1、化学工业炉耐火纤维炉衬设计技术规定HG /T 20642 - 98 条文说明1总则1. 0.1 原耐火纤维炉衬设计技术规定(CD13ZA20-87)出版使用至今已整整十年了，近十年来耐火纤维材料品种有所发展，应用技术不断完善，因此有必要对原技术规定的内容加以补充和修正，以适应化学工业炉技术水平的发展和提高。1. 0.2 本规定提出适应于炉膛温度不大于1300C的一般化学工业炉窑耐火纤维炉衬，是基于含错耐火纤维已经可以生产，并经长期使用的实践证明，用于不大于1300C是切实可行的。至于能用于更高温度的莫来石纤维、氧化铝纤维，虽然也有制品，但产量小，价格昂贵，尚未大量推广使用.故未予列入。1. O
2、. 31. O. 4 炉衬设计根据工况而定，是指由各种类型的工业炉所处温度、气流速度等工况及炉型结构等综合条件来选择耐火纤维材料及炉衬结构。即以安全可靠经久耐用为主要原则，并考虑炉子整体造价，以及结构材料在该炉子上施工安装、检修方便等因素。67 1.0.5 关于耐火纤维的国家标准，曾在1982年颁布了GB3003 标准，它适用于湿法毡制品。最近出版的GBjT16400标准，是针对绝热保温用硅酸制品而制定的。作为耐火纤维的国家标准，本规定应遵照执行，本标准作为化工行业标准，比上述国家标准要求高，能满足化工炉窑的要求。1. O. 6 所列相关标准是为了便于查阅有关的标准。2 耐火纤维炉衬材料及辅助
3、材料2. 1. 1 对耐火纤维材料种类及使用温度进行分类是本规定对原CD标准补充、完善的一个重要方面。原CD132A20-87仅列出普通硅酸铝耐火纤维及高铝耐火纤维。根据国内外多年的应用实践证明，高纯耐火纤维是一种较好的材料，它采用纯净的A1203和Si02料配制，杂质少，高温性能良好，使用温度提高很多。再有含错耐火纤维的开发与应用，使纤维材料的使用温度高达1300C，大大扩大了耐火纤维在工业炉上的应用。耐火纤维材料的允许使用温度是炉衬设计选材的最重要依据。表上所列出的是在氧化气氛条件下使用，并且分别列出了连续(长期)使用与短时使用的区别。短时使用温度是指材料所承受的极限温度，该温度是以此材料
4、24h加热线收缩值达到4%的温度来确定的。通常将此温度称为材料的分类温度或称为牌号温度。有时叫作最高使用温度。实际上在此温度下使用，纤维损坏很快，寿命很短，显然该温度绝不能作为工业炉连续使用温度。连续使用温度即长期允许使用温度，该温度的确定至今尚无统一的说法，国内外均无定义和标准可循。从理论上讲在长期工作温度下，纤维晶体没有发生明显的变化，晶粒生长不大，亦无多少方石英出现，线收缩小，纤维仍富有弹性，即纤维性能稳定，这样可长期安全使68 用的温度就是长期允许使用温度。该温度显然要比上述短期最高使用温度低得多。在氧化性气氛条件下，长期允许使用温度可取比短期最高使用温度(分类温度)低100200C;
5、在还原性气氛下则要低200250C。例如分类温度为1260C型纤维(高纯硅酸铝纤维)的长期使用温度为1260C-150C = 1110C。故可确定为1100C。也有资料介绍长期允许使用温度取加热线收缩不大于2%的温度。这样确定的长期使用温度与国外资料推荐及新国标(GB/T 16400-96)确定的几种纤维棉使用温度也是吻合的。当然在实际应用中还要考虑生产操作时的超温因素，以及要获得更长使用寿命还宜留有安全余量。鉴于此，本规定对普通硅酸铝纤维的长期允许使用温度定为950C，修正了原CD标准中规定的温度。2.1.2 将耐火纤维制品形态加以分类、列表的目的是为了把纤维的用途、应用范围更加明确地展现出
6、来。这将有利于耐火纤维材料的推广应用。尤其是近年来新材料的出现，其应用领域大大拓宽了。故本条是对原CD标准、对GB3003及GB/TL6400标准的补充。在介绍各类产品时也应提及不少场合纤维毡制品已逐步被纤维毯所替代了。2. 1. 32. 1. 6 这些条文具体地给出了各种材料的理化质量指标。有必要说明的是本规定指出的材料理化指标与现行国家标准是有差异的。这点在本标准1.O. 5中已经提及了。作为长期使用在直接受火的炉膛中的纤维材料，对其性能指标适当提高些是必要的。例如，对于纤维材料的加热线收缩值，本规定取24h测试数据，明显高于现行国家标准和企业标准，对测试工作也带来了一些困难。这是鉴T纤维
7、材料在6h短时间内，未能反映纤维晶体变化的真实情况，一般经过24h高温试验，才基本体现出晶体的变化情况，再以后变化就缓慢了，故以此来测得材料的加热线收缩值，能真实衡量材料的性能。目前国际t均取24h的加热线收缩值，所以无论从制品质量的衡量，还是与国际接轨，便于以国产材料替代国外产品而言，这个指标的更改是必要的。此外，对于纤维材和化学成份中杂质含量及渣球含量也均作出了比国标严格的规定，这也是化工炉窑内长期安全使用的要求。根据对几个生产厂的调研，征求意见后，表明这些指标是可以做到的。2.1.7 耐火纤维浇注料是近来出现的新型不定形耐火材料，兼有耐火纤维与耐火浇注料所具有的-切优点，耐火纤维浇注料是
8、生产厂特配的由各种耐火纤维原棉、掺和料、粘结剂及促凝剂组成的胶泥状料，可采用涂抹和浇注方法进行施王。经捣实、养护、脱模，再经表面修整，不需烘炉，即可升温使用。但目前仅有少数企业标准，尚无国标、部标。因现有的企业标准中体积密度差别较大、性能也有些不同，故暂不便作出规定，使用时可参照企业标准选用。2.1.8 耐火纤维喷涂料亦是近来出现的新型不定形耐火材料，比一般的耐火材料具有比较突出的优点，如施工万便、衬里施工劳动强度小等特点，在大型工业炉上应用越来越广泛。耐火纤维喷涂料的构成如下:首先在清理过的被喷涂表面涂刷粘贴剂，然后将结合剂和耐火纤维原棉加入喷涂机连续喷涂。表面经轻轻压平整形即可。2.1.9
9、 导热系数是耐火纤维制品的重要物理性能，它是纤维炉衬设计的依据。但国标GB3003未对此作出规定，在原CD标准中列出了容重为150ZOOkg/m3普通硅酸铝耐火纤维制品的导热系数值。这既没有列出各种容重的准确数值，也没有列出不同材料的数值，使用不大方便。国标GB/T16400虽然列出了不同容重下的导热系数值，但仅对应一个温度点(500土ZOC)，对炉衬设计是远远不够的。本规定考虑到不同材料、不同容重、不同制品的导热系数值是有差异的，认为准确的导热系数值须根据制品的实测值确定。在此条文说明中，因l图5列出了部分制品在不同容重下的导热系数曲线，该曲线是根据产品样本的数值求得，可作为设计参考。另外，
10、不同种类纤维原棉的耐火纤维烧注料的导热系数差别不大。70 03 0279 、b，HgJ .d 、E .、0237 0216 在员019 峭。17者要lD 500 600 平均温度CC)700 固1普通硅酸铝耐火纤维制品的导热系数ggPV掘叫阿旅昨1I.:n 700 平均温度(C)图2高纯硅酸铝耐火纤维制品的导热系数71 045 0418 0.386 0.354 0.322 0.29 0.26 0.23 o .9 0.(, O.B 6 QEPV掘峭嚓盼1200 1080 960 840 720 平均温度(C)含错硅酸铝耐火纤维制品的导热系数国304 03 02 2gPV剖唰M晴穰盼l nu 叽)
11、H() O() 500 300 200 。1 平均温度CC)耐火纤维浇注料的导热系数图472 hvaPVM制幡嗦盼0375 0346 0317 0288 02u 0.231 0.202 0173 0.1 44 0.115 0087 0.058 0029 0 1093 v / 1/ / v / / / / L./ / 982 871 760 649 538 427 316 204 平均温度(C)250-350kg/mJ的普铝或高铝耐火纤维喷涂料的导热系数2.2 锚固件作为耐火纤维应用时的辅助配套材料是必不可少的。锚固件材料选用是否得当，直接影响到炉衬的使用寿命，因此，在编写耐火纤维炉衬设叶规定时
12、，除对纤维材料本身有规定外，对作为辅助材料的锚固钉也提出相应的要求与规定，是必要的。2.2.1 鉴于本规定是用于一般的化学工业炉窑，故确定材质的主要依据是按材料所处的温度而定。也就是指材料在微氧化条件下，按材料耐热抗氧化的性能而定的。2.2.2 对于采用含硫燃料的炉子，由于燃烧后会产生硫酸腐蚀问题，因此须对锚固件及炉壳铜板内表面采取防腐措施，通常是采用耐热防腐涂料加以保护。2. 2. 32. 2. 5 这几条是为保证铺固钉与炉壳板焊牢，以保证炉衬锚固件的可靠性而制定的具体要求。2.3.1 保护涂料用于耐火纤维表面可大大地提高耐火纤维的抗73 固5气流冲刷能力，并延长了纤维的使用寿命。因此对用于
13、炉衬热面的纤维材料，为提高抗气流冲刷能力及保护纤维材料本体二个作用，推荐采用耐火纤维保护涂料。所以，本规定也将它作为耐火纤维材料的辅助材料。2. 3. 22. 3. 3 鉴于目前保护涂料在国内尚无统一的国标、部标，市场上的产品也是各企业自行开发研制的，本规定仅对涂料的使用特性提出若干原则要求，以供设计和使用者选用产品时参考。2.3.4 高黑度涂料是近年作为推广应用的一种材料，它不仅可起到普通涂料保护纤维本体的作用，还可强化炉内辐射传热。对于高温加热炉，特别是双辐射式加热炉，高黑度涂料涂于纤维表面对强化传热的作用，在理论上及实践上都是肯定的。然而有必要指出的是.以前曾研制使用过的，以碳化硅为主要
14、成份的高辐射涂料，随着使用时间的延续，高黑度的碳化硅会有所损失，明显减弱了辐射能力。为此提出了涂料的高辐射性能必须具有长期有效、不易衰减的要求。2.3.5 由于喷涂方式比较均匀、效率高，故推荐以喷涂施工为好。2.3.6 耐火纤维保护涂料的选用应与所处炉内温度、气氛及被涂耐火纤维材料相适应。2.4.1 耐火纤维粘贴剂不仅要顾及施工时具有粘贴强度，更重要的是在高温上具有粘结强度，才能保证长期经久耐用。2.4.2 由于水玻璃在高温下会发生糊化，故不能用于高温场合。又由于水玻璃呈碱性，不能用于酸性耐火材料上，以免耐火材料发生化学反应而损坏衬里材料。2.4.3 由于较多工厂采用双氢磷酸铝为粘贴剂，该材料
15、的酸性高，易腐蚀纤维本体及被粘贴的衬里材料，因此建议采用酸性较小的磷酸铝代替双氢磷酸铝。2.4.4 由于铝胶在高温下形成稳定的氧化铝陶资结构，具有相当高的结合强度，且耐高温性好，还没有磷酸的腐蚀性，故本规定推荐了铝胶质粘贴剂，使用于高温下更为安全可靠。74 3 耐火纤维炉衬设计原则3.0.1 在原CD132A20-87规定中提及了耐火纤维炉衬不得用于高温气流冲刷严重的部位，并规定了层铺式用于气流速度不大于10m/s;叠砌式不大于15m/s的场合。这对无涂料保护的层铺和叠砌纤维炉衬仍然可以运用，在此条文说明中加以补充说明。随着耐火纤维制品种类的发展，已有了较高强度的纤维硬板及耐火纤维烧注料等新品
16、种，并且有涂料的保护作用，这将大大提高纤维炉衬耐气流冲刷的能力。因此本规定不便于硬性规定纤维炉衬的使用条件，而根把实际采用的材料及炉内工况确定。3.0.2 由于保护涂料的应用对纤维本身具有良好的保护作用，并.能提高炉内抗气流冲刷和抗侵蚀能力，故提出依据使用工况，在纤维表面喷涂保护涂料的建议。3.0.3 本条规定提出了不同品种的耐火纤维材料在一般化学工业炉窑上允许的长期使用温度，并提出了通常在微氧化气氛条件与还原性气氛中的不同。材料的允许使用温度元疑是选材的最重要的依据。不少纤维怕衬的损坏，往往是届温使用的结果。本条中还提及相同材质不同结构，使用温度有所不同的情况，如层铺式炉衬结构的材料要比折叠
17、式模块结构材料使用温度要低些(可以认为低50C左右);不同工况也有所区别，例如，燃油炉子比燃气炉子使用温度也要低些。3.0.4 对使用含硫燃料的炉子，由于会对炉壳板及错固件根部产生低温露点腐蚀，故须涂以耐腐蚀涂料。应注意所选用的涂料应能承受炉壳壁可能达到的温度。3.0.5 该条所指的腐蚀炉气井非本标准3.0.4所指的含硫燃料产生的炉气，而指其它腐蚀性气体，穿过多孔纤维层沿壁流动，会损坏炉壳板或使炉壳极温度过高，故建议采用防窜气措施。75 3.0-6 为了降低炉子造价，应采用经济的设计。可采用其它材料作为复合层，如矿棉、岩棉，也可采用低档次耐火纤维制品。3.0.7 耐火纤维在高温下只会收缩，不会
18、膨胀，且为软性材料，因此耐火纤维炉衬不会对钢结构产生附加应力。3.0.8 炉衬厚度是炉衬材料选定之后，根据炉膛炉衬热面温度、炉壳板允许温度，经传热计算确定，材料的导热系数参见本标准2.1.9规定，但需注意在有氢气气氛中，纤维的导热系数有很大不司。在Nz50%、Hz50%气氛中，耐火纤维导热系数要比在空气中大一倍;在100%Hz气氛中，比在空气中要大二倍。3. O. 9 炉衬的设计原则将针对不同的炉衬结构有更具体的要求，这将在炉衬结构中分别叙述。4 常用耐火纤维炉衬结构4. 1. 1 层铺式耐火纤维结构，其最主要的优点就是可以根据不同温度要求，选用不同档次的材料，以降低炉衬造价，因此作为首条内容
19、加以说明。4.1.2 本条是对4.1.1的进一步说明，且提出了廉价的非纤维材料的应用。也把低档纤维材料与其他材料一起列出，可作为保温材料，这是因为近来已开发了廉价的低容重纤维制品，可以取代某些其他材料。4.1.3 由于针刺毯的普遍应用，并且有大尺寸毡，可取代小块毡，这样可减少接缝，有利于绝热。4.1.4 锚固件选用是否得当直接影响层铺结构的牢固性，故再次提及错固件材料的选用。4.1.5 该条给出了几种层铺结构的典型结构，其中图4.5-1是用于炉温较高、炉衬较厚的场合，为了保护金属锚固件免受高温，采用了陶器杯结构，并以纤维棉隔热，且用盖子将陶瓷杯盖住，以防隔热的纤维脱落。转卡式陶瓷杯结构施工不当
20、，陶资杯易脱落，宜采用图4.1.5-l(b)螺母固定结构。图4.1.5一2造用于温度稍低，金属错固钉可以承受的场合。考虑到金属锚固钉头部尖端露在炉内易刺伤人，故推荐图示的带圆头的陶瓷螺母，由它压紧陶瓷垫圈，还可适当保护金属锚固钉免受高温，且此结构外观尚好。图4.1.5-3是以前国外设计较多采用的金属转卡压盖结构。转卡结构虽然安装简便，但如上所述，若有松动易脱落，且锚固钉尖端在外易伤人。除以上几种图倒之外，还有不少其他结构，如采用全陶瓷件的非金属锚固件结构，它可适用于高温炉衬上。但由于叠砌式模块结构的出现，以及全陶瓷件的牢固性较差，故没有将此结构推荐出来。4.1.6 层铺式耐火纤维炉衬错固钉间距
21、布置要合理，以保证层铺的牢固性，特别是边缘离钉子的尺寸不宜过大。层铺结构损坏的常见原因之一就是未能按规定要求合理布置锚固钉，或施工时未按图纸要求。因此本条加以规定，并以图示例。本条规定铺固钉在炉顶部位的中心距为275mm，是指耐火纤维制品的长度为1200mm而言。对其它长度尺寸的制品，在炉顶部位锚固钉中心距的尺寸仍应按工业炉砌筑工程施工及验收规范)(GBJ211)、化学工业炉砌筑技术条件)(HG20543)中规定的不大于250mm加以确定。4.1.7 因纤维材料在高温下不是热胀冷缩，而是受热后收缩，因此为避免受热后出现缝隙，要求施工时进行预压缩以补偿高温下的收缩。毯子在外层采用搭接结构，可以减
22、少收缩缝的影响。4.1.8-4.1.9 对具体炉衬结构给出了图例，以供设计参考。4.2 叠砌式(折叠式)纤维模块结构，由于实践证明结构牢固，经久耐用，近年来应用广泛，不少已取代了层铺式结构，尤其是高温77 炉窑、气流冲刷较大的炉子，宜采用此种模块结构。4.2.1 该条文概述了模块的制作和安装方式。4.2.2 提出了制作模块的纤维毯制品的较佳规格，并具体地明确了由此材料组成模块的最佳容重。这兼顾了纤维毯压缩后的弹性和较好隔热性能二个方面因素。4.2.3 叠砌式折叠式)模块结构有很多形式，这里仅列出几种常用的结构，此外还有菱形插片式、横杆吊挂式等等，在此不一一列举。中心孔吊装式结构以前用得较多，此
23、种模块要预埋中心套管，且安装就位后取出套管时会留出空穴，须适当填充纤维以免热气窜入损坏锚固件。为了克服此种结构不足之处，现较多推荐采用滑槽式结构及插剌式模块，这两种模块安装方便，结构牢靠。但施工至最后几块尚需采用中心孔吊装式模块加以固定。4.2.4 该条文对错固件加以说明，部分锚固件是需要预先组装在模块上的，此锚固件应由纤维模块供应商一并提供。且须注意其材质应符合本标准2.2的要求。4.2.5 炉衬用锚固钉视模块结构及尺寸而定，设计者可根据设计要求自行确定，也可根据模块供应厂提供的结构形式及厂方建议确定。4.2.6 由于模块的高温收缩，会在排与排之间产生缝隙，故设计时干脆预先留出一定缝隙，将纤
24、维毯压缩后填人。当模块产生收缩时，被预压缩的毯子回弹补偿了收缩，从而避免出现缝隙，避免了高温烟气窜至背衬和炉壳板处。4.2.7 模块采用拼花地板式排列是为了抵消模块非折叠方向产生的收缩，因此衬里表面较为严密，应该说该种结构较为可靠。只是因为以前模块质量不佳，尤其是制品在周边处挤压不够，安装时在四个模块交接处不够紧密。有时需要专门填塞纤维材料，否则该处易发生窜气现象。近来有的供应商在模块制品外形尺寸及包装上做得相当好，在这种情况下，采用拼花地板式(图-4.2.7)是较好的。78 4.2.8 该条也是为解决耐火纤维高温收缩形成缝隙的补偿问题。4.3.1 对贴面式耐火纤维炉衬的应用场合加以说明，有必
25、要指出的是该结构除了常用于老炉子改造之外，还可以用于新炉子上，这主要是某些材料耐急冷急热性差，例如耐火烧注料，难以承受过大的热震冲击，故采用了一层贴面层，可大大改善炉衬的热稳定性。为此在本设计规定中加以补充说明。4.3.2 纤维贴面层厚度主要受纤维本身强度的限制，过厚易脱落，故规定不大于50mm。过薄则隔热效果小，因此规定贴面层厚度不小于20mm.4.3.3 由于平贴式炉衬易发生纤维分层，故对于有一定气流冲刷的场合是不适用的。通常的做法均是立贴。4.3.4 由于纤维在高温下有良好的绝热性，粘贴于高温区节能效果明显。4.3.5 过期变质的粘贴剂不能保证粘贴质量，故严禁使用。4.3.6 粘贴表面清
26、理干净及预先用粘贴剂刷涂是粘贴牢固的重要保证，放在此作强调。4.3.7 粘贴炉衬的毡块需要压缩，是为了解决高温收缩问题。4.3.8 对施工提出要求，以保证粘贴质量。4.4.1 不定形耐火纤维炉衬是近年来开发的新一代耐火纤维制品。目前已经工业化的有纤维喷涂料及纤维挠注料。用这两种材料施工的炉衬整体性好，克服了传统纤维也、毯制品不可避免有施工缝及因制品收缩导致热气外窜，降低隔热效果和影响使用寿命的缺点。同时该材料的抗气流冲刷能力强，尤其是纤维捷注料，它同普通轻质耐火浇注料一样，具有较高的强度，又有纤维的特性，故应用前景很好。4.4.2 为避免耐火纤维卷起影响施工质量，宜用短纤维材料。4.4.3 采
27、用不定形纤维材料，能像层铺结构一样，可选用不同档次材料，达到合理用材的目的。4.4.4 对于厚度较厚的喷涂料戎浇注料炉衬，为保证结构牢固，必须用锚固件固定。4.4.5 该条提出了锚固钉的形式及适用性，对喷涂料而言，由于Y型钉头部易挂棉，会产生空穴，故不推荐使用，错固网也不适用于喷涂料;对挠注料，则由衬里的厚薄来选用Y型钉或V型钉或锚固网。4.4.6 对错固钉的布置提出要求，以保证炉衬结构是必要的。4.4.7 锚固钉的材料选用同其他耐火纤维炉衬结构一样，按本标准2.2的规定。4.4.8 为保证衬里的牢固性，同时避免锚固钉头部过热，故作出了此项规定。4.4.9 为衬里施工可靠耐用，对被施工面提出了
28、要求。4. 4. 1O4. 4. 11 分别对浇注料和喷涂料施工提出了要求。4.5 复合结构炉材所谓复合结构炉衬是指不同材料复合或不同结构的复合。例如纤维材料可与浇注料砖结构复合;层铺纤维或喷涂纤维与模块结构复合等等。严格地讲，层铺纤维中的多种不同材料组合及喷涂料或挠注料的不同材质组合也是复合炉衬，但这已在各自炉衬结构中作了叙述，在此不作为复合结构炉衬介绍。4.5.1 提出了复合炉衬考虑的总原则，采取合理的组合，使之既安全可靠，又经济合理。4.5.2 给出了常用的几种复合炉衬的应用实例图4.5.2一1复合结构有较好的隔热效果，同时能承受较高的抗气流冲刷能力。为防止挠注料失水，宜在两层材料间用塑
29、料防水薄膜隔开，该结构宜用于烟道等尺寸、形状复杂且不易砌砖的场合。图4.5.2-2是针对较高温度，且有气流冲刷的场合。图4.5.2-3是用于基本以耐火浇注料为主的炉衬，目的是为避免浇注料遭受过大的冷热急变性，是为保护挠注料而采用的结构。80 图4.5.2-4是用于高温炉顶衬里，以平铺或纤维喷涂料为背衬加上纤维模块，该结构既可减少高档模块材料的用量，又可提高炉衬的隔热性能。图4.5.2-5结构适用于炉衬厚度有所限制，但隔热要求高，且炉衬表面有较高气流冲刷，要求炉衬有一定强度的场合。如炉子对流段部位的炉衬，通常会有上述各种要求。该结构施工方便，结构牢固，隔热性好。图4.5.2-6是在炉温较高，又允
30、许炉衬厚度较厚时可采用该结构，如炉底的衬里。图4.5.2一7对于要求有良好隔热效果，同时具有一定强度时可采用双层纤维浇注料结构。如部分炉底或其他部位可采用高档纤维浇注料作面层，低档纤维捷注料作背衬，这样强度较好，隔热性又极好。4.S.3 强调了在耐火纤维面层采用一般浇注料施工时需要防水层的措施，既防止纤维受潮，又防止浇注料失水。图4.5.2-1就是示例。4. S. 4 在提及锚固钉用材按本标准2.2的规定采用的同时，提出了某些复合炉衬对锚固件形式的要求。81 责任编辑王玉玫jEj 中华人民共和国行业标准石灰窑砌筑技术条件化学工业炉耐火纤锥炉衬设计技术规定HG /T 2064l 20642 - 98 编辑化工部工程建设标准编辑中心(北京和平里北街化工大院3号楼)邮政编码.100013印刷秦皇岛市卢龙印刷厂1998年5月
