熱風(fēng)管系是熱風(fēng)從熱風(fēng)爐本體輸送到高爐之間的熱風(fēng)管道系統(tǒng)，它包括送風(fēng)主管、支管、圍管以及連通主管和圍管、主管和支管的熱風(fēng)出口等部分。由于高爐一代爐齡已提高到15～20年，而熱風(fēng)爐本體壽命達(dá)到20～30年，因此，熱風(fēng)管系作為輔助系統(tǒng)，其使用壽命至少應(yīng)與高爐同步。
隨著高爐與熱風(fēng)爐技術(shù)的不斷進(jìn)步，熱風(fēng)溫度普遍提高，送風(fēng)溫度最高可達(dá)1300℃，部分鐵廠高爐熱風(fēng)管道出現(xiàn)了管殼表面溫度過高、發(fā)紅，內(nèi)襯破損、掉磚、塌陷等問題，有的僅使用5～8年就進(jìn)行中修。熱風(fēng)管系耐火磚襯分為輕質(zhì)隔熱層磚和重質(zhì)工作層磚;隔熱層一般由2層或多層輕質(zhì)磚砌筑，靠管壁的外層多采用輕質(zhì)粘土磚，中間層采用輕質(zhì)高鋁磚或輕質(zhì)莫來石磚;在主管、支管、圍管等部位的重質(zhì)工作層可采用紅柱石-莫來石、莫來石-紅柱石-剛玉等材質(zhì)的耐火磚;在熱風(fēng)出口部位，由于熱風(fēng)閥開啟過程中的瞬間沖擊力很大，可選用含紅柱石的剛玉-莫來石磚或性能相當(dāng)?shù)哪突鸩牧?。熱風(fēng)管系耐火材料選擇不當(dāng)，不能滿足高風(fēng)溫的需求。武鋼自2005年開始，有針對性地對5號、6號、7號、1號高爐的熱風(fēng)管系耐火材料破損狀況進(jìn)行了調(diào)研，認(rèn)為熱風(fēng)管系耐火材料事關(guān)高爐的穩(wěn)定運(yùn)行，建議制定相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對熱風(fēng)管系的定形耐火材料性能指標(biāo)加以規(guī)范。2016年8月底，《高爐熱風(fēng)管系用耐火材料》通過了全國耐標(biāo)委組織的標(biāo)準(zhǔn)審定。
考慮到熱風(fēng)管系用耐火材料的特點(diǎn)，以往的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都是以紅柱石磚、剛玉莫來石磚等具體材料的形式來確定組成與性能范圍，由于其材質(zhì)的不確定性，不同企業(yè)選擇差別大，規(guī)范性差，使用效果差別大，不理想。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定主要把握2個方面:成分控制與性能控制。根據(jù)高爐熱風(fēng)管系耐火材料的特點(diǎn)及用戶要求，確定Al2O3、Fe2O3、TiO2、(K2O+Na2O)、顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度、加熱永久線變化、蠕變率、抗熱震性、導(dǎo)熱系數(shù)等物理化學(xué)指標(biāo)，見表5，表6。
3.1化學(xué)分析指標(biāo)的確定
化學(xué)組成決定耐火材料制品的基本特性，化學(xué)成分的設(shè)定主要考慮2個因素:一是與相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的繼承性和兼容性;二是熱風(fēng)管系的使用安全性。設(shè)置了Al2O3，F(xiàn)e2O3，TiO2，K2O+Na2O4個化學(xué)指標(biāo)，Al2O3為其主要成分，F(xiàn)e2O3，K2O+Na2O為雜質(zhì)，影響耐火磚的高溫使用性能，TiO2規(guī)范原料的品質(zhì)，因此需要加以限定。小型高爐因?yàn)槌杀镜目紤]，未對TiO2，K2O+Na2O含量提出要求。
3.2體積密度、顯氣孔率及常溫耐壓強(qiáng)度
指標(biāo)的確定高爐熱風(fēng)管系用耐火材料主要用于熱風(fēng)管系工作層和隔熱層的砌筑，為確保產(chǎn)品使用性能，延長熱風(fēng)管系使用壽命，設(shè)置了體積密度和顯氣孔率的檢測項(xiàng)目，保證耐火磚的材質(zhì)、致密度，利于提高其使用性能。設(shè)置了常溫耐壓強(qiáng)度指標(biāo)，耐壓強(qiáng)度主要反映材料的力學(xué)性能和燒結(jié)情況，影響著爐襯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能。常溫耐壓強(qiáng)度高，氣孔率低，表明制品組織結(jié)構(gòu)致密均勻，燒結(jié)良好，從而確保爐襯具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗沖刷、磨損的能力。
3.3加熱永久線變化指標(biāo)的確定
加熱永久線變化反應(yīng)了材料的高溫體積穩(wěn)定性，對耐火襯的膨脹結(jié)構(gòu)或膨脹縫設(shè)計(jì)具有重要參考，是一般耐火材料嚴(yán)控的性能指標(biāo)。在標(biāo)準(zhǔn)中限定爐襯高溫條件下的變形量，保證了爐襯的整體穩(wěn)定性，不至于收縮或膨脹導(dǎo)致開裂、坍塌。
3.4蠕變率指標(biāo)的確定
蠕變率表示在規(guī)定的溫度和時間內(nèi)，受恒定載荷產(chǎn)生的變形量。蠕變率是表征耐火材料高溫性能的重要指標(biāo)，影響著耐火材料在高溫使用過程中的體積穩(wěn)定性和使用性能。大型高爐因?yàn)橐蟊容^嚴(yán)格，高溫下的蠕變率要求較高;中型高爐更注重使用過程的穩(wěn)定性，所以以20～50h內(nèi)的蠕變率為控制指標(biāo)。
3.5抗熱震性
抗熱震性指耐火制品抵抗溫度急劇變化的能力。由于高爐熱風(fēng)管系的工作特點(diǎn)，溫度急冷急熱、反復(fù)循環(huán)，故磚襯應(yīng)具有良好的抗熱震性。
3.6導(dǎo)熱系數(shù)
導(dǎo)熱系數(shù)表示在單位時間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量，與材料的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度等因素有關(guān)。對于管道保溫材料來講，要求導(dǎo)熱系數(shù)低，同時要滿足其使用性能。
高爐及熱風(fēng)爐熱風(fēng)管系用耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，定型耐火材料制品分為隔熱層輕質(zhì)磚和工作層重質(zhì)磚。重質(zhì)磚分為ZGT-155，ZGT-150，ZGT-145，ZGD-150，ZGD-140，ZGX-145，ZGX-140共7個牌號;輕質(zhì)磚分為QGW-0.8，QGW-1.0，QGJ-0.8，QGJ-1.0共4個牌號。熱風(fēng)管系用耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的產(chǎn)品理化指標(biāo)應(yīng)符合表5和表6的規(guī)定。
通過標(biāo)準(zhǔn)的制定，可以從組成上規(guī)范熱風(fēng)管系耐火材料的材質(zhì)，從性能上控制材料的品質(zhì)，尤其是蠕變率、加熱永久線變化、抗熱震性等指標(biāo)，制約了生產(chǎn)者的造假行為，也為煉鐵企業(yè)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價提供了1個技術(shù)上的規(guī)范。1座高爐熱風(fēng)管系的更換往往需要數(shù)千萬元，如果僅僅因?yàn)閹装偃f耐火材料的偽劣引起事故，造成檢修頻繁，應(yīng)該是行業(yè)技術(shù)的倒退。因此熱風(fēng)管系耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，利于高爐管系耐火材料技術(shù)水平的提高。由于該標(biāo)準(zhǔn)涉及的熱風(fēng)管系耐火材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)既有耐火材料生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)，也有來源于武鋼、寶鋼、首鋼、鞍鋼、太鋼、安陽鋼廠等鋼鐵企業(yè)或設(shè)計(jì)單位的數(shù)據(jù)，具有廣泛的代表性。國內(nèi)沒有系統(tǒng)、規(guī)范的熱風(fēng)管系用耐火材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對熱風(fēng)管系用耐火材料進(jìn)行了合理的分類，并提出了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，可以為耐火材料生產(chǎn)企業(yè)和煉鐵用戶提供了選材和驗(yàn)收依據(jù)，對行業(yè)科技進(jìn)步起到積極的引導(dǎo)作用。
4 結(jié)語
1) 高爐及熱風(fēng)爐用熱風(fēng)管系耐火材料的技術(shù)要求不同，導(dǎo)致煉鐵企業(yè)的耐火材料標(biāo)準(zhǔn)不一致。武鋼有的高爐管系用耐火材料采用日本技術(shù)，材質(zhì)及高溫蠕變等性能要求嚴(yán)，使用壽命達(dá)到16 年，熱風(fēng)主管爐襯基本無損壞; 有些高爐熱風(fēng)管系性能指標(biāo)控制不當(dāng)，使用過程容易損壞被迫提前檢修，影響高爐的長壽運(yùn)行。
2) 熱風(fēng)管系用耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通過成分控制與性能控制來保證磚襯的材質(zhì)與品質(zhì)以提高其使用壽命。根據(jù)高爐熱風(fēng)管系的耐火材料特點(diǎn)及用戶要求，確定Al2O3，F(xiàn)e2O3等化學(xué)組成、顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度、加熱永久線變化、蠕變率、抗熱震性、導(dǎo)熱系數(shù)等指標(biāo)為需控制的物理化學(xué)指標(biāo)。
3) 管系工作層重質(zhì)磚著重控制蠕變率、加熱永久線變化、抗熱震性等指標(biāo); 輕質(zhì)磚著重控制導(dǎo)熱系數(shù)、加熱永久線變化、耐壓強(qiáng)度等指標(biāo)來作為耐火材料生產(chǎn)企業(yè)與用戶的驗(yàn)收條件，建立熱風(fēng)管系耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)利于提高熱風(fēng)管系的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。
隨著高爐與熱風(fēng)爐技術(shù)的不斷進(jìn)步，熱風(fēng)溫度普遍提高，送風(fēng)溫度最高可達(dá)1300℃，部分鐵廠高爐熱風(fēng)管道出現(xiàn)了管殼表面溫度過高、發(fā)紅，內(nèi)襯破損、掉磚、塌陷等問題，有的僅使用5～8年就進(jìn)行中修。熱風(fēng)管系耐火磚襯分為輕質(zhì)隔熱層磚和重質(zhì)工作層磚;隔熱層一般由2層或多層輕質(zhì)磚砌筑，靠管壁的外層多采用輕質(zhì)粘土磚，中間層采用輕質(zhì)高鋁磚或輕質(zhì)莫來石磚;在主管、支管、圍管等部位的重質(zhì)工作層可采用紅柱石-莫來石、莫來石-紅柱石-剛玉等材質(zhì)的耐火磚;在熱風(fēng)出口部位，由于熱風(fēng)閥開啟過程中的瞬間沖擊力很大，可選用含紅柱石的剛玉-莫來石磚或性能相當(dāng)?shù)哪突鸩牧?。熱風(fēng)管系耐火材料選擇不當(dāng)，不能滿足高風(fēng)溫的需求。武鋼自2005年開始，有針對性地對5號、6號、7號、1號高爐的熱風(fēng)管系耐火材料破損狀況進(jìn)行了調(diào)研，認(rèn)為熱風(fēng)管系耐火材料事關(guān)高爐的穩(wěn)定運(yùn)行，建議制定相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對熱風(fēng)管系的定形耐火材料性能指標(biāo)加以規(guī)范。2016年8月底，《高爐熱風(fēng)管系用耐火材料》通過了全國耐標(biāo)委組織的標(biāo)準(zhǔn)審定。
考慮到熱風(fēng)管系用耐火材料的特點(diǎn)，以往的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都是以紅柱石磚、剛玉莫來石磚等具體材料的形式來確定組成與性能范圍，由于其材質(zhì)的不確定性，不同企業(yè)選擇差別大，規(guī)范性差，使用效果差別大，不理想。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定主要把握2個方面:成分控制與性能控制。根據(jù)高爐熱風(fēng)管系耐火材料的特點(diǎn)及用戶要求，確定Al2O3、Fe2O3、TiO2、(K2O+Na2O)、顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度、加熱永久線變化、蠕變率、抗熱震性、導(dǎo)熱系數(shù)等物理化學(xué)指標(biāo)，見表5，表6。
化學(xué)組成決定耐火材料制品的基本特性，化學(xué)成分的設(shè)定主要考慮2個因素:一是與相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的繼承性和兼容性;二是熱風(fēng)管系的使用安全性。設(shè)置了Al2O3，F(xiàn)e2O3，TiO2，K2O+Na2O4個化學(xué)指標(biāo)，Al2O3為其主要成分，F(xiàn)e2O3，K2O+Na2O為雜質(zhì)，影響耐火磚的高溫使用性能，TiO2規(guī)范原料的品質(zhì)，因此需要加以限定。小型高爐因?yàn)槌杀镜目紤]，未對TiO2，K2O+Na2O含量提出要求。
3.2體積密度、顯氣孔率及常溫耐壓強(qiáng)度
指標(biāo)的確定高爐熱風(fēng)管系用耐火材料主要用于熱風(fēng)管系工作層和隔熱層的砌筑，為確保產(chǎn)品使用性能，延長熱風(fēng)管系使用壽命，設(shè)置了體積密度和顯氣孔率的檢測項(xiàng)目，保證耐火磚的材質(zhì)、致密度，利于提高其使用性能。設(shè)置了常溫耐壓強(qiáng)度指標(biāo)，耐壓強(qiáng)度主要反映材料的力學(xué)性能和燒結(jié)情況，影響著爐襯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能。常溫耐壓強(qiáng)度高，氣孔率低，表明制品組織結(jié)構(gòu)致密均勻，燒結(jié)良好，從而確保爐襯具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗沖刷、磨損的能力。
3.3加熱永久線變化指標(biāo)的確定
加熱永久線變化反應(yīng)了材料的高溫體積穩(wěn)定性，對耐火襯的膨脹結(jié)構(gòu)或膨脹縫設(shè)計(jì)具有重要參考，是一般耐火材料嚴(yán)控的性能指標(biāo)。在標(biāo)準(zhǔn)中限定爐襯高溫條件下的變形量，保證了爐襯的整體穩(wěn)定性，不至于收縮或膨脹導(dǎo)致開裂、坍塌。
3.4蠕變率指標(biāo)的確定
蠕變率表示在規(guī)定的溫度和時間內(nèi)，受恒定載荷產(chǎn)生的變形量。蠕變率是表征耐火材料高溫性能的重要指標(biāo)，影響著耐火材料在高溫使用過程中的體積穩(wěn)定性和使用性能。大型高爐因?yàn)橐蟊容^嚴(yán)格，高溫下的蠕變率要求較高;中型高爐更注重使用過程的穩(wěn)定性，所以以20～50h內(nèi)的蠕變率為控制指標(biāo)。
3.5抗熱震性
抗熱震性指耐火制品抵抗溫度急劇變化的能力。由于高爐熱風(fēng)管系的工作特點(diǎn)，溫度急冷急熱、反復(fù)循環(huán)，故磚襯應(yīng)具有良好的抗熱震性。
3.6導(dǎo)熱系數(shù)
導(dǎo)熱系數(shù)表示在單位時間內(nèi)通過單位面積傳遞的熱量，與材料的組成、結(jié)構(gòu)、密度、溫度等因素有關(guān)。對于管道保溫材料來講，要求導(dǎo)熱系數(shù)低，同時要滿足其使用性能。
高爐及熱風(fēng)爐熱風(fēng)管系用耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，定型耐火材料制品分為隔熱層輕質(zhì)磚和工作層重質(zhì)磚。重質(zhì)磚分為ZGT-155，ZGT-150，ZGT-145，ZGD-150，ZGD-140，ZGX-145，ZGX-140共7個牌號;輕質(zhì)磚分為QGW-0.8，QGW-1.0，QGJ-0.8，QGJ-1.0共4個牌號。熱風(fēng)管系用耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的產(chǎn)品理化指標(biāo)應(yīng)符合表5和表6的規(guī)定。
通過標(biāo)準(zhǔn)的制定，可以從組成上規(guī)范熱風(fēng)管系耐火材料的材質(zhì)，從性能上控制材料的品質(zhì)，尤其是蠕變率、加熱永久線變化、抗熱震性等指標(biāo)，制約了生產(chǎn)者的造假行為，也為煉鐵企業(yè)優(yōu)質(zhì)優(yōu)價提供了1個技術(shù)上的規(guī)范。1座高爐熱風(fēng)管系的更換往往需要數(shù)千萬元，如果僅僅因?yàn)閹装偃f耐火材料的偽劣引起事故，造成檢修頻繁，應(yīng)該是行業(yè)技術(shù)的倒退。因此熱風(fēng)管系耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，利于高爐管系耐火材料技術(shù)水平的提高。由于該標(biāo)準(zhǔn)涉及的熱風(fēng)管系耐火材料的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)既有耐火材料生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)數(shù)據(jù)，也有來源于武鋼、寶鋼、首鋼、鞍鋼、太鋼、安陽鋼廠等鋼鐵企業(yè)或設(shè)計(jì)單位的數(shù)據(jù)，具有廣泛的代表性。國內(nèi)沒有系統(tǒng)、規(guī)范的熱風(fēng)管系用耐火材料產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對熱風(fēng)管系用耐火材料進(jìn)行了合理的分類，并提出了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)，可以為耐火材料生產(chǎn)企業(yè)和煉鐵用戶提供了選材和驗(yàn)收依據(jù)，對行業(yè)科技進(jìn)步起到積極的引導(dǎo)作用。
4 結(jié)語
1) 高爐及熱風(fēng)爐用熱風(fēng)管系耐火材料的技術(shù)要求不同，導(dǎo)致煉鐵企業(yè)的耐火材料標(biāo)準(zhǔn)不一致。武鋼有的高爐管系用耐火材料采用日本技術(shù)，材質(zhì)及高溫蠕變等性能要求嚴(yán)，使用壽命達(dá)到16 年，熱風(fēng)主管爐襯基本無損壞; 有些高爐熱風(fēng)管系性能指標(biāo)控制不當(dāng)，使用過程容易損壞被迫提前檢修，影響高爐的長壽運(yùn)行。
2) 熱風(fēng)管系用耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通過成分控制與性能控制來保證磚襯的材質(zhì)與品質(zhì)以提高其使用壽命。根據(jù)高爐熱風(fēng)管系的耐火材料特點(diǎn)及用戶要求，確定Al2O3，F(xiàn)e2O3等化學(xué)組成、顯氣孔率、體積密度、常溫耐壓強(qiáng)度、加熱永久線變化、蠕變率、抗熱震性、導(dǎo)熱系數(shù)等指標(biāo)為需控制的物理化學(xué)指標(biāo)。
3) 管系工作層重質(zhì)磚著重控制蠕變率、加熱永久線變化、抗熱震性等指標(biāo); 輕質(zhì)磚著重控制導(dǎo)熱系數(shù)、加熱永久線變化、耐壓強(qiáng)度等指標(biāo)來作為耐火材料生產(chǎn)企業(yè)與用戶的驗(yàn)收條件，建立熱風(fēng)管系耐火材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)利于提高熱風(fēng)管系的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。
