耐火纤维炉衬的砌筑.docx
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耐火纤维炉衬的砌筑
第四章耐火纤维炉衬的砌筑
耐火纤维又称陶瓷纤维,是一种人造无机非金属纤维材料。
狭义的耐火纤维一般是指使用温度在l000℃以上的纤维材料。
它是一种新型、轻质耐火隔热材料,用它作为工业炉的热面材料或隔热材料,一般可以节约能源15%~30%。
因此,随着节能工作的不断深入,耐火纤维的应用领域日趋广泛。
第一节耐火纤维的分类与性能
一、耐火纤维的分类
耐火纤维的材质和品种众多。
工业炉常用的耐火纤维有硅酸铝纤维、高铝纤维、氧化铝纤维及混合纤维。
二、耐火纤维的性能
耐火纤维的主要特性是耐高温、热导率小、化学稳定性好,而且还具有良好的热震稳定性和抗振性。
1.高温性能
普通硅酸铝耐火纤维的使用温度为1200℃,氧化铝耐火纤维可达1600℃,有的甚至更高,而一般纤维材料,如石棉、岩棉、矿渣棉等,其最高使用温度均在650℃以下。
2.隔热性能
耐火纤维在高温时的热导率很低,1000℃时仅为耐火粘土砖的20%,为轻质耐火砖的1/3,而且热容量小,因而隔热效率高。
由于体积密度小,用它作隔热层可减薄厚度一半左右。
3.化学性能
耐火纤维耐化学侵蚀的能力,要比岩棉和玻璃棉强,除强碱、氢氟酸外,几乎不受各种化学药品和蒸汽、油类的侵蚀。
在常温下不与酸作用,在高温下对液态铝、铜、铅、锡及其合金不润湿,因而可以用作多种金属熔化炉的隔热材料。
4.抗热振性
耐火纤维柔软、有弹性,所以抗热冲击,耐急冷急热性好,不论升温和冷却速度多快,都不会碎落破裂。
能耐机械振动,但不能承受直接的冲击摩擦。
5.其他特性
耐火纤维的压缩回弹性和透气阻力都较好,而且密封性比砂子还好,如图4-1所示。
根据这一性能,它可以用作砌体膨胀缝及炉门等经常开启部位的密封材料。
图4-1各种材料的密封性
1一河砂;2一硅砂;3一锆砂;4一耐火纤维
耐火纤维质地柔软,可加工性好,用耐火纤维构筑的炉衬既薄又轻,施工方便,劳动强度低。
耐火纤维制品的缺点是:
强度低,易受机械碰撞、气流冲刷、物料磨擦作用而损坏;当与熔渣、熔液直接接触时,易受侵入而丧失隔热功能。
此外,在高温下长期使用过程中所产生的物理化学变化,如非晶质纤维结晶化和多晶纤维的晶体长大等,会导致制品的损坏。
因此,耐火纤维制品不能铺砌炉底,不能承受负载,不能用于气流速度过高、与熔渣熔液直接接触或受机械碰撞作用的部位以及不宜用作以氢气为保护气氛的热处理炉内衬。
三、耐火纤维的选用
选用耐火纤维时必须注意下列事项:
(1)耐火纤维的高温结晶化Al2O3的质量分数为50%的耐火纤维是标准硅酸铝耐火纤维,其最高使用温度为1260℃。
这种纤维在冷的状态时呈非晶体状态,柔性良好。
但经长期高温使用后,纤维发生结晶化,性变脆,收缩,且体积密度增大。
温度愈高结晶化愈严重,过于严重时纤维粉化。
(2)热载荷下耐火纤维的收缩通常耐火纤维产品说明书上,只给出无载荷短时加热的收缩率。
例如,在1200℃高温加热4~6h,收缩率一般≦4%。
但是,在热载荷下,耐火纤维的收缩率远超过此值。
选用耐火纤维时,既要考虑工作温度,也应考虑热载荷条件。
因此,耐火纤维的安全使用温度应低于标称的最高工作温度。
(3)可控气氛下选用耐火纤维在吸热式气氛中,氢不断向耐火纤维渗入,提高其导热性,使炉墙外侧温度提高。
耐火纤维是一种低密度多孔隙的材料,氢分子很小,极易渗入。
在实际应用中,应增加耐火纤维的厚度50~l00mm。
在渗碳气氛中碳在耐火纤维上沉积,增加其导热性,可采取烧碳法除去。
(4)耐火纤维的抗风蚀性耐火纤维作内衬使用时,还要能经受炉内气流的冲刷,应具有足够的抗风蚀性。
对于速度要求较低的普通烧嘴,各种制品均可使用,采用高速烧嘴时需考虑风速问题
(5)耐火纤维层的粘结强度耐火纤维往往和耐火粘土砖、轻质耐火砖及其他隔热材料,组合成具有一定抗压强度的整体炉衬。
因此,必须使用耐火纤维增强涂料,以提高其本身强度,并用适当的高温粘结剂与其他筑炉材料粘结。
(6)火焰对耐火纤维的影响耐火纤维作燃料炉炉衬时,应注意火焰喷射时的长度和角度,火焰不应直接喷射到耐火纤维炉衬上。
四、耐火纤维制品
耐火纤维可根据需要加工制成毡、毯、绳和异型制品等。
1.耐火纤维毡
采用湿法加工工艺,加入羟甲基纤维素或乳胶等有机结合剂制成的制品,称为耐火纤维毡。
根据使用要求,有的还加入硫酸盐或磷酸盐等无机结合剂。
湿毡,是将毡(或毯)浸渍氧化铝或氧化硅胶体溶液,封装在塑料袋内保持湿润。
通常用在难以施土的形状复杂部位,干燥后表面硬化,具有良好的抗风蚀性。
耐火纤维毡的规格尺寸:
长500~1000mm、宽400~500mm、厚10~50mm。
2.耐火纤维毯
采用干法加工工艺,不加或稍加微量结合剂制成的制品,称为耐火纤维毯。
针刺毯是采用针刺工艺,即通过带有倒钩的针在纤维毯的表面上下勾刺而制成。
与其他耐火纤维制品相比,它的柔韧性和回弹性好,强度高,抗风蚀性强,热收缩小。
耐火纤维针刺毯的规格尺寸:
长7620mm、宽(300、600、1200)mm、厚(13、25、38、50)mm。
3.耐火纤维绳
在耐火纤维中加入15%~20%有机纤维,纺成线,再制成绳。
根据使用要求可加入镍铬丝或不锈钢丝,以增加强度。
4.耐火纤维异型制品
在耐火纤维中加入结合剂,采用真空吸滤成型或机压成型。
按照使用要求制成各种异型制品。
第二节耐火纤维炉衬的结构形式
耐火纤维炉衬的结构形式通常分为耐火纤维面衬和全纤维炉衬两类。
前者是将耐火纤维制品(毡或毯),用高温粘结剂贴在耐火砖炉衬的受热表面上;后者是全部用耐火纤维制品。
或用耐火纤维制品与矿渣(或玻璃)棉毡复合组成的炉衬。
一、耐火纤维面衬
耐火纤维面衬分平贴和竖贴两种。
1.平贴
平贴宜采用单层粘贴,其厚度即为耐火纤维制品本身厚度,通常为20~30mm。
平贴时由于纤维方向与砌体表面平行,纤维的全长受热,当结晶粉化时会造成层层剥落,但纤维层热导率小,具有较好的隔热性能。
平贴法适用于低温炉薄层粘贴。
2.竖贴
竖贴是先将耐火纤维制品剪裁成条,再捆扎成块。
捆扎时要预压缩5~10%,以补偿受热时产生的收缩量。
捆扎成的纤维块按图4-2所示的方法粘贴于砌体表面。
竖贴纤维面衬的强度高,抗风蚀性好,面衬厚度可以大些,一般为50~80mm。
竖贴施工容易,节能效果也较好,但纤维层热导率大。
与平贴法取同样厚度时,其隔热效果则较差。
图4-2捆扎块竖贴法
二、全纤维炉衬
根据不同炉温的要求,全纤维炉衬的一般组成见表4-1。
全纤维炉衬有层铺、叠铺、层铺叠铺、预制块等多种结构形式,应根据炉温情况、炉气流动情况、纤维制品类别等条件选择合适的炉衬结构。
表4-1全纤维炉衬的组成方案
结构类型
炉温/℃
层数
总厚度δ/mm
组成
每层厚度/mm
E
≤700
单层
80~110
C
δ
F
≤950
双层
150~175
C+D
(δ-50)+50
G
≤1100
多层
175~200
B+C+D
50+(δ-100)+50
H
<1250
多层
200~225
A+C+D
50+(δ-100)+50
注:
δ一选定的最经济炉衬厚度,A一高温型耐火纤维毡,B一中温型耐火纤维毡,C一低温型耐火纤维毡,D一矿渣(玻璃)棉毡。
第三节层铺耐火纤维毡的施工
层铺结构如图4-3所示,炉衬内表层采用耐火纤维毡,内表层与炉壳钢板之间衬以矿渣棉毡或玻璃棉毡。
由于层铺结构的纤维与受热面平行,与叠铺结构相比,此类结构的高温收缩大,抗风蚀性差,其使用温度相对降低约50℃。
但炉衬热导率相对减小约20%,有利于炉衬的隔热。
图4-3耐火纤维毡的层铺结构
a)螺杆固定式b)金属钉固定式c)转卡固定式d)瓷帽固定式e)瓷钉固定式f)带挂颈的瓷钉固定式
l一MS螺母;2一螺杆;3一快速夹紧圈;4一垫圈;5一钉座;6一拉钉;7一夹紧板;8一拉杆;
9一MS螺杆;10一瓷帽;11-钉座;12一瓷钉;13一夹紧瓷垫;14一螺柱;15一瓷钉;16一挂颈
上图中前三种形式(图a、b、c)适用于炉温≦1100℃;后三种形式(图d、e、f)适用于炉温≦1400℃。
一、锚固件的结构形式
层铺时锚固件的结构形式主要有螺杆固定式、转卡固定式和瓷件固定式等。
1.螺杆固定式
螺杆、螺母和垫圈的制作简单,便于施工,是较常用的一种锚固件结构,如图4-4所示。
图4-4螺杆固定用锚固件
a)双头螺杆b)方垫圈c)、d)快速夹紧圈
螺杆通常用直径为5mm的耐热钢制成,如采用双头螺杆时,在螺杆与炉壳钢板连接的一端配上一个普通碳钢螺母,以解决耐热钢螺杆与普通碳钢炉壳两种不同材质焊接的困难。
这种结构的缺点是当炉温较高时,螺母易与螺杆粘结在一起,拧不下来,故对高于1000℃炉温的内衬不宜使用。
螺杆固定的纤维炉衬结构如图4-5所示。
图4-5螺杆固定的纤维炉衬结构
1一快速夹紧圈;2一耐火纤维毡;3一无碱玻璃棉毡
2.转卡固定式
将带卡口的卡板套上卡杆,旋转90°,即可固定炉衬,如图4-6所示。
这种层铺方法的特点是安装、修理方便,而且不会产生咬死的现象。
图4-6转卡固定用锚固件图4-7转卡固定的纤维炉衬结构
a)卡杆(支持销)b)卡板(垫圈)1一垫圈;2一卡杆;3一耐火纤维毡;4一矿渣棉毡
转卡结构适用于较高温度的炉子,但在有振动和冲击的载荷时,垫圈容易脱落。
转卡固定的纤维炉衬结构如图4-7所示。
3.瓷件固定式
一般采用瓷帽结构,如图4-8所示。
瓷帽由氧化铝制作,有两种形式:
中间带圆孔的配螺杆螺母用;中间带长方孔的转卡瓷帽,它是为了配转卡固定杆用。
在瓷帽的上端,应刻出明显标记,以便准确地旋转90°,与卡杆卡牢。
安装后,在瓷帽中间充填耐火纤维,用以保护金属锚固件。
瓷帽固定的纤维炉衬结构如图4-10所示。
图4-8转卡瓷帽图4-9瓷钉固定的纤维炉衬结构
1一瓷钉;2一瓷垫;3一耐火纤维毡;4一矿渣棉毡
图4-10瓷帽固定的纤维炉衬结构
a)锥形瓷帽结构b)管形瓷帽结构c)转卡瓷帽结构
1一瓷帽;2一耐火纤维毡;3一矿渣棉毡;4一卡杆
如采用瓷钉,则一端有内螺纹,而另一端有卡槽。
先在炉壳钢板上焊上普通碳钢螺钉,将瓷钉拧上,铺上耐火纤维毡后,再用带缺口的瓷垫卡住,如图4-9所示。
瓷钉转卡结构如图4-11所示,它用螺栓将尾部带M6的瓷钉固定在炉壳钢板上,用转卡瓷垫套入瓷钉端部,旋转90°后卡住纤维。
图4-11瓷钉转卡结构
a)瓷钉b)转卡瓷垫c)瓷钉固定的纤维炉衬结构
1一转卡瓷垫;2一瓷钉;3一耐火纤维毡;4一矿渣棉毡;5一螺杆
二、锚固件的材料和布置
1.锚固件的材料
在不同温度和气氛下,锚固件材料的选用见表4-2。
其中“特殊合金”是指镍铬合金、铁铬铝合金等特殊耐热合金;而陶瓷锚固件则包括一般陶瓷锚固件、氧化铝锚固件和氮化硅(Si3N4)等。
国外采用Si3N4氮化硅材料作螺栓,这与金属和氧化铝质的支持螺栓相比,具有较高的高温抗拉强度和抗冲击性能,较小的热膨胀和热导率。
表4-2锚固件材料的选用
炉子类别
<900℃
900~1000℃
1000~1100℃
>1100℃
电阻炉
普通碳钢
普通碳钢
特殊合金
陶瓷锚固砖
煤气炉
普通碳钢
特殊合金
特殊合金
陶瓷锚固砖
燃油炉
普通碳钢
特殊合金
陶瓷锚固砖
陶瓷锚固砖
2.锚固件的布置
由于耐火纤维毡本身刚度较差,因此,用于连接固定的锚固件的距离则不宜过大。
用于炉墙时,锚固件的中心距一般不大于300mm;用于炉顶时,其中心距一般不大于250mm。
锚固件离耐火纤维毡边缘的距离不大于100mm,如图4-12所示。
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