多晶莫來石纖維在鋼廠加熱爐上的應用

　　面對市場競爭的日趨激烈和原燃料價格的上漲，能源消耗占產品成本的比例越來越大。如何利用有效的資源能源，降低能耗，實現經濟可持續發展，是需要探討的重要問題。
　　某鋼鐵集團板帶廠于2002年1月對加熱爐進行了技術改造，由原來的常規加熱爐改造為蓄熱式加熱爐，采用混合煤氣單蓄熱的燃燒方式，爐內最高溫度可達1 320 ℃，燃料消耗雖然比改造前有了降低，但是爐子熱效率、燃耗等指標仍不理想，導致產品成本偏高。因此，從減少熱損失，降低燃料消耗、保護爐頂，延長燒嘴磚的使用壽命，提高加熱爐產量和加熱質量考慮，2005年使用多晶莫來石纖維對高溫段爐頂和側墻的內表面進行粘貼處理。經過2 a的使用，現加熱爐爐頂僅有細小裂紋，預計整體壽命可達5 a以上，其熱效率也比以前有較大提高。

2 多晶莫來石纖維的特性

　　多晶莫來石纖維是一種以莫來石晶相形式存在的多晶質耐火纖維，是按形成單一晶體—莫來石（3Al2O3·2SiO2）進行化學配方，由可溶性鋁、硅鹽經過高溫完成晶相轉變而制成的。制作過程是在低溫下將有黏度的膠體溶液進行噴吹和甩絲，形成原纖維，再經高溫燒制使其纖維內部的原子成有序排列，組織晶體化，消除處于介穩定的玻璃態，使其使用溫度提高近300 ℃。纖維的耐熱性隨著Al2O3含量的增加而增強，當Al2O3含量大于72%時，使用溫度可超過1 400 ℃。硅酸鋁耐火纖維Al2O3-SiO2相圖見圖1。

圖1  硅酸鋁耐火纖維Al2O3-SiO3相圖

　　多晶莫來石纖維形態各異，散狀的纖維棉可作高溫部位夾層的填充料，將散棉用濕法真空成型可制成板、氈、磚、預制件、模塊等各種所需樣式。由于多晶莫來石纖維具有低熱容、低導熱率、低容重、熱敏性能好、高輻射能力等特點，對軋鋼加熱爐來講，是一種高效、輕型的節能材料。

3 多晶莫來石纖維的應用

　　板帶廠加熱爐高溫區內表面粘貼的多晶莫來石纖維采用模塊型，類型為PMF-1600，規格200 mm×100 mm×50 mm。其性能指標如下：Al2O3 72%～75%；SiO2 25%～28%；晶相為單一莫來石相；熔點1 840 ℃；工作溫度1 400 ℃；熱導率1 200 ℃，0.295 W（m·K）；1 400 ℃，0.387 W（m·K）；重燒線收縮率（1 500 ℃×6 h）<1.0%；容重100 kg/m3；比熱1 024 kJ/（kg·K）。
　　施工方法是：首先對施工部位進行清理，并做“拉毛”處理，纖維貼面和爐墻內表面均勻涂上高溫黏合劑，將纖維模塊平推擠壓，使其粘貼牢靠。除粘貼外，其他企業的使用方式還有將塊型或磚型纖維制品用專用的膠結劑砌筑爐體，或將纖維預制塊吊掛錨固在爐體框架上進行固定。
　　通過觀察和統計發現，板帶廠加熱爐爐頂的纖維模塊經過2 a的使用，脫落率約為30%，達到了保護爐頂的預期效果，但側墻燒嘴及燒嘴周圍的纖維脫落量較大，經過0.5 a脫落率即達40%，且修補后的纖維也易脫落。經過分析，認為多晶莫來石纖維的損壞除了長期高溫環境使纖維粉化外，還有外力的破壞作用。在蓄熱式加熱爐中，加熱爐的爐溫比莫來石纖維的長期使用溫度低。因此外力的作用應是莫來石纖維損壞的主要因素。由于蓄熱式加熱爐使用混合煤氣做燃料，雖然煤氣在進加熱爐燃燒之前進行了除塵處理，但是煤氣中仍帶有顆粒狀的不可燃成分和不完全燃燒成分。加熱爐燒嘴火焰直接對加熱爐側墻進行沖刷，此處的沖刷力大于其它各處的沖刷力。加上加熱爐小修時間一般不超過7個工作日，由于時間短，爐內溫度高，工作環境惡劣，加熱爐內側接觸面燒損物不易徹底清理，造成多晶莫來石纖維難以粘貼牢固。由此可知：煤氣中顆粒狀不可燃成分和不完全燃燒成分、火焰或爐氣的直接沖刷、接觸面的平整程度、黏合劑的均勻充滿性決定著蓄熱式加熱爐多晶莫來石纖維的使用壽命。
　　為了解決側墻纖維脫落問題，在施工前爐體表面一定要清潔干凈，并嚴格按施工程序進行施工。同時，加大對煤氣的除塵力度。另外，在側墻多晶莫來石纖維上噴涂一層遠紅外節能涂料，使纖維表面固化，抵抗火焰沖刷，不易脫落。

4 應用效果

4.1 提高爐頂、燒嘴磚使用壽命
　　爐頂內表面粘貼多晶莫來石纖維后，改善了爐氣對爐頂的直接沖刷，緩沖了爐頂的急冷急熱，爐頂承受的爐溫可降低70～100 ℃，有效防止了耐材的開裂、剝落。板帶廠加熱爐于2005年3月投入使用至今，爐頂除有幾處細小裂紋外，整體狀況良好，爐頂的使用壽命能夠延長至5 a以上，至少節約爐頂大修費用80萬元。由于蓄熱式燃燒技術的特點，經蓄熱后的空氣對燒嘴磚有較大的損壞性。燒嘴磚采用預先成型技術或采用現場澆注技術，維修和更換時難度大。如果在燒嘴磚表面粘貼多晶莫來石纖維，將緩解火焰對燒嘴磚的沖刷，可有效保護燒嘴磚。自粘貼纖維后，燒嘴磚使用2 a后僅出現少量細小裂紋，使用壽命可延長至4 a以上。
4.2 增加輻射傳熱減少熱損失
　　加熱爐高溫區的傳熱方式以輻射傳熱為主，爐氣、爐壁與被加熱鋼坯之間相互進行輻射熱交換。爐壁的黑度一般為0.8，多晶莫來石纖維的黑度為0.95，在相同的供熱條件下，粘貼多晶莫來石纖維后，黑度的提高增強了爐內的熱輻射，進而提高了鋼坯的加熱速度和爐子的加熱能力。在同等爐況條件下，粘貼多晶莫來石纖維后，燃氣消耗降低。經觀測統計，加熱爐檢修前、后各1個月內煤氣單耗分別為1.04 GJ/t和0.98 GJ/t。
　　板帶廠確定爐頂和側墻外表面的10個測溫點，通過測量檢修后與臨近下次檢修時的各點溫度，查看多晶莫來石纖維的脫落情況，檢測結果見表1。由表1可知，在相同爐溫條件下，粘貼多晶莫來石纖維后，爐體外表面平均下降了34.8 ℃，減少了爐體散熱，提高了爐子熱效率。同時，隨著工作環境的改善，給操作人員的現場檢查和操作帶來了方便。

表1 粘貼多晶莫來石纖維前后爐外墻溫度變化情況 ℃

4.3 減少熱慣性，提高產量和加熱質量
　　板帶廠的加熱爐高溫段側墻由澆注料整體澆筑而成，爐頂為可塑料搗打，使用的耐材熱容量較大，且燒嘴采用單蓄熱燃燒方式。這一方面決定了加熱爐在升溫、降溫時存在一定的滯后性，另一方面多晶莫來石纖維可使爐子的熱容量減少，導熱率降低，爐子的升、降溫速度加快，熱慣性減小，利于產量的提高。由于坯料加熱時間的縮短，減少了坯料在加熱爐內的氧化、脫碳，保證了坯料的加熱質量。氧化燒損量由1.22％降為1.20％，提高成材率0.02百分點。

5 結 語

　　實踐證明，在蓄熱式加熱爐上應用多晶莫來石纖維，延長了爐頂的使用壽命，降低了檢修成本；減少了爐體熱量損失，提高了熱效率；縮短了待軋前后的升降溫速度，提高了作業率和成材率。對其它形式的軋鋼加熱爐有借鑒意義，從環保和節能角度考慮，值得推廣。