CSP輥底式加熱爐是薄板坯連鑄機與連軋機之間的連接設備, 其工作性能的好壞將直接影響到整個生產(chǎn)線的正常運行。水冷爐輥擔負著爐內(nèi)板坯的支撐與行進驅(qū)動任務, 工作環(huán)境最為惡劣, 長時間處于溫度高達1100~1270℃的區(qū)域, 爐內(nèi)氣氛復雜, 長期24 h連續(xù)重負荷運轉(zhuǎn), 因而, 爐輥通過外壁布置的四道耐熱金屬輥環(huán)起到支撐與驅(qū)動板坯的作用, 并在外壁輥環(huán)之間鋪設有耐火隔熱保護層, 起到保護爐輥、降低水冷熱損失、延長使用壽命的作用。根據(jù)工藝要求與生產(chǎn)節(jié)奏, 爐輥需不斷改變轉(zhuǎn)速的大小和旋轉(zhuǎn)方向, 爐輥耐火澆注層不僅受到旋轉(zhuǎn)離心力、煙氣沖刷的作用, 同時, 還受到板坯快速行進中與輥環(huán)之間頻繁碰撞與摩擦而產(chǎn)生的機械沖擊力, 因此在實際生產(chǎn)過程中, 爐輥耐火澆注層往往容易開裂、脫落而影響爐輥使用壽命和隔熱性能, 不僅增加了生產(chǎn)消耗成本和能源消耗, 頻繁的換輥還嚴重影響了正常的生產(chǎn)節(jié)奏。目前廣泛使用的CSP爐輥重質(zhì)澆注料雖然強度高、抗機械振動能力和抗煙氣沖刷能力較強, 但是容重大、導熱系數(shù)較高、隔熱性能較差;而常規(guī)輕質(zhì)澆注料雖然隔熱性能優(yōu)良, 但由于強度較低、抗機械振動能力較差難以直接應用于爐輥。本工作從提高爐輥隔熱性能和使用壽命的角度, 研制了一種輕質(zhì)隔熱耐火澆注料, 并應用于CSP水冷爐輥隔熱防護, 取得了良好的實際應用效果。
CSP爐輥長期在高溫下重負荷運轉(zhuǎn), 對爐輥用隔熱耐火材料的使用性能要求很高:
(1) 由于長時間處于溫度高達1100~1270℃的輥底式加熱爐內(nèi), 爐輥隔熱保護層材料必須具有一定的耐火度;
(2) 爐內(nèi)各段的O2和CO含量波動范圍較大, 而還原性氣氛會導致無機纖維在相對較低的溫度下結(jié)晶粉化, 從而降低了無機纖維材料的最高使用溫度, 且爐子入口段水蒸氣的含量較高, 氣氛復雜, 高溫水蒸氣對耐材侵蝕嚴重, 因此, 材料必須具有一定的抗高溫化學侵蝕和抗煙氣沖刷的能力;
(3) 爐輥內(nèi)部通冷卻水, 內(nèi)外溫差很大, 材料不僅必須具有較小的導熱系數(shù), 減少冷卻水帶走的熱損耗, 具備良好的隔熱性能, 還必須具有良好的熱震穩(wěn)定性能;
(4) 爐輥旋轉(zhuǎn)過程中隔熱耐火澆注料不僅受到旋轉(zhuǎn)離心力的作用, 還受到板坯快速行進中與輥環(huán)之間頻繁碰撞與摩擦而產(chǎn)生的機械沖擊力, 因此, 材料必須具有一定的抗機械振動能力;
(5) 爐輥通過電機的驅(qū)動進行旋轉(zhuǎn), 隔熱耐火澆注料比重過大會增加爐輥的重量和轉(zhuǎn)動的動力消耗, 且容易壓壞軸承, 嚴重影響爐輥軸承的使用壽命, 因此, 在滿足其他使用性能要求的前提下, 應當盡量減輕材料的比重。
2.1 原材料選擇和配方設計
通過選用具有多孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)莫來石骨料、氧化鋁空心球和導熱系數(shù)較小的含鋯高鋁耐火纖維, 達到提高爐輥保溫性能, 減少冷卻水帶走的熱損失, 同時降低體積密度, 減少爐輥的重量與轉(zhuǎn)動的動力消耗的目的;通過0.1~1 mm的焦寶石的加入, 彌補了小于1 mm輕質(zhì)骨料性能劣化的不足, 并通過焦寶石優(yōu)良的熱震穩(wěn)定性與高溫性能, 提高了澆注料的綜合使用性能;通過使用水泥、二氧化硅和-Al2O3微粉作為復合結(jié)合劑, 引入水合結(jié)合和凝聚結(jié)合兩種凝結(jié)硬化機理, 提高材料的低、中和高溫強度;通過加入少量鋰輝石粉的燒結(jié)促進作用, 改善澆注料使用條件下的燒結(jié)狀況, 促進爐輥澆注料隔熱襯使用條件下高溫陶瓷結(jié)合相的形成, 提高隔熱襯的抗破損能力;通過添加含鋯高鋁耐火纖維, 利用其在基體中的拉拔作用所產(chǎn)生的增強、增韌效應, 提高爐輥澆注料抗機械振動能力和抗沖擊韌性;通過添加藍晶石粉作為膨脹劑, 利用藍晶石高溫下不可逆分解為莫來石和游離的Si O2而產(chǎn)生體積膨脹, 抵消澆注料高溫下體積收縮, 防止?jié)沧⒘吓c金屬輥身之間熱膨脹不匹配造成的澆注料層開裂和脫落;通過減水劑、有機消泡劑和硅烷偶聯(lián)劑等外加劑的使用, 提高了澆注料的施工流動性, 降低了澆注料的加水量, 改善了爐輥澆注隔熱襯施工質(zhì)量與綜合性能。
通過實驗室配方設計和優(yōu)化, 最終確定了優(yōu)化配方, 具體如表1所示。
表1 試驗配方
2.2 性能檢測
2.2.1 物理性能
按優(yōu)化配方稱料, 混合均勻后加水攪拌、澆注成型為40mm×40 mm×160 mm試樣, 常溫自然養(yǎng)護24小時, 脫模后于110℃烘干24 h, 部分試樣繼續(xù)在1100和1300℃熱處理3 h, 然后按相關標準檢測不同溫度處理后試樣的體積密度、抗折和抗壓強度、導熱系數(shù)等物理性能, 具體數(shù)據(jù)如表2所示。相對常規(guī)爐輥重質(zhì)澆注料 (體積密度2.2g·cm-3, 導熱系數(shù)0.738 W· (m·K) -1) 而言, 體積密度降低25.8%, 具有更輕的容重, 導熱系數(shù)降低約57%, 具有更加優(yōu)良的隔熱效果。同時, 研制的輕質(zhì)隔熱澆注料具有較高的低、中、高溫強度, 隨著溫度的升高, 澆注料的力學性能比較穩(wěn)定, 沒有發(fā)生大的波動。可見通過配方中多種外加劑的合理設計, 大幅提高了輕質(zhì)澆注料的抗折、抗壓強度和抗機械振動能力, 澆注料常溫抗壓強度達到24.5 MPa, 遠高于普通輕質(zhì)澆注料的力學性能, 不僅滿足了脫模及搬運要求, 還完全滿足了爐輥300℃烘烤完畢直接入爐使用的要求, 經(jīng)各溫度處理后線變化率較小, 表明有較好的體積穩(wěn)定性。
表2 澆注料的物理性能
2.2.2 微觀結(jié)構(gòu)
將1100℃熱處理試樣分別經(jīng)過切割、鑲嵌、打磨和拋光處理后, 制成光片使用巖相分析顯微鏡對其微觀結(jié)構(gòu)、氣孔分布狀況、骨料與基質(zhì)結(jié)合狀況等進行了觀察。大部分骨料顆粒與基質(zhì)結(jié)合比較緊密, 少量骨料與基質(zhì)之間存在裂隙, 氧化鋁空心球在澆注料中均勻分布, 試樣中有些大小不等的氣孔, 耐火纖維在基質(zhì)中分散比較均勻, 未發(fā)現(xiàn)耐火纖維與基質(zhì)反應的現(xiàn)象, 有效的起到了纖維增強和增韌的效應。
采用研制的輕質(zhì)隔熱耐火澆注料在某廠CSP加熱爐爐輥上進行了工業(yè)性試驗。對現(xiàn)場拆卸回來的爐輥進行耐材的清理、除銹后, 進行隔熱襯的澆注, 經(jīng)脫模、養(yǎng)護和300℃烘烤后上線使用。由現(xiàn)場澆注施工的跟蹤記錄可知, 研制的CSP爐輥用隔熱耐火澆注料滿足現(xiàn)場澆注施工要求, 澆注成型的爐輥隔熱襯常溫強度高, 結(jié)構(gòu)整體性好, 與爐輥金屬部件結(jié)合緊密。在爐輥運行過程中通過定期打開下部渣斗的方式進行觀察發(fā)現(xiàn), 在入爐運行一周內(nèi), 爐輥隔熱層使用情況良好, 表面沒有發(fā)現(xiàn)細小裂紋, 也未發(fā)現(xiàn)澆注料入爐崩裂的現(xiàn)象, 具有良好的抗爆裂性能;運行6個月時, 澆注層僅存在少量環(huán)狀裂紋, 未發(fā)生隔熱襯開裂脫落的現(xiàn)象, 具有良好的抗破損能力, 滿足了爐輥隔熱材料對抗高溫化學侵蝕、抗煙氣沖刷和抗機械振動性能的需求。相對常規(guī)重質(zhì)澆注料爐輥而言, 研制輕質(zhì)耐火澆注料爐輥隔熱襯使用壽命由平均8個月延長至15個月以上, 水冷熱損失降低約32%, 消除了單個部件損壞引起的下線修復, 達到了延長爐輥使用壽命和節(jié)能環(huán)保的目的, 具有良好的經(jīng)濟和社會效益。
(1) 研制的輕質(zhì)隔熱耐火澆注料強度大、容重輕、隔熱性能優(yōu)良, 能夠滿足CSP加熱爐爐輥隔熱襯對抗高溫化學侵蝕、抗煙氣沖刷和抗機械振動性能的需求;
(2) 研制的澆注料成功應用于CSP水冷爐輥, 解決了輥身耐材短期內(nèi)脫落破損的難題, 相對于常規(guī)爐輥重質(zhì)澆注料而言, 隔熱襯使用壽命由平均8個月延長至15個月以上, 水冷熱損失降低約32%。