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多晶莫来石纤维及其制品在窑炉上的应用

发布时间:2017-02-25

   随着节能技术的深入发展,节能措施的投资也越来越重视。而砌筑窑炉的材料又是节能降耗、影响窑炉热效率和使用寿命的重要因素之一。 

  多晶莫来石耐火纤维(简称PMF)是国际上一种新型的超轻质耐高温绝热材料,它由莫来石(Mullite)微晶体构成,并集晶体材料和纤维材料特性于一体,有极好的耐热稳定性,长期使用温度可达1500oC,熔点达1840oC,其导热率是传统耐火砖的1/6,容重只有其1/25,可广泛应用于工业窑炉内衬绝热,是高温窑炉节能降耗、优质高产的理想材料。 

  在国内多晶莫来石纤维的研制是国家“六.五”期间的重点科研攻关项目之一。多晶莫来石纤维采用化学胶体法制取,是技术密集型产品。具有高热阻、低热容的特点,可减少散热损失30%,用于钢材品种规格变化频繁的轧钢加热炉上,其综合节能可达5-6%,用于间歇式电加热炉,其节能效果更加明显,节能率达30%左右。 
  一、多晶莫来石纤维及其制品的性能及特征(表一)


技术性能

PMF100
OSM-TH
OSM-TS
OSM-FH
OSM-MX
OSM-HG
OSM-LG
OSM-GB
Al2O3
72%-75%
65%-72%
50%-72%
45%-70%
45%-65%
≥30
≥42
≥40
Al2O3+SiO2
99.6%
≥83
≥98
≥96
加热收缩率 
1500oC×24h
≤1%
∽2%
∽2%
∽2%
∽2% 
1300 oC×24h
≤2% 
1200 oC×24h
≤2% 
1100 oC×24h
≤2% 
800 oC×24h
容重/kg.m -3
100
180 ∽250
300 ∽600
外观
纯白、柔弱
纯白、有弹性
纯白、硬
纯白、硬
纯白、硬
纯白、硬
纯白、硬
使用温度
电炉 ≤1600 oC 火焰炉 ≤1500 oC
≤1350 oC
≤1300 oC
≤1200 oC
≤900 oC
节能效果
间隙式窑炉20% ∽30% 连续式窑炉5%∽15%
产品特征
重量轻、耐冲刷、高温稳定、低导热率、低储热量、优良的耐蚀性、优越的吸音性,并可按需加工各种异形件


    
  其中PMF-100:比热1024kj/kg.k、导热率(W/MoC)1000oC∽0.226 1200oC∽0.295 1300oC∽0.337 1400oC∽0.387 

  二、多晶莫来石纤维在高温热处理炉上的应用 
  某大型企业的82m2台车式热处理炉是一座比较特殊的热处理炉,在进行“浸润处理”时,沪漫高达1250,该炉在1987年大修时进行了高层次的技术改造,整个炉顶采用全纤维复合结构,该炉炉顶长14米,宽7米,在施工时将顶分成九块盖(复合纤维结构),纤维安装完毕后,吊在炉顶上组装而成,炉顶纤维总厚度180mm,其中采用40mm的PMF-100系列堆块作工作面,粘贴在高铝纤维的纵断面上(120mm)约120m2,整个炉顶看不到锚固件结构,避免了散热损失。炉墙采用单层贴面式,粘贴30mm厚的PMF-100系列。


        这样整个炉衬全部为PMF结构。由于采用了PMF新型超轻质材料,从而使炉体结构轻型化。炉顶重量12吨,跟原炉顶(磷酸盐耐热混凝土预制块)112吨相比重量隆低了83%,其结构简单,绝热效果非常好,该炉仅用钢材20吨,跟原炉钢材用量37.3吨相比减少了45%。该炉自1987年投产使用以来,经五年的生产实践证明:PMF炉衬使炉子升温速度加快,节能效果显著,近240m2炉衬的PMF粘贴牢固,完好无损,仍保持其绝热效果,处理同样的工件,新旧炉燃耗相差38%。 

  三、多晶莫来石纤维在轧钢加热炉上的应用 
  1987年11月在小型厂二车间的两座步进式轧钢加热炉上采用PMF100系列多晶莫来石纤维进行了一次改造(该炉自1985年进入冶金部特等炉行列,其平均单耗一直保持在1.46GJ/t),改造后实现了低耗高产。 
  轧钢加热炉改造前后比较(表二) 


年度同期
产 量(万吨)
总耗比较(万卡焦)
单 耗 卡焦/吨坯
单 耗
可比单耗
改造前
12.3502
17.7372
1.436
1.367
改造后
14.3164
19.1456
1.337
1.237
同期各项指标提高百分数
15.92%
7.94%
-6.89%
-6.87%


    
  由表二可知,增产幅度远大于能耗幅度,节能率6.88%。这是在特等炉达到的新指标。由于采用了全纤维炉顶,提高了炉子热敏性,冷炉点火到出钢时间比以前缩短了近二小时,产生了明显的增产效益。1989年初又将全纤维炉改换成整体浇灌,内贴50mm厚的PMF(仍然是平火焰烧嘴)。未粘贴时,燃气耗量2600m3/h,粘贴后降为2400-2450m3/h,节能率6-8%,从冷炉点火到出钢时,粘贴纤维比未贴前要提前1小时。上钢五厂在轧钢加热炉上也采用PMF系列,替代日本东芝电铸耐火材料公司的高温混合耐火纤维(NONOFRAX)做加热炉内衬。 

  四、多晶莫来石耐火纤维制品在全氢罩式炉上的应用 
  冷轧带钢的罩式炉退火是冷轧板生产的关键工序之一。1988年,鞍钢冷轧薄板厂从国外引进40座全氢罩式炉时,炉子的耐火材料是采用轻质耐火砖和进口多晶莫来石产品,经过几年的使用,发现轻质耐火砖用于罩式炉存在不少问题。多晶莫来石耐火纤维制品替代进口耐火材料以及轻质耐火砖,多晶莫来石耐火纤维制品的应用技术是根据国家科委文件(国科发成字[1996]349号)关于下达<“九五国家科技成果重点推广计划指南项目>(二)中的新材料和新产品之97070101A立项的,主要采用多晶莫工业区石耐火纤维制品做热罩烧嘴区域炉衬替代轻质耐火砖做罩式炉加热罩烧嘴区域炉衬。采用这种多晶莫来石耐火纤维制品通过自1995年5有份以来的投产使用,取得了可观的经济效益和社会效益。设备年作业时间提高了5640小时,年生产能力增加19740吨,节能效果为18%,同时改善了钢板产品质量。 

  多晶莫来石晶体纤维制品的主要特征:低导热率、抗热震、易加工、低蓄热。 
  主要性能:容重:200-600kg/m3 
  使用温度:1500oC 
  导热率(W/MoC);1000oC-0.16 1250oC-0.22 1350oC-0.25 

  通过鞍钢冷轧薄板厂前期引进罩式炉几年来使用轻质耐火砖炉衬和后期引进经过完善的全氢式炉使用多晶莫来石耐火纤维复合预制块炉衬以及进口耐火材料炉衬的生产实践,可以得出下列结论: 

  1、国产的多晶莫来石晶体纤维真空成型块满足了全氢罩式炉加热罩烧嘴区域对耐火材料的要求,完全可以替代进口的耐火材料。 

  2、在用于全氢罩式炉加热罩烧嘴区域,与轻质耐火砖相比,多晶莫来石晶体纤维真空成型块可以减少修少修炉时间,提高设备作业时间,提高生产能力,节约能源,减少进口设备品备件消耗。 

  3、使用多晶莫来石晶体纤维真空成型块做全氢罩式炉烧嘴区域炉衬,经济效益显著。 

  为此,本钢、武钢等企业也相继进行了全氢罩式炉的改造,采用多晶莫来石纤维制品替国外进口耐火材料作炉衬,取得了 较好的使用效果。 

  五、多晶莫来石纤维在钟罩窑上的应用 
 温度1400oC间歇式全纤维炉的钟罩窑,在该炉内衬材料是用多晶莫来石纤维硬制品PMF-300系列(容量300kg/m3),它是采用多晶莫来石纤维散棉加入特殊粘结剂用真空吸滤制成,炉衬总厚180mm,其中PMF制品炉顶选用70mm厚,炉墙60mm厚,经近二年高温连续运行,纤维炉衬完好,取得了非常明显的综合经济效益,节能率30%以上,提高成材率30-40%。该钟罩窑由于采用了PMF系列取得明显的技术进步,达到了国际先进水平,1990年通过机电技术鉴定,是机电部钟罩窑的示范炉。 

  六、多晶莫来石纤维制品在保温盖及隧道窑、燃气节能间歇窑上的应用 
  1、武钢三炼钢连铸钢包旋转塔原设计的保温盖是采用浇注料,由于浇注料容重大(与纤维制品相比),在使用中易发生脱落,危及安全。鉴于此,在1996年底采用多晶莫来石纤维制品复合结构做保温盖。经过三年多来的实际使用,效果良好,能有效地降低钢水热损失,提高保温盖使用寿命和安全性。 

  2、江西省陶瓷研究所生产的燃气节能间歇窑曾获国家实用新型专利,并多次荣获部省级大奖。该窑炉体采用多晶莫来石纤维制品和轻质耐火砖复合结构,即把纤维制品用高温粘结剂贴在轻质砖墙上,直接接角火焰,历年来的使用结果表明,多晶莫来厂纤维制品不仅具有耐温高、热收缩率小、蓄散热低、粘贴牢固、不掉渣及使用寿命长等特点,而且节能效果显著,特别是在1450oC-1470oC之间的还原气氛下,该纤维制品仍能保持良好的性能。无疑为陶瓷热工设备的技术发行和节约能源创造了良好的条件,市场前景十分广阔。

  3、福建省德化达益窑炉材料应用技术研究所于1996年5月将多晶莫来石纤维及其制品应用于陶瓷隧道窑、梭式窑的高温部位,其使用实例是: 

  1996年5月将多晶莫来石纤维及制品应用于德化汇盛陶瓷有限公司隧道窑。该窑为2500×400×600,烧制品为陶瓷西洋小玩具。改造前:烧成温度在1250-1350C,燃料为零号柴油,公斤瓷耗油量为0.2385,高温段表面温度为96oC,改造后,相同的烧成温度、燃料和制品,公斤瓷耗油量只有0.1852,高温段表面温度降至41oC,节油率达28.78%,且使用至今,高温段仍完好无损。
但在应用多晶莫来石纤维和制品时,应根据烧成温度进行合理分布,做到经济可行,并相应地改善燃烧室的位置和体积,经过三年多的使用,充分证明其节能效果显著、经济效益较好且使用寿命长,而且“多晶莫来石纤维在陶瓷梭式窑应用”项目也于1998年3月被国家科委定为“1998年国家级科技成果推广项目计划”(项目编号为98E061D7200074)。 

  以上所例举的仅是几个在行业应用中较为典型的多晶莫来石纤维范例。其他在鞍钢、武钢、包钢、马钢、济钢等各类冶金加热炉,以及在化工、机械、陶瓷、玻璃、建材、电子、军工等900多家企业与科研单们得到了广泛的应用和尝试,实践证明: 

  1、由于多晶来石纤维松多孔,具有导热系数低、黑度系数高的特征,加上其高温稳定性和耐急冷急热性好,目前在高温炉窑中用于工作面日趋广泛,其节能效果非常显示著。 

  2、多晶莫来石纤维在高温炉窗使用时的节能效果比一般的耐火砖或高温涂料节能效果好,节能量远大于散热损失量,其原因不仅是因为减少了散热损失,而主要是由于强化了炉气对炉壁的对流传热,使炉壁能得到更多的热量,再通过辐射传给物料,从而提高了物料的加热速度和生产能力。 

  因此,使用多晶莫来石纤维及其制品都取得了同样满意的节能效果,有效地推动了我国高温炉窑的轻型化的和技术进步,特别是在当今高能值时代,更为国家的能源节约作出了贡献。

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