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加热炉水冷梁用耐火浇注料损坏机理及解决措施
加热炉水冷梁用耐火浇注料损坏机理及解决措施
加热炉水冷梁是钢坯进出炉膛及在炉膛内实现加热的承重构件，由钢管、焊接在钢管上的锚固钩、承重滑块及耐火浇注料组成。在水冷梁安装完毕，并经探伤、通水试压验收合格后进行浇注料的施工作业，施工过程一般包括内层纤维毡包扎和外层浇注料施工。水冷梁最外层耐火浇注料由于受各种苛刻使用条件和自身特性的限制，往往在使用一段时间后，会出现开裂、剥落现象，从而造成停炉检修，影响生产。水冷梁处于炉膛内部，检修要先降温，直至检修人员能进去作业为止，自然降温时间较长。为缩短检修时间，采用向炉内吹冷风等降温措施，这种降温方式会对炉体用耐火材料造成一定的损坏。一般停炉检修至复产至少需要3天甚至更长时间。 加热炉用炉墙和炉顶耐火浇注料正常寿命一般为6～8年，而水冷梁用耐火浇注料使用寿命一般为2～3年，有时使用很短时间就需要局部维修。可见，只有减少水冷梁用耐火浇注料的损坏，提高加热炉使用寿命，才能减少加热炉检修次数，实现节能增产。通过多年的现场工作实践，对加热炉水冷梁用耐火浇注料的设计、施工、烘炉、生产维护等方面进行研究，全面分析了水冷梁用耐火浇注料的损坏机理，探索出较为合理的技术措施。某钢厂水冷梁用耐火浇注料设计结构示意图及施工照片如图1和图2所示。 由于水冷梁用耐火浇注料工作条件非常恶劣，厚度较薄(一般厚度50～60 mm)，只通过金属锚固钩与水冷梁连接固定，高温状态下受机械振动、停开炉的急冷急热等因素影响，所以水冷梁用耐火浇注料自身强度和热震稳定性以及来自于外部机械应力是其损坏的主要因素。
对加热炉水冷梁用耐火浇注料损坏机理进行了研究分析，现阐述如下。 钢坯运行过程中振动以及钢坯自身重量的压力等机械应力影响，会造成耐火浇注料的脱落;由于金属锚固钩与耐火浇注料膨胀系数存在差异，金属锚固钩膨胀比耐火浇注料大，因此在高温状态下，会因为锚固钩膨胀热应力大而造成耐火浇注料出现裂纹甚至脱落。另外，在烘烤过程中，局部温度升温过快，接近火焰的水冷梁耐火浇注料会因为热应力而产生剥落，这种现象如图3所示。
钢坯自身重量通过钢渣的传导作用于水冷梁上，从而造成耐火浇注料受机械应力而产生剥落。由于水冷梁上表面设计不合理和施工误差，造成水冷梁纵梁上表面成平面或者斜坡较小，加热炉长期使用中，钢渣铺满纵梁上表面，钢坯的压力通过钢渣作用到水冷梁耐火浇注料上，造成耐火浇注料产生裂纹甚至剥落(图4)。
金属锚固钩有“Y”型、“V”型等形状，在水冷梁上的布置，一般要求根据水冷梁钢管的粗细设计5～7行锚固钩，行间距≤100 mm;每行锚固钩中相邻两个间距以≤100 mm为宜。而在实际设计及施工中，未必会严格按照这种方式进行，行间距过大、同行内锚固钩间距过大，都会影响耐火浇注料的受力均匀性;行间距过小、同行内锚固钩间距过小，又会出现锚固钩太密，增大了金属锚固钩热膨胀应力对耐火浇注料的影响。 锚固钩的焊接很重要，一般要求将其满焊到水冷梁上，最低要求是锚固钩两边都点焊，用铁锤敲击不至于出现脱落。而在施工过程中，有些施工队焊接锚固钩质量太差，用铁锤轻轻敲击就会脱落，这样势必会造成耐火浇注料脱落。锚固钩焊接及包扎完纤维毡后，必须在漏出的锚固钩上涂刷一层1 mm厚的沥青漆，目的是在烘炉过程中缓解因金属锚固钩热膨胀大而造成耐火浇注料出现裂纹或者剥落。 在水冷梁耐火浇注料施工中，设计图纸一般不显示膨胀缝的留设要求，但在施工过程中需要考虑留设膨胀缝。由于施工时膨胀缝留设不合理或者没有留设膨胀缝，升温过程中产生膨胀应力会造成浇注料出现裂纹或剥落。 按照图纸设计的尺寸，施工前应该制作好水冷梁浇注用的模具，木模或者钢模均可。有些施工队为了节约成本，直接用约1 mm厚的彩钢薄铁皮包裹水冷梁做模具，这样会造成极其不利的影响:(1)铁皮比较薄，包裹时直接顶住锚固钩，无法保证浇注厚度要求;(2)锚固钩直接顶住薄铁皮，等炉子使用一段时间后，锚固钩因为没有浇注料保护层会出现氧化脱落;(3)铁皮太薄，施工时不敢振动或用橡胶锤敲打，会造成浇注料成型后气孔率偏大;(4)铁皮支模时，用铁丝捆扎容易变形，从而影响浇注好的水冷梁整体美观性。 自流浇注料热震稳定性、耐火度等理化指标，也是影响水冷梁使用寿命的关键因素。因此要选用符合国家标准及使用要求的合格产品，以保证水冷梁的使用寿命。 严格按照《工业炉设计手册》进行设计，施工及检验严格遵守GB 211-87《工业炉砌筑施工及验收规范》和GB 50309-92《工业炉砌筑工程质量检验评定标准》要求，在具体施工中还要采取一些技术措施。
(4)合理留设膨胀缝，为便于施工，浇注时水冷梁膨胀缝一般留设在靠近水冷梁三通部位; (5)冬季气温较低时适当延长脱模和自然养护时间，以增强烘烤前自流浇注料的强度。 加热炉水冷梁的烘烤是一个关键步骤，刚开始烘烤升温时，由于自流浇注料表面温度高，浇注料快速脱水，外表收缩，自流浇注料内部出现大的热应力;另外自流浇注料施工时一般要加入8%～10%的水，这部分游离水必须在自流浇注料温度升至300℃以上才能排出，而结晶水必须在浇注料温度升至600℃以上才能排出。当水变成水蒸汽时，体积急剧膨胀。这两个原因都会造成自流浇注料损坏，所以必须对自流浇注料升温速度加以控制。目前加热炉中低温烘炉采用易控制的烘炉管和常规烧嘴烘烤(低温段室温～600℃)，升温速度≤10℃/h;高温段烘烤时开启部分蓄热烧嘴，升温速度≤20℃/h。虽然不同供货厂家自流浇注料对烘烤的要求不同，但都要求温度达到150℃、300℃和600℃时有足够长的保温时间。由于自流浇注料内存在温度梯度，所以水冷梁用自流浇注料总烘烤时间以不少于7天为宜。水冷梁的一般烘烤制度列于表1。
烘烤完毕后，水冷梁用自流浇注料需要经过很长时间才能完成表面材质的转换，即烧结过程。在这个过程中，要适当控制各部位的炉温及变化，尤其注意不宜在开炉、停炉时急剧升温和降温，在烧结过程完成后升降温可适当加快。 要提高水冷梁用自流浇注料使用寿命，需在技术和管理上同时努力。只有在设计、施工、烘烤、生产维护等环节采取正确的技术管理措施，才能保证水冷梁用自流浇注料的使用寿命，从而提高整座加热炉的使用寿命，减少检修次数，保证生产顺利进行。
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