加热炉陶瓷纤维内衬的设计原则及几种常用炉衬设计示意图

随着硅酸铝纤维材料的系列化和功能化，硅酸铝炉衬的应用领域也越来越广泛，如何确定其应用领域，已广泛受到设计部门和用户的关注。下面根据有关火焰加热炉陶纤衬里结构设计的基本规定及多年的实践经验对纤维衬里的应用作以下界定，以供参考。

硅酸铝炉衬的设计原则

(1)除强制烟气流动的烟管、风道及炉底外，加热炉其它所有区域均可采用纤维衬里。
(2)任何一层纤维衬里的使用温度必须高于此层热面计算温度260℃以上。

(3)当燃料中S含量超过10×10-?，炉衬采用纤维结构时，炉壁钢板的热面应涂刷一层防腐涂料，该涂料适用于177℃环境。当燃料中S含量超过500×10-?，应设置阻气铝箔或不锈钢箔，阻气层应位于操作条件下至少高于计算露点56℃以上的部位处。阻气层边缘应搭接，炉衬边缘及穿刺部位应密封，以防止腐蚀性气体穿过炉衬结露，腐蚀钢板和锚固件。

(4)当燃料中重金属含量超过100X10-?时，所有加热炉炉衬不可采用软质纤维材料，而应采用纤维不定型材料、预制块或其它重质保温材料。

(5)当炉衬承受的压力大于0.8MPa时，不可采用纤维炉衬。

(6)设有吹灰器、蒸汽喷枪、水洗设备的对流段不可采用纤维炉衬。

硅酸铝炉衬的组成材料

硅酸铝纤维材料从形态上可分为两类：一类为定型硅酸铝纤维。目前主要有硅酸铝纤维棉、纤维毯、纤维毡、纤维板、纤维异型件、纤维砖、纤维纸、纤维纺织品及其它深加工产品。另一类为不定型硅酸铝纤维，主要有纤维浇注料、纤维可塑料、纤维涂抹料、纤维喷涂料及其它相关产品。从产品的使用温度上可将产品划分为：1000型(使用温度600～950℃)、1260型(使用温度950~1100℃)、1425型(使用温度1100~1350℃)、1600型(使用温度1350~1400℃)。
硅酸铝纤维炉衬的结构形式

1、定型陶纤炉衬
主要指纤维毯、纤维毡、纤维板或纤维组件等定型耐火材料组成的炉衬。从结构上大体可分为两大类：一类是层铺结构，另一类是平铺叠砌复合结构。

（一）层铺式耐火纤维炉衬结构

层铺式耐火纤维炉衬就是将耐火纤维制品(毯、毡、板)一层层地铺放到炉壁钢板上，然后通过耐热钢锚固件或其它方式进行固定的一种炉衬结构形式。根据炉衬材料，层铺结构通常有两种形式，一种为纤维毯层铺结构，另一类为纤维毡、板层铺结构。

(1)纤维毯层铺结构

此结构按热面纤维毯的安装方式可分为对接式和搭接式，按锚固钉固定形式又可分为锚固钉裸露式和锚固钉预埋式，具体结构如图1所示。

图1   纤维毯层铺结构示意图

(2)纤维毡、板层铺结构

纤维毡、板的安装固定方式多为对接，按锚固钉固定形式可分为锚固钉裸露式和锚固钉预埋式，具体结构如图2所示。

(3)层铺结构的性能特点

①锚固钉裸露式层铺结构：指纤维毯、纤维毡或纤维板层铺到炉壁上，通过锚固钉、快速卡片和旋转卡片或螺母固定，详见图2(a)。

裸露层铺式耐火纤维炉衬结构的特点：

优点：层铺式炉衬可根据炉衬厚度方向上温度变化，采用不同材质的纤维制品组成，从而可以大大降低筑炉费用，增强炉衬结构合理性和保温效果。层铺式耐火纤维炉衬施工简便，异型部位容易处理，易检修。

缺点：很难克服层铺结构抗风蚀能力极低的缺陷。由于锚固件直接裸露于工作热面，当炉温较高时，对锚固件材质的要求较同，同时层铺式耐火纤维炉衬所需耐热锚固件数量较多，这些锚固件本身又是一个热传导体，加之纤维毡(毯、板)在使用温度下产生收缩，容易在对接处出现缝隙，会从程度上影响保温效果。因此，裸露式层铺耐火纤维炉衬结构适用于低温热处理炉。

图2  纤维毡、板层铺结构示意图

②锚固钉预埋式平铺结构、指纤维毯、纤维毡或纤维板层铺到炉壁上，通过锚固钉保温固定，但锚固钉预埋到耐火材料中间，详见图2(b)。

预埋层铺式耐火纤维炉衬结构的特点：

优点：避免了锚固钉热面裸露，减少了能量损失，增强了保温效果。

缺点：很难克服层铺结构抗风蚀能力极低的缺陷。同时锚固钉预埋若采用陶瓷杯结构，陶瓷杯易碎，且价格高，增加了施工难度，提高了工程的造价。

锚固钉预埋采用沉孔结构，温度变化时，沉孔内纤维棉易收缩产生缝隙，进而会损坏锚固件，所以此类炉衬只适用于低温炉墙保温。

（二）平铺叠砌复合结构
(1)炉衬结构

根据目前层铺叠砌复合结构形式可分为：由热面到冷面依次确定为：模块+平铺的平铺叠砌复合炉衬结构和多晶条块+模块十平铺的平铺叠砌复合炉衬结构。同时考虑到烧嘴火焰喷速大小、烟气成分等客观条件，确定对纤维衬里的热面是否涂刷一层抗冲刷高温涂料，若涂刷该涂料，经过处理后，涂料在模块表面形成了一层致密的耐高温、抗冲刷的保护层，以增强炉衬辐射和抗炉气冲刷的能力。

(2)保温厚度的确定

耐火纤维炉衬厚度的设计应根据加热设备的结构是平壁还是曲壁，材料的导热系数高低，冷热面平均温度及单位表面允许的热损失等因素确定。一般情况，可根据稳态热平衡计算，即由炉内经过纤维炉衬传导的热量应与炉壁外钢板向大气中散失的热量相同，Qf~=Q散的公式进行计算。

各层的厚度可根据计算确定，原则上确定条块厚度为50mill，模块的厚度为大于150mill的整数，平铺可计算后取整。

(3)炉衬选材

炉子壁衬材料的材质除满足高炉温条件外，还必须考虑陶瓷纤维材料的使用条件，加热炉内的燃料，炉子的操作气氛，炉内炉气正负压等各方面的因素综合选材。

(4)锚固件材质的选择

锚固件材质的选用一般应根据锚固件所处位置的工作温度，以及是否直接与烟气接触而确定。根据“化学工业炉耐火纤维炉衬设计技术规定”，锚固件材料选用表中的有关规定，与烟气直接接触条件下，1Crl8Ni9Ti材质的锚固件使用温度上限为750℃，Cr25Ni20材质的锚固件使用温度上限为1050℃，601材质的锚固件使用温度上限为1100℃。

(5)炉衬排列形式

模块安装排列方式通常分为拼花地板式和兵列顺排式两种，拼花地板排列方式是一种较为传统的安装排列方式，几年以前曾经广泛应用。但是，随着陶瓷纤维模块应用技术的发展，特别是近几年国际上各大陶瓷纤维工程承包公司对陶瓷纤维模块应用技术的研究及应用实践证明，模块采用拼花地板排列方式存在以下缺点：

①各模块在高温下长时间作业后，各向膨胀不同，回弹不均，模块间易出现不规则裂缝，引起炉衬窜火，进而烧坏锚固件，致使模块脱落;

②每一组有4块模块纵横拼花而成，而每一块模块的外形尺寸误差不同，致使相邻每4块模块中间产生一小方洞，整个衬里就会出现无数小洞，影响了炉衬的保温效果，见图3; 

图3  模块排列示意图

③炉墙间的连接处为保温薄弱点。

        综上所述，拼花地板排列模块的方式的确存在缺陷，现仅应用于炉衬热面的50mm厚度的条块粘贴结构。现行方案多采用兵列式顺排模块方式，详见图3。

2、不定型陶瓷纤维炉衬

主要指采用陶纤浇注料、可塑料、涂抹料及喷涂料等不定型陶纤炉衬材料，此结构形式的炉衬通过耐热钢骨架将不定型陶纤材料固定到炉壁钢板上，烘干后形成整体。此类不定型陶纤炉衬沿袭了传统耐火浇注料优良的施工性能和棉、毯、毡、板的保温绝热性能，配制好的袋装或桶装浇注料，在施工现场拆封后即可使用。特别是对形状、结构复杂的窑炉壁衬，不定型陶纤炉衬比其它炉衬更容易施工。炉衬局部损坏时，可进行局部涂抹修补，既节约维修时间，增强保温效果，又延长了使用寿命。同时，耐火纤维浇注料壁衬还具有较强的适应窑炉气氛的特性，在可控气氛窑炉中使用，较定形耐火纤维制品性能稳定。但是由于该炉衬结构采用了较多的锚固钉进行固定，而且锚固钉虽然不直接裸露于工作热面，但离工作热面较近(仅3o一50m)，所以当该结构应用于较高炉温的窑炉时，对锚固钉材质的要求较高。因此，该炉衬比较适用低温或中温窑炉工况。结构示意见图4。

图4 不定型炉衬示意图

3、复合炉衬

复合结构炉衬就是根据不同炉温、烟气流速及工作面环境等综合工况设计的炉衬，通俗的说复合结构炉衬就是指热面、背衬采用不同材质、不同形态的材料进行复合的一种炉衬，其主要目的是采取合理的组合，达到物尽所用、安全经济。

复合结构炉衬有多种不同方式，根据用途可分为两类：一类主要有陶纤喷涂料(背衬)一耐火浇注料或纤维浇注料(热面);陶纤毯、毡或板(背衬)一耐火浇注料或纤维浇注料(热面);耐火纤维毡或板(背衬)一耐火绝热砖(热面);耐火纤维浇注料(背衬)一耐火浇注料(热面)。此类结构具有较高的抗气流冲刷能力，多用于炉墙。另一类是陶纤喷涂料或浇注料(背衬)一陶纤模块(热面)。此类结构具有较高的综合性能，可充分避免烟气的腐蚀破坏，效果等同于阻气金属箔。

上述不定型炉衬及复合炉衬结构，均可在炉衬的热面粘贴一层含锆或多晶纤维条块，将炉衬应用温度空间拓宽到1400℃，但粘贴层耐风蚀性能较差，使用寿命较短。

硅酸铝纤维炉衬的综合性能

1、抗风蚀性能优良
对于火焰加热炉，要求耐火纤维具有抗气流冲刷性能，表1是硅酸铝耐火纤维制品在炉衬热面抗气流冲刷的风速参考数据。

2、热化学性能稳定

耐火纤维的热稳定性是任何致密或轻质耐火材料无法比拟的，耐火纤维制品是由直径Ⅲ的纤维相互交织构成的多孔制品，即使温度急剧变化，也不会产生结构应力和发生剥落现象，还能有效抵御弯折、扭曲等机械振动和其它热震动。

3、热量损失低

炉衬在平均温度为600oC的环境中，材料的导热系数在0.17W/(m·K)左右，比重质耐火材料的导热系数降低了1/2，增强了保温效果，降低了能量损耗。炉衬的蓄热损失又与炉衬材料的体积密度成正比，而硅酸铝耐火纤维的体积密度是重质材料的1/10。所以，采用耐火纤维作炉衬，不仅可以减少炉墙的蓄热损失，而且还可以很大程度地减轻了炉子的重量。

4、使用温度应用领域宽广

硅酸铝材料的使用温度介于600~1400℃之间，不仅拓宽了纤维炉衬的应用领域，更重要的是炉衬材料可根据炉衬厚度方向上温度变化，采用不同材质的纤维制品组成，不仅可以降低筑炉费用，更重要的是完成了炉衬结构合理性和保温效果合理性的组合，达到物尽所用，安全经济。