锻造加热炉用的耐火保温材料的应用和进展

文/刘斌·摩根凯龙（荆门）热陶瓷有限公司

锻造加热炉用的耐火保温材料的应用和进展

文/刘斌·摩根凯龙（荆门）热陶瓷有限公司

我国经济发展迅速，而能源生产的发展相对滞后得多，解决能源短缺问题的一个最好办法就是节能，即减少热损失，提高热能的利用效率，减少能源浪费。国际上将节能工程视为“第五能源”，同石油、煤、天然气和电力并列五大常规能源，而节能的最主要措施之一就是发展和应用耐火保温隔热材料。使用耐火保温隔热材料能够有效减少热损失，节约燃料，同时还可以改善劳动环境，保证生产安全，提高工效。

加热炉用耐火保温材料

锻造作为金属加工的主要方法和手段之一，是核工业、机械、电力、汽车以及军工、航空航天工业中不可或缺的主要加工工艺，在国民经济中占有举足轻重的地位。而锻造加热炉作为锻造生产中的重要设备，约占总能耗的25％。因此，在锻造加热炉上采用合适的优质耐火保温材料来达到节能减排的目的就显得非常重要。

锻造加热炉的主要工作特点有：

⑴间歇式运行，急冷急热。

⑵炉内温度高（高达1200℃以上），炉温波动大。

⑶炉内工作压力大，受炉窑制造成本和环保要求的影响，大多数锻造加热炉的排烟系统设计得并不合理，排烟不畅，导致炉内压力过高。如果操作工人不严格按升温曲线操作，陡然增加燃料或加大进气量，也会导致炉内压力过高。

⑷工作气氛复杂，工作环境差，燃料的不充分燃烧以及锻造过程中工件产生大量的氧化皮对炉衬的工作寿命都有较大的影响，并且使用重油燃料比使用天然气更复杂、恶劣。

锻造加热炉内衬耐火保温材料主要有耐火保温砖、不定形浇注料和陶瓷纤维制品。

耐火保温砖

采用耐火保温砖（黏土砖和高铝砖）作为保温炉衬砌筑的砖体炉型主要为拱顶结构，砖体密度大，抗气流冲刷性好。但这种砖体结构用在间歇式的高温锻造加热炉中其耐急冷、急热性能差。在加热炉运行中，炉砖易产生松动、脱落、甚至开裂，尤其是在烧嘴区域，其使用寿命更短。高温气流可以穿透砖衬，烧损炉壳。加热炉在运行过程中，维修频繁，作业率较低，致使炉子运行稳定性差。由于耐火保温砖本身的导热率高，使得炉子的热效率较低。同时，砖体密度大对炉体的承重要求也比较高。因此，耐火保温砖作锻造加热炉衬保温材料的应用已逐步退出市场。

不定型浇注料

采用不定型浇注料作耐火保温炉衬的锻造加热炉，其整体浇注改变了传统的砖砌炉体结构，不管炉门结构多么复杂，浇注料均能填满空间，并且修补也较方便。整体浇注简化了加热炉的炉体砌筑施工，延长了加热炉的使用寿命，提高了加热炉的整体性。不定型浇注料耐火保温材料的优点是生产工控制更加精确，窑炉内的温度分布也更加均匀。

锻造加热炉炉衬可采用陶瓷纤维毯或陶瓷纤维板与纤维模块组合。与火焰接触的耐火层采用纤维模块，叠铺结构使得纤维与受热面垂直，高温收缩小，耐高温和气流冲刷性能好。与炉壳接触的绝热层采用平铺纤维毯或纤维板，平铺结构纤维与受热面平行，导热系数小，有利于炉衬的绝热。因此，这种组合结构有利于提高炉衬的绝热性和气密性，减少热短路，增加抗冲刷能力，并能有效地保证纤维与钢结构之间的连接强度，提高炉衬的使用寿命，减少热损失，节约能源。现场安装施工周期短，维修方便。

陶瓷纤维耐火保温材料的新进展

ACZ（含锆）纤维制品

由于陶瓷纤维制品优良的性能，在锻造加热炉中应用非常广泛，特别是纤维毯和纤维模块。目前在温度大于1200℃的锻造加热炉中，许多窑炉设计者或客户会选用含锆纤维，该纤维的分类温度为1430℃，长期使用温度可达1200℃。但是，受炉内压力、气氛、环境等众多因素的影响，含锆纤维的使用寿命会大大降低，在使用半年后纤维将失去弹性，逐渐结晶、粉化和脱落。同时，因制备含锆纤维的原料锆英砂的价格大幅上涨，使得含锆制品的价格上浮，导致含锆纤维制品的应用受到制约。因此，在锻造加热炉中急需一种使用性能优良，价格相对适宜的耐火保温纤维。

ASC（含铬）纤维制品

ASC（含铬）纤维是在制备硅铝陶瓷纤维的二氧化硅（SiO2）和氧化铝主成分中添加了起化学稳定作用的氧化铬Cr2O3，使其在纤维受热后的晶粒长大过程中起到抑制晶粒生长速率的作用，实现纤维耐热性能的提高。

含铬纤维具有如下特点：

⑴抗气氛能力强，起化学稳定作用的Cr2O3使得含铬纤维的抗气氛能力增强。

⑵采用先进的制造技术、高纯度的原料、独特的配方及添加剂高温成纤，使得含铬纤维更细，制品中气孔尺寸更小，对热传导的阻尼更大，导热系数更低。艺简单，不需烧成，设备简单，可制成预制块，也可在各种炉窑上整体捣打；整体性强，气密性好，可以任意选型，能满足热工设备复杂外形的要求。其主要缺点是现场施工时需要定制模板和专用设备，浇注料配比需要严格控制，对施工工人的要求也比较高，且施工、烘烤较严，烘炉时间较长，一般需5～7天。否则，在使用时易引起炉体开裂、剥落甚至大块崩裂。同时浇注料也存在和砖体结构同样的抗热振性能差，因此，其在间歇式锻造加热炉中的应用也存在很大的局限，目前多应用于锻造加热炉的炉底或台车。

陶瓷纤维制品

耐火保温砖及浇注料虽然在一定程度上满足了锻造加热炉的使用要求，但在节能和使用寿命上达不到理想的效果。目前，在锻造加热炉中多采用陶瓷纤维制品做炉衬。陶瓷纤维由氧化铝和硅石在1800～2000℃的高温下熔化后，熔液经喷吹或甩丝形成纤维，是一种轻质耐火保温材料，其使用彻底改变了窑炉衬层系统的设计。利用陶瓷纤维进行再加工还可以制造各种各样的耐火保温产品，如陶瓷纤维毯、陶瓷纤维模块、陶瓷纤维板、烧嘴和高温涂料等。依据炉子使用温度和气氛选择相应级别的陶瓷纤维制品，可达到提高炉衬寿命，减少炉衬蓄、散热损失，节约能源的目的。

与传统的耐火保温材料（耐火保温砖、浇注料）相比，陶瓷纤维制品性能更为优良：

⑴低热导率，比高品质耐火保温砖的热效率高出40％。

⑵轻质量，窑炉的结构支撑质量可降低40％。

⑶低储热量，可提高窑炉的可用性和生产力。

⑷优良的抗热冲击性能。

⑸化学性稳定，可以抵抗大多数化学侵蚀，不受烟气中烃类、水和蒸汽的影响。

⑹高机械弹性，可组装好后发往现场，不会损坏。

⑺较低的安装成本，标准的安装操作规程，纤维衬层不需要晾干或养护时间。

⑻维修方便，受损的陶瓷纤维制品可以迅速更换，减少停炉时间。

⑼热效率高，降低衬层厚度，增加窑炉使用空间。同时陶瓷纤维制品对温度变化的快速反应使得

⑶使用温度高达1250℃，ASC纤维在同等条件下的使用温度比硅、铝系列的高纯纤维高100～200℃；与含锆纤维相比，其长期使用温度提高了30～50℃，有效地填补了含锆纤维和氧化铝多晶纤维之间温度领域的空白，非常适合于高温锻造加热炉窑的使用。

⑷含铬纤维高温使用性能稳定。实际应用表明，在1200℃以上的高温炉中工作半年后，含铬纤维（模块和毯）仍有足够的弹性，而含锆纤维（模块和毯）会失去弹性，逐渐结晶、粉化。

图1所示为AS（Al2O3-SiO2）、ASZ（Al2O3-SiO2-ZrO2）和ASC（Al2O3-SiO2-Cr2O3）陶瓷纤维在1100～1400℃高温下随时间变化的线收缩对比数据，可以看出ASC纤维在短期高温煅烧后其状态趋于稳定，收缩最小，相同条件下明显低于AS和ASZ。因此，含铬纤维在长期高温下工作性能稳定。

图1 AS、ASZ、ASC陶瓷纤维高温下随时间变化的线收缩对比

有资料显示，+6价的铬具有很强的氧化作用，对人体的消化道、呼吸道、皮肤和黏膜都有危害，更甚者可导致肺癌。在含铬纤维的生产中，作为添加剂的铬粉中的铬元素是+3价的。摩根公司为了探究含铬纤维制品中的铬元素高温下是否存在价态转变（从+3价转化成+6价），在美国宾州州立材料分析实验室对含铬纤维加热到1427℃，持续216h后对样品进行了XPS分析（X射线光电子能谱分析），结论是含铬纤维样品在加热前后中探测到的所有的铬都是以良性的+3价形式存在，所有样品中都没有探测到+6价的铬。因此含铬纤维生产、储存及应用过程中是不具有致癌性的。

基于含铬纤维的高温优良性能，在大于1200℃的高温锻造加热炉中可利用含铬模块或含铬复合模块替代含锆模块来提高高温锻造加热炉的使用寿命，降低生产成本。

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1500高温涂料

由于锻造加热炉工作温度高，气氛复杂（以重油为燃料，炉内硫含量大，气氛更为恶劣）、炉内压力大，为延长含铬纤维在锻造加热炉中的使用寿命，可在含铬纤维表面涂覆1500高温涂料。高温涂料作为热面涂层，可帮助衬里材料抵抗化学侵蚀和氧化皮侵蚀，减少气氛的影响，提高衬里的热效率，延长衬里使用寿命。此外，涂层在高温下与纤维发生适度的化学反应，形成陶瓷结合，还可提高纤维的抗风蚀、抗剥落及气密性能。1500高温涂料还可以作为锻造加热炉填补料，用于修补衬里裂缝、收缩缝（纤维收缩）和衬里受损区域（由撞击等引起）。

结束语

国内耐火保温材料近年来得到了迅速发展，不仅数量上满足了需要，而且产品质量上也有很大进步，但随着国家产业结构的调整和节能环保政策的加强，新型节能降耗耐火保温材料将成为未来的发展趋势。在锻造行业，针对加热炉间歇式、高炉温、高炉压和气氛复杂等运行特点，根据不同部位（如炉墙、炉底和炉门）的不同使用要求，炉衬的选材、设计和施工必须合理、科学，才能最终达到节约能源和提高炉衬寿命的目的。然而目前国内窑炉安装队伍多不具备专业施工资质，施工水平参差不齐，尤其是锻造加热炉这种复杂炉况，必须在图纸设计基础上结合炉体现场测量尺寸，制定优化的施工方案才能达到设计要求。摩根热陶瓷作为提供工程热管理全套产品和解决方案的专业公司，对锻造加热炉的节能工程具有丰富的经验，建立了从炉体选材、方案设计、施工、监理、验收及后续服务等一系列完整的流程，最大化保证客户利益。

刘斌，摩根凯龙（荆门）热陶瓷有限公司总经理，高级经济师，中国绝热节能材料协会理事。