張克純，丁元強，高春麗，劉瑞洪，韓廣勝

（山東聚辰熱能科技有限公司，山東 濱州 255300）

軋鋼加熱爐的水梁設計結構以步進式、推鋼式為代表。預熱段溫度一般在800～1 000 ℃，加熱段溫度一般在1 100～1 300 ℃， 出鋼溫度一般在1 200～1 250℃； 所以軋鋼加熱爐內所分布的水梁處于不同的溫度環(huán)境中。筑爐完成烘爐以后，水梁耐火材料工作襯體沿水梁環(huán)向和縱向易出現裂紋， 環(huán)向裂紋之間跨度間隔一般在0.5 m左右，縱向裂紋沿水梁方向的單側或雙側均有出現，加上膨脹縫和施工縫，裂縫顯得格外偏多，裂紋寬度在1～3 mm不等。 過多的水梁裂紋不僅影響了外觀質量， 也增加了使用過程中水梁耐材剝落的幾率。出現裂紋以后，業(yè)主、設計、施工及材料各方站在本位主義的立場各執(zhí)一詞， 然而問題沒能得到解決。 本文以水梁鋼構件與耐材對應溫度下的熱膨脹差異進行問題討論分析， 力求尋找一個合理的解決方向，以解決問題為目的，客觀、公正、科學地認識和分析水梁裂紋， 并推出水梁用微膨脹自流澆注料，加上施工、設計技術彌補進行項目試用，通過試驗跟蹤驗證，得到了良好的收效。

1 水梁結構設計概況

步進式加熱爐橫梁為雙水梁結構， 水梁立柱有單立柱和雙立柱之分；推鋼加熱爐多以單水梁為主，不管單水梁還是雙水梁，耐材裂紋存在共性，所以暫以雙水梁為代表進行討論分析。 水梁頂部設計有耐磨滑塊直接接觸鋼坯起支撐作用，水冷管為20#碳鋼設計，壁厚一般為16～20 mm，水冷管外壁焊接有耐熱不銹鋼錨固件，在耐火材料施工前，錨固釘涂刷1 mm厚度的瀝青漆； 水冷管設計水壓1.3 MPa以內，管內為飽和蒸汽， 循環(huán)狀態(tài)下的正常工作壓力為0.8～1 MPa，水冷管內蒸汽溫度在180 ℃左右。緊貼水冷管外包裹有20 mm左右厚度的硅酸鋁陶瓷纖維棉， 外側澆注施工70 mm左右厚度的自流耐火澆注料。 圖1為水梁結構圖，圖2為橫梁截面圖。

圖1 水梁結構示意圖

圖2 橫梁截面圖（B-B截面）

2 裂紋在加熱爐水梁上的具體表現

加熱爐耐材施工完畢后便進入烘爐階段。 烘爐一般有兩種形式： 第一種形式為烘爐到一定程度便開始布鋼，投入試生產或正式生產階段；第二種形式按照烘爐曲線執(zhí)行完畢后便有序降溫停爐， 進行爐內檢查和細節(jié)完善工作。 結合多年的現場勘察對比發(fā)現： 烘爐結束直接投入生產的加熱爐水梁不規(guī)則裂紋較少一些，所表現出的裂紋寬度略窄一點，基本在1 mm左右；烘爐結束后便降溫停爐的項目，水梁不規(guī)則裂紋表現明顯，且數量偏多，裂紋寬度偏大，最大能達3～4 mm。 水梁三通環(huán)向、縱向不規(guī)則裂紋更為明顯，水梁立柱縱向裂紋偏多，并且上下貫通；橫梁除環(huán)形裂紋以外，沿中線縱向裂紋也較為明顯。圖3為水梁裂紋示意圖；圖4為橫梁實物裂紋圖；圖5為水梁立柱實物裂紋圖片。

圖3 水梁裂紋示意圖

圖4 橫梁實物裂紋圖

圖5 水梁立柱實物裂紋圖片

3 加熱爐水梁裂紋產生的原因分析

3.1 水梁熱工設計參數

圖6為水梁測溫依據結構圖，根據加熱爐水冷管設計壓力和正常工作壓力條件，查飽和蒸汽壓力與溫度對應表，得到水冷管內部飽和蒸汽溫度在180 ℃左右，因為水梁分布在爐內預熱段、加熱段及均熱段，即水梁耐材工作層溫度按1 000 ℃、1 300 ℃及1 200 ℃進行參考計算，初始環(huán)境溫度均按常溫20 ℃參考，相關熱工參數均參考工業(yè)爐設計手冊[1]（見表1）。

表1 水梁設計相關熱工參數

圖6 水梁測溫依據結構圖

表2為水梁自流澆注料理化指標及檢測數據，因為本圓筒壁熱流方向屬于由外向內導熱， 并且半徑比較小，所以采用多層平面壁導熱公式進行計算，先計算出熱流密度， 再采用多層平面壁層間界面溫度計算公式，計算出相關界面溫度，從而計算出耐火材料與金屬水冷管壁在對應溫度狀態(tài)下的膨脹量，再計算降溫到常溫狀態(tài)下的線變化量， 結合其他因素的影響，最終找出裂紋產生的主要原因。

表2 水梁自流澆注料理化指標及檢測數據

3.2 熱工參數計算

由于中間層硅酸鋁陶瓷纖維棉屬于軟質物體，故只考慮耐火材料與碳鋼水冷管之間的應力關系；因水冷管碳鋼材質導熱系數較大，正常工作狀態(tài)下t3在爐內的溫度差較小，其導熱系數變化較小，影響甚小，可忽略不計，所以不考慮其溫度差異的影響，線膨脹率采用同一參數12×10-6/℃計算。

穩(wěn)態(tài)多層平壁熱流密度計算公式：

穩(wěn)態(tài)多層平壁層間界面溫度計算公式：

式中：q—熱流密度，W/m2

t—各層間溫度，℃

δ—相關層材料厚度，mm

λ—相關層材料的平均熱導率，W/（m·℃）

根據已知條件先計算出自流耐火澆注料、 陶瓷硅酸鋁纖維棉的平均熱導率， 碳鋼水冷管熱導率較大，壁厚較薄，影響偏差小于0.2%，故直接采用導熱值45 W/（m·℃）為其平均熱導率；以t1=1 000 ℃為例，按試算逼近法，先假設中間溫度t2=800 ℃，t3=185 ℃，則自流耐火澆注料平均熱導率為：

通過公式（1）計算出熱流密度：

通過公式（2）計算出層間溫度：

與原假定t2=800 ℃，t3=185 ℃相比， 約差分別為2.8%和1.6%，t2差值均略大，需重新假定t2=777 ℃、t3=182 ℃進行計算（進行迭代法計算以不超2%為標準，直至達到要求為止）。182 ℃

再次與假定t2=777 ℃、t3=182 ℃相比， 約差分別為0.26%和0%，基本趨于無窮接近，即為計算出的結果正確。

采用同樣的方法把t1所處不同溫度段的熱流密度和各層間溫度計算結果匯總于表3。通過表3的t3結果， 可判定為水冷管在正常工作狀態(tài)下的溫度環(huán)境相對穩(wěn)定，幾乎無溫差，所以，在計算水冷管正常工作狀態(tài)下的熱膨脹量時不再考慮其不同溫度段的溫差影響，即按182 ℃參考計算。

表3 t1所處不同溫度段時t2、t3計算出的對應溫度

熱膨脹量計算公式：

式中：ΔL—熱膨脹量，mm

α—熱膨脹系數，10-6/℃

L—單位長度，m

T1—原始溫度，20 ℃

T2—工作溫度，℃

由公式（3）得出水冷管工作狀態(tài)下各溫度段的熱膨脹量：

ΔL=12×10-6×1×（182-20）=1.94 mm/m

根據表2已知檢測數據由公式（3）得出水梁耐材正常工作狀態(tài)下各溫度段的熱膨脹量：

由于加熱爐工作狀態(tài)下， 爐內區(qū)間溫度并非像設計那么完美，爐內是一個非均溫的工作環(huán)境，在此分析過程暫且不考慮過渡區(qū)間的溫度狀態(tài)， 按既定設計溫度參考分析。根據熱膨脹量計算公式，所計算出的水冷管、 水梁耐材工作狀態(tài)下的熱膨脹量及相互之間對應關系參數匯總于表4。

表4 水梁耐材與水冷管不同溫度的膨脹變化

4 計算結果討論分析

從表4數據可以看出， 加熱爐正常工作狀態(tài)下，低溫段耐材的膨脹量在6.6 mm/m， 而相對應水冷管的膨脹量為1.94 mm/m， 兩者之間有4.66 mm/m的相對差；加熱段、均熱段相對差分別為6.66 mm/m和6.1 mm/m。 從數據上分析，正常工作狀態(tài)下耐材的膨脹量要大于水冷管， 所以耐材施工留設合理的膨脹縫是必要的； 耐材與水冷管在爐內的膨脹方向是多方向的，主要以長度方向向兩側膨脹為主。目前耐材的過盈熱膨脹應力釋放主要從以下幾個因素分解：①水梁耐材施工過程所留設的膨脹縫；②耐材脫水和燒結過程的自身微收縮；③硅酸鋁纖維棉的柔軟性和錨固件施工時的特殊處理吸納。

從對各個項目現場了解的狀態(tài)分析， 高溫狀態(tài)下很少出現剝落以及脹裂拉伸裂紋現象， 主要是材料在高溫時處于膨脹狀態(tài)， 設計有膨脹縫所確保的應力釋放空間， 高溫狀態(tài)下金屬錨固件同時伴有高溫韌性，可以跟隨耐材的膨脹進行微量位移，故而很少出現剝落和裂紋現象。 大部分裂紋都是降到常溫后進爐檢查時才發(fā)現， 而大部分裂紋的斷面較為新鮮，沒有受到煙氣污染的表象，并且使用溫度在不超1 200 ℃的部位和使用時間很短的爐型上表現居多。根據常規(guī)耐材線變化檢測數據分析， 燒后常溫狀態(tài)一般處于負變化，所以，水冷管降溫后恢復到了原始長度， 但耐材由于體積的負變化會產生過多的收縮拉伸，降溫過程錨固件堅硬程度隨之上升，會阻止耐材的空間位移， 單純錨固件施工時的纏繞膠帶或涂刷瀝青的處理效果是不夠的，故而在長度方向0.5 m左右便出現不同程度的環(huán)形裂紋， 并伴隨大量豎紋的出現， 也足以證明大部分水梁裂紋是在降溫過程出現的。

水梁耐材大部分為鋁硅系耐火自流澆注料，由于本系列耐材1 200～1 550 ℃會伴隨一定量的二次莫來石相變[2]，區(qū)間內溫度、反應時間和相變量成正比， 帶來一定量的不可逆體積變化， 相變充分的耐材，線變化基本處于正值，彌補了耐材降溫過程的過度收縮所帶來的裂紋現象， 這也印證了部分加熱爐烘爐后直接布鋼連續(xù)工作一類爐型， 停爐后很少發(fā)現裂紋的原因。

綜合分析， 加熱爐水梁裂紋的出現是在一個復雜多變、相互交錯的環(huán)境中產生，水梁裂紋的影響因素較多，比如設計不合理、耐材制造欠佳、施工質量差及爐子超常規(guī)使用等。就本文所描述的裂紋而言，就是金屬材料與無機非金屬材料之間， 在不同環(huán)境溫度下的相互應力作用結果。所以，解決水梁裂紋是一個共同提高和不斷改進的過程， 設計要結合相關聯的熱工參數，耐材要關注和了解現場應用，施工不能單純地追求進度和成本， 各專業(yè)之間要相互學習和交流， 理論和應用相結合， 對問題進行不斷的改進，共同努力來推動工業(yè)窯爐領域的不斷進步。

5 降低或減少水梁裂紋的建議措施

5.1 設計與施工措施

從設計角度對水梁的膨脹縫留設做出要求，立柱之間的橫梁脹縫跨度以0.8～1.2 m為宜， 兩端留設2～3 mm脹縫即可，最大跨度盡量不要超過1.5 m。

埋設在澆注料內的錨固釘， 以纏繞塑膠類材料為宜，尤其錨固件的端頭要確保處理到位，避免高溫金屬膨脹導致垂直應力脹裂耐材； 水梁立柱高度以不超過1.5 m為宜，作為三通連接處的施工脹縫要設置填充物； 施工過程將硅酸鋁纖維棉在水冷管上包扎纏緊，耐材攪拌加水嚴格安照施工說明進行控制，確保施工質量和烘烤工藝。

5.2 耐材設計措施

水梁耐材一般采用自流或半自流鋁硅系耐火澆注料，按加熱爐的常規(guī)使用溫度參考，降溫后的線變化一般為負值，以調節(jié)成正值為宜，耐材配置設計微膨脹自流澆注料更佳，1 200～1 300 ℃的線變化檢測值在0～+0.5%為宜。

5.3 水梁用微膨脹抗渣自流澆注料的應用

從表5微膨脹抗渣自流澆注料的檢測指標分析，脫模強度和烘干強度不是太高， 但足以滿足脫模施工，隨著溫度的提高，強度逐步增加，加熱永久線變化在1 200 ℃和1 300 ℃時已經達到了微膨脹的效果，與軋鋼加熱爐的實際工作溫度較為吻合。在某項目進行工業(yè)應用，通過組織安排合理施工，加強施工要點控制； 從施工到后期應用等相關環(huán)節(jié)進行跟蹤驗證，微膨脹抗渣自流澆注料能夠滿足加熱爐使用，烘爐后水梁耐材襯體除膨脹縫以外基本沒有出現不規(guī)則裂紋，并且具有良好的抗渣效果。 圖7為水梁用微膨脹抗渣自流澆注料施工過程脫模照片；圖8為水梁用微膨脹抗渣自流澆注料烘爐后的照片。

圖7 水梁用微膨脹抗渣自流澆注料施工脫模圖片

圖8 水梁用微膨脹抗渣自流澆注料烘爐后圖片

表5 水梁用微膨脹抗渣自流澆注料理化指標

6 結語

（1）加熱爐水梁耐材裂紋，是屬于金屬水冷管與耐材襯體兩種不同材料在復雜多變環(huán)境下的膨脹、收縮變化不同所帶來的應力作用裂紋， 一般在降溫過程中出現。

（2）加熱爐水梁采用微膨脹抗渣自流澆注料，能夠彌補加熱爐降溫過程因水梁耐材過度收縮造成的體積變化；結合優(yōu)化設計、合理施工，可以減少甚至杜絕加熱爐水梁耐材應用過程的裂紋出現， 而且能起到對氧化鐵皮起到抗侵蝕作用。