熱風(fēng)爐用耐火材料與使用特性
作者：admin 發(fā)布時(shí)間：2019-08-20 08:43:40 點(diǎn)擊率：701
熱風(fēng)爐用耐火材料的選擇主要是由熱風(fēng)溫度決定的，當(dāng)熱風(fēng)溫度低于900℃，一般選用粘土磚砌筑，有的使用壽命可達(dá)20年左右；當(dāng)風(fēng)溫高于900℃時(shí)，高溫部位的爐襯和格子磚則采用高鋁磚、莫來(lái)石磚、硅線石磚和硅磚等。但各國(guó)在選擇耐火材料時(shí)也不盡相同。
日本大型高爐熱風(fēng)爐主要采用考伯斯式，最近新日鐵式熱風(fēng)爐建造較多；德國(guó)則用考伯斯式或馬琴式熱風(fēng)爐；西歐其他國(guó)家多采用地得式熱風(fēng)爐；美國(guó)除建造一些外燃式熱風(fēng)爐外，十分重視對(duì)內(nèi)燃式熱風(fēng)爐的改造，即可獲得較高的風(fēng)溫，又能延長(zhǎng)使用壽命。
近些年來(lái)，各國(guó)新建或改建的高爐熱風(fēng)爐主要是采用外燃式的，送風(fēng)溫度為1200~1350℃，拱頂溫度一般為1500~1550℃，甚至接近1600℃。因此，爐襯高溫部位和格子磚上層，普遍采用硅磚砌筑，使用效果較好。
俄羅斯高爐熱風(fēng)爐的傳統(tǒng)材質(zhì)為：球頂和上部砌體采用Al2O3含量為62%~72%的高鋁磚砌筑，中下部砌體則用Al2O3含量為38%的粘土磚；最近，熱風(fēng)爐的風(fēng)溫顯著提高，因此球頂和上部6~7m高的部位一般采用地膨脹性硅磚砌筑，其余部位根據(jù)溫度的不同，分別采用莫來(lái)石磚、剛玉磚、高嶺土磚和粘土磚。
西歐熱風(fēng)爐球頂、爐墻和格子磚上部，普遍采用給硅磚砌筑。黑鬼轉(zhuǎn)中，氧化鐵和氧化鈦的含量較高，真密度大，導(dǎo)熱性能好，蓄熱能力強(qiáng)，因此熱效率高；熱風(fēng)爐的中、下部爐墻和格子磚，則分別采用高鋁磚和粘土磚。熱風(fēng)爐用耐火材料實(shí)例，熱風(fēng)爐高溫部位全部采用硅磚砌筑，中溫部位的襯體和格子磚則用高鋁磚砌筑，熱風(fēng)出口附近襯體采用莫來(lái)石磚，其余部位普遍采用粘土磚砌筑。
德國(guó)高爐熱風(fēng)爐耐火材料，從高溫區(qū)到低溫區(qū)依次分別采用硅磚、硅線石磚、莫來(lái)石磚、高鋁磚和粘土磚。
日本高爐熱風(fēng)爐用耐火磚的性能和使用部位，不同的部位，選用了不同品種和牌號(hào)的耐火磚，做到物盡其用；同時(shí)，要充分考慮耐火磚的高溫蠕變性能，以便在長(zhǎng)期工作中，確保生產(chǎn)的安全。另外，日本熱風(fēng)爐的壽命一般可供高爐兩個(gè)爐役使用，即為15~20年。
我國(guó)熱風(fēng)爐一般為內(nèi)燃式的，其襯體和格子磚普遍采用高鋁磚和粘土磚砌筑；外燃式熱風(fēng)爐的高溫部位一般用硅磚砌筑，中、低溫部位則依次用高鋁磚和粘土磚。
綜上所述，高爐熱風(fēng)爐采用的耐火材料，各國(guó)大同小異。但有一個(gè)共同特點(diǎn)，即在選擇高爐熱風(fēng)爐用耐火材料時(shí)，必須注意：（1）耐火材料的體積穩(wěn)定性；（2）耐火材料的抗高溫荷重蠕變性能；（3）耐火材料的熱膨脹性能；（4）熱風(fēng)爐的換熱效率。
1、耐火材料的體積穩(wěn)定性。由于熱風(fēng)爐的溫度發(fā)生周期性的頻繁變化，因而耐火材料應(yīng)具有良好的體積穩(wěn)定性和均勻的熱膨脹，以保證大型耐火磚砌體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。耐火磚的體積穩(wěn)定性是影響耐火材料砌筑體的穩(wěn)定可靠性的重要性能，硅磚和紅柱石磚顯示出良好的體積穩(wěn)定性。
耐火材料的熱膨脹性能比較，在溫度較低時(shí)，即在600℃以下，硅磚的熱膨脹隨溫度的變化很大，致使硅磚在溫度較低時(shí)的耐熱崩裂性能很差。但在600℃以上，硅磚的熱膨脹率幾乎與溫度的變化無(wú)關(guān)。這意味著在600℃以上，硅磚的體積不隨溫度而變化，因?yàn)楸憩F(xiàn)出非常好的體積穩(wěn)定性和卓越的耐熱崩裂性能。因此，硅磚的使用溫度范圍不宜低于600℃。高鋁磚和紅柱石磚或硅線石磚的線膨脹系數(shù)較小，且隨溫度的變化比較平穩(wěn)，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的抗熱震性比較好。因此它們的使用范圍不致受到此種因素的影響，這對(duì)熱風(fēng)爐的操作和耐火材料的使用壽命有利。
2、耐火材料的抗高溫荷重蠕變性能。熱風(fēng)爐的使用期限很長(zhǎng)，一般要求達(dá)到10~20年之久，耐火材料承受自重產(chǎn)生的荷重很大，因而要求使用高溫荷重下抗蠕變性能優(yōu)良的耐火材料。
硅磚系在0.1Mpa荷重和加熱1550℃的條件下測(cè)定的；硅酸鋁質(zhì)磚施加的荷重為0.2Mpa，加熱溫度分別為1350℃和1300℃。從圖中可以看出，硅磚具有最優(yōu)越的抗高溫入編性能，高溫蠕變率極小；其次是高鋁磚，包括用高鋁礬土熟料和硅線石類(lèi)礦物為原料制造的高鋁磚，它們的抗高溫蠕變性能也很好，且其組成愈接近莫來(lái)石的組成，耐火磚的抗蠕變性能越好。
但是，硅磚體積密度較小，蓄熱能力較差，在600℃以下時(shí)，易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)化，破壞整體性。因此，各國(guó)均規(guī)定了硅磚的最低使用溫度，一般應(yīng)大于600℃，日本則規(guī)定要大于800℃。另外，在低溫階段烘爐時(shí)要慎重進(jìn)行，以保證晶型的緩慢轉(zhuǎn)化而不損傷砌體。
應(yīng)當(dāng)指出，西歐同美國(guó)一樣，在熱風(fēng)爐蓄熱室上部試用了MgO含量為95%~96%的高熱容量的方鎂石磚，在中、下部則一般用廉價(jià)的半硅磚。半硅磚的高溫蠕變性和體積穩(wěn)定性均比粘土磚好，而抗熱震性又比硅磚好。另外，蓄熱室上部和溫度變化較大的部位，也有采用莫來(lái)石磚砌筑的。莫來(lái)石磚的荷重軟化溫度和高溫蠕變性能與硅磚相似，而且低溫時(shí)體積穩(wěn)定性好，開(kāi)爐時(shí)比較方便；單位體積內(nèi)蓄熱能力大。如設(shè)粘土磚的蓄熱能力為1,14，硅磚僅為0.85，而莫來(lái)石磚則為1.2，但是，制造莫來(lái)石磚消耗能源較大，成本比硅磚高得多。
3、熱風(fēng)爐的換熱效率。在操作條件相同的情況下，熱風(fēng)爐的換熱效率主要取決于耐火材料的蓄熱能力，熱導(dǎo)率和耐火磚的形狀。
在SiO2-Al2O3系耐火材料中，耐火材料的蓄熱能力隨著Al2O3含量的增加而提高，高鋁類(lèi)耐火材料的蓄熱能力要比粘土磚和硅磚的蓄熱能力高，因此，格子磚采用高蓄熱能力的高鋁耐火材料時(shí)，熱風(fēng)爐可變得比較緊湊，減少占地面積。這對(duì)改造現(xiàn)有的熱風(fēng)爐特別有利，因?yàn)樗杀苊鉃樘岣邿犸L(fēng)爐的蓄熱能力而使熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)作大的變動(dòng)，同時(shí)還可以避免受現(xiàn)有場(chǎng)地的限制。
耐火材料的導(dǎo)熱性能影響格子磚在加熱和放熱過(guò)程中的熱量?jī)?chǔ)存和釋放的速度。格子磚為高導(dǎo)材質(zhì)時(shí)，加熱時(shí)熱量可迅速傳入耐火磚的內(nèi)部?jī)?chǔ)存起來(lái)，冷卻時(shí)則可迅速向外釋放內(nèi)部?jī)?chǔ)存的熱量。
因此，采用高導(dǎo)熱耐火材料有利于提高熱風(fēng)爐的熱效率。在SiO2-Al2O3系耐火材料中，耐火材料的熱導(dǎo)率隨著Al2O3含量的增加而提高。影響耐火材料的熱導(dǎo)率的主要因素還有體積密度和氣孔率，耐火材料的體積密度越高，氣孔率越低，耐火材料的熱導(dǎo)率也就越大。因此，熱風(fēng)爐格子磚應(yīng)為高密度低氣孔的材質(zhì)。
熱風(fēng)爐的熱效率還與格子磚的設(shè)計(jì)有密切的關(guān)系，單位容積內(nèi)的格子磚總表面積越大，熱交換率也就越高。傳統(tǒng)上，熱風(fēng)爐格子磚用長(zhǎng)方形耐火磚碼砌，但由于熱效率低，已被其他效率高的耐火磚取代。高效格子磚具有較大的加熱面積，所以熱效率高。但由于它們的磚壁較薄，可能發(fā)生變形，同時(shí)由于煙道較小，壓力損失大，容易造成堵塞。因此，高效型格子磚應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)耐火材料制造，同時(shí)對(duì)高爐煤氣應(yīng)采取相應(yīng)凈化措施。
日本大型高爐熱風(fēng)爐主要采用考伯斯式，最近新日鐵式熱風(fēng)爐建造較多；德國(guó)則用考伯斯式或馬琴式熱風(fēng)爐；西歐其他國(guó)家多采用地得式熱風(fēng)爐；美國(guó)除建造一些外燃式熱風(fēng)爐外，十分重視對(duì)內(nèi)燃式熱風(fēng)爐的改造，即可獲得較高的風(fēng)溫，又能延長(zhǎng)使用壽命。
近些年來(lái)，各國(guó)新建或改建的高爐熱風(fēng)爐主要是采用外燃式的，送風(fēng)溫度為1200~1350℃，拱頂溫度一般為1500~1550℃，甚至接近1600℃。因此，爐襯高溫部位和格子磚上層，普遍采用硅磚砌筑，使用效果較好。
俄羅斯高爐熱風(fēng)爐的傳統(tǒng)材質(zhì)為：球頂和上部砌體采用Al2O3含量為62%~72%的高鋁磚砌筑，中下部砌體則用Al2O3含量為38%的粘土磚；最近，熱風(fēng)爐的風(fēng)溫顯著提高，因此球頂和上部6~7m高的部位一般采用地膨脹性硅磚砌筑，其余部位根據(jù)溫度的不同，分別采用莫來(lái)石磚、剛玉磚、高嶺土磚和粘土磚。
西歐熱風(fēng)爐球頂、爐墻和格子磚上部，普遍采用給硅磚砌筑。黑鬼轉(zhuǎn)中，氧化鐵和氧化鈦的含量較高，真密度大，導(dǎo)熱性能好，蓄熱能力強(qiáng)，因此熱效率高；熱風(fēng)爐的中、下部爐墻和格子磚，則分別采用高鋁磚和粘土磚。熱風(fēng)爐用耐火材料實(shí)例，熱風(fēng)爐高溫部位全部采用硅磚砌筑，中溫部位的襯體和格子磚則用高鋁磚砌筑，熱風(fēng)出口附近襯體采用莫來(lái)石磚，其余部位普遍采用粘土磚砌筑。
德國(guó)高爐熱風(fēng)爐耐火材料，從高溫區(qū)到低溫區(qū)依次分別采用硅磚、硅線石磚、莫來(lái)石磚、高鋁磚和粘土磚。
日本高爐熱風(fēng)爐用耐火磚的性能和使用部位，不同的部位，選用了不同品種和牌號(hào)的耐火磚，做到物盡其用；同時(shí)，要充分考慮耐火磚的高溫蠕變性能，以便在長(zhǎng)期工作中，確保生產(chǎn)的安全。另外，日本熱風(fēng)爐的壽命一般可供高爐兩個(gè)爐役使用，即為15~20年。
我國(guó)熱風(fēng)爐一般為內(nèi)燃式的，其襯體和格子磚普遍采用高鋁磚和粘土磚砌筑；外燃式熱風(fēng)爐的高溫部位一般用硅磚砌筑，中、低溫部位則依次用高鋁磚和粘土磚。
綜上所述，高爐熱風(fēng)爐采用的耐火材料，各國(guó)大同小異。但有一個(gè)共同特點(diǎn)，即在選擇高爐熱風(fēng)爐用耐火材料時(shí)，必須注意：（1）耐火材料的體積穩(wěn)定性；（2）耐火材料的抗高溫荷重蠕變性能；（3）耐火材料的熱膨脹性能；（4）熱風(fēng)爐的換熱效率。
1、耐火材料的體積穩(wěn)定性。由于熱風(fēng)爐的溫度發(fā)生周期性的頻繁變化，因而耐火材料應(yīng)具有良好的體積穩(wěn)定性和均勻的熱膨脹，以保證大型耐火磚砌體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。耐火磚的體積穩(wěn)定性是影響耐火材料砌筑體的穩(wěn)定可靠性的重要性能，硅磚和紅柱石磚顯示出良好的體積穩(wěn)定性。
耐火材料的熱膨脹性能比較，在溫度較低時(shí)，即在600℃以下，硅磚的熱膨脹隨溫度的變化很大，致使硅磚在溫度較低時(shí)的耐熱崩裂性能很差。但在600℃以上，硅磚的熱膨脹率幾乎與溫度的變化無(wú)關(guān)。這意味著在600℃以上，硅磚的體積不隨溫度而變化，因?yàn)楸憩F(xiàn)出非常好的體積穩(wěn)定性和卓越的耐熱崩裂性能。因此，硅磚的使用溫度范圍不宜低于600℃。高鋁磚和紅柱石磚或硅線石磚的線膨脹系數(shù)較小，且隨溫度的變化比較平穩(wěn)，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的抗熱震性比較好。因此它們的使用范圍不致受到此種因素的影響，這對(duì)熱風(fēng)爐的操作和耐火材料的使用壽命有利。
2、耐火材料的抗高溫荷重蠕變性能。熱風(fēng)爐的使用期限很長(zhǎng)，一般要求達(dá)到10~20年之久，耐火材料承受自重產(chǎn)生的荷重很大，因而要求使用高溫荷重下抗蠕變性能優(yōu)良的耐火材料。
硅磚系在0.1Mpa荷重和加熱1550℃的條件下測(cè)定的；硅酸鋁質(zhì)磚施加的荷重為0.2Mpa，加熱溫度分別為1350℃和1300℃。從圖中可以看出，硅磚具有最優(yōu)越的抗高溫入編性能，高溫蠕變率極小；其次是高鋁磚，包括用高鋁礬土熟料和硅線石類(lèi)礦物為原料制造的高鋁磚，它們的抗高溫蠕變性能也很好，且其組成愈接近莫來(lái)石的組成，耐火磚的抗蠕變性能越好。
但是，硅磚體積密度較小，蓄熱能力較差，在600℃以下時(shí)，易發(fā)生晶型轉(zhuǎn)化，破壞整體性。因此，各國(guó)均規(guī)定了硅磚的最低使用溫度，一般應(yīng)大于600℃，日本則規(guī)定要大于800℃。另外，在低溫階段烘爐時(shí)要慎重進(jìn)行，以保證晶型的緩慢轉(zhuǎn)化而不損傷砌體。
應(yīng)當(dāng)指出，西歐同美國(guó)一樣，在熱風(fēng)爐蓄熱室上部試用了MgO含量為95%~96%的高熱容量的方鎂石磚，在中、下部則一般用廉價(jià)的半硅磚。半硅磚的高溫蠕變性和體積穩(wěn)定性均比粘土磚好，而抗熱震性又比硅磚好。另外，蓄熱室上部和溫度變化較大的部位，也有采用莫來(lái)石磚砌筑的。莫來(lái)石磚的荷重軟化溫度和高溫蠕變性能與硅磚相似，而且低溫時(shí)體積穩(wěn)定性好，開(kāi)爐時(shí)比較方便；單位體積內(nèi)蓄熱能力大。如設(shè)粘土磚的蓄熱能力為1,14，硅磚僅為0.85，而莫來(lái)石磚則為1.2，但是，制造莫來(lái)石磚消耗能源較大，成本比硅磚高得多。
3、熱風(fēng)爐的換熱效率。在操作條件相同的情況下，熱風(fēng)爐的換熱效率主要取決于耐火材料的蓄熱能力，熱導(dǎo)率和耐火磚的形狀。
在SiO2-Al2O3系耐火材料中，耐火材料的蓄熱能力隨著Al2O3含量的增加而提高，高鋁類(lèi)耐火材料的蓄熱能力要比粘土磚和硅磚的蓄熱能力高，因此，格子磚采用高蓄熱能力的高鋁耐火材料時(shí)，熱風(fēng)爐可變得比較緊湊，減少占地面積。這對(duì)改造現(xiàn)有的熱風(fēng)爐特別有利，因?yàn)樗杀苊鉃樘岣邿犸L(fēng)爐的蓄熱能力而使熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)作大的變動(dòng)，同時(shí)還可以避免受現(xiàn)有場(chǎng)地的限制。
耐火材料的導(dǎo)熱性能影響格子磚在加熱和放熱過(guò)程中的熱量?jī)?chǔ)存和釋放的速度。格子磚為高導(dǎo)材質(zhì)時(shí)，加熱時(shí)熱量可迅速傳入耐火磚的內(nèi)部?jī)?chǔ)存起來(lái)，冷卻時(shí)則可迅速向外釋放內(nèi)部?jī)?chǔ)存的熱量。
因此，采用高導(dǎo)熱耐火材料有利于提高熱風(fēng)爐的熱效率。在SiO2-Al2O3系耐火材料中，耐火材料的熱導(dǎo)率隨著Al2O3含量的增加而提高。影響耐火材料的熱導(dǎo)率的主要因素還有體積密度和氣孔率，耐火材料的體積密度越高，氣孔率越低，耐火材料的熱導(dǎo)率也就越大。因此，熱風(fēng)爐格子磚應(yīng)為高密度低氣孔的材質(zhì)。
熱風(fēng)爐的熱效率還與格子磚的設(shè)計(jì)有密切的關(guān)系，單位容積內(nèi)的格子磚總表面積越大，熱交換率也就越高。傳統(tǒng)上，熱風(fēng)爐格子磚用長(zhǎng)方形耐火磚碼砌，但由于熱效率低，已被其他效率高的耐火磚取代。高效格子磚具有較大的加熱面積，所以熱效率高。但由于它們的磚壁較薄，可能發(fā)生變形，同時(shí)由于煙道較小，壓力損失大，容易造成堵塞。因此，高效型格子磚應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)耐火材料制造，同時(shí)對(duì)高爐煤氣應(yīng)采取相應(yīng)凈化措施。
