试析顶燃式热风炉用耐火材料配置

试析顶燃式热风炉用耐火材料配置

杨世宁

十一冶建设集团有限责任公司 广西 柳州 545000

摘要：为适应高风温的需求，需要结合国内耐材的实际生产状况，合理配置热风炉用耐火材料，制定满足高风温热风炉需要的耐火材料理化性能指标。

关键词：高风温；热风炉；耐火材料

前 言

随着现代工业的迅速发展，生产过程中对风温的要求越来越高，同时考虑到经济成本，提高热风炉的使用寿命也成了行业内发展的趋势。热风炉在工作的时候，内部环境恶劣，对材料的耐热性以及抗压性都有一定的要求，需要进行科学合理的配置。此外，考虑到各种其他方面，还需要对热风炉本身的结构进行调整以此来保证其稳定性，并延长其使用寿命。

1 热风炉用耐火材料的发展

在上世纪60年代以前，热风炉的送风温度还处在900℃的水平，使用的耐火材料为粘土砖。而到了60年代，经历了两次发展，送风温度也由1000℃上升为1100℃，耐火材料也从高铝砖转变为特种高铝砖。到了70年代，送风温度再次上升，达到了1200℃，而高铝砖已经承受不住这个高温，出现各种问题，所以对耐火材料提出了更高的要求。

2 顶燃式热风炉用耐火材料的配置

2.1 热风管道系统

由于热风炉的送风温度在持续升高，耐火材料不仅需要承受高温的环境，还需要对高压有一定的抗性，同时兼备热震稳定性以及高温蠕变等特性。现在大部分的热风炉管道系统为了提高其高温蠕变以及抗热震性能，工作衬的材料一般都选用低蠕变高铝或者红柱石砖。

目前我国仍有一部分热风炉受到漏风以及崩裂的困扰，无法进一步提高风温，也不能获得更进一步的发展。造成这些现象的原因除了热风管道的结构设计缺乏合理性以外，另一个原因则是三岔口区域在接受送风时盲板力的作用以及换炉时拉紧装置的反向作用，使得管道和砌体进行往复运动，对该处的组合砖造成了破坏。所以想要有效解决这个问题，除了要考虑结构设计方面以外，还需要对三岔口处的组合砖进行深入研究。

三岔口的工作环境恶劣，对使用的砖块要求高，相较于使用标准砖堆砌的三岔口，使用组合砖堆砌的三岔口的稳定性更高，有效提高了热风炉的整体可靠性。随着现代科技的发展，浇注料技术也在不断进步。目前制作的组合砖在材质以及各项性能等方面均能满足热风炉的要求，在复杂接口部位使用浇注施工技术，能够避免接缝的产生，同时维持良好的整体结构，有望取代组合砖生产以及砌筑磨砖工艺，简化施工过程。

图1是热风管道三岔口浇注示意图。因为三岔口区域没有隔热层，所以要在工作介质以及管壳之间添加耐磨浇注料以及加喷涂料，因此在投入生产的时候，管道三岔口区域相对其他区域的温度要高，差值大约为100℃。使用这种方法浇注的热风管道，在正式投产的两年内三岔口温度一直处于稳定状态，和使用组合砖的管道系统相比，虽然三岔口在初期时的温度相对较高，但是后续一段时间内表现稳定，比使用组合砖的方案稳定性要强。值得一提的是，同时使用浇注料与组合砖来搭建热风管道的方案也具备一定的可行性。

图1热风管道三岔口浇注示意

目前，因为捣制能够有效提高接口的稳定性，同时简化施工过程，降低难度而且还能加快施工速度，越来越多的热风炉使用耐磨浇注料捣鼓来代替组合砖砌筑送风管道和围管相交的部位。图2为送风支管浇注示意图。

图2送风支管浇注示意

在砌筑通风管道的时候，因为砖块回受热膨胀，所以需要预留足够的膨胀缝。但是膨胀缝的大小也要合理，太小的话会使砖块受损，太大则会让热风通过缝隙，损坏隔热层。此外，要提高热风管道中纤维毡的质量，防止因为承受不住高温而出现粉化等现象。

2.2 热风炉本体系统

图3为热风炉示意图。从图中可以看出，热风炉主要可以分为三个部分，从上至下分别是：锥段燃烧室和燃烧器区、蓄热室高温区以及蓄热室中低温区。

图3热风炉示意

2.2.1 蓄热室中低温区

低温区域的温度需要保持在900℃以下，主要的作用是承载上层以及完成送风初期的强对流热交换。因此，该区域的耐火材料可以考虑选用黏土砖，因为这种砖的抗热震性能好，同时具备成本低廉的特点。

中部区域的温度主要保持在800℃~1100℃的范围内，是上下层的过渡区，这一层不仅需要承载上层，还要承受相对应的高温，在耐火材料的要求上比下层要更加严格。所以，该区域的耐火材料可以选用具有一定抗蠕变性能的低蠕变的高铝砖或者黏土砖。

2.2.2 蓄热室高温区

在蓄热室高温区，工作温度非常高，而且温度的变化幅度较大，所以该区域所选用的耐火材料需要具备良好的热稳定性。而高铝砖由于受热膨胀的特点，并不适合在该区域内使用，可以考虑使用红石柱砖。红石柱砖耐高温性能好，同时软化温度也比较高，稳定性以及抗热震性较高，能够很好地满足该区域对耐火材料的要求，但其使用成本要比高铝砖要高。

最近几年，许多热风炉都在高温区使用了硅质耐火材料来替代铝质的耐火材料。因为，硅砖的荷重软化点比铝质砖要高，热膨胀性也比后者要强，强度也很高，非常适合用来替代铝质砖。但是硅砖在温度不达900℃的环境下容易剥落破坏，而且由于硅质的密度较低，耐火性能也相对较弱，在使用硅砖以后，该区域的升温以及冷却都需要更加严格地执行。

2.2.3 燃烧室及燃烧器

送风温度和拱顶温度之间通常相差80℃~120℃，当送风温度为1200℃时，拱顶温度最高达到1400℃，所以拱顶环境更加恶劣，对耐火材料地要求也就更加严格。硅砖属酸性耐火材料能够在100℃~1670℃地高温环境中保持基本形态以及较高的强度，体积变化也较为平稳，各方面的性能都十分良好，能够用于当作拱顶的耐火材料。

因为过往对高铝砖的抗热震性能没有要求，所以在燃烧室的热风出口和喉口部位会受到剧烈变化的温度的影响，市场发生膨胀与收缩现象，砖块剥落。为了避免出现剥落现象，需要选用具备一定抗热震性能，同时荷重软化点温度要高，高温稳定性强的耐火材料。

燃烧器只有在1000℃以下的时候才会进行工作，工作层的耐火材料主要受到高温辐射以及空气以及煤气等高速冲刷，因此需要耐火材料需要具备较强的高温蠕变性能，可以选用优质的低蠕变黏土砖来搭建空、煤气环形通道。

燃烧器内衬及空、煤气喷口受热风炉燃烧、送风的周期变化，温度的波动范围大，所以可以选用堇青石-莫来石砖充当耐火材料。这种砖块能够在高温的环境中保持稳定，具备良好的热稳定性以及热膨胀性，同时不容易发生剥落现象。而下部的耐火材料可以选用莫来石砖，这种砖不容易发生蠕变，同时抗化学腐蚀性能强，能够很好地满足要求。

热风炉风温提高以后，拱顶护壳会受到酸性冷凝液的侵蚀，进而产生裂痕甚至开裂现象。所以有必要在护壳上喷涂一层保护层，保护层由耐酸涂料组成，同时刷上方腐蚀漆。

以混风前平均送风温度1250℃，送风时间45min为例，通过计算顶层格砖最高温度为1305℃，炉箅子顶面温度为282℃。

温度分布指的是格子砖的相对高度和格子砖加热后的即时表面温度。根据硅砖的重建型和位移型转变温度，设计当中应维持温度在700℃以上，加上实际送风时间等因素与设计的偏差综合考虑硅砖砌筑的高度。

热风炉上部高温区工作层使用了硅砖，则选用与工作层的材质相适应的轻质硅砖做隔热层。

热风炉蓄热室、燃烧室、混合室拱顶砌体和大墙砖是相互独立的两部分，拱顶砌体落在其下的砖托上，通过砖托把拱顶砌体的重量传递给炉皮。为了使砖托处温度不至于太高而影响其强度，砖托下部三角区域与其用纤维毡等隔热材料阻止热量导向炉壳，倒不如用碳素捣料或石墨碎屑填充，利用其高导热性将炉内耐火砖传出的热量迅速传到炉皮进行自然冷却，从而达到保护砖托的目的。

结 语

随着科技的发展，现代工业需要更加先进的顶燃式热风炉来支持生产，为了有效提高热风炉的送风温度，就需要考虑热风炉本身的耐火材料的配置问题。此外，由于拱顶会受到腐蚀，需要使用耐酸喷涂料设置防护层，还应多添加一层防腐蚀层，就能够有效姐u额高风温带来的腐蚀问题。实践证明，热风管道三岔口采用浇注料捣打的施工工艺既能保证三岔口区域的结构稳定性，又能降低施工难度、加快施工进度，具有推广前景。

参考文献

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[2] 赵云波. 小型卧式干燥用燃煤热风炉流动与传热过程的数值分析及结构设计[D]. 2019.