4.1.1蓄热式加热炉炉体用耐火材料4蓄热式加热炉是近年来发展起来的新式加热炉，最大的特点是高效节能，平均节能率在现有的基础上再提高30%，并降低了污染物排放量，尤其是氧化氮排放量，有利于环境保护，因此受到冶金行业的极大重视。蓄热式加热炉有通道式、外置蓄热式和烧嘴式加热炉三种。同一般加热炉相比，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，炉型结构也发生了变化。针对蓄热式加热炉项目编号ABw（Al2O3）/%6065体积密度/gcm-3110 16 h2.352.40耐压强度/MPa110 16 h40401 350 3 h6565抗折强度/MPa110 16 h661 350 3 h88线变化率/%110 16 h0-0.20-0.21 350 3 h0-0.50-0.5长期使用温度/1 3501 350表4水冷管包扎浇注料的主要理化指标表5快干防爆浇注料理化指标表6烧嘴砖专用浇注料理化指标w（Al2O3）/%体积密度（11016 h）/gcm-3耐压强度（1 500 3 h）/MPa抗折强度（1 500 3 h）/MPa长期使用温度/60702.52.680121 60019不同部位选用合适原料和粒度级配，采用超微粉和高效分散剂，可获得施工性能和高温使用性能较好的自流浇注料。适用于蓄热式加热炉的狭窄和形状复杂的部位。如炉底水冷管包扎、蓄热式加热炉结构特殊的炉墙及一些局部需要修补和填塞的部位，使用自流浇注料就比较方便。通道式加热炉的炉体内有许多相互隔离的蓄热室和很多纵横交错的煤气管道或空气管道。用振动成型的浇注料用于蓄热室，存在着中温强度下降、线收缩率大、体积稳定性差等不足。使用后容易出现开裂或运行过程中跑风漏气，影响换热节能效果。特别是煤气蓄热室一旦漏气，还会给生产带来安全隐患。在蓄热室炉墙这种空间狭窄、形状复杂的部位（炉墙为多层结构、分层施工、每层厚度仅100 mm左右），振动设备无法使用，而用自流浇注料便很好解决问题。因此，蓄热式加热炉炉体用快干浇注料、快干自流浇注料和快干抗渣浇注料，其理化指标见表7、表8。这样就使炉体有优良的整体结构和气密性，并有很高的强度，抵抗气流冲刷，优良的抗结构剥落及抗渣性。快干浇注料、快干自流浇注料和快干抗渣浇注料，除用于蓄热式加热炉外，也适用于其他炉型的大中修。此外，外置蓄热式热风炉连通管道和蓄热室间的耐火材料，应该具有密度小、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热交换。这些耐火材料还要具有热震稳定性和体积稳定性好的特点，在使用过程中不产生剥落和开裂，以保证使用寿命和气密性。莫来石质轻质浇注料具有密度小、蓄热少、热震稳定性和体积稳定性好的特点，是外置蓄热式加热炉连通管道和蓄热室间的理想耐火材料。4.1.2蓄热体蓄热体是蓄热式加热炉的关键材料。它是换热介质，其作用是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，不仅提高了空气和燃料的预热温度，还降低了废气的排放温度，节约能源。同时还减少了CO2和氧化氮的排放，有益于环境保护。蓄热体在频繁的废气与空气和燃料的换向作用下，承受着剧烈的热冲击，所以必须具有优良的热震稳定性、良好的蓄热和放热能力、导热性和抗渣性。常用的有陶瓷小球和蜂窝体。陶瓷小球一般直径在1020 mm，主要由手工成型，生产效率低，无论从使用性能，还是工期的保证方面存在明显不足。而蜂窝体壁薄、孔距小、能在较短时间积蓄和释放热量。目前使用的蜂窝体主要有堇青石质和莫来石质蜂窝体，堇青石质蜂窝体在1 250 以下使用，有很好的使用效果，而莫来石质蜂窝体可在1 500 以下使用。其理化性能指标见表9。4.2加热炉用耐火材料展望我国加热炉迅速向蓄热式加热炉方向发展，新建的加热炉越来越多地采用蓄热式加热炉，而在线的加热炉也在逐步改造为蓄热式加热炉。因此，为了适应这种变化，就应该进一步加强蓄热式加热炉用耐火材料的研究，展望以下几种材料：表7快干浇注料主要理化指标项目编号56w（Al2O3）/%6875w（Al2O3+MgO）/%7080体积密度/gcm-3110 16 h2.552.83.01 350 3 h2.502.83.0耐压强度/MPa110 16 h80501 350 3 h9570抗折强度/MPa110 16 h981 350 3 h1110线变化率/%110 16 h0.10.11 350 3 h0.50.5施工加水量/%5.20.54.50.5长期使用温度/1 3501 350最高使用温度/1 6001 600用途炉墙、炉顶抗渣部位项目编号FGHJw（Al2O3）/%55606560体积密度/gcm-3110 16 h2.352.402.452.451 350 3 h2.302.352.402.45耐压强度/MPa110 16 h252528301 350 3 h50505560抗折强度/MPa110 16 h55681 350 3 h9101012线变化率/%110 16 h0.20.20.20.21 350 3 h0.50.50.50.5施工加水量/%8.50.5 8.50.5 8.50.5 8.00.5长期使用温度/1 3501 3501 3501 350最高使用温度/1 6001 6001 6001 600用途炉顶、炉墙炉顶、炉墙炉顶、炉墙水冷管包扎表8快干自流浇注料主要理化指标综述：轧钢加热炉用耐火材料的发展历程与技术进步20工 业 炉第 45 卷第 1 期2023 年 1 月工业炉杂志社重要启事本刊印刷和网络版的版权属工业炉杂志社所有。为本刊撰写的文稿、图片等，从发表之日起，其专有出版权即归工业炉杂志社所有。请作者不要一稿多投。本刊文章欢迎转载或翻译成其它文种发表，但需征得工业炉杂志社的书面同意。未经书面许可，不得以任何方式全部或部分翻印、转载、网上发表或录入数据库。如发现本刊有印刷、装订、残缺破损等质量问题，请寄回杂志社调换。项目堇青石质莫来石质w（Al2O3）/%313572w（MgO）/%1216w（SiO2）/%485220容重/gcm-30.40.80.61.1热膨胀系数/10-61.86比热容0.841.0导热系数（1 000）/W（mK）-11.01.3轴向耐压强度/MPa2130侧向耐压强度/MPa34表9蜂窝体的主要理化性能指标4.2.1发展高性能快干自流浇注料随着蓄热式加热炉的发展，高性能快干自流浇注料将越来越多地被采用，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。随着研究的深入，也会出现免烘烤直流浇注料，高性能快干和免烘烤浇注料可用于炉顶、炉墙和水冷管包扎。4.2.2高性能蓄热体高性能蓄热体可能用非氧化物材料，如氮化物等，也可能进行结构改性，甚至采用纳米改性的氧化铝材料或其他材料。4.2.3泵送自流浇注料这种浇注料可机械化施工，具有施工速度快的优点，还能降低劳动强度，随着加热炉的大型化发展，这种浇注料将受到重视。4.2.4湿法喷射浇注料这种浇注料可以无模具施工，具有施工简捷、施工速度快的优点，将给加热炉用耐火材料带来重大影响。4.2.5采用热导率更低，保温效果更好的耐火材料对于使用温度不高，几乎不与熔融物接触的加热炉，可以采用比耐火纤维保温效果更好的材料，节能十分重要。5结语20世纪70年代以来，我国加热炉用耐火材料得到迅速发展，从先前的用耐火砖砌筑发展为用不定形耐火材料。加热炉的结构也从砖砌的拱顶结构改变为采用不定形耐火材料的平顶吊挂结构。目前，我国加热炉正向节能型的蓄热式加热炉方向发展。蓄热式加热炉节能效果显著，有益于环境保护和提高钢材的成材率，是今后一个时期的重点发展方向。与蓄热式加热炉相应的智能型快干浇注料、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将得到广泛应用。加热炉用耐火材料的研究仍将继续，今后一个时期、纳米结合浇注料、泵送自流浇注料、喷射浇注料、高性能无水泥浇注料以及免烘烤浇注料免烘烤自流浇注料将会逐步问世，并在加热炉上得到广泛应用。参考文献：1刘百宽，薛鸿雁.加热炉用耐火材料的进展J.工业炉，2002，24（3）:15-20.2严立新.轧钢加热炉用耐火材料的合理选用J.工业炉，2009，31（3）:49-52.3李彩霞，薛鸿雁.轧钢加热炉用耐火材料的合理选用及胀缝设计:第七届工业炉学术交流会论文集C.南昌：中国机械工程学会，2009.4薛文东.耐火材料在加热炉上的发展和应用N.世界金属导报，2008-04-08（7）.21