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多晶莫来石纤维在钢厂加热炉上的应用


  面对市场竞争的日趋激烈和原燃料价格的上涨,能源消耗占产品成本的比例越来越大。如何利用有效的资源能源,降低能耗,实现经济可持续发展,是需要探讨的重要问题。
  钢铁集团板带厂于2002年1月对加热炉进行了技术改造,由原来的常规加热炉改造为蓄热式加热炉,采用混合煤气单蓄热的燃烧方式,炉内最高温度可达1 320 ℃,燃料消耗虽然比改造前有了降低,但是炉子热效率、燃耗等指标仍不理想,导致产品成本偏高。因此,从减少热损失,降低燃料消耗、保护炉顶,延长烧嘴砖的使用寿命,提高加热炉产量和加热质量考虑,2005年使用多晶莫来石纤维对高温段炉顶和侧墙的内表面进行粘贴处理。经过2 a的使用,现加热炉炉顶仅有细小裂纹,预计整体寿命可达5 a以上,其热效率也比以前有较大提高。

多晶莫来石纤维的特性

  多晶莫来石纤维是一种以莫来石晶相形式存在的多晶质耐火纤维,是按形成单一晶体—莫来石(3Al2O3·2SiO2)进行化学配方,由可溶性铝、硅盐经过高温完成晶相转变而制成的。制作过程是在低温下将有黏度的胶体溶液进行喷吹和甩丝,形成原纤维,再经高温烧制使其纤维内部的原子成有序排列,组织晶体化,消除处于介稳定的玻璃态,使其使用温度提高近300 ℃。纤维的耐热性随着Al2O3含量的增加而增强,当Al2O3含量大于72%时,使用温度可超过1 400 ℃。硅酸铝耐火纤维Al2O3-SiO2相图见图1。

 

图1  硅酸铝耐火纤维Al2O3-SiO3相图

  多晶莫来石纤维形态各异,散状的纤维棉可作高温部位夹层的填充料,将散棉用湿法真空成型可制成板、毡、砖、预制件、模块等各种所需样式。由于多晶莫来石纤维具有低热容、低导热率、低容重、热敏性能好、高辐射能力等特点,对轧钢加热炉来讲,是一种高效、轻型的节能材料。

多晶莫来石纤维的应用

  板带厂加热炉高温区内表面粘贴的多晶莫来石纤维采用模块型,类型为PMF-1600,规格200 mm×100 mm×50 mm。其性能指标如下:Al2O3 72%~75%;SiO2 25%~28%;晶相为单一莫来石相;熔点1 840 ℃;工作温度1 400 ℃;热导率1 200 ℃,0.295 W(m·K);1 400 ℃,0.387 W(m·K);重烧线收缩率(1 500 ℃×6 h)<1.0%;容重100 kg/m3;比热1 024 kJ/(kg·K)。
  施工方法是:首先对施工部位进行清理,并做“拉毛”处理,纤维贴面和炉墙内表面均匀涂上高温黏合剂,将纤维模块平推挤压,使其粘贴牢靠。除粘贴外,其他企业的使用方式还有将块型或砖型纤维制品用专用的胶结剂砌筑炉体,或将纤维预制块吊挂锚固在炉体框架上进行固定。
  通过观察和统计发现,板带厂加热炉炉顶的纤维模块经过2 a的使用,脱落率约为30%,达到了保护炉顶的预期效果,但侧墙烧嘴及烧嘴周围的纤维脱落量较大,经过0.5 a脱落率即达40%,且修补后的纤维也易脱落。经过分析,认为多晶莫来石纤维的损坏除了长期高温环境使纤维粉化外,还有外力的破坏作用。在蓄热式加热炉中,加热炉的炉温比莫来石纤维的长期使用温度低。因此外力的作用应是莫来石纤维损坏的主要因素。由于蓄热式加热炉使用混合煤气做燃料,虽然煤气在进加热炉燃烧之前进行了除尘处理,但是煤气中仍带有颗粒状的不可燃成分和不完全燃烧成分。加热炉烧嘴火焰直接对加热炉侧墙进行冲刷,此处的冲刷力大于其它各处的冲刷力。加上加热炉小修时间一般不超过7个工作日,由于时间短,炉内温度高,工作环境恶劣,加热炉内侧接触面烧损物不易彻底清理,造成多晶莫来石纤维难以粘贴牢固。由此可知:煤气中颗粒状不可燃成分和不完全燃烧成分、火焰或炉气的直接冲刷、接触面的平整程度、黏合剂的均匀充满性决定着蓄热式加热炉多晶莫来石纤维的使用寿命。
  为了解决侧墙纤维脱落问题,在施工前炉体表面一定要清洁干净,并严格按施工程序进行施工。同时,加大对煤气的除尘力度。另外,在侧墙多晶莫来石纤维上喷涂一层远红外节能涂料,使纤维表面固化,抵抗火焰冲刷,不易脱落。

应用效果

4.1 提高炉顶、烧嘴砖使用寿命
  炉顶内表面粘贴多晶莫来石纤维后,改善了炉气对炉顶的直接冲刷,缓冲了炉顶的急冷急热,炉顶承受的炉温可降低70~100 ℃,有效防止了耐材的开裂、剥落。板带厂加热炉于2005年3月投入使用至今,炉顶除有几处细小裂纹外,整体状况良好,炉顶的使用寿命能够延长至5 a以上,至少节约炉顶大修费用80万元。由于蓄热式燃烧技术的特点,经蓄热后的空气对烧嘴砖有较大的损坏性。烧嘴砖采用预先成型技术或采用现场浇注技术,维修和更换时难度大。如果在烧嘴砖表面粘贴多晶莫来石纤维,将缓解火焰对烧嘴砖的冲刷,可有效保护烧嘴砖。自粘贴纤维后,烧嘴砖使用2 a后仅出现少量细小裂纹,使用寿命可延长至4 a以上。
4.2 增加辐射传热减少热损失
  加热炉高温区的传热方式以辐射传热为主,炉气、炉壁与被加热钢坯之间相互进行辐射热交换。炉壁的黑度一般为0.8,多晶莫来石纤维的黑度为0.95,在相同的供热条件下,粘贴多晶莫来石纤维后,黑度的提高增强了炉内的热辐射,进而提高了钢坯的加热速度和炉子的加热能力。在同等炉况条件下,粘贴多晶莫来石纤维后,燃气消耗降低。经观测统计,加热炉检修前、后各1个月内煤气单耗分别为1.04 GJ/t和0.98 GJ/t。
  板带厂确定炉顶和侧墙外表面的10个测温点,通过测量检修后与临近下次检修时的各点温度,查看多晶莫来石纤维的脱落情况,检测结果见表1。由表1可知,在相同炉温条件下,粘贴多晶莫来石纤维后,炉体外表面平均下降了34.8 ℃,减少了炉体散热,提高了炉子热效率。同时,随着工作环境的改善,给操作人员的现场检查和操作带来了方便。

表1 粘贴多晶莫来石纤维前后炉外墙温度变化情况 ℃

检测点序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

平均

粘贴纤维前

152

166

173

176

185

192

140

146

148

155

163.3

粘贴纤维后

126

130

136

141

144

150

110

115

114

119

128.5

前后温差

26

36

37

35

41

42

30

31

34

36

34.8

4.3 减少热惯性,提高产量和加热质量
  板带厂的加热炉高温段侧墙由浇注料整体浇筑而成,炉顶为可塑料捣打,使用的耐材热容量较大,且烧嘴采用单蓄热燃烧方式。这一方面决定了加热炉在升温、降温时存在一定的滞后性,另一方面多晶莫来石纤维可使炉子的热容量减少,导热率降低,炉子的升、降温速度加快,热惯性减小,利于产量的提高。由于坯料加热时间的缩短,减少了坯料在加热炉内的氧化、脱碳,保证了坯料的加热质量。氧化烧损量由1.22%降为1.20%,提高成材率0.02百分点。

结 语

  实践证明,在蓄热式加热炉上应用多晶莫来石纤维,延长了炉顶的使用寿命,降低了检修成本;减少了炉体热量损失,提高了热效率;缩短了待轧前后的升降温速度,提高了作业率和成材率。对其它形式的轧钢加热炉有借鉴意义,从环保和节能角度考虑,值得推广。


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