EC&S沖天爐用耐火材料及筑爐流程介紹

孫 帆,李孝艷,劉曉斌,喬進國

（濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東濰坊 261199）

近年來，隨著鑄造生產水平的提高，沖天爐開始向“大型化、熱風水冷無爐襯、連續出鐵”的方向發展[1]。而采用熱風技術的沖天爐，其內部耐火材料的侵蝕遠比冷風爐更為嚴重，同時想要實現連續出鐵即增加沖天爐爐齡，選用合適的耐火材料變得尤為重要。根據沖天爐不同部位的溫度及使用要求，選擇性能優異的耐火材料，可以有效減少侵蝕，延長使用壽命，對實現沖天爐的長爐齡和熔化狀況的穩定都有重要的意義。本文對EC&S沖天爐用耐火材料的性能和成分等做了詳細介紹，并總結該沖天爐的筑爐流程。

1 EC&S沖天爐簡介

濰柴鑄鍛公司所用EC&S沖天爐為熱風水冷長爐齡沖天爐，設計熔化速率為35t/h，出鐵溫度1500℃，可連續運行45天，相對于電爐熔化，沖天爐熔化是一種更經濟的化鐵方式。

當前EC&S沖天爐采用兩班制操作，鐵焦比為8∶1，爐料配比為70%廢鋼∶20%回爐∶10%生鐵及適量硅鐵和錳鐵，使用提升機從爐頂向爐內加料，加入16～17批料滿爐即可開風熔化。每天熔化時間約10小時，熔化量400噸。由于EC&S沖天爐的長爐齡設計，每天熔化結束后，只需放空爐內殘留的鐵水和爐渣，并補充適量焦炭，不用進行修爐操作。同時在EC&S沖天爐整個熔化周期內，沖天爐的熔化速率、送風量、鐵焦比及鐵水質量都可以保持相對穩定的狀態。

2 常用耐火材料介紹

耐火材料是耐火度不低于1580℃的無機非金屬材料。耐火材料在無荷重時抵抗高溫作用的穩定性，即在高溫無荷重條件下不熔融軟化的性能稱為耐火度，它表示耐火材料的基本性能[2]。

耐火材料主成分是指對材料的性質起決定作用并構成耐火基體的成分。耐火材料按其主成分的化學性質可分為酸性耐火材料、中性耐火材料和堿性耐火材料。

酸性耐火材料是以SiO2為主成分的耐火材料，主要指硅磚和鋯英石磚等，抗酸性爐渣侵蝕能力強，但抗熱振性差。

中性耐火材料是以Al2O3、Cr2O3和碳為主成分的耐火材料，包括剛玉磚，高鋁磚等，對酸性渣和堿性渣都有較強的抗腐蝕能力，其中以Al2O3基耐火材料應用最為廣泛，具有化學穩定性好，耐高溫、耐磨等優異性能。

堿性耐火材料主要是指以MgO和CaO為主成分的耐火材料，包括鎂磚、鎂鋁磚、鎂鉻磚等，其對堿性渣具有較強的抗腐蝕能力。

除常見的磚型耐火材料外，在沖天爐上廣泛使用的一類耐火材料是不定性耐火材料。

所謂不定性耐火材料，是指具有一定粒度級配的耐火骨料和粉料、結合劑、外加劑混合而成不經成型和燒成而直接使用的耐火材料，分為澆注料、噴涂料、搗打料、干振料、耐火泥漿等。

3 EC&S沖天爐用耐火材料介紹

3.1 EC&S沖天爐爐體結構

圖1為EC&S沖天爐爐體結構示意圖，爐體由爐殼（分為熔化帶和預熱帶兩部分）、爐缸、出鐵口、分渣器、流槽、引風環等組成。熔化帶爐殼采用無爐襯設計，爐殼采用AIXI X－1050型鋼，熔化過程中外加循環水冷卻爐殼，這是由于熔化帶工作溫度高，受鐵水沖刷和侵蝕嚴重，若在該部位增加耐火材料，其侵蝕速度會非?？?，無法保證沖天爐的長爐齡設計，同時熔化帶的爐徑會隨著熔化時間的延長而變大，造成熔化狀態的不穩定。除熔化帶爐殼外，EC&S沖天爐爐體其余部位均有耐火材料。表1為EC&S沖天爐主要部位耐火材料工作溫度及要求。根據各部位的工作溫度及要求，選擇合適的耐火材料，可有效提高使用壽命，降低成本。

圖1 EC&S沖天爐爐體結構示意圖

3.2 引風環耐火材料

引風環是沖天爐上部圍繞爐體的環形管道，作用是將沖天爐爐氣引出并導向燃燒室，其結構如圖1所示。引風環內耐火材料應具有隔熱保溫的作用，同時要保護爐體不受損傷。熱風沖天爐用噴涂料常采用以粘土熟料或高鋁礬土熟料為骨料，以水玻璃等為結合劑的耐火材料。EC&S沖天爐引風環內部使用GUN CAST 28LI噴涂料，該材料具有回彈量小，噴補性能優異的特點，其成分組成為 Al2O3:48.0%；SiO2:41.4%；CaO:6.0%；Fe2O3:1.8%；Na2O+K2O：1.8%。其中 Na2O+K2O以 R2O·nSiO2·mH2O形式存在（R2O表示堿金屬），俗稱水玻璃。水玻璃溶于水中會水解形成溶膠，溶膠具有良好的膠結性能[4]。噴涂料采用機械噴射方法施工，加入適量的水玻璃，有利于提高材料的施工性能。

3.3 預熱帶耐火材料

預熱帶位于熔化帶以上，引風環以下，工作溫度范圍較寬，在650～1100℃之間。預熱帶要承受鐵料從爐頂掉落帶來的機械沖擊和熔化過程中爐料下降導致的磨損，同時由于預熱帶工作溫度范圍寬，還需要有承受冷熱沖擊的能力。

表1 EC&S沖天爐主要部位耐火材料工作溫度及要求

圖2 EC&S沖天爐引風環結構示意圖

預熱帶使用低水泥莫來石基體澆注料QUICKCAST62，其主要成分組成為Al2O3:66.1%；SiO2:27.2%。莫來石是以3Al2O32SiO2結晶相為主要成分的耐火原料，具有良好的高溫力學性能，以莫來石為基體的耐火材料具有高的密度和純度，同時有優異的高溫強度和抗熱震性，低的熱膨脹率。天然莫來石較為稀少，現在工業用的莫來石基本為人造莫來石，采用燒結法或電熔法制得。

低水泥莫來石基體澆注料水泥含量為3%～8%，且CaO含量僅為2%，比同材質普通澆注料使用溫度高，最高使用溫度可達1700℃。

3.4 爐缸耐火材料

爐缸區位于風口以下，工作溫度在1350～1650℃，爐缸內側受到鐵水及爐渣的沖刷和侵蝕，工作環境較為惡劣。爐缸由多種耐火材料共同構成，其結構如圖3所示。由圖3可知，爐底材料為兩層搗打料，爐壁由外向內依次是陶瓷纖維紙、高鋁磚、澆注料和噴涂料。

圖3 EC&S沖天爐爐缸結構示意圖

爐底下層使用CW LADLE RAM 搗打料，其成分組成為Al2O3:59.8%；SiO2：37.8%，是一種氧化鋁基耐火材料，將其用在爐底的最下層，可以有效抵抗鐵水在爐底的滲透。爐底上層使用CW THERMOSIL RAM搗打料，其成分組成為Al2O3:52%；SiO2:10%；(SiC+C):32%，它是一種添加了樹脂結合劑的Al2O3和(SiC+C)混合搗打耐火材料，該材料強度較高，化學性能穩定，顆粒尺寸較下層材料更大，同時由于添加了SiC+C，可以有效抵抗鐵水的沖刷和侵蝕。

爐壁部分最外側耐火材料是一層1.6mm厚的Al2O3/SiO2基的陶瓷纖維紙，具有保溫隔熱和密封的作用。陶瓷纖維紙內側為一層高鋁磚，磚之間的縫隙填充氣硬性耐火膠泥。高鋁磚內側為VCAST980A澆注料，這是一種超低水分和水泥的莫來石基澆注料，施工完成后其內部的水分可以快速以氣體形式排出，其強度高，氣孔率低，體積穩定性好。爐壁最內側為一層KARB SHIELD GUN噴涂料，SiC+C含量高達45%且添加抗氧化劑，其施工性能較好，可以有效抵抗鐵水和爐渣的侵蝕。爐缸修筑完成后可以連續熔化35天。

3.5 出鐵口耐火材料

出鐵口位于爐缸底部，連接爐缸和分渣器，其位置如圖3所示。出鐵口截面積小，鐵水流速快，因此出鐵口受到鐵水的沖刷腐蝕嚴重，其壽命往往決定著爐齡的長短。出鐵口耐火材料為CW368塑性料，是含有(SiC+C)25%的剛玉基材料，尤其適合于抗侵蝕條件苛刻的部位，具有較好的施工性能，結構致密且氣孔率低。

3.6 分渣器耐火材料

分渣器位于出鐵口外側，作用是利用鐵水和爐渣的密度不同將其分離，其結構如圖4所示。鐵水經擋渣板撇去浮渣后流出分渣器，而爐渣留在擋渣板的左側并從排渣口排出，這樣就實現了鐵渣分離。

圖4 EC&S沖天爐分渣器結構示意圖

分渣器使用含（SiC+C）28%的剛玉基潮打耐火材料CW469 RAM搗打而成，該材料結構致密，氣孔率低，具有優異的抗渣侵蝕能力和抗氧化能力。

3.7 流槽耐火材料

流槽是連接分渣器和保溫電爐的部分，耐火材料使用含有MgO4.5%的高鋁基澆注料，該材料具有較強的抗鐵水沖刷能力、高的冷熱強度和抗渣侵蝕能力。Al2O3-MgO基的耐火材料在1400℃會生產尖晶石，導致體積發生膨脹，使得組織致密化，可以有效抵抗鐵水和爐渣的滲透[5]。

4 EC&S沖天爐筑爐流程

4.1 引風環修筑

引風環使用風動噴涂機將GUN CAST 28LI噴涂料噴至引風環內壁，采用半干法施工，即先加少量水將噴涂料潤濕，然后噴涂過程中在噴嘴處加剩余水，最終將耐火材料壓實在內壁。引風環側面噴涂料厚度為7.6cm，上下面厚度為15.2cm，噴涂過程中，適當調節噴涂風壓，一次噴涂厚度以噴涂料不滑移或不墜落為準，且不宜小于20mm。

沖天爐停爐期間可以打開引風環對其進行維護，首先清理引風環內及引風環通向燃燒室管道內的積塵殘渣，同時，檢查其內壁的完好性，如內壁耐火材料有脫落，使用塑性耐火材料把脫落的地方用力搗實、修平，然后用封箱膏和石棉紙將引風口密封。

4.2 預熱帶修筑

預熱帶耐火材料使用QC62澆注料澆注而成，設計厚度為23cm。將預制的圓柱形胎具安裝到爐殼內，并將澆注料澆注到胎具與爐殼的間隙中，澆注料經12小時可以完全水硬固化。澆注料使用攪拌機進行攪拌預處理，調節水的加入量來優化施工性能。

4.3 爐缸及出鐵口修筑

爐缸由多種耐火材料共同構成，其修筑過程也較為復雜。首先是緊貼爐壁鋪設一側陶瓷纖維紙，在纖維紙內側砌一層高鋁磚，厚度為12cm，高鋁磚之間的縫隙使用耐火膠泥抹平，然后安裝澆注用內胎，使用V-CAST980A澆注料填滿高鋁磚與內胎間的空隙。出鐵口與爐缸同時進行修筑，將出鐵口胎具安裝到位，胎具底部應當高出爐底30cm，并伸出爐壁內側5cm，以保證其它部位耐火材料施工完成后出鐵口不被堵塞。使用CW368塑性料對其進行修筑，材料的厚度至少達到10cm。

待耐火材料固化后拆除胎具并用天然氣和焦炭進行烘烤，以排出耐火材料中的水分，烘烤工藝如圖5所示。以不大于15℃/小時的升溫速度開始加熱，在烘烤過程中如出現帶壓蒸汽排出，應停止升溫，并在這一溫度下進行保溫，直到帶壓蒸汽消失后，再繼續烘烤過程。

圖5 EC&S沖天爐烘爐工藝

烘烤完成后，使用啟動噴涂機在澆注料內側噴一層5cm厚的KARB SHIELD GUN噴涂料，并修補找平。爐底最下層使用CW LADLE RAM搗打料，厚度為10～15cm，遠離出鐵口一側要高于出鐵口側5cm，即爐底要有3°～5°的的斜度，以利于鐵水和爐渣的流出。爐底上層為CW THERMOSIL RAM搗打料，厚度約20cm。搗打料均使用專門的搗打機進行打實找平。爐底和噴涂料施工完成后，再次加入適量焦炭進行烘烤。

4.4 分渣器和流槽修筑

分渣器使用CW469 RAM潮打料修筑，在分渣器底部加入該材料搗打緊實并安放胎具，隨后搗打整個分渣器至出鐵口底部。分渣器修好后用小火烘烤12小時以避免出現裂紋，起出胎具后用大火烘烤24小時即完成修筑過程。

流槽的修筑過程與分渣器類似，不同的是流槽選用69A澆注料，修筑時直接澆注，不需要進行搗打。澆注完成后固化48小時，然后進行烘烤24小時，流槽即修筑完成。

5 總結

本文對濰柴EC&S沖天爐的情況進行了介紹，分析了沖天爐主要部位耐火材料工作溫度及要求，同時對各部位當前使用的耐火材料的成分和性能進行了分析，結果表明耐火材料的選用符合工作要求，滿足EC&S沖天爐的長爐齡設計，總結了EC&S沖天爐的修筑過程及需要注意的事項，為以后的修筑工作提供借鑒和參考。