王新德，李雪松，劉福生，于海寶

（淄博市新材料研究所 淄博 255000）

1 引言

耐火度高低是表征耐火材料在無荷重條件下抵抗高溫而不熔化的性能指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)GB/T7322-2007規(guī)定將耐火材料的試驗錐與已知耐火度的標(biāo)準(zhǔn)測溫錐一起栽在錐臺上，在規(guī)定的條件下加熱并比較試驗錐與標(biāo)準(zhǔn)測溫錐的彎倒情況來表示耐火度。一般無機(jī)非金屬材料和制品耐火度不低于1580℃的材料才稱之為耐火材料，國標(biāo)（GB/T7322-2007）規(guī)定，在1.5h～2h內(nèi)把爐溫升至比估計試樣的耐火度低200℃的溫度，也就是說至少要在2h以內(nèi)將爐溫升到1380℃以上才能滿足檢測要求，之后再按平均2.5℃/min勻速升溫，直至實驗結(jié)束。在檢測中遇到的問題是：高溫階段升溫速率達(dá)不到要求，一次檢測從備樣到結(jié)束一般耗時5-7小時，如何依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的升溫速率完成耐火度的檢測，對提高耐火度的檢測準(zhǔn)確率和檢測效率是非常必要的。本文重點探討了提高耐火度爐溫度和升溫速率的幾種途徑，并在實際檢測中得以應(yīng)用，現(xiàn)介紹如下：

2 試驗

2.1 鎂砂管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

常用的耐火度爐統(tǒng)稱為豎式碳阻爐，其結(jié)構(gòu)原理如圖1。其中核心部分鎂砂管使用3～5次后，中間部位因熔化而不能使用，需要經(jīng)常更換，更換一次鎂砂管需要耗時2個工作日，直接影響檢測的效率。通常使用的鎂砂管結(jié)構(gòu)見圖2。

在檢測中發(fā)現(xiàn)，主要是爐體中鎂砂管高溫帶部分出現(xiàn)開裂、熔化、變形，導(dǎo)致升溫速率變慢或?qū)嶒炇?。鎂砂管的上低溫帶和下低溫帶基本完好。究其原因是豎式碳阻爐在加熱時高溫帶電阻值小發(fā)熱量大，導(dǎo)致鎂砂管中間部分承受很高的溫度，而兩端溫度很低，中間和兩端產(chǎn)生巨大的溫差，隨著溫度的升高，這個溫差高溫階段能夠達(dá)到600℃～800℃。這樣大的溫差同時作用在鎂砂管上，在重力的作用下，產(chǎn)生的膨脹力足以導(dǎo)致鎂砂管變形和開裂。這是鎂砂管使用壽命縮短的原因之一，為此我們對鎂砂管做了以下改進(jìn)：

將一段式的改為三段式，并將三段式的連接處設(shè)計成凹凸連接，有利于更換和密封。三段式鎂砂管設(shè)計如圖3。

圖1 爐體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 一段式爐管

2.2 鎂砂管材質(zhì)的改進(jìn)

一段式的鎂砂管采用的是純鎂砂澆鑄成形，體積密度大、氣孔率低，抗熱震穩(wěn)定性差。如何提高鎂砂管的耐急冷急熱性也是提高其使用次數(shù)的關(guān)鍵因素之一，為此，對鎂砂管材質(zhì)配方進(jìn)行了改進(jìn)，適當(dāng)引入了部分低膨脹率骨料，加大了顆粒級配的粒度，中粗顆粒占比60%，成形方法由澆鑄成形改為擠壓成形，材質(zhì)的體積密度變小，氣孔率增大，強(qiáng)度有所降低，但是材質(zhì)的抗熱震穩(wěn)定性和耐侵蝕的性能有了較大的提高。

圖3 三段式爐管

2.3 碳粒使用改進(jìn)

豎式碳阻爐的發(fā)熱原理是基于焦耳定律：

Q＝I2Rt

式中 Q-熱量（J）

I-電流（A）

R-電阻（Ω）

t-時間（s）

電流通過碳粒產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，與電阻成正比，與時間成正比。通過變壓器給碳粒上下兩端施加低電壓大電流，通過調(diào)整變壓器電流的大小實現(xiàn)豎式碳阻爐升溫速率的調(diào)節(jié)。碳粒的主要成分是碳（C），碳粒在空氣中通電加熱升溫過程中，不同的溫度下發(fā)生如下氧化反應(yīng)：

4C＋3O2→2CO＋2CO2（當(dāng)溫度＜1200℃時，氧化反應(yīng)）

3C＋2O2→2CO＋CO2（當(dāng)溫度＞1200℃時，氧化反應(yīng)）

當(dāng)溫度高于1200℃時，氧化反應(yīng)生成的CO2再與C發(fā)生如下的氣化反應(yīng)：

CO2＋C→2CO （氣化反應(yīng)）

由此可以看出，高溫下加速了碳粒表面氧化反應(yīng)的同時，氣化反應(yīng)也因溫度的升高而增加，高溫對碳粒的氧化反應(yīng)和氣化反應(yīng)影響是很大的，經(jīng)過氧化和氣化反應(yīng)后的碳粒電阻值逐漸變大導(dǎo)致電流慢慢變小，經(jīng)過幾次升溫后碳粒電阻值的變大，滿足不了升溫速率的要求，必須要更換新的碳粒。為了減小碳粒的高溫氧化和氣化反應(yīng),延長碳粒的使用壽命提高升溫速率，我們對碳粒的使用做了以下改進(jìn)：

表1 三段部位碳粒配比

2.3.1 使用前煅燒

碳粒是由石油焦加石墨燒結(jié)而成，市售的成品碳粒往往燒結(jié)不夠充分，在使用之前將碳粒進(jìn)行再次煅燒，溫度在1200℃保溫3～5h。經(jīng)過二次煅燒后的碳?？梢耘懦罅康幕曳趾蛽]發(fā)分，碳粒所含的自由水分和結(jié)構(gòu)水分完全排除，二次煅燒后的碳粒體積密度增大，強(qiáng)度提高，在高溫下更加穩(wěn)定。

2.3.2 不同的溫度帶使用不同顆粒級配

高溫下（當(dāng)溫度＞1200℃時）碳粒表面的化學(xué)反應(yīng)主要是氧化反應(yīng)和氣化反應(yīng)。這兩個反應(yīng)都是在碳粒表面進(jìn)行的，只要盡可能的減小碳粒的表面積就會毫無疑問的就直接減少了這兩種反應(yīng)的發(fā)生。為此我們將碳粒進(jìn)行分級使用，盡可能的減少細(xì)顆粒的含量，這樣就減少了整個碳粒的表面積，也就減小了高溫氧化和氣化反應(yīng)。將碳粒分成3種顆粒級別：2～3mm顆粒范圍稱作細(xì)顆粒；3～5mm顆粒范圍稱作中顆粒；5～8mm稱作粗顆粒，分級后的碳粒根據(jù)使用部位高溫帶、低溫帶的不同，分別采用不同的顆粒級配，經(jīng)過多次實驗探索出比較合理的顆粒級配配比如表1。

2.4 增加了保溫觀察冒口

普通耐火材料耐火度一般在1500℃～1800℃之間，國標(biāo)（GB/T7322-2007）規(guī)定高溫階段升溫速率平均2.5℃/min勻速升溫，在實際高溫升溫階段往往達(dá)不到要求的升溫速率。主要原因是豎式碳阻爐爐管上部和下部都是敞開式的，下部敞開是為了錐盤旋轉(zhuǎn)，上部敞開是為了更好的觀察試驗錐的彎倒情況。高溫階段隨著溫度的升高，爐管高溫帶的溫度與室內(nèi)的溫度梯度越來越大，熱量的傳導(dǎo)、對流和輻射都隨之增加，散熱量隨溫度的升高變大，有時電流調(diào)到最大值也滿足不了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的升溫速率的要求。為了解決高溫升溫速率問題，在上部敞開處增加了一個保溫觀察冒口，這樣既解決了高溫散熱大的問題，確保了按標(biāo)準(zhǔn)要求的速率升溫，又有利于使用光學(xué)高溫計測溫和觀察。保溫觀察冒口的設(shè)計見圖4。

圖4

3 結(jié)語

為了滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定升溫速率的要求，對耐火度豎式碳阻爐進(jìn)行了三方面的實驗改進(jìn)，在實際檢測中取得了滿意的效果。

3.1 將一段式爐管改為三段式爐管并對材質(zhì)做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，既方便更換爐管又提高了爐管的使用壽命。

3.2 使用碳粒之前采取預(yù)先煅燒，對上低溫帶、下低溫帶、高溫帶分別使用三種不同的顆粒級配，減小了碳粒的氧化和氣化反應(yīng)，使碳粒的電阻值相對穩(wěn)定，延長了碳粒的使用次數(shù)。

3.3 增加了保溫觀察冒口，直接減少了熱量損失，提高了熱效率，且有利于觀察測溫錐變化情況，確保了高溫階段按標(biāo)準(zhǔn)要求的升溫速率升溫。

通過以上三方面的改進(jìn)，使用的豎式碳阻爐重裝一次爐體（主要是：更換爐管、碳粒）的頻率，由以前的使用3～5次延長到20～25次，不僅降低了燒成成本且大大提高了豎式碳阻爐的使用效率。增加保溫觀察冒口和對碳粒的預(yù)先煅燒及不同的溫度帶使用不同顆粒級配，進(jìn)一步保證了依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的升溫速率。改進(jìn)后的豎式碳阻爐運行兩年多以來，穩(wěn)定可靠。