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線的正常運行。水冷爐輥擔負著爐內板坯的支撐與行進驅動任務, 工作環境最為惡劣, 長時間處于溫度高達1100~1270℃的區域, 爐內氣氛復雜, 長期24 h連續重負荷運轉, 因而, 爐輥通過外壁布置的四道耐熱金屬輥環起到支撐與驅動板坯的作用, 并在外壁輥環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。根據工藝要求與生產節奏, 爐輥需不斷改變轉速的大小和旋轉方向, 爐輥耐火澆注層不僅受到旋轉離心力、煙氣沖刷的作用, 同時, 還受到板坯快速行進中與輥環之間頻繁碰撞與摩擦而產生的機械沖擊力, 因此在實際生產過程中, 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節奏。目前廣泛使用的CSP爐輥重質澆注料雖然強度高、抗機械振動能力和抗煙氣沖刷能力較強, 但是容重大、導熱系數較高、隔熱性能較差;而常規輕質澆注料雖然隔熱性能優良, 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, 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, 爐輥隔熱保護層材料必須具有一定的耐火度;
(2) 爐內各段的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) 爐輥內部通冷卻水, 內外溫差很大, 材料不僅必須具有較小的導熱系數, 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定性能;
(4) 爐輥旋轉過程中隔熱耐火澆注料不僅受到旋轉離心力的作用, 還受到板坯快速行進中與輥環之間頻繁碰撞與摩擦而產生的機械沖擊力, 因此, 材料必須具有一定的抗機械振動能力;
(5) 爐輥通過電機的驅動進行旋轉, 隔熱耐火澆注料比重過大會增加爐輥的重量和轉動的動力消耗, 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構的輕質莫來石骨料、氧化鋁空心球和導熱系數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輕質骨料性能劣化的不足, 并通過焦寶石優良的熱震穩定性與高溫性能, 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微粉作為復合結合劑, 引入水合結合和凝聚結合兩種凝結硬化機理, 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促進作用, 改善澆注料使用條件下的燒結狀況, 促進爐輥澆注料隔熱襯使用條件下高溫陶瓷結合相的形成, 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而產生體積膨脹, 抵消澆注料高溫下體積收縮, 防止澆注料與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量與綜合性能。
通過實驗室配方設計和優化, 最終確定了優化配方, 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, 常溫自然養護24小時, 脫模后于110℃烘干24 h, 部分試樣繼續在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、導熱系數等物理性能, 具體數據如表2所示。相對常規爐輥重質澆注料 (體積密度2.2g·cm-3, 導熱系數0.738 W· (m·K) -1) 而言, 體積密度降低25.8%, 具有更輕的容重, 導熱系數降低約57%, 具有更加優良的隔熱效果。同時, 研制的輕質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定, 沒有發生大的波動。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, 經各溫度處理后線變化率較小, 表明有較好的體積穩定性。
表2 澆注料的物理性能
2.2.2 微觀結構
將1100℃熱處理試樣分別經過切割、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構、氣孔分布狀況、骨料與基質結合狀況等進行了觀察。大部分骨料顆粒與基質結合比較緊密, 少量骨料與基質之間存在裂隙, 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, 耐火纖維在基質中分散比較均勻, 未發現耐火纖維與基質反應的現象, 有效的起到了纖維增強和增韌的效應。
采用研制的輕質隔熱耐火澆注料在某廠CSP加熱爐爐輥上進行了工業性試驗。對現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, 經脫模、養護和300℃烘烤后上線使用。由現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場澆注施工要求, 澆注成型的爐輥隔熱襯常溫強度高, 結構整體性好, 與爐輥金屬部件結合緊密。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現, 在入爐運行一周內, 爐輥隔熱層使用情況良好, 表面沒有發現細小裂紋, 也未發現澆注料入爐崩裂的現象, 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狀裂紋, 未發生隔熱襯開裂脫落的現象, 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。相對常規重質澆注料爐輥而言, 研制輕質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能環保的目的, 具有良好的經濟和社會效益。
(1) 研制的輕質隔熱耐火澆注料強度大、容重輕、隔熱性能優良, 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脫落破損的難題, 相對于常規爐輥重質澆注料而言, 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%。