氧化皮可自動滑落的臺車式硅碳棒電阻爐爐襯

崔 宇

（哈爾濱銘陽爐業有限公司，黑龍江哈爾濱150000）

臺車式硅碳棒高溫電阻爐爐膛加熱溫度較高，加熱元件采用硅碳棒，爐襯上需設有很多硅碳棒安裝孔洞，因此爐襯采用耐火纖維和耐火混凝土復合結構。為提高耐火混凝土爐襯的強度，會安裝一定數量的錨固件，錨固件的一端焊接在爐體鋼板上，并埋入耐火混凝土中，安裝錨固件時最重要的是與金屬爐殼可靠地連接，如果連接不好，高溫狀態下耐火混凝土爐襯就可能會傾倒。此外，高溫加熱過程中產生的氧化皮如果滑落掉在硅碳棒的根部，互相堆積，容易造成硅碳棒棒體表面電阻不均、局部短路過熱，甚至會燒斷硅碳棒，極大地縮短硅碳棒的使用壽命。

1 臺車式硅碳棒高溫電阻爐爐襯性能要求

1.1 高溫下結構強度高，便于施工制作

工業爐爐襯材料一般分為耐火磚砌筑爐襯、澆注料爐襯和耐火纖維爐襯。其中耐火磚砌筑爐襯現應用較少；澆注料爐襯施工簡單、便于成型、高溫強度好、使用壽命長，可以在容易出現刮碰的爐膛底部兩側及爐口兩側門柱上采用。

1.2 具有較好的節能效果

爐襯的蓄熱和散熱一般占爐子總能耗的15%～40%，耐火纖維具有較小的密度和蓄熱量，具有較好的保溫效果和節能效果，可以在不易出現刮碰的地方大范圍使用。

1.3 解決工件及墊鐵上氧化皮的存留問題

底部耐火混凝土爐襯的迎火面應為斜面，掉落在該斜面上的氧化皮可以自動滑落，解決了因氧化皮反復堆積造成硅碳棒棒體表面電阻不均、局部短路的問題。

2 實施方式

2.1 結構組成

具有氧化皮自動滑落功能的臺車式硅碳棒高溫電阻爐爐襯組成如圖1 和圖2 所示。

圖1 爐襯三維示意圖

圖2 爐襯錨固磚分布三維示意圖

2.2 工作原理

如圖3 和圖4 所示，爐體型鋼與爐體鋼板焊接，錨固磚掛鉤管座焊接在爐體鋼板的內側，“ㄣ”形錨固磚掛鉤的下端插接在錨固磚掛鉤管座的內部，“ㄣ”形錨固磚掛鉤的外徑比錨固磚掛鉤管座的內徑要小，長錨固磚和短錨固磚均插在“ㄣ”形錨固磚掛鉤的上端，這樣高溫下，低水泥高鋁質耐火澆注料發生收縮和膨脹時，具體為1 400 ℃以下表現為收縮，1 500 ℃以上時由收縮變為膨脹，這種收縮或膨脹迫使長錨固磚和短錨固磚發生一定量的位移，由于“ㄣ”形錨固磚掛鉤在外力作用下可以圍繞錨固磚掛鉤管座發生微小的旋轉，這樣便可有效地消除爐墻熱膨脹對錨固磚的剪切，提高爐墻的穩定性和抗變形能力，延長使用壽命。

圖3 爐襯剖面示意圖

圖4 錨固磚及掛鉤安裝固定三維示意圖

纖維毯緊貼爐體鋼板安裝，兩層錯縫平鋪，厚度50 mm，層鋪結構的纖維與受熱面平行。與疊鋪結構相比，高溫收縮大，耐氣流沖刷性能差，但爐襯熱導率相對減小約20%，有利于爐襯的隔熱。在纖維毯和低水泥高鋁質耐火澆注料之間是輕質耐火粘土磚，起一定的支撐和隔熱作用。低水泥高鋁質耐火澆注料的迎火面澆筑成45°斜面，這樣高溫下工件產生的氧化皮掉落到該斜面上便會借助自重而滑落下來，從而防止造成硅碳棒棒體表面電阻不均、局部短路燒壞。

2.3 位于斜面上的氧化皮受力分析

由圖5 和圖6 可知，位于45°斜面上的氧化皮受力包括：豎直向下的重力G，垂直于斜面的支持力N及沿斜面向上的摩擦力f。沿斜面的平衡：Gsin45°=f；垂直于斜面的平衡：Gcos45°=N，又因為摩擦力f=μN，最后求得摩擦因素μ=1。可得結論為：當摩擦因素μ＞1 時，位于45°斜面上的氧化皮不下滑；當摩擦因素μ＜1 時，位于45°斜面上的氧化皮下滑。

圖5 位于45°斜面上物體受力分析圖

圖6 位于45°斜面上物體受力平衡圖

由圖7 和圖8 可知，對位于30°斜面上的氧化皮而言，同理有，沿斜面的平衡：Gsin30°=f；垂直于斜面的平衡:Gcos30°=N，又因為摩擦力f=μN，最后求得摩擦因素μ=0.577。可得結論為：當摩擦因素μ＞0.577時，位于30°斜面上的氧化皮不下滑；當摩擦因素μ＜0.577 時，位于30°斜面上的氧化皮下滑。

圖7 位于30°斜面上物體受力分析圖

圖8 位于30°斜面上物體受力平衡圖

3 具有氧化皮自動滑落功能的臺車式硅碳棒高溫電阻爐爐襯制作工藝

具有氧化皮自動滑落功能的臺車式硅碳棒高溫電阻爐爐襯安裝有加熱元件硅碳棒，為了減小高溫下硅碳棒彎曲熱變形，硅碳棒采用上下豎直安裝，要求爐襯上下四層孔洞同心。第一層孔洞位于爐頂帶有硅碳棒安裝孔的鋼板上，第二層孔洞位于45°澆注料預制鋼膜上，用于低水泥高鋁澆注料孔洞成型制作，第三層孔洞位于爐底澆注料承托鋼板上，第四層孔洞位于硅碳棒底部的支撐角鋼上，支撐角鋼上設有絕緣瓷墊、防護圈，如圖9 所示。

圖9 四層孔洞分布圖

3.1 第一層孔洞制作工藝

該層孔洞位于爐頂鋼板上，該鋼板下面用于安裝固定耐火纖維爐襯。纖維爐襯采用層鋪-疊鋪組合結構，爐膛內表層為本身帶構架和安裝孔的大型折疊毯預制塊，采用專用耐熱鋼錨固件與爐頂鋼板固定，內表層與鋼板之間襯有層鋪的纖維毯。疊鋪的折疊毯預制塊由于纖維與受熱面垂直，與層鋪結構相比，其高溫收縮小，耐氣流沖刷和耐高溫性能好，且內表層與鋼板之間襯有層鋪的纖維毯，因此，該結構還兼有層鋪結構熱導率低的優點。纖維爐襯的掛角部位要相互錯開，以防襯體出現通縫。該鋼板采用Q235 鋼板制作，鋼板厚度4～5 mm，因為硅碳棒的數量為147 根，所以該層鋼板上孔洞的數量也為147個，孔徑大小應比絕緣瓷管外徑大2 mm，絕緣瓷管內徑為硅碳棒外徑的1.5 倍再加5 mm，孔距取決于相鄰硅碳棒的間距，正常間距應為4 倍棒體直徑。該層鋼板上的147 個孔數量較多，孔徑較大，采用激光切割制作，激光切割變形小，精度好（尺寸精度可達±0.05 mm），效率高。

該鋼板下面由于安裝固定耐火纖維爐襯，爐襯中安裝有絕緣瓷管，用于硅碳棒與爐頂鋼板之間的絕緣，絕緣瓷管插入長度約占爐頂纖維厚度的二分之一，這樣便使爐頂纖維形成一個階梯孔，如圖9 中局部放大圖A 處所示，該階梯孔采用自制階梯鉆孔工裝進行加工，可一次成型，提高開孔效率，其中，頂部大孔與頂部絕緣瓷管外徑匹配，下方小孔與硅碳棒外徑匹配。階梯鉆孔工裝如圖10 所示，φ60 mm 管牙鋸齒形狀采用0°前角，45°后角及楔角，齒距14 mm，φ89 mm 管牙鋸齒形狀采用0°前角，45°后角及楔角，齒距28，管牙均采用Q235 無縫鋼管制作，各部件采用焊接方式固定。

圖10 階梯鉆孔工裝三維示意圖

3.2 第二層孔洞制作工藝

第二層孔洞位于45°澆注料預制鋼膜上，鋼膜材質為Q235，鋼板厚度3 mm。鋼膜主要用于低水泥高鋁澆注料孔洞及45°斜面的成型制作，預先根據澆注料爐襯的截面形狀設計出鋼膜的折彎形狀，然后按中徑進行展開，用激光切割在平面展開圖上進行割孔，割孔后進行45°折彎。以外徑45 mm 的硅碳棒為例，割孔形狀為兩個大小不等的半橢圓，其中，小橢圓短軸為68 mm，長軸為96 mm，大橢圓短軸為92 mm，長軸為124 mm，澆注料澆筑之前，先將左右墻及后墻鋼膜進行焊接固定，如圖11 和圖12 所示。

圖11 鋼膜平面展開圖

圖12 鋼膜三維示意圖

3.3 第三層孔洞制作工藝

第三層孔洞位于爐底澆注料承托鋼板上，該鋼板上面用于支撐澆注料，采用Q235 鋼板，由于澆注料重量較大，該鋼板厚度一般為8～12 mm，采用折彎工藝，并在爐體底部立柱處增加角筋板以增加強度。該層鋼板上孔洞的數量也為147 個，孔徑大小及間距與第一層鋼板完全相同，也采用激光切割制作。

3.4 第四層孔洞制作工藝

第四層孔洞位于硅碳棒底部的支撐角鋼上，硅碳棒采用豎直安裝，為防止其在自重下脫落，爐底設有角鋼制作的支撐裝置（見圖13）。支撐角鋼規格一般選用160 mm×100 mm×10 mm 的不等邊角鋼，寬度100 mm 的這一側與爐體方管橫梁進行焊接，寬度160 mm 的一側具有絕緣瓷墊防護圈，防止絕緣瓷墊移位，使硅碳棒棒體產生側向力。為了能夠較好地定位絕緣瓷墊防護圈，該支撐角鋼160 mm 的這一側同樣需要激光制作147 個孔，每一個孔對應焊接一個絕緣瓷墊防護圈，該防護圈采用Q235 無縫鋼管切割制作，其高度要小于絕緣瓷墊的高度，這樣既可以保證硅碳棒棒體底部及四周均與金屬構件隔離，又能起到絕緣瓷墊圓周限位的作用。絕緣瓷墊防滑圈與支撐角鋼上的小孔位置對應好后進行焊接固定。

圖13 支撐裝置示意圖

4 實例應用

2022 年7 月為建龍北滿特殊鋼有限責任公司設計制作了一臺臺車式硅碳棒高溫電阻爐，設備有效尺寸為11 m×2.8 m×2.5 m，臺車最大裝載量為150 t（不含墊鐵），額定溫度為1 300 ℃，爐溫均勻性±10 ℃，電熱元件硅碳棒數量為147 根，共分11區控溫，該臺車式硅碳棒高溫電阻爐采用了上述的具有氧化皮自動滑落功能的爐襯，如圖14 所示。可以看到，側墻及后墻的底部為低水泥高鋁質耐火澆注料，其余處爐襯為耐火纖維結構，其中，底部澆注料的迎火面為45°斜面，解決了氧化皮存留問題，提高了硅碳棒的使用壽命。該設備已成功驗收投產使用，得到了用戶的好評。

圖14 臺車式硅碳棒高溫電阻爐爐襯效果圖

5 結語

該臺車式硅碳棒高溫電阻爐爐襯，結構設計合理，構思巧妙，使用方便，氧化皮的滑落依靠氧化皮的自重，無需人工干預，有效解決了高溫加熱過程中產生的氧化皮掉落在硅碳棒的根部，互相堆積，造成硅碳棒棒體表面電阻不均、局部短路過熱，甚至會燒斷的問題，延長了硅碳棒的使用壽命。特別適用于臺車式硅碳棒高溫電阻爐領域。