加热炉轻重复合吊挂平顶

作者：北京荣大新材料开发公司

欢迎访问e展厅 展厅 4 加热机/加热炉展厅 箱式电炉, 导热油炉, 高温箱, 高频加热机, 感应加热机, ... [摘要]加热炉轻重复合吊挂炉顶中存在着轻重质层界面处吊挂砖整体断裂的隐患。造成事故的主要原因有二：一是复合结构上下层材料因材质差异，膨胀量不同，在界面处对吊挂砖产生的较大的循环剪切应力；二是复合结构中界面处温度较高，在吊挂砖内产生较多液相，减弱了吊挂砖的陶瓷结合，使吊挂砖高温抗拉强度下降，下层重质料重量过大，吊挂砖难以承受，从而砖体从界面处被拉断。解决问题的最有效办法之一是使用能在高温下直接接触火焰使用的轻质浇注料单层浇注。北京荣大新材料开发公司研制的RM系列高强轻质莫来石浇注料可以满足这一要求，该料耐火度高，容重轻，可直接接触火焰作为工作衬使用，单层浇注不仅彻底消除界面结构应力，炉顶重量还可减轻约30～40%，大大提高了炉顶结构的安全性。 冶金加热炉的炉顶目前大部分是吊挂平顶，为了降低炉顶散热，大都采用轻重复合结构，即下部接触火焰的工作衬用重质浇注料，上面再覆盖一层轻质浇注料。但轻重复合结构中却存在着吊挂砖从界面处断裂从而造成重质料整体塌落的事故隐患。实际上此类事故屡有发生。下面从几个方面分析一下造成此类事故的原因： 一、复合吊挂炉顶中吊挂砖受拉应力特征 一般复合吊挂炉顶设计结构为下层250～300mm的重质高铝浇注料，容重2.5g/cm3左右，上部覆盖100～150mm的轻质浇注料，容重1.0～1.5g/cm3,吊挂砖截面积一般为115×115mm2,分布密度一般为中心距300～350mm。图1折线F是一个典型复合吊挂结构中吊挂砖的受力分布。 吊挂砖断面上所受的拉应力是从下往上分段递增的。而且在重质层内的一段吊挂砖所受的拉应力增长最快，并在界面处达到最大（0.05MPa左右），而后在轻质料层内的增加较少。吊挂砖界面处承受着炉顶约77%的重量。 二、复合吊挂炉顶中界面处吊挂砖受剪应力特征 除重力造成的拉应力之外，界面处的吊挂砖还承受着较大的剪切应力。由于上层轻质保温料与下层重质料材质有较大的差异，受热后的物理膨胀量也有较大差异，使用中层间会发生滑移，从而剪切吊挂砖。剪切力的大小与保温料的强度及重质料的膨胀系数有关。 显然，保温料强度越高，吊挂砖随重质料的滑移越受到限制，产生的剪切应力就越大。同样，重质料膨胀系数越大，层间滑移量就越大，产生的剪力就越大。 这种剪切应力还可能是循环的，因为停炉检修及温度波动在生产中是很难避免的。 三、复合吊挂炉顶的温度分布特征 以炉顶上表面温度为150℃计算，界面处温度大约1100℃左右，即温度在重质料层内降低约30%，亦即炉顶主要靠上层轻质料保温，而在两层之间界面处温度依然很高。 四、吊挂砖的材质及其在不同温度下的强度特征 烧结耐火制品的强度主要来自耐火材料内粒子之间的陶瓷结合。这种陶瓷结合程度越高，则其强度也就越高。高铝耐火制品的陶瓷结合主要是液相烧结的结果，即高温下耐火材料中形成液相促进颗粒间的粘结及物质迁移。形成的液相量越多， 则烧结强度会越好，冷态时表现出的强度也就越高。 但冷态强度与热态强度往往是矛盾的。高温液相量多虽然促进烧结，低温强度高，但高温使用时，这大量液相又会重新出现，高温强度就会下降。高温液相量越多，则高温强度越低。 吊挂砖的生产主要从两方面考虑：一是耐火度，二是抗拉强度。耐火度一般不会成问题，最重要的是抗拉强度。我们目前最注意的是砖的冷态抗拉强度，因为整个炉顶重量都悬挂在吊挂砖上部的绞接处，此处常处于低温，因此只要砖的常温强度足够此处即不会发生断裂。而如果常温强度不足，则会发生所谓的“吊头”事故。事实上塌顶事故时有发生，因此无论是炉窑设计还是吊挂砖制造时，人们更注重于吊挂砖的冷态抗拉强度，生产商往往采用易于烧结的较低材质原料制砖。 大多数厂家采用三级高铝矾土甚至粘土质骨料制砖，由于铝含量低杂质含量高，砖在较低温度时就出现液相。表1给出了Al2O3-SiO2-杂质系统中Al2O3含量较低时（石英-莫来石-杂质矿物系统）部分三元系统的最低共熔点（出现液相最低温度TE）。 从表中可以看出K2O,Na2O,FeO等杂质的某一种存在于低铝系统时，其最低共熔点可低至1000℃。由于耐火材料中多种杂质共存，实际出现液相温度可能更低。 表1 低铝三元系统最低共熔点 相组成 TE℃ SiO2-A3S2-K2O 985 SiO2-A3S2-Na2O 1050 SiO2-A3S2-FeO 1210 复合吊平顶温度分布特征分析表明，界面处温度可达1100℃，处此温度下的吊挂砖中很可能会产生较多的高温液相，导致砖的抗拉强度下降。但界面处吊挂砖却承受着大部分炉顶的重量，拉应力与抗拉强度之间的矛盾在此处达到最大。同时，界面处吊挂砖还承受着巨大的循环剪切应力，更增加了吊挂砖界面断裂的可能性。而处于界面以上的吊挂砖，由于所处温度较低，砖内基本不产生液相，陶瓷结合稳定。只要砖的常温强度足够，就不会造成断裂。也正因为如此，炉顶吊挂砖要么从顶部掉头，要么从复合界面处断裂。前者是因为砖的常温强度低，后者是因为界面处的结构应力过大，超过砖的高温强度。 五、问题的解决 因此，双层复合结构中要消除吊挂砖的界面断裂，关键在于消除界面处的结构应力和提高吊挂砖的高温强度。提高吊挂砖的高温强度是比较困难的，因为吊挂砖为特异形制品，形状复杂，难于成型，很难通过提高打砖压力来提高强度，而更多地依赖于液相烧结形成的陶瓷结合。 消除或减弱界面处结构应力是可能的。一是减轻炉顶重量，采用容重较轻的浇注料浇注炉顶；二是采用单层浇注，消除界面，从而消除界面结构应力。 北京荣大公司研制的RM系列高强轻质莫来石浇注料恰好能满足上述要求，该料容重1.5～1.8g/cm3, 仅为重质料的2/3左右，而且该料能直接接触火焰作为工作层长期使用。由于容重轻，保温性能极好，单层浇注300mm就能取得350～400mm复合结构炉顶的保温效果。采用RM系列轻质浇注料浇注，炉顶重量可减轻约30～50%,而且由于实现了单层浇注结构，消除了浇注体内的界面，吊挂砖不再受剪。 RM系列高强轻质莫来石浇注料已成功地应用于首钢北钢、首钢特钢、首钢秦皇岛中板厂、天津小无缝及安阳钢铁公司等钢铁企业的数十座轧钢加热炉上，均取得满意的使用效果。该料除用于炉顶外，还可用于上部炉墙(不接触熔渣）。而且该料施工方便，可快速烘炉，曾有三天烘到轧钢温度的纪录。 六、结论 综上所述，轻重复合吊挂炉顶中实际存在着严重的界面处吊挂砖整体断裂的隐患。造成事故的主要原因是复合结构上下层材料因膨胀量不同，在界面处对吊挂砖产生的较大的循环剪切应力。同时，复合结构中界面处所处温度较高，砖内产生较多液相，减弱了吊挂砖的陶瓷结合，使吊挂砖高温抗拉强度下降，难以承受炉顶重质层的重量，砖体从界面处断裂。解决问题的最有效办法之一是使用能在高温下直接接触火焰使用的轻质浇注料。北京荣大公司研制的RM系列高强轻质莫来石浇注料可以满足这一要求，该料耐火度高，容重轻，可直接接触火焰作为工作衬使用，单层浇注不仅彻底消除界面结构应力，炉顶重量可减轻约30～40%，大大提高了炉顶结构的安全性。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/22/2005)