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1、工作任务 认识加热炉的结构及分类；理解连续式加热炉的基本组成；认识轧钢厂常见的连续式加热炉；认识加热炉的热工仪表与自动控制活动安排1.由教师准备相关知识的素材，包括视频、图片等。2.教师引导学生对相关知识进行学习，分组讨论总结。3.学生小组代表对工作任务完成过程做汇报演讲。4.采用学生互评，结合教师点评，评价学生参与活动的表现是否积极，是否保质保量完成工作任务。任务1 加热炉的结构 加热炉是对钢坯或工件加热的设备。加热炉加热是轧钢重要的工序，加热温度控制的好坏直接影响轧制产品的质量。加热炉一般包括加热炉本体、冷却系统、燃烧系统、进出料、排烟系统、余热回收系统、自动控制系统等七部分。加热炉习惯按
2、装出料方式分为推钢式加热炉和步进式加热炉两种。（1）加热炉本体加热炉本体包括炉墙、炉基础、炉底、炉顶等砌体部分。（2）冷却系统冷却系统包括炉内水管冷却、炉外前后端墙冷却、引风机冷却及推钢炉上料台架冷却等，其中主要是炉内水管冷却，其余为汽化冷却。（3）燃烧系统燃烧系统包括烧嘴、鼓风机及空气管路、煤气管路，燃烧系统的强弱直接影响加热炉加热能力。（4）进出料系统 进出料系统分为装钢和出钢两部分。推钢加热炉一般有装钢辊道、上料台架，出钢是斜坡直接滑下；步进加热炉有装钢机、出钢机，装、出钢机的水平运动由电动齿轮传动，升降运动由液压驱动。（5）排烟系统排烟系统包括引风机及烟气管路，排烟系统通过调节引风机前
3、电动调节阀开度来控制炉压。（6）余热回收系统余热回收系统主要是蓄热室蓄热体将所排烟气热量吸收留下废气排出的过程，蓄热体有小球和蜂窝体两种。（7）自动控制系统自动控制系统一般由一次仪表采集的各种变量送入PLC控制系统（可编程序控制器），再由PLC控制系统根据设定控制方式和控制目标值分别驱动相应的执行机构（包括电动阀门和气动阀门），调节过程变量，实现对各点的温度、压力、流量的调节控制。按热源划分，加热炉有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制
4、成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。金属热处理用的加热炉另称为热处理炉。初轧前加热钢锭或使钢锭内部温度均匀的炉子称为均热炉。广义而言，加热炉也包括均热炉和热处理炉。连续加热炉广义来说，包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉、分室式炉等连续加热炉,但习惯上常指推钢式炉。连续加热炉多数用于轧制前加热金属料坯，少数用于锻造和热处理。1.能否准确描述加热炉的结构与分类。2.能否介绍加热炉本体的主要设备名称及其作用。复习思考题1.加热炉的结构一般有哪几部分组成？2.按热源划分，加热炉如何分类？工作任务认识连续加热炉的加热炉本体；理解炉衬与炉膛的概念；认识炉衬的各组成部分及其作用。活动安排1.由
5、教师准备相关知识的素材，包括视频、图片等。2.教师引导学生对相关知识进行学习，分组讨论进行总结。3.学生小组代表对工作任务完成过程做汇报演讲。4.采用学生互评，结合教师点评，评价学生参与活动的表现是否积极，是否保质保量完成工作任务。加热炉本体主要包括炉子基础、炉墙、炉底、炉顶等砌体部分。1.2.1.1炉膛与炉衬 炉膛是由炉墙、炉顶和炉底围成的空间，是对钢坯进行加热的地方。炉墙、炉顶和炉底通称为炉衬，炉衬是加热炉的一个关键技术条件。1.2.1.2 炉衬的功能 在加热炉的运行过程中，不仅要求炉衬能够在高温和荷载条件下保持足够的强度和稳定性，要求炉衬能够耐受炉气的冲刷和炉渣的侵蚀，而且要求有足够的绝
6、热保温和气密性能。1.2.1.3 炉衬的结构 炉衬通常由耐火层、保温层、防护层和钢结构几部分组成。耐火层直接承受炉膛内的高温气流冲刷和炉渣侵蚀，通常采用各种耐火材料经砌筑、捣打或浇注而成。保温层通常采用各种多孔的保温材料经砌筑、敷设、充填或粘贴形成，其功能在于最大限度地减少炉衬的散热损失，改善现场操作条件。防护层通常采用建筑砖或钢板，其功能在于保持炉衬的气密性，保护多孔保温材料形成的保温层免于损坏。钢结构是位于炉衬最外层的由各种钢材拼焊、装配成的承载框架，其功能在于承担炉衬、燃烧设施、检测仪器、炉门、炉前管道以及检修、操作人员所形成的载荷，提供有关设施的安装框架。1.2.1.4炉墙 炉墙分为侧
7、墙和端墙，沿炉子长度方向上的炉墙称为侧墙，炉子两端的炉墙称为端墙。炉墙通常用标准直型砖平砌而成，炉门的拱顶和炉顶拱脚处用异型砖砌筑。侧墙的厚度通常为1.52倍砖长。端墙的厚度根据烧嘴、孔道的尺寸而定，一般为23倍砖长。整体捣打、浇注的炉墙尺寸则可以根据需要随意确定。大多数加热炉的炉墙由耐火砖构成的内衬和绝热砖层组成。为了使炉子具有一定的强度和良好的气密性，炉墙外面还包有410mm厚的钢板外壳或者砌有建筑砖层作炉墙的防护层。炉墙上设有炉门、窥视孔、烧嘴孔、测温孔等孔洞。为了防止砌砖受损，炉墙应尽可能避免直接承受附加载荷。炉门、冷却水管等构件通常都直接安装在钢结构上。承受高温的炉墙当高度或长度较大
8、时，要保证有足够的稳定性。增加稳定性的办法是增加炉墙的厚度或用金属锚固件固定。当炉墙不太高时，一般用12倍砖长（232464mm）的黏土砖和0.51倍砖长绝热砖的双层结构。炉墙较高时，炉底水管以下的增加厚度116mm。1.2.1.5 炉顶 加热炉的炉顶按其结构分为两种：即拱顶和吊顶。拱顶用楔形砖砌成，结构简单，砌筑方便，不需要复杂的金属结构。如果采用预制好的拱顶，更换时就更方便。拱顶的缺点是由于拱顶本身的重量产生侧压力，当加热膨胀后侧压力就更大。因此，当炉子的跨度和拱顶重量太大时，容易造成炉子的变形，甚至会使拱顶坍塌。所以，拱顶一般用于跨度小于3.54m的中小型炉子上，炉子的拱顶中心角一般为6
9、0。拱顶结构如图1-1所示。拱顶的主要参数是：内弧半径（R），拱顶跨度即炉子宽度（B），拱顶中心角（a），弓形高度（h）。a拱顶受力情况；b环砌拱顶；c错砌拱顶 拱顶的厚度与炉子的跨度有关，为了保证拱顶具有足够的强度，炉子的跨度较大时，炉顶的厚度则应相应适当加大。当拱顶跨度在3.5m以下时，拱顶的耐火砖层为230250mm，绝热层为65150mm。当拱顶跨度在3.5m以上时，耐火砖层为230300mm，绝热层为120200mm。拱的两端支撑在特制的拱角砖上，拱的其他部位用楔形砖砌筑。拱顶可以用耐火砖砌筑，也可用耐火混凝土预制块。炉温为12501300以上的高温炉的拱顶采用硅砖或高铝砖，但硅砖仅
10、适合于连续运行的炉子。耐火砖上面可用硅藻土砖绝热，也可用矿渣棉等散料作绝热层。拱顶砌砖在炉长方向上应设置弓形的膨胀缝，若用黏土砖砌筑则每米应设膨胀缝56mm，用硅砖砌筑则每米应设膨胀缝1012mm，用镁砖砌筑则每米应设膨胀缝810mm。当炉子跨度大于4m时，由于拱顶所承受的侧压力很大，一般耐火材料的高温结构强度已很难满足，因而大多采用吊顶结构，图1-2是常用的几种吊顶结构。吊挂顶是由一些专门设计的异型砖和吊挂金属构件组成。按吊挂形式分可以是单独的或成组的吊挂砖吊在金属吊挂梁上。吊顶砖的材料可用黏土砖、高铝砖和镁铝砖，吊顶外面再砌硅藻土砖或其他绝热材料，但砌筑切勿埋住吊杆，以免烧坏失去机械强度，
11、吊架被砖的重量拉长。吊挂结构复杂，造价高，但它不受炉子跨度的影响且便于局部修理及更换。图1-2 吊顶结构1.2.1.6 炉底 炉底是炉膛底部的砌砖部分，炉底要求承受被加热钢坯的重量，高温区炉底还要承受炉渣、氧化铁皮的化学侵蚀。此外，炉底还要经常与钢坯发生碰撞和摩擦。炉底有两种形式，一种是固定炉底，另一种是活动炉底。固定炉底的炉子，坯料在炉底的滑轨上移动，除加热圆坯料的斜底炉外，其他加热炉的固定炉底一般都是水平的。活动炉底的坯料是靠炉底机械的运动而移动的。图1-3是连续式加热炉的炉底结构。图1-3 加热炉的炉底 单面加热的炉子，其炉底都是实心炉底，两面加热的炉子，炉内的炉底通常分实底段（均热段）
12、和架空段两部分，但也有的炉子的炉底全部是架空的。炉底的厚度取决于炉子的尺寸和温度，在200700mm之内变动。炉底的下部用绝热材料隔热。由于镁砖具有良好的抗渣性，所以，在轧钢加热炉的炉底上用镁砖砌筑。并且，为了便于氧化铁皮的清除，在镁砖上还要再铺上一层4050mm厚的镁砂或焦屑。在1000左右的热处理炉或无氧化加热炉上，因为氧化铁皮的侵蚀问题较小，炉底也可以采用黏土砖砌筑。推钢式加热炉为避免坯料与炉底耐火材料直接接触和减少推料的阻力，在单面加热的连续式加热炉或双面加热的连续式加热炉的实底部分安装有金属滑轨，而双面加热的连续式加热炉则安装的是水冷滑轨。实炉底一般并非直接砌筑在炉子的基础上，而是架
13、空通风的，即在支承炉底的钢板下面用槽钢或工字钢架空，避免因炉底温度过高，使混凝土基础受损，这是因为普通混凝土温度超过300时，其机械强度显著下降而遭到破坏。实炉底高温区炉底结构如图1-4所示。图1-4 高温区炉底结构1.2.1.7 基础 基础是炉子支座，它将炉膛、钢结构和被加热钢坯的重量所构成的全部载荷传到地面上。大中型炉子基础的材料都是混凝土基础，只有小型加热炉才用砖砌基础。砌筑基础时，应避免将炉子部件和其他设备放在同一整块基础上，以免由于负荷不同而引起不均衡下沉，使基础开裂或设备倾斜。1.2.1.8 炉子的钢结构 为了使整个炉子成为一个牢固的整体，在长期高温的工作条件下不致严重变形，炉子必
14、须设置由竖钢架、水平拉杆（或连接梁）组成的钢结构。炉子的钢结构起到一个框架作用，炉门、炉门提升机构、燃烧装置、冷却水管和其他一些零件都安装在钢结构上。工作任务认识砌筑加热炉的耐火材料应满足的要求；理解耐火材料的分类；认识耐火材料的性能。了解常用块状耐火制品的分类及特点和砌筑部位；了解不定形耐火材料的分类及特点和使用部位；了解轻质耐火材料及其他绝热材料的分类及特点和砌筑部位；掌握如何选择耐火材料的方法。活动安排1.由教师准备相关知识的素材，包括视频、图片等。2.教师引导学生对相关知识进行学习，分组讨论进行总结。3.学生小组代表对工作任务完成过程做汇报演讲。4.采用学生互评，结合教师点评，评价学生
15、参与活动的表现是否积极，是否保质保量完成工作任务。砌筑加热炉的耐火材料应满足以下要求：（1）具有一定的耐火度（耐火材料在高温状态下抵抗熔化和软化的性能称为耐火度）。即在高温条件下使用时，不软化不熔融。各国均规定：耐火度高于1580的材料称之为耐火材料。（2）在高温下具有一定的结构强度，能够承受规定的建筑荷重和工作中产生的应力。（3）在高温下长期使用时，体积保持稳定，不会产生过大的膨胀应力和收缩裂缝。（4）温度急剧变化时，不能迸裂破坏。（5）对熔融金属、炉渣、氧化铁皮、炉衬等的侵蚀有一定的抵抗能力。（6）具有较好的耐磨性及抗震性能。（7）外形整齐，尺寸精确，公差不超过要求。以上是对耐火材料总的要
16、求。事实上，目前尚无一种耐火材料能同时满足上述要求，这一点必须给予充分的注意。选择耐火材料时，应根据具体的使用条件，对耐火材料的要求确定出主次。耐火制品通常根据耐火度、形状尺寸、烧制方法、耐火基体的化学矿物组成等进行分类。（1）按耐火材料的化学成分分类1）硅质制品硅砖 SiO2含量不小于93%石英玻璃 SiO2大于99%2）硅酸铝质制品半硅砖 SiO2含量大于65%，Al2O3含量小于30%黏土砖 SiO2含量小于65%，Al2O3含量30%46%高铝砖 Al2O3含量大于或等于46%3）镁质制品镁砖 MgO含量85%以上镁铬砖 MgO含量55%60%，Cr2O3含量8%12%白云石制品 Ca
17、O含量40%以上，MgO含量30%以上镁铝砖 MgO含量不小于80%，Al2O3含量5%10%4）铬质6）锆质7）特种氧化物制品（2）按耐火度、形状尺寸和烧制方法分类1）耐火度为15801770时为普通耐火制品，17702000时为高级耐火制品，2000以上时为特级耐火制品。2）按尺寸形状分为块状耐火材料和散状耐火材料。3）按烧制方法分为不烧砖、烧制砖和烧铸砖。（3）根据耐火材料的化学性质分类酸性耐火材料碱性耐火材料中性耐火材料1.2.2.1 耐火材料的性能 耐火材料的性能包括物理性能和工作性能两个方面。物理性能如体积密度、气孔率、真密度、热膨胀系数等往往反映了材料制造工艺的水平，并直接影响着
18、耐火材料的工作性能。耐火材料的工作性能指的是材料在使用过程中表现出来的性能，主要包括耐火度、高温结构强度、高温体积稳定性、抗渣性等，耐火材料的工作性能取决于耐火材料的化学矿物组成及其制造工艺。1.2.2.1.1 耐火材料的物理性能A 体积密度 耐火材料的体积密度指的是单位体积（包括全部气孔在内）的耐火材料的质量，常用单位为g/cm3或kg/m3。B 气孔率 耐火材料中总存在着一些大小不同、形状各异的气孔。耐火材料中所有气孔的体积与材料总体积的比值就称为耐火材料的气孔率。C 真密度 耐火材料的真密度是指不包含气孔在内，单位体积耐火材料的质量，单位为kg/m3。体积密度、气孔率、真密度这些指标反映
19、了耐火材料的致密程度，是评定耐火制品质量的重要指标之一。耐火材料的这些指标大小直接影响着耐火制品的耐压强度、耐磨性、抗渣性、导热性等。D 热膨胀性 耐火材料的长度和体积随温度升高而增大的性质，称为耐火材料的热膨胀性。耐火材料的热膨胀是一种可逆变化，即受热后膨胀，冷却后收缩。1.2.2.1.2 耐火材料的工作性能耐火材料的工作性能有以下几方面：A 耐火度 耐火材料在高温状态下抵抗熔化和软化的性能称为耐火度。它是衡量耐火材料承受高温作用能力的基本尺度，是表征耐火材料耐高温性能的一项基本技术指标。耐火度与材料熔点的意义不同，熔点是纯物质熔化时的温度，是一个确定的温度。由于耐火材料由多种矿物组成，在一
20、定温度范围内熔融软化，故耐火材料的耐火度是指特制的耐火三角锥受热后软化到一定程度时的温度。耐火材料的耐火度愈高，表明材料的耐高温性质愈好。耐火材料实际使用温度应低于耐火度。B 高温结构强度 加热炉中的耐火材料都是在一定的负荷下进行工作的，故要求其必须具有一定的抗负荷能力。耐火材料在高温下承受压力、抵抗变形的能力称为耐火材料的高温结构强度。耐火材料的高温结构强度通常用荷重软化点作为评定的指标。所谓荷重软化点，是指耐火材料在一定的压力（0.02MPa）下，以一定的升温速度加热，当材料产生0.6%、4%及40%的软化变形时对应的温度，分别称为荷重软化开始温度、4%及40%时的荷重软化温度。各种耐火材
21、料的荷重软化开始点是不一样的。一般常用耐火黏土砖的荷重软化开始点为1550。耐火材料的使用温度不能超过其荷重软化开始温度。C 高温体积稳定性 耐火材料在高温及长期使用的情况下，应保持一定的体积稳定性。这种体积的变化不是指一般的热胀冷缩，而是指耐火材料在烧制时，由于其内部组织未完全转化，在使用过程中内部组织结构会继续变化而引起的不可逆的体积变化。一般耐火制品允许的残余收缩或残余膨胀不超过1%。D 抗热震性 耐火材料抵抗温度急剧变化而不致破裂和剥落的能力称为抗热震性，又称耐热剥落性和耐热崩裂性。在炉子的操作过程中，如炉门开启时冷空气进入炉膛会使炉子温度处于波动之中，如果耐火材料没有足够的抗热震性能
22、，就会过早地损坏。耐火材料抗热震性的指标可以用试验来测定。目前采用的标准方法是将耐火材料试样加热至850，然后在流动水中冷却，如此反复加热、冷却，直至试样的脱落部分质量为原质量的20%为止，以所经受的反复加热、冷却的次数作为该材料的抗热震性指标。E 化学稳定性 耐火材料在高温下抵抗熔融金属、钢坯、炉渣、熔融炉尘等侵蚀作用的能力称为耐火材料的化学稳定性。这一指标通常也用抗渣性来表示。对轧钢加热炉而言，经常遇到的是熔融氧化铁皮对耐火材料的侵蚀。酸性耐火材料对酸性炉渣有较强的抵抗能力，而碱性渣对其侵蚀大；碱性耐火材料则反之；中性耐火材料对酸性和碱性炉渣均有较强的抵抗能力。1.2.2.2 常用块状耐火
23、制品 加热炉常用的耐火砖有黏土砖、高铝砖、硅砖、镁砖和碳化硅质制品等。根据Al2O3及SiO2含量比例的不同，黏土类耐火材料分为三种：半硅砖（Al2O315%30%）、黏土砖（Al2O330%48%）和高铝砖（Al2O348%）。1.2.2.2.1 黏土砖 黏土砖是生产量最多、使用最广泛的耐火材料，属于硅酸铝质，以Al2O3及SiO2为其基本化学组成，制作原料为耐火黏土和高岭土。黏土砖的耐火度一般为15801750，随着Al2O3含量的增加，黏土砖的耐火度提高。黏土砖属于弱酸性耐火材料，在高温下容易被碱性炉渣所侵蚀。黏土砖的荷重软化开始点温度很低，只有12501300，而且其荷重软化开始温度和
24、终了温度（即40%变形温度）的间隔很大，约为200250。黏土砖有良好的抗热震性能，在850水冷次数可达1025次。黏土砖在高温下出现再结晶现象，使砖的体积缩小。同时产生液相，由于液相表面张力的作用，使固体颗粒相互靠近，气孔率低，使砖的体积缩小，因此黏土砖在高温下有残存收缩的性质。黏土砖表面为黄棕色（Fe2O3的含量愈多颜色愈深），表面有黑点。由于黏土砖化学组成的波动范围较大，生产方法不同，烧成温度的差异，各类黏土砖的性质变化较大。普通黏土砖根据组成中Al2O3含量的多少分为（NZ）40、（NZ）35、（NZ）30三种牌号。我国耐火黏土资源极为丰富，质量好，价格便宜，被广泛的应用于砌筑各种加热
25、炉和热处理炉的炉体、烟道、烟囱、余热利用装置和烧嘴等。1.2.2.2.2 高铝砖高铝砖是含Al2O348%以上的硅酸铝质制品。按照矿物组成的不同，高铝质制品分为刚玉质（95%以上的Al2O3）、莫来石质（3Al2O32SiO2）及硅线石质（Al2O3SiO2）三大类，工业上大量应用的是莫来石质和硅线石质的高铝砖。高铝砖的耐火度比黏土砖和半硅砖的耐火度都要高，达17501790，属于高级耐火材料。高铝制品中Al2O3高，杂质量少，形成易熔的玻璃体少，所以荷重软化温度比黏土砖高，但因莫来石结晶未形成网状组织，故荷重软化温度仍没有硅砖高，只是抗热震性比黏土砖稍低。由于高铝砖的主要成分是Al2O3，接
26、近于中性耐火材料，对酸性、碱性炉渣和氧化铁皮的侵蚀均有一定的抵抗能力。高铝砖在高温下也会发生残存收缩。随着Al2O3含量的不同，普通高铝砖分为三种牌号：（LZ）65、（LZ）55、（LZ）48。高铝砖常用来砌筑连续加热炉的炉底、炉墙、烧嘴砖、吊顶等。另外，高铝砖也可用来砌筑蓄热室的格子砖。1.2.2.2.3 硅砖硅砖是含SiO2在93%以上的硅质耐火材料。由于SiO2在烧成过程中发生复杂的晶型转变，体积发生变化，因此硅砖的制造技术和使用性能与SiO2的晶型转变有着密切的关系。在使用中通常通过测量其真密度的数值，判断烧成过程中的晶型转变的完全程度。真密度越小，表明转化越完全，在使用时的体积稳定性
27、就越好。普通硅砖的真密度在2.4 g/cm3以下。硅砖属于酸性耐火材料，对酸性渣的抵抗能力强，对碱性渣的抵抗力较差，但对氧化铁有一定的抵抗能力。硅砖的荷重软化开始温度较其他几种常用砖都高，为16201660，接近于其耐火度（16901730），这一特点允许硅砖可用于砌筑高温炉的拱顶。硅砖的抗热震性不好，在850的水冷次数只有12次，因此不宜用在温度有剧烈变化的地方和周期工作的炉子上。硅砖在200300和575时有晶型转变，体积会骤然膨胀，故烘炉时在600以下升温时不能太快，否则会有破裂的危险。同样，在冷却至600以下时也应避免剧烈的温度变化。硅砖在加热炉上一般用来砌筑炉子的拱顶和炉墙，尤其是拱
28、顶等。此外硅砖也用来砌筑蓄热室上层的格子砖。1.2.2.2.4 镁砖镁砖是含MgO在8085%以上，以方镁石为主要矿物组成的耐火材料。镁砖属于碱性耐火材料，对碱性渣有较强的抵抗作用，但不耐酸性渣的侵蚀，在1600高温下，与硅砖、黏土砖甚至高铝砖接触都能起反应，故使用时必须注意不要和硅砖等混砌。镁砖的耐火度在2000以上，但其荷重软化点只有15001550。镁砖的抗热震性较差，只能承受水冷23次，这是镁砖损坏的一个重要原因。镁砖的热膨胀系数大，故砌砖过程中，应留足够的膨胀缝。煅烧不透的镁砖会因水化造成体积膨胀，使镁砖产生裂纹或剥落。因此，镁砖在储存过程中必须注意防潮。镁砖在冶金工业中应用很广，加
29、热炉和均热炉的炉底表面层及均热炉的炉墙下部都用镁砖铺筑。镁砖和硅砖一样，不能用于温度波动激烈的地方，用镁砖砌筑的炉子在操作过程中应注意保持炉温的稳定。1.2.2.2.5 碳化硅质耐火材料碳化硅质耐火材料是以碳化硅为主要原料制得的耐火材料。碳化硅耐火材料具有优异的耐酸性渣或碱性渣及氧化铁皮侵蚀的能力和耐磨性能，其高温下强度大、热膨胀系数小、导热性好、抗热冲击性强。碳化硅制品的耐氧化性较差，价格昂贵，故多被用于工作条件极为苛刻且氧化性不显著的部位。碳化硅矿物原料在自然界极为罕见，工业上采用人工合成的方法获得。1.2.2.3 不定形耐火材料不定形耐火材料是由耐火骨料、粉料和一种或多种结合剂按一定的配
30、比组成的不经成型和烧结而直接使用的耐火材料。这类材料无固定的形状，可制成浆状、泥膏状和松散状，用于构筑工业炉的内衬砌体和其他耐高温砌体，因而也通称为散状耐火材料。用此种耐火材料可构成无接缝或少接缝的整体构筑物，故又称为整体耐火材料。不定形耐火材料通常根据其工艺特性和使用方法分为浇注料、可塑料、捣打料、喷射料和耐水泥等。近年来，不定形耐火材料得到快速发展。目前，在加热炉中，不仅广泛使用普通不定形耐火材料，还使用轻质不定形耐火材料，并向复合加纤维的方向发展。目前，在一些发达国家，不定形耐火材料的产量已占其耐火材料产量的二分之一以上。不定形耐火材料施工方便，筑炉效率高，能适应各种复杂炉体结构的要求。
31、不定形耐火材料的使用，也可以改善炉子的热工指标。1.2.2.3.1 耐火浇注料耐火浇注料是由耐火骨料、粉料、结合剂组成的混合料，加水或其他液体后，可采用浇注的方法施工或预先制成具有规定的形状尺寸的预制件，构筑工业炉内衬。由于浇注料的基本组成和施工、硬化过程与土建工程中常用的混凝土相同，因此也常称此材料为耐火混凝土。耐火浇注料的骨料由各种材质的耐火材料制成，其中以硅酸铝质和刚玉质材料用的最多，粉料是与骨料相同材质的、等级更优良的耐火材料，结合剂是浇注料中不可缺少的重要组分，目前广泛使用的结合剂是铝酸盐水泥、水玻璃和磷酸盐等。为了改善耐火浇注料的理化性能和施工性能，往往还加入适量的外加剂，如增塑剂
32、、分散剂、促凝剂或缓凝剂等，如以水玻璃作结合剂的浇注料常采用氟硅酸钠为促凝剂。根据结合剂的不同，耐火浇注料可分为铝酸盐水泥耐火混凝土、水玻璃耐火混凝土、磷酸盐耐火混凝土及硅酸盐耐火混凝土等。几种常用耐火混凝土的性能见表1-1。材 料铝酸盐水泥耐火混凝土磷酸盐耐火混凝土水玻璃耐火混凝土荷重软化开始温度/125012801200128010301090耐火度/169017101710175016101690抗热震性/次505050显气孔率/%1821171917体积密度/gm-32.162.262.302.19常温耐压强度/kgcm-2200350180250300400烧后强度/kgcm-214
33、0160210260400500表1-1 几种耐火混凝土的性能耐火浇注料是目前生产和使用最为广泛的一种不定形耐火材料，主要用于砌筑各种加热炉内衬等整体构筑物。耐火混凝土可以直接浇灌在模板内，捣固以后经过一定的养护期即可烘干使用。也可以做成混凝土预制块，如拱顶、吊顶、炉墙、炉门等。1.2.2.3.2 耐火可塑料耐火可塑料是以粒状的耐火骨料和粉状钢坯与可塑黏土等结合剂和增速剂配合，加入少量水分经充分搅拌后形成的硬泥膏状并在较长时间内保持较高可塑性的耐火材料。可塑料与耐火浇注料的骨料是相同的，只是结合剂不同，耐火可塑料的结合剂是生黏土，而耐火浇注料是用水泥等作结合剂。根据所用骨料的不同，耐火可塑料分
34、为黏土质、高铝质、镁质、硅石质等。目前国内采用的都是以磷酸硫酸铝为结合剂的黏土质耐火可塑料。由于耐火可塑料中含有一定的黏土和水分，在干燥和加热过程中往往产生较大的收缩。如不加防缩剂的可塑料干燥收缩4%左右，在11001350内产生的总收缩可达7%左右，故体积稳定性是耐火可塑料的一项重要技术指标。耐火可塑料的抗热震性能高于其他同材质的不定形耐火材料。耐火可塑料的施工不需特别的技术。制作炉衬时，将可塑料铺在吊挂砖或挂钩之间，用木锤或气锤分层（每层厚5070mm）捣实即可。若用可塑料制作整体炉盖，可先在底模上施工，待干燥后再吊装。耐火可塑料制成的炉子具有整体性、密封性好，导热系数小，热损失少，抗热震
35、性好，炉体不易剥落，耐高温，有良好的抗蚀性，炉子寿命较长等特点。目前国内耐火可塑料在炉底水管的包扎、加热炉炉顶、烧嘴砖、均热炉炉口和烟道拱顶等部位的使用都取得了满意的效果。1.2.2.3.3 耐火泥耐火泥是由粉状物料和结合剂组成的供调制泥浆用的不定形耐火材料，主要用作砌筑耐火砖砌体的接缝和涂层材料，用以使耐火砖相互连接，保证炉子具有一定强度和气密性。耐火泥一般由熟料与结合黏土组成，熟料是基本成分，结合黏土（生料）是结合剂，能在水中分散，增加耐火泥的可塑性。结合黏土适宜的数量随熟料的颗粒度而变，熟料粒度大，结合黏土含量则应多，耐火泥中熟料含量多，则耐火泥的机械强度增大，结合黏土的含量增加，耐火泥
36、的透气性则降低。耐火泥的耐火度取决于原料的耐火度及其配料比，一般耐火泥的耐火度应稍低于所砌筑耐火砌体的耐火度。在工业炉中，耐火泥的选择要考虑砌体的性质、使用环境和施工特点，通常所选耐火泥的化学成分、抗化学侵蚀性、热膨胀率等应该接近于被砌筑的耐火制品的相应性质。根据耐火泥化学成分的不同，分为黏土质、硅质、高铝质、镁质等，分别用于砌筑黏土砖、硅砖、高铝砖和镁砖。由于镁质耐火材料有水化反应，故镁质耐火泥不能加水调制，只能干砌或加卤水调制。1.2.2.3.4 红外高温节能涂料红外高温节能涂料是喷刷在工业炉窑内壁表面上的一种涂料。该涂料是由耐火粉料、过渡金属氧化物、增黑剂、烧结剂、黏结剂和悬浮剂等组成的
37、黏稠悬浮流体，喷刷在工业炉窑内壁上，形成0.30.5mm的涂层。该涂层的作用是：（1）表面涂层在高温下具有高而稳定的发射率（黑度），从而增强了炉窑内衬的辐射中介面作用，强化了炉膛内的传热，减少了炉窑的能耗。（2）表面涂层的粘结强度高，抗热震性和抗腐蚀性好，可以保护炉衬，延长炉衬的使用寿命。红外节能涂料的研制始于20世纪60年代起，英国、美国、日本、澳大利亚等国均有经营涂料的公司，我国很多单位开发和生产了红外节能涂料，目前国产涂料有的已达到国际名牌产品的水平，以BJ红外高温节能涂料为例，产品具有如下特点：（1）采用混合型基料，在各种温度条件下均能保证涂料具有高而稳定的发射率（黑度），为0.9左右
38、。（2）采用复合型黏结剂，使涂料与炉壁的黏结性好，抗热震性和抗腐蚀性好，使用过程中涂层不剥落，不开裂，可保护炉衬，延长炉衬的使用寿命。（3）涂料中加入3%以上的悬浮剂，悬浮剂由无机物和阴离子型表面活性剂等复合材料组成，从而形成一种胶体，触变性好，涂料不分层，不结块，存放时间长，从而保证良好的施工性能。节能涂料在国内工业炉窑上得到广泛的应用，一般火焰炉节能3%7%，电加热炉节能20%28%。如全国普遍推广应用，所产生的节能经济效益每年将达到数亿元人民币。1.2.2.4 轻质耐火材料及其他绝热材料 在炉子的热支出项目中，炉壁的蓄热和通过炉壁的散热损失占有很大比例。为了减少这方面的损失，提高炉子的热
39、效率，需选用热容量小、导热率低的筑炉材料，即保温隔热材料。炉衬的外层一般砌筑保温隔热材料。炉子保温隔热材料的种类很多，常用的有轻质耐火砖、轻质耐火混凝土、耐火纤维和其他绝热材料，如硅藻土、石棉、蛭石、矿渣棉及珍珠岩制品等。1.2.2.4.1 轻质耐火砖轻质耐火砖是在耐火砖中加入某些特殊物质后烧成的，其气孔率比普通耐火砖高一倍，体积密度比同质耐火砖小0.57倍。轻质耐火砖的导热系数小，常用来作为炉子的隔热层或内衬。轻质耐火砖按所用材质不同，主要有轻质黏土砖、轻质高铝砖和轻质硅砖。轻质耐火砖的耐火度与一般相同材质的耐火砖的耐火度相差不大，荷重软化点则略低。由于多数轻质砖在高温下长期使用时，会继续烧
40、结而不断收缩，从而造成裂纹甚至破坏，故多数轻质砖有一个最高使用温度。轻质黏土砖只有11501300，轻质高铝砖不超过1350，轻质硅砖高些，可达1600。轻质耐火砖的抗热震性、高温结构强度和化学稳定性均较差，故不适合用于高速气流冲刷和振动大的部位。综合来看，轻质耐火砖的优点是主要的。因此，国内外对轻质耐火材料的研究都十分重视，其应用愈来愈广泛，是一种有发展前途的材料。轻质耐火砖宜用于炉子的侧墙和炉顶，用轻质黏土砖所砌的炉子重量轻、炉体蓄热损失少，因此炉子升温快，热效率高，这对周期性作业的炉子意义尤为重要。与轻质耐火砖工艺相似，在耐火混凝土配料中，加入适当的起泡剂，可以制成轻质耐火混凝土，体积密
41、度是黏土砖的二分之一，导热系数是黏土砖的三分之一。1.2.2.4.2 石棉石棉是纤维结构的矿物，它的主要成分是蛇纹石（3MgO2SiO22H2O）。松散的石棉密度为0.050.07g/cm3，压紧的石棉密度为11.2g/cm3。石棉的熔点超过1500，但在700时就会成为粉末，使强度降低，失去保温性能，故石棉制品的最高使用温度不得超过500。石棉板是将石棉纤维用白黏土胶合而成的，石棉绳则是用石棉纤维和棉线编织而成的。1.2.2.4.3 硅藻土硅藻土是由古代藻类植物形成的一种天然沉积矿物，其主要成分是非晶型的SiO2，含量为60%94%。硅藻土制品含有大量气孔，重量很轻（500600kg/m3）
42、，是一种具有良好隔热性能的保温材料，其允许的工作温度一般不大于900。松散的硅藻土粉可作填料，也可制成硅藻土砖使用。1.2.2.4.4 蛭石俗称黑云母或金云母。蛭石内含有大量水分，受热时水分蒸发而体积膨胀，加热到8001000时体积胀大数倍，称为膨胀蛭石。去水后的蛭石可直接填充使用，也可用高铝水泥作结合剂制成各种保温制品。蛭石的最高工作温度为1100。1.2.2.4.5 矿渣棉、珍珠岩及玻璃丝矿渣棉：煤渣、高炉渣和某些矿石，在12501350熔化后，用压缩空气或蒸汽直接使其雾化，形成的线状物称为矿渣棉，可以直接使用，也可制成各种制品使用。矿渣棉的最高使用温度不超过750。珍珠岩：这是一种较新型
43、的保温材料，具有体积密度小、保温性能好、耐火度高等特点。其组成以膨胀珍珠岩为主，加磷酸铝、硫酸铝并以纸浆液为结合剂。珍珠岩的最高使用温度为1000。玻璃纤维：玻璃纤维是液态玻璃通过拉线模拉制成的，可作为保温材料填充使用。其最高使用温度为600。1.2.2.4.6 耐火纤维耐火纤维又称陶瓷纤维，是一种纤维状的新型耐火材料，它不仅可用作绝热材料，而且可作炉子内衬。耐火纤维的生产方法有多种，但目前工业规模采用的都是喷吹法，即将配料在电炉内熔化，熔融的液体流出小孔时，用高速高压的空气或蒸汽喷吹，使熔融液滴迅速冷却并被吹散和拉长，就可以得到松散如棉的耐火纤维。耐火纤维以松散棉状用于工业炉只是使用方法之一
44、，更多的是制成纤维毯、纤维纸、纤维绳，或与耐火可塑料制成复合材料，可适应多种用途。耐火纤维的节能效果显著。陶瓷纤维使用的基本原料是焦宝石，它的成分属于硅酸铝质耐火材料，但因为形态是纤维，因此性能与黏土砖不尽相同，持续使用温度为1300，最高使用温度为1500。在1600以上，陶瓷纤维失去光泽并软化。其优点：重量轻、绝热性能好、抗热震性好、化学稳定性好、容易加工。1.2.2.5 耐火材料的选用耐火材料的正确选用对炉子工作具有极重要意义，能够延长炉子的寿命，提高炉子的生产率，降低生产成本等。相反，如果选择不好，会使炉子过早损坏而经常停炉，降低作业时间和产量，增加耐火材料的消耗和生产成本。选择耐火材
45、料时应注意下述原则：（1）满足工作条件中的主要要求。耐火材料使用时，必须考虑炉温的高低、变化情况、炉渣的性质、炉料、炉渣、熔融金属等的机械摩擦和冲刷等。但是，任何耐火材料都不可能全部满足炉子热工过程的各种条件，这就需要抓住主要矛盾，满足主要条件。例如，砌筑炉子拱顶时，所选用的材料首先应考虑到有良好的高温结构强度，而就抗渣性来说却是次要的要求。反之，在高温段炉底上层的耐火材料则必须满足抗渣性这个要求。总之，就一个炉子来说，各部位的耐火材料是不相同的。应根据各部位的技术条件要求来选取合适的耐火材料。（2）经济上的合理性。冶金生产消耗的耐火材料数量很大，在选用耐火材料时除了满足技术条件上的要求外，还
46、必须考虑耐火材料的成本和供应问题，某些高级耐火材料虽然具备比较全面的条件，但因价格昂贵而不能采用。当两种耐火材料都能满足要求的情况下应选择其中价格低廉，来源充足的那一种，即使该材料性能稍差，但能基本符合要求也同样可以选用。对于易耗或使用时间短的耐火制品更应考虑采用价格低，来源广的耐火材料。不必要使用高级耐火材料的地方就应当不用，以节约国家的资源。此外，经济上的合理性，不仅表现在耐火材料的单位价格，同时还应考虑到其使用寿命。总之，选择耐火材料，不仅技术上应该是合理的，而且经济上也必须是合算的。应本着就地取材，充分合理利用国家资源，能用低一级的材料，就不用高一级的，当地有能满足要求的就不用外地的。
47、工作任务初步认识加热炉的冷却系统的组成；理解炉底水冷结构的布置及作用；掌握汽化冷却的基本原理和优点；了解汽包的三大安全附件主要包括安全阀、压力表、水位表的结构、作用和水质分析与化验的方法。活动安排1.由教师准备相关知识的素材，包括视频、图片等。2.教师引导学生对相关知识进行学习，分组讨论总结。3.学生小组代表对工作任务完成过程做汇报演讲。4.采用学生互评，结合教师点评，评价学生参与活动的表现是否积极，是否保质保量完成工作任务。加热炉的冷却系统是由加热炉炉底的冷却水管和其他冷却构件构成。冷却方式分为水冷却和汽化冷却两种。1.2.3.1 炉底水冷结构A 炉底水管的布置在两面加热的连续加热炉内，坯料
48、在沿炉长敷设的炉底水管上向前滑动。炉底水管由厚壁无缝钢管组成，内径5080mm，壁厚1020mm。为了避免坯料在水冷管上直接滑动时将钢管壁磨损，在与坯料直接接触的纵水管上焊有圆钢或方钢，称为滑轨，磨损以后可以更换，而不必更换水管。两根纵向水管间距不能太大以免坯料在高温下弯曲，最大不超过2m。但也不宜太小，否则下面遮蔽太多，削弱了下加热，最小不少于0.6m。为了使坯料不掉道，坯料两端应比水管宽出100150mm。炉底水管承受坯料的全部重量（静负荷），并经受坯料推移时所产生的动载荷。因此，纵水管下需要有支撑结构。炉底水管的支撑结构形式很多，一般在高温段用横水管支撑，横水管彼此间隔13.5m（图1-
49、5a），横水管两端穿过炉墙靠钢架支持。支撑管的水冷却不与炉底纵水管的冷却连通，二十几个管子顺序连接起来，形成一个回路，这种结构只适用于跨度不大的炉子。当炉子很宽，上面坯料的负载很大时，需要采用双横水管或回线形横支撑管结构（图1-5b）。管的垂直部分用耐火砖柱包围起来，这样下加热炉膛空间被占去不少。在选择炉底水管支撑结构时，除了保证其强度和寿命外，应力求简单。这样一方面为了减少水管可以减少热损失，另一方面免得下加热空间被占去太多，这一点对下部的热交换和炉子生产率的影响很大。所以现代加热炉设计中，力求加大水冷管间距，减少横水管和支柱水管的根数。图1-5 炉底水管的支撑结构B 炉底水管的绝热炉底水冷
50、滑管和支撑管加在一起的水冷表面积达到炉底面积的40%50%，带走大量热量。又由于水管的冷却作用，使坯料与水管滑轨接触处的局部温度降低200250，使坯料下面出现两条水冷“黑印”，在压力加工时很容易造成废品。例如，轧钢加热炉加热板坯时出现的黑印影响会更大，温度的不均匀可能导致钢板的厚薄不均匀。为了清除黑印的不良 影响，通常在炉子的均热段砌筑实炉底，使坯料得到均热。但降低热损失和减少黑印影响的有效措施，就是对炉底水管实行绝热包扎，如图1-6所示。图1-6 炉底水管绝热的结构图连续加热炉节能的一个重要方面就是减少炉底水管冷却水带走的热量，为此应在所有水管外面加绝热层。实践证明，当炉温为1300时，绝