轧钢加热炉水梁耐材裂纹的分析

张克纯，丁元强，高春丽，刘瑞洪，韩广胜

（山东聚辰热能科技有限公司，山东 滨州 255300）

轧钢加热炉的水梁设计结构以步进式、推钢式为代表。预热段温度一般在800～1 000 ℃，加热段温度一般在1 100～1 300 ℃， 出钢温度一般在1 200～1 250℃； 所以轧钢加热炉内所分布的水梁处于不同的温度环境中。筑炉完成烘炉以后，水梁耐火材料工作衬体沿水梁环向和纵向易出现裂纹， 环向裂纹之间跨度间隔一般在0.5 m左右，纵向裂纹沿水梁方向的单侧或双侧均有出现，加上膨胀缝和施工缝，裂缝显得格外偏多，裂纹宽度在1～3 mm不等。 过多的水梁裂纹不仅影响了外观质量， 也增加了使用过程中水梁耐材剥落的几率。出现裂纹以后，业主、设计、施工及材料各方站在本位主义的立场各执一词， 然而问题没能得到解决。 本文以水梁钢构件与耐材对应温度下的热膨胀差异进行问题讨论分析， 力求寻找一个合理的解决方向，以解决问题为目的，客观、公正、科学地认识和分析水梁裂纹， 并推出水梁用微膨胀自流浇注料，加上施工、设计技术弥补进行项目试用，通过试验跟踪验证，得到了良好的收效。

1 水梁结构设计概况

步进式加热炉横梁为双水梁结构， 水梁立柱有单立柱和双立柱之分；推钢加热炉多以单水梁为主，不管单水梁还是双水梁，耐材裂纹存在共性，所以暂以双水梁为代表进行讨论分析。 水梁顶部设计有耐磨滑块直接接触钢坯起支撑作用，水冷管为20#碳钢设计，壁厚一般为16～20 mm，水冷管外壁焊接有耐热不锈钢锚固件，在耐火材料施工前，锚固钉涂刷1 mm厚度的沥青漆； 水冷管设计水压1.3 MPa以内，管内为饱和蒸汽， 循环状态下的正常工作压力为0.8～1 MPa，水冷管内蒸汽温度在180 ℃左右。紧贴水冷管外包裹有20 mm左右厚度的硅酸铝陶瓷纤维棉， 外侧浇注施工70 mm左右厚度的自流耐火浇注料。 图1为水梁结构图，图2为横梁截面图。

图1 水梁结构示意图

图2 横梁截面图（B-B截面）

2 裂纹在加热炉水梁上的具体表现

加热炉耐材施工完毕后便进入烘炉阶段。 烘炉一般有两种形式： 第一种形式为烘炉到一定程度便开始布钢，投入试生产或正式生产阶段；第二种形式按照烘炉曲线执行完毕后便有序降温停炉， 进行炉内检查和细节完善工作。 结合多年的现场勘察对比发现： 烘炉结束直接投入生产的加热炉水梁不规则裂纹较少一些，所表现出的裂纹宽度略窄一点，基本在1 mm左右；烘炉结束后便降温停炉的项目，水梁不规则裂纹表现明显，且数量偏多，裂纹宽度偏大，最大能达3～4 mm。 水梁三通环向、纵向不规则裂纹更为明显，水梁立柱纵向裂纹偏多，并且上下贯通；横梁除环形裂纹以外，沿中线纵向裂纹也较为明显。图3为水梁裂纹示意图；图4为横梁实物裂纹图；图5为水梁立柱实物裂纹图片。

图3 水梁裂纹示意图

图4 横梁实物裂纹图

图5 水梁立柱实物裂纹图片

3 加热炉水梁裂纹产生的原因分析

3.1 水梁热工设计参数

图6为水梁测温依据结构图，根据加热炉水冷管设计压力和正常工作压力条件，查饱和蒸汽压力与温度对应表，得到水冷管内部饱和蒸汽温度在180 ℃左右，因为水梁分布在炉内预热段、加热段及均热段，即水梁耐材工作层温度按1 000 ℃、1 300 ℃及1 200 ℃进行参考计算，初始环境温度均按常温20 ℃参考，相关热工参数均参考工业炉设计手册[1]（见表1）。

表1 水梁设计相关热工参数

图6 水梁测温依据结构图

表2为水梁自流浇注料理化指标及检测数据，因为本圆筒壁热流方向属于由外向内导热， 并且半径比较小，所以采用多层平面壁导热公式进行计算，先计算出热流密度， 再采用多层平面壁层间界面温度计算公式，计算出相关界面温度，从而计算出耐火材料与金属水冷管壁在对应温度状态下的膨胀量，再计算降温到常温状态下的线变化量， 结合其他因素的影响，最终找出裂纹产生的主要原因。

表2 水梁自流浇注料理化指标及检测数据

3.2 热工参数计算

由于中间层硅酸铝陶瓷纤维棉属于软质物体，故只考虑耐火材料与碳钢水冷管之间的应力关系；因水冷管碳钢材质导热系数较大，正常工作状态下t3在炉内的温度差较小，其导热系数变化较小，影响甚小，可忽略不计，所以不考虑其温度差异的影响，线膨胀率采用同一参数12×10-6/℃计算。

稳态多层平壁热流密度计算公式：

稳态多层平壁层间界面温度计算公式：

式中：q—热流密度，W/m2

t—各层间温度，℃

δ—相关层材料厚度，mm

λ—相关层材料的平均热导率，W/（m·℃）

根据已知条件先计算出自流耐火浇注料、 陶瓷硅酸铝纤维棉的平均热导率， 碳钢水冷管热导率较大，壁厚较薄，影响偏差小于0.2%，故直接采用导热值45 W/（m·℃）为其平均热导率；以t1=1 000 ℃为例，按试算逼近法，先假设中间温度t2=800 ℃，t3=185 ℃，则自流耐火浇注料平均热导率为：

通过公式（1）计算出热流密度：

通过公式（2）计算出层间温度：

与原假定t2=800 ℃，t3=185 ℃相比， 约差分别为2.8%和1.6%，t2差值均略大，需重新假定t2=777 ℃、t3=182 ℃进行计算（进行迭代法计算以不超2%为标准，直至达到要求为止）。182 ℃

再次与假定t2=777 ℃、t3=182 ℃相比， 约差分别为0.26%和0%，基本趋于无穷接近，即为计算出的结果正确。

采用同样的方法把t1所处不同温度段的热流密度和各层间温度计算结果汇总于表3。通过表3的t3结果， 可判定为水冷管在正常工作状态下的温度环境相对稳定，几乎无温差，所以，在计算水冷管正常工作状态下的热膨胀量时不再考虑其不同温度段的温差影响，即按182 ℃参考计算。

表3 t1所处不同温度段时t2、t3计算出的对应温度

热膨胀量计算公式：

式中：ΔL—热膨胀量，mm

α—热膨胀系数，10-6/℃

L—单位长度，m

T1—原始温度，20 ℃

T2—工作温度，℃

由公式（3）得出水冷管工作状态下各温度段的热膨胀量：

ΔL=12×10-6×1×（182-20）=1.94 mm/m

根据表2已知检测数据由公式（3）得出水梁耐材正常工作状态下各温度段的热膨胀量：

由于加热炉工作状态下， 炉内区间温度并非像设计那么完美，炉内是一个非均温的工作环境，在此分析过程暂且不考虑过渡区间的温度状态， 按既定设计温度参考分析。根据热膨胀量计算公式，所计算出的水冷管、 水梁耐材工作状态下的热膨胀量及相互之间对应关系参数汇总于表4。

表4 水梁耐材与水冷管不同温度的膨胀变化

4 计算结果讨论分析

从表4数据可以看出， 加热炉正常工作状态下，低温段耐材的膨胀量在6.6 mm/m， 而相对应水冷管的膨胀量为1.94 mm/m， 两者之间有4.66 mm/m的相对差；加热段、均热段相对差分别为6.66 mm/m和6.1 mm/m。 从数据上分析，正常工作状态下耐材的膨胀量要大于水冷管， 所以耐材施工留设合理的膨胀缝是必要的； 耐材与水冷管在炉内的膨胀方向是多方向的，主要以长度方向向两侧膨胀为主。目前耐材的过盈热膨胀应力释放主要从以下几个因素分解：①水梁耐材施工过程所留设的膨胀缝；②耐材脱水和烧结过程的自身微收缩；③硅酸铝纤维棉的柔软性和锚固件施工时的特殊处理吸纳。

从对各个项目现场了解的状态分析， 高温状态下很少出现剥落以及胀裂拉伸裂纹现象， 主要是材料在高温时处于膨胀状态， 设计有膨胀缝所确保的应力释放空间， 高温状态下金属锚固件同时伴有高温韧性，可以跟随耐材的膨胀进行微量位移，故而很少出现剥落和裂纹现象。 大部分裂纹都是降到常温后进炉检查时才发现， 而大部分裂纹的断面较为新鲜，没有受到烟气污染的表象，并且使用温度在不超1 200 ℃的部位和使用时间很短的炉型上表现居多。根据常规耐材线变化检测数据分析， 烧后常温状态一般处于负变化，所以，水冷管降温后恢复到了原始长度， 但耐材由于体积的负变化会产生过多的收缩拉伸，降温过程锚固件坚硬程度随之上升，会阻止耐材的空间位移， 单纯锚固件施工时的缠绕胶带或涂刷沥青的处理效果是不够的，故而在长度方向0.5 m左右便出现不同程度的环形裂纹， 并伴随大量竖纹的出现， 也足以证明大部分水梁裂纹是在降温过程出现的。

水梁耐材大部分为铝硅系耐火自流浇注料，由于本系列耐材1 200～1 550 ℃会伴随一定量的二次莫来石相变[2]，区间内温度、反应时间和相变量成正比， 带来一定量的不可逆体积变化， 相变充分的耐材，线变化基本处于正值，弥补了耐材降温过程的过度收缩所带来的裂纹现象， 这也印证了部分加热炉烘炉后直接布钢连续工作一类炉型， 停炉后很少发现裂纹的原因。

综合分析， 加热炉水梁裂纹的出现是在一个复杂多变、相互交错的环境中产生，水梁裂纹的影响因素较多，比如设计不合理、耐材制造欠佳、施工质量差及炉子超常规使用等。就本文所描述的裂纹而言，就是金属材料与无机非金属材料之间， 在不同环境温度下的相互应力作用结果。所以，解决水梁裂纹是一个共同提高和不断改进的过程， 设计要结合相关联的热工参数，耐材要关注和了解现场应用，施工不能单纯地追求进度和成本， 各专业之间要相互学习和交流， 理论和应用相结合， 对问题进行不断的改进，共同努力来推动工业窑炉领域的不断进步。

5 降低或减少水梁裂纹的建议措施

5.1 设计与施工措施

从设计角度对水梁的膨胀缝留设做出要求，立柱之间的横梁胀缝跨度以0.8～1.2 m为宜， 两端留设2～3 mm胀缝即可，最大跨度尽量不要超过1.5 m。

埋设在浇注料内的锚固钉， 以缠绕塑胶类材料为宜，尤其锚固件的端头要确保处理到位，避免高温金属膨胀导致垂直应力胀裂耐材； 水梁立柱高度以不超过1.5 m为宜，作为三通连接处的施工胀缝要设置填充物； 施工过程将硅酸铝纤维棉在水冷管上包扎缠紧，耐材搅拌加水严格安照施工说明进行控制，确保施工质量和烘烤工艺。

5.2 耐材设计措施

水梁耐材一般采用自流或半自流铝硅系耐火浇注料，按加热炉的常规使用温度参考，降温后的线变化一般为负值，以调节成正值为宜，耐材配置设计微膨胀自流浇注料更佳，1 200～1 300 ℃的线变化检测值在0～+0.5%为宜。

5.3 水梁用微膨胀抗渣自流浇注料的应用

从表5微膨胀抗渣自流浇注料的检测指标分析，脱模强度和烘干强度不是太高， 但足以满足脱模施工，随着温度的提高，强度逐步增加，加热永久线变化在1 200 ℃和1 300 ℃时已经达到了微膨胀的效果，与轧钢加热炉的实际工作温度较为吻合。在某项目进行工业应用，通过组织安排合理施工，加强施工要点控制； 从施工到后期应用等相关环节进行跟踪验证，微膨胀抗渣自流浇注料能够满足加热炉使用，烘炉后水梁耐材衬体除膨胀缝以外基本没有出现不规则裂纹，并且具有良好的抗渣效果。 图7为水梁用微膨胀抗渣自流浇注料施工过程脱模照片；图8为水梁用微膨胀抗渣自流浇注料烘炉后的照片。

图7 水梁用微膨胀抗渣自流浇注料施工脱模图片

图8 水梁用微膨胀抗渣自流浇注料烘炉后图片

表5 水梁用微膨胀抗渣自流浇注料理化指标

6 结语

（1）加热炉水梁耐材裂纹，是属于金属水冷管与耐材衬体两种不同材料在复杂多变环境下的膨胀、收缩变化不同所带来的应力作用裂纹， 一般在降温过程中出现。

（2）加热炉水梁采用微膨胀抗渣自流浇注料，能够弥补加热炉降温过程因水梁耐材过度收缩造成的体积变化；结合优化设计、合理施工，可以减少甚至杜绝加热炉水梁耐材应用过程的裂纹出现， 而且能起到对氧化铁皮起到抗侵蚀作用。