不定形耐火材料的施工技术研究进展

张巍

(派力固(大连)工业有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

不定形耐火材料是由具有一定粒度级配的耐火骨料和粉料、结合剂、外加剂混合而成的耐火材料，作为工业窑炉和热工设备的内衬材料使用［1－2］。不定形耐火材料按照施工方法可主要分为:喷涂料、浇注料、可塑料和涂抹料等。不定形耐火材料从制备到施工的综合能耗低，生产时不必预先成型和烧成，施工时可进行机械化施工且施工效率高。同烧成的定形耐火材料相比，用不定形耐火材料所建的炉衬无裂缝，避免了炉内气体的泄漏，并且不定形耐火材料适宜对复杂构型的衬体进行施工和修补。文章根据近年来有关不定形耐火材料中的喷涂料、浇注料和可塑料在施工技术上的最新研究成果，阐述了喷涂料的湿法喷涂及促凝技术，浇注料的低温施工和高温施工及减水剂的应用，可塑料的低温施工及喷涂技术等不定形耐火材料在施工技术方面取得的研究进展情况。

1 喷涂料施工技术

喷涂料是利用气动工具以机械喷射方法施工的一种不定形耐火材料。喷涂施工方法可对复杂或异型部位进行施工。喷涂施工实际上是把运输、浇注或捣固合为一个工序，不需或只需单面模板、工序简单、效率高、有广泛的适应性，可作为冶金、水泥、石油和化工等工业窑炉的内衬材料［3－4］。喷涂料可按照在现场施工时加水(或溶液)的顺序和用水量分为湿法、半干法和干法喷涂料三种。湿法是先将喷涂材料拌成泥浆后再喷涂，半干法是先将喷涂材料湿润、压送到喷嘴处再加剩余的水(或溶液)、干法的用水量(或溶液)全部在喷嘴处加入，其中以半干法应用最为普遍。

1.1 干法、半干法喷涂料促凝技术

喷涂料在喷涂施工到施工体的表面后，需要具有一定的工作时间和较快的硬化速度。材料留有一定的工作时间是为了修整材料的表面，当喷涂料喷涂到施工体后，由于表面凹凸不平，这就需要手工进行材料表面平整的修理。因此材料喷涂到施工体后不能立即硬化，必须留有足够时间进行表面修理。但是这个时间段又不能太长，如果喷涂料在较长的时间内不硬化，就会出现塌落的现象。因此，需要在喷涂料中添加一定量的促凝剂，通过调节促凝剂的最佳加入量，同时既确保喷涂料在施工后具有一定的工作时间，又能确保喷涂料在短时间内迅速硬化，防止由于其硬化较慢发生的塌落。

张巍等通过在铝矾土—棕刚玉喷涂料中添加铝酸钠，研究了其对材料的工作时间和硬化时间等施工性能和常温物理性能的影响，找出了铝酸钠的最佳添加量。结果表明:在铝矾土—棕刚玉喷涂料中添加铝酸钠的最佳加入量质量此为0.1%［5］。上述试样经过1500 ℃热处理后，添加铝酸钠试样常温抗折强度(M.O.R)和耐压强度(C.C.S)均高于未添加铝酸钠的试样(如图1、2 所示)，说明添加铝酸钠后降低了材料的熔点，使材料经高温热处理后发生熔融，并且添加铝酸钠试样的表面有裂纹产生。由此得出结论，添加铝酸钠后会降低材料的使用温度，但材料在1300 ℃以下使用时，性能不会发生明显改变。

图1 铝酸钠添加量及热处理温度对试样常温抗折强度的影响图

图2 铝酸钠添加量及热处理温度对试样耐压强度的影响图

赵亮等在以矾土为主要原料、矾土水泥为结合剂的石灰窑预热器用矾土基喷涂料中添加适量的促凝剂，制成了施工性能优良的喷涂料［6］。结果表明:随着促凝剂添加量的增加，试样的初凝时间逐渐缩短。当添加量w(促凝剂)为2%～3%时，施工性能最佳。将研制的该喷涂料用于某公司日产600 t活性石灰回转窑预热器，效果良好。

靳蛟也在研制出的炼钢用电炉无磷喷涂料中添加适量的促凝固化剂［7］，结果表明:结合剂和促凝剂的正确选择可以有效降低钢中的磷含量，适当的比例有助于烧结性、不剥落、耐机械冲刷和炉渣侵蚀，不污染钢水等特点。从施工性能上来看，该喷涂料具有粘性好、附着率高的特点;从使用性能上来看，该喷涂料具有耐冲刷抗侵蚀性能好、使用寿命长等优点。因此使用该喷涂料可以大大提高炼钢炉作业率，减少停炉维修时间。

1.2 喷涂料的湿法喷涂技术

目前喷涂料广泛采用的是半干法的施工方法进行喷涂，施工时由于材料中不预先混入水或仅混入少量的水，导致在施工现场产生极大的粉尘，这种生产性粉尘不但严重地影响了环境，而且对人体的健康造成伤害。湿法喷涂施工方法，首先是先在干粉中添加水分至材料完全混练均匀，然后用压力泵把混炼好的材料送入软管中，最后材料在喷枪中和添加的急结剂一起喷涂到施工体上。由于湿法喷涂料的材料是经过加水后充分搅拌的，所以施工环境条件优良，不产生粉尘，并且材料的附着性能好，反弹率低。均匀添加微量聚凝剂可得到与致密浇注料相同低气孔率的均匀组织。

为了避免干法、半干法喷涂施工所带来的危害，张巍等以焦宝石、铝矾土、棕刚玉和蓝晶石为原料以铝酸钙水泥、SiO2微粉和Al2O3微粉为结合剂，制备出湿法喷涂料［8］。通过该湿法喷涂料与干法喷涂料性能上的对比，得出:湿法喷涂料的体积密度、常温抗折强度和耐压强度均大于干法喷涂料的，线收缩率略大于干法喷涂料的。将研制的该湿法喷涂料应用于某水泥厂篦冷机部位，实际使用结果表明:该湿法喷涂料附着性能好，并且施工环境优良，无粉尘危害。

日本为水泥设备中的预热器开发出了一种SiC质湿法喷涂料作为其内衬耐火材料使用［9］。将该料在某水泥厂进行实地施工，结果表明:该料具有良好的高处压送性能及附着性能。工作18 个月后，材料仍具有较厚的残存，使用效果良好。日本品川白炼瓦技术研究所研制出的Al2O3－SiC－C 质湿法致密喷涂料，在钢铁厂的大型高炉铁水沟部位进行了冷修补［10］。从施工性能上看，施工时几乎没有粉尘产生，剥落也极少，施工状况良好。从使用性能上看，用于迎铁部位的耐用性与以往浇注施工的致密浇注料相当。

1.3 湿法喷涂料的促凝技术

湿法喷涂是将加水后至完全混练的材料喷涂到施工体表面，若材料无法进行快速凝结，喷涂的材料则会发生流淌。因此，需要在湿法喷涂料中添加必要的促凝剂。促凝剂对材料的施工性能以及物理性能均有很大的影响。

文献［11］研究了在无水泥和低水泥浇注料中分别添加硅酸钠、铝酸钠、氯化钙和聚氯化铝等4 种湿法喷涂用促凝剂的促凝效果。结果表明，在实验室中通过喷涂料的增稠时间和抗流动性等性能指标，可以评价促凝剂的促凝效果。促凝剂的添加量直接影响促凝效果。当聚丙烯酸作为分散剂使用时，硅酸钠和铝酸钠不起促凝作用，而聚氯化铝和氯化钙起到促凝作用。日本报道了一项有关使用高铝质低水泥浇注料进行湿式喷补施工时，不同的水分和速凝剂添加量对湿式喷补料的质量和施工性能影响的研究。结果表明，在能够进行湿式喷补的水分范围内，提高浇注料的流动性，可以提高施工体的填充密度，在水分质量比为7.5%～8.5%的范围内能获得高质量的施工体。在不影响施工性能的前提下，速凝剂的添加量越少，施工体的质量越高［12］。张巍等在研制的湿法喷涂料中，通过施工时在喷嘴处添加急结剂来起到促凝的作用。结果表明，由于急结剂的引入，该喷涂料喷涂到炉体后，未发生跨塌和流淌等不良现象［8］。

1.4 喷涂料施工时应注意问题

喷涂料在进行施工时，必须做到:(1)在喷涂料放入喷涂机之前，最好用搅拌机以雾状形势加水予混，重质料加水质量比为2%～5%;轻质料加水质量比为10%;(2)喷涂时喷枪应垂直喷涂面，并与喷涂面间距为0.8～1.0 m;(3)为避免分层，衬里应一次喷涂到要求厚度;(4)在喷涂过程中要经常清理回弹料，避免积入未喷的表面;(5)当喷涂枪调试时，不要对准施工部位;(6)对垂直的施工面喷涂，应该按照从底部到顶部的方向喷涂;(7)对如烟道这样的水平设备，先施工底部，再施工两边，当底部和两边养护完成后，再施工顶部;(8)施工中应随时对施工体表面按设计要求修正处理;(9)在施工过程中需要翻转施工体时，已施工材料必须经过充分养生并且具有足够的强度。

2 浇注料施工技术

浇注料是一种加水搅拌后具有较高流动性的耐火材料，主要作为冶金、石化、水泥等工业窑炉的内衬材料使用［13－15］，既可直接在工业窑炉上通过浇注方式施工，也可通过预先浇注或震实的施工方法制成预制块使用。

2.1 浇注料的低温施工技术

浇注料的结合剂多采用的是铝酸盐水泥，当气温较低(5～15 ℃)进行施工时，会影响铝酸盐水泥正常的水化反应，造成浇注料的延时硬化甚至是不能硬化等现象。因此，当浇注料在低温施工时，必须在浇注料中添加适当的促凝剂来加速浇注料获得强度。

针对上述情况，戴文勇等在焦宝石基浇注料中添加了铝酸钠作为促凝剂，通过研究铝酸钠的最佳添加量来调节浇注料在温度过低时的硬化时间［16］。结果表明:当温度为5 ℃时，铝酸钠添加量质量比为0.02% 时可以确保浇注料的正常硬化;当温度为15 ℃时，铝酸钠添加量质量比为0.01%时即可确保浇注料的正常硬化。王京京等也研究了一种碱性促凝剂对高铝质低水泥浇注料在5～15 ℃施工时施工性能的影响［17］。结果表明:在高铝质低水泥浇注料中添加质量比为0.2%的碱性促凝剂时，浇注料在5～15 ℃下的可施工时间最短可以达到1 h，且材料的常温抗折强度与未加的相比变化不大。

国外的一项研究通过在矾土基浇注料中添加碳酸锂、碳酸钠、硝酸钙、氯化钙和硅酸盐基促凝剂这5 种促凝剂，研究了促凝剂对调节浇注料硬化时间的影响［18］，结果表明:浇注料20 ℃环境下，碳酸钠和碳酸锂能够缩短硬化和脱模的时间;20 ℃下4 h后，添加碳酸锂的浇注料显示出最好的强度结果，常温耐压强度高于10 MPa。而在矾土基浇注料中添加硝酸钙和氯化钙则显示出比较微小的促凝作用。

2.2 浇注料的高温施工技术

浇注料在气温偏高(30～50 ℃)或者窑炉停炉检修期间炉内温度过高的情况下进行施工时，温度偏高同样会影响铝酸盐水泥正常的水化反应，造成浇注料硬化过快，导致浇注料还未及时施工就已经无法流动，影响了浇注料的正常施工。因此，当浇注料在高温施工时，必须在浇注料中添加适当的缓凝剂来缓解浇注料的硬化过快。

针对上述情况，张巍在焦宝石基浇注料中添加了硼酸作为缓凝剂，通过研究硼酸的最佳添加量来调节浇注料在温度过高时的工作时间［19－20］。结果表明:当温度为25 ℃时，浇注料中不必添加硼酸即有良好的工作时间;当温度为35 ℃时，添加量硼酸质量比为0.01%可以确保浇注料的工作时间，同时不会降低浇注料的力学性能(如图3、4 所示)。此外，王京京等也研究了一种酸性缓凝剂对高铝质低水泥浇注料在30～50 ℃施工时施工性能的影响［17］。结果表明:当环境温度高于35 ℃时，在浇注料中添加适量的酸性缓凝剂可以延长物料的施工时间，且随着缓凝剂添加量的增大，物料的可施工时间延长。

图3 硼酸添加量及热处理温度对试样常温抗折强度的影响图

图4 硼酸添加量及热处理温度对试样常温耐压强度的影响图

2.3 浇注料中的减水剂技术

减水剂应用到浇注料中，主要是为了减少加水量，提高材料的流动性能，改善施工性能。减水剂种类很多，按照主要官能团可分为:磺酸类、羧酸类、磺酸－羧酸类;按化学组成可分为:无机盐类、萘系、蒽系、密胺树脂系、木质素磺酸盐系、脂肪族、氨基磺酸盐系、聚羧酸盐类;按作用原理可分为:电解质类和表面活性剂类［21］。

对于不同的材料体系，减水剂的使用效果并不相同，对一种体系适应良好的减水剂，可能对另一种体系完全不适应［22］。国外研究了聚丙烯酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和柠檬酸钠四种减水剂对Al2O3-SiC-C 系超低水泥浇注料流动性的影响［23］。结果表明:添加聚丙烯酸钠可以使Al2O3-SiC-C 系悬浮液得到最低的表观黏度值，同时可以获得最佳流动性。当聚丙烯酸钠质量比为0.06%时，浇注料的黏度最小，流动值最大。与具有静电机制的磷酸盐分散剂相比，具有电位机制的聚丙烯酸钠更能提高浇注料的流动性。而柠檬酸、六偏磷酸钙、三聚磷酸钠在无水泥浇注料中产生的分散效果和在水泥结合浇注料中产生的效果是不一样的。王海娟等研究了三聚磷酸钠、FDN 高效减水剂和木钙三种减水剂以单掺及复合的方式加入到矾土基CA-50 水泥结合的浇注料中后对浇注料性能的影响［24］。结果表明:复合减水剂效果比单一减水剂好，可以使减水剂产品各组分之间的作用相互调节，实现“超叠加效应”，起到减水增强的效果。在本试验条件下，当掺入复合减水剂质量比为5‰～10‰时，减水效果明显，且浇注料的性能也比较理想。

为了解决刚玉—尖晶石浇注料泌水的问题，陈士华等以板状刚玉、白刚玉微粉、活性α-Al2O3微粉、A70 电熔尖晶石和Secar71 水泥为原料制备出刚玉－尖晶石浇注料，并在其中加入不同种类的减水剂，研究了各减水剂对浇注料泌水性的影响［25］。结果表明:在几种减水剂中，WSM-R1 具有最佳的减水效果。WSM-R1 是采用复合技术生产，含有特殊保水成分——羟丙基甲基纤维素(HPMC)。

与普通浇注料相比，自流浇注料具有施工时无须振动，依靠自重和位差即可产生流动的特点，从而达到脱气、摊平和密实，因此是一种高技术含量的耐火材料。超微粉技术与减水剂的使用，直接决定着自流浇注料的施工性能和使用性能。魏军从等研究了不同种类减水剂:酸式三聚磷酸钠、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、复合磷酸盐(三聚磷酸钠与六偏磷酸钠质量比为3:2)、木质磺酸钙对刚玉质自流浇注料性能的影响［26］。结果表明:泥浆的粘度随着不同种类减水剂的增加均呈现先降低后增大的规律。不同种类减水剂最佳加入量分别为:酸式三聚磷酸钠质量比为0.08%;三聚磷酸钠质量比为0.05%;六偏磷酸钠质量比为0.04%;复合磷酸钠质量比为0.05%;木质磺酸钙质量比为0.10%，此时泥浆对应的粘度达到最低，流动性最好。其中，磷酸盐减水剂在较小加入量时就能起到良好的减水效果，因此在该试验条件下，六偏磷酸钠是最理想的减水剂。

2.4 浇注料施工时应注意问题

浇注料在进行施工时，必须做到:(1)模板或模型结实防水;(2)在能施工的前提下，浇注料中应尽量减少加水量;(3)对于形状复杂的炉衬，混料时可适当多加些水;(4)如果需要使用添加剂，要在干料混合时添加，以使添加剂分散均匀;(5)为了保证浇注料的施工质量，最好把全部厚度的内衬一次性浇注完;(6)当材料、水和场地温度低于5 ℃，材料强度会下降，应采取必要措施防止温度低于5 ℃，在没有完全干燥前已施工的材料不得结冰;(7)环境温度太高，也会降低浇注料的强度，在已施工的材料没有完全凝固之前，应采取适当措施避免暴晒和高温。

3 可塑料施工技术

可塑料是一种多以捣打方式施工，有些也以喷涂方式施工的不定形耐火材料，主要作为钢铁工业中的各种加热炉、均热炉、退火炉、烧结炉以及电炉顶等的衬体材料使用［27－29］。

3.1 可塑料的低温施工技术

可塑料的配料组成中含有水，在冬季气温较低的地区施工时易发生冻结。若可塑料发生冻结，未施工的材料无法进行施工，已施工好的材料会产生衬里疏松和强度降低等问题。因此，这种普通可塑料在冬季一些寒冷地区施工时有很大的局限性。针对上述问题，戴文勇等通过在制备普通可塑料的同时添加防冻液的方法，研制出防冻型可塑料［30］。结果表明:防冻型可塑料与普通可塑料经过相同时间冷冻处理后，普通可塑料发生冻结，而研制的防冻型可塑料未发生冻结现象，且材料的可塑性指数几乎没有发生明显变化(如表1 所示)，这就确保了可塑料能够在冬季正常施工。此外，在强度方面上，防冻型可塑料的常温抗折强度和耐压强度与正常可塑料的相比，均未降低。经过在国内某些钢铁厂的加热炉上实际施工及使用后表明，研制的这种防冻型可塑料在冬季气温较低的寒冷地区施工时，材料没有因为冻结而失去可塑性，并且加热炉投入使用后，这种防冻型可塑料的使用寿命与普通可塑料的相当。

表1 试样的可塑性指数/%

3.2 可塑料的喷涂施工技术

可塑料传统的施工方法是捣打法，在施工时需要使用模板，费时费力。同时，在捣打施工时工人需要使用振动锤，长时间的振动对工人会造成伤害，容易患上一种被称为“震荡病”的疾病［31］。

针对传统可塑料捣打施工这一弊端，日本研发出可塑料的喷涂施工技术［32］，其原理是在高压下通过压缩空气把可塑料送到喷枪，将其喷射到炉衬表面，由于反复连续的冲击，不仅能使可塑料和炉衬牢固的结合在一起，也能使喷射出的物料相互压实，最终形成耐火材料与炉体一体化［33－34］。可塑料的喷涂施工对形状复杂的炉壁不必使用模板，提高了施工效率，而且由于可塑料是泥坯状或泥团状材料，故喷涂施工时没有灰尘飞舞，施工环境良好，同时也解决了“震荡病”的难题。由于可塑料自身的黏性和塑性，因此可塑料的喷涂施工不同于传统的干法、半干法和湿法喷涂技术，其喷涂工艺和喷涂设备也是专门为可塑料的喷涂施工而开发设计的［35］，设备主要由空压机、喷补机和造粒机等组成(如图5 所示)。

图5 喷涂设备工艺流程图

国内第一家采用可塑料喷涂技术对窑炉进行施工的是宝钢［36－37］，其在高线加热炉和均热段炉顶改造中成功应用了可塑料喷涂新工艺，喷涂用可塑料和喷涂设备全部由日方提供。采用可塑料的喷涂技术施工不仅缩短了检修工期2 天，而且增加了效益120 万元。经4 个月的现场跟踪，高线加热炉和均热段炉顶改造部分(可塑料喷涂体)使用情况始终保持良好状态，无收缩、开裂现象。

3.3 可塑料施工时应注意问题

工程上很多项目都非常重视施工因素［38］，同样，可塑料的施工质量也直接影响到炉体的使用寿命，当在炉顶或炉底进行施工时，若施工不当，会发生炉顶拱顶或者炉顶坍塌、炉底塌落等事故，因此不仅可塑料的生产厂家重视施工质量，一些可塑料的使用单位也开始逐渐重视可塑料的施工［39－40］。

戴文勇等根据加热炉炉顶施工可塑料后烘炉期间发生拱顶这一现象，分析了发生拱顶的原因并提出了预防措施［41］。导致拱顶的原因是:(1)炉顶材料的热膨胀使炉顶受力导致拱顶;(2)炉顶材料受热所产生的热膨胀没有被有效抵消，具体体现为:①烘炉前所砌设的膨胀缝没有开裂;②没有预留足够的膨胀缝;③所预留的构造缝宽度不够。

针对加热炉炉顶采用可塑料施工后发生拱顶现象提出的具体预防措施为:(1)适当调整膨胀缝;(2)小斜坡部位增加炉顶构造缝;(3)大斜坡部位两端平顶增加构造缝;(4)炉顶横向缝采用预埋的形式。这些措施都可以有效地预防可塑料在烘炉后出现拱顶现象的发生。李敬针对安阳钢铁公司步进梁式加热炉正常使用不足8 个月后发生的炉顶坍塌事故的原因进行了分析［42］。其分析指出，导致此次事故的原因并不是材料质量的问题，而是施工的问题。何立民针对大庆石化余热锅炉烘炉结束后发生的可塑料炉底塌落事故的原因进行了分析［43］。分析排除了设计的原因和材料的原因，指出引起此次事故的原因在于:可塑料在施工后没有进行低温干燥就直接进行烘炉，致使水分从Φ6 mm 的通气孔内排除不畅通，水分迅速气化膨胀，表面衬体干缩形成“顶盖”，使深处衬体中水分的脱水通道“堵塞”，造成烘炉爆炸事故，由此引发炉底塌落。

综上所述，可塑料在施工中及施工后必须做到:(1)可塑料与锚固砖需紧密结合;(2)由于用气锤捣打后的可塑料表面光滑，不利于可塑料块与块之间的结合，因此当第一层材料锤实后，需将其表面用刮板削毛，以使结合面粗糙，然后再放上第二层材料，用同样的方法锤实;(3)按照设计要求切膨胀缝;(4)在施工后的可塑料上扎透气孔;(5)可塑料施工结束后的养护期间，应避免可塑料衬体与水接触;(6)烘炉之前要尽早拆模使砌体自然干燥。烘炉结束后对出现有较大裂纹的地方应填塞耐火纤维，以防止窜火现象的发生。

4 结语

不定形耐火材料也被称为第二代耐火材料，它可以根据使用环境而灵活改变材料的组成性质和工艺，并且施工方法也可根据实际情况进行选择。预计不定形耐火材料今后在施工方面的发展方向为:

(1)喷涂料 开发出新的喷涂设备，力争喷涂过程中减少振动，尽量避免由于振动而带来的对施工人员的损害。继续开发出新的促凝剂，以提高喷涂质量。

(2)浇注料 继续研制新的促凝剂和缓凝剂，不但要使浇注料的施工不受温度等施工条件的影响，而且要保证材料中加入促凝剂或缓凝剂后不影响材料的使用性能。减水剂的种类将不断增多，对于不同的材料体系，都能有与之对应的减水剂。混凝土的施工方面，已经开始逐步使用喷射钢纤维混凝土机器人来代替传统的干喷方法［44］。浇注料的施工今后也会朝着这种高效省时的方向发展。

(3)可塑料 目前我国国内的可塑料施工基本上采用捣打施工工艺，而在日本，可塑料已大规模使用喷涂技术进行施工。今后我国也会陆续研制出相应的配套材料和设备，通过不断的改进，最终实现可塑料的喷涂技术。在日本，工业窑炉可塑料的喷涂施工已经逐步开始采用遥控操作喷涂机器人，将来会进一步向喷涂作业无人化方向发展。

不定形耐火材料的施工质量将直接影响到材料的使用效果和使用寿命，进而影响到企业的经济效益。因此，不定形耐火材料在应用上不仅要确保正确选择材料的种类，同时在施工时还要采取合理的施工工艺，加大对施工质量的监管，这样才能使不定形耐火材料发挥出应有的特性。

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