加热炉膨胀缝的设计与施工
加热炉种类繁多，结构和部位的不同决定所选用的耐火材料也不同。由于耐火材料在烘烤、使用过程中会发生热胀冷缩，为了提高窑炉的使用寿命和生产安全性，减少或消除热应力，通常在加热炉设计时引入膨胀缝来解决问题，而工作层由于直接与高温烟气接触，因此是设计膨胀缝时主要考虑的部位。
1 膨胀缝的设计方法
加热炉内的膨胀缝尺寸设计，应根据耐火材料的线膨胀系数和其所承受的温度来确定，通常按下式计算[1]：
P=aL(t-t0)。
其中：P为膨胀尺寸，mm；a为线膨胀系数，℃-1；L为砌体尺寸，mm；t为砌体最高温度，℃；t0为砌体原始温度，℃。
表1为轧钢加热炉低水泥浇注料的主要理化指标。其中，PN-LN低水泥浇注料主要用在轧钢加热炉预热段，工作温度一般为1 000 ℃，按GB/T 7320-2008检测该浇注料试样经1 000 ℃ 3 h烧后的平均线膨胀系数；而PN-BH55、PN-BH60低水泥浇注料通常用在轧钢加热炉加热段及均热段，工作温度一般为1 300 ℃，按GB/T 7320-2008检测该浇注料试样经1 300 ℃ 3 h烧后的平均线膨胀系数。
表1 轧钢加热炉低水泥浇注料的主要理化指标
项目 w（Al2O3 ）/%
体积密度/(g·cm-3) 耐压强度/MPa
110 ℃ 24 h 110 ℃ 24 h 1 350 ℃ 3 h
抗折强度/MPa
110 ℃ 24 h 1 350 ℃ 3 h 110 ℃ 24 h
线变化率/%
1 000 ℃ 3 h 1 300 ℃ 3 h
平均线膨胀系数×10-6/℃-1
室温～1 000 ℃ 室温～1 300 ℃
PN-LN 52.48 2.28 42 68 6 8 -0.06 -0.22 6.2 1 300
PN-BH55 56.16 2.42 45 75 7 8 -0.06 -0.28 6.0 1 350
PN-BH60 60.62 2.48 48 78 7 9 -0.05 -0.30 6.2 1 350
可长期使用温度/℃
由表1可知，PN-LN浇注料在室温～1 000 ℃时的平均线膨胀系数为6.2×10-6 ℃-1，1 000 ℃ 3 h烧后的线变化率一般为-0.22%，所以PN-LN低水泥浇注料的膨胀缝留设按下式计算：6.2×10-6（℃-1）×（1 000 ℃-25℃）-0.22%=0.38%，即每米应留约4 mm的膨胀缝，每2 m左右留约8 mm的膨胀缝。PN-BH55浇注料在室温～1 300 ℃时的平均线膨胀系数分别为6.0×10-6 ℃-1，1 300 ℃ 3 h烧后的线变化率为-0.28%，所以PN-BH55低水泥浇注料的膨胀缝留设：6.0×10-6（℃-1）×（1 300 ℃-25℃）-0.28%=0.49%，即每米应留约5 mm的膨胀缝，每2 m左右留约10 mm的膨胀缝。PN-BH60低水泥浇注料在室温～1 300 ℃时的平均线膨胀系数分别为6.2×10-6 ℃-1，1 300 ℃ 3 h烧后的线变化率为-0.30%，所以PN-BH60低水泥浇注料的
· １ ·
膨胀缝留设按下式计算：6.2×10-6（C-1）×（1 300 ℃-25℃）-0.30%=0.49%，即每米应留约5 mm膨胀缝，每2 m左右留约10 mm膨胀缝。
但在实际施工过程中，PN-BH55、PN-BH60低水泥浇注料通常选择每2 m左右留约8 mm的膨胀缝，因为在高温下，材料有液相生成，液相的存在可缓冲材料的膨胀应力，故PN-BH55、PN-BH60低水泥浇注料在加热段及均热段一般每2 m左右留约8 mm的膨胀缝。
膨胀缝的留设应遵循以下原则：①受力部位不允许留设膨胀缝，以免降低炉体的强度；②炉体金属骨架部位不允许留设膨胀缝，以防从膨胀缝向外冒火，烧伤骨架；③不允许将留设在工作层的膨胀缝直通至炉外空气中；④工作层内的膨胀缝应该上下垂直贯通；⑤低温部位的砌体若膨胀极小，可以考虑不留设膨胀缝。
2 膨胀缝材料的选择
膨胀缝材料可以选择使用耐火纤维毡、马粪纸、PVC胀缝板等。
耐火纤维毡主要用在炉墙金属壳内绝热层、炉底绝热层、水梁内绝热层；在加热炉侧墙、端墙和炉顶之间也可以使用以缓冲膨胀，一般采用10 mm厚的耐火纤维毡，施工时纤维毡不能外露，在边角处可适当加厚至25 mm。耐火纤维毡应有一定硬度，密度达到0.18 g·cm-3以上，在施工过程中要不易变形，以保证膨胀缝位置和尺寸的准确。施工前，耐火纤维毡应首先按设计要求进行裁剪，尺寸为正公差，预制留出压缩空间，用薄塑料布包裹，胶带纸粘牢，这样可防止其吸取浇注料中的水分，影响到浇注料的流动性，并防止纤维毡破损，缩短寿命。施工时要将纤维毡固定牢，防止脱落，滑入浇注料中。
马粪纸主要使用在砖砌体上，如炉墙、炉底等砖砌部位。
加热炉耐火浇注料膨胀缝的填充材料一般选用具有良好的机械强度、耐候性和耐燃性的硬质PVC胀缝板，其外观如图1所示。严禁使用强度较低、外观质量较差的胀缝板。正常的胀缝板100 ℃受热就可压缩变形，180 ℃受热较易变形，放在电炉内260 ℃开始燃烧，冷却后炭化，在750 ℃高温下开始溶化，1 000 ℃燃烧后仅残留微量杂物。
图1 硬质PVC胀缝板的外观
3 膨胀缝的设计应用与施工
加热炉炉墙一般结构为钢壳+耐火纤维+硅钙板+轻质砖+浇注料。炉顶一般为浇注料+耐火纤维+轻质浇注料，少数炉顶为浇注料＋轻质浇注料＋耐火纤维＋硅钙板。炉底一般为高铝砖（或浇注料）+黏土砖＋轻质砖＋硅钙板。
3.1加热炉工作层用浇注料膨胀缝的设计与施工
为了保证炉体结构不变形，加热炉炉墙、炉顶工作层用浇注料时，应保证工作层内膨胀缝上下垂直贯
· · ２
通。
加热炉炉顶一般沿宽度方向每2 m左右留一条约8 mm的膨胀缝，在炉顶和两边炉墙接触部位各留设一层20 mm的纤维毡以作缓冲，沿长度方向每2 m左右留一条约8 mm的膨胀缝。工作层可选择快干防爆浇注料，该材料施工方便，烘烤时间短，使用性能优良，其理化指标如表2。留设膨胀缝时，可以根据加热炉结构，进行适当的位置调整，但应保证炉顶总长的膨胀缝尺寸和设计一致。炉顶重质浇注料施工完后，应在膨胀缝上部放上压火砖以防止窜火。
表2 快干防爆浇注料的理化指标
项目 w（Al2O3 ）/% 施工用量/(t·m-3)
体积密度/(g·cm-3） 耐压强度/MPa
110 ℃ 24 h 110 ℃ 24 h 1 350 ℃ 3 h
抗折强度/MPa
110 ℃ 24 h 1 350 ℃ 3 h
线变化率/％
110 ℃ 24 h 1 300 ℃ 3 h
可长期使用温度/℃
PN－SP50 ≥50 2.45 ≥2.20 ≥30 ≥50 ≥5 ≥8 0～-0.2 0～-0.5
PN－SP55 ≥55 2.45 ≥2.25 ≥45 ≥60 ≥6 ≥8 0～-0.2 0～-0.5
1 350
PN－SP60 ≥60 2.55 ≥2.35 ≥50 ≥65 ≥7 ≥8 0～-0.2 0～-0.5
PN－SP65 ≥65 2.65 ≥2.35 ≥55 ≥65 ≥8 ≥9 0～-0.2 0～-0.5
加热炉炉顶不同层间浇注料需同时留设膨胀缝时，上下层的膨胀缝应错开100 mm，施工上层浇注料前，在下层浇注料面上的膨胀缝处盖上2 mm厚纤维纸，同时整面铺塑料布，使上下分层，热态工作时，使浇注料的膨胀缝能正常起作用。
耐火浇注料用于炉底施工时，应将整个炉底分割成若干块施工体，膨胀缝在浇注料厚度方向为直形，即上下直通形式。加热炉炉底浇注料膨胀缝的留设可参照炉墙浇注料的膨胀缝留设方法，膨胀缝材料多用耐火纤维毡。
3.2浇注成型水梁膨胀缝的设计与施工
炉内支撑水梁施工时，先在锚固钩上刷一层沥青油，然后贴耐火纤维，厚度一般为20 mm，再于纤维毡外贴一层塑料薄膜，最后用塑料绳捆绑纤维毡及塑料薄膜，架模浇注。水梁的膨胀缝留设多在三通端处留设，膨胀缝材料用耐火纤维毡或PVC胀缝板，厚度为2～3 mm。表3为水冷管包扎用浇注料理化指标。
表3 水冷管包扎用浇注料理化指标
项目 w（Al2O3 ）/% 施工用量/(t·m-3)
体积密度/(g·cm-3） 耐压强度/MPa 抗折强度/MPa
110 ℃ 24 h 110 ℃ 24 h 1 350 ℃ 3 h 110 ℃ 24 h
PN-AH10-B
≥60 2.55 ≥2.35 ≥40 ≥65 ≥6
PN-AH15-B ≥≥65 2.65 ≥2.40 ≥40 ≥65 ≥6
· ３ ·
1 350 ℃ 3 h
线变化率/% 可长期使用温度/℃
110 ℃ 24 h 1 300 ℃ 3 h
≥8 0～-0.2 0～-0.5
1 350
≥8 0～-0.2 0～-0.5
4 膨胀缝施工的注意事项
1) 膨胀缝的位置、厚度尺寸、缝内填塞物等，一定要按设计要求或筑炉规范的规定施工，不得任意改动；
2) 一般不应将耐火砖的切割面朝向膨胀缝；
3) 膨胀缝应上下整齐，不得歪扭，缝内无泥浆、碎砖或杂物；
4) 工作层的膨胀缝后口与保温层相接近时，其后口外应使用与工作层相同材质的砖遮挡；
5) 根据加热炉的结构、部位、使用温度和所使用耐火材料的性能，设计时膨胀缝应参考使用经验对计算结果进行修订。
· · ４
加热炉膨胀缝的设计与施工
加热炉种类繁多，结构和部位的不同决定所选用的耐火材料也不同。由于耐火材料在烘烤、使用过程中会发生热胀冷缩，为了提高窑炉的使用寿命和生产安全性，减少或消除热应力，通常在加热炉设计时引入膨胀缝来解决问题，而工作层由于直接与高温烟气接触，因此是设计膨胀缝时主要考虑的部位。
1 膨胀缝的设计方法
加热炉内的膨胀缝尺寸设计，应根据耐火材料的线膨胀系数和其所承受的温度来确定，通常按下式计算[1]：
P=aL(t-t0)。
其中：P为膨胀尺寸，mm；a为线膨胀系数，℃-1；L为砌体尺寸，mm；t为砌体最高温度，℃；t0为砌体原始温度，℃。
表1为轧钢加热炉低水泥浇注料的主要理化指标。其中，PN-LN低水泥浇注料主要用在轧钢加热炉预热段，工作温度一般为1 000 ℃，按GB/T 7320-2008检测该浇注料试样经1 000 ℃ 3 h烧后的平均线膨胀系数；而PN-BH55、PN-BH60低水泥浇注料通常用在轧钢加热炉加热段及均热段，工作温度一般为1 300 ℃，按GB/T 7320-2008检测该浇注料试样经1 300 ℃ 3 h烧后的平均线膨胀系数。
表1 轧钢加热炉低水泥浇注料的主要理化指标
项目 w（Al2O3 ）/%
体积密度/(g·cm-3) 耐压强度/MPa
110 ℃ 24 h 110 ℃ 24 h 1 350 ℃ 3 h
抗折强度/MPa
110 ℃ 24 h 1 350 ℃ 3 h 110 ℃ 24 h
线变化率/%
1 000 ℃ 3 h 1 300 ℃ 3 h
平均线膨胀系数×10-6/℃-1
室温～1 000 ℃ 室温～1 300 ℃
PN-LN 52.48 2.28 42 68 6 8 -0.06 -0.22 6.2 1 300
PN-BH55 56.16 2.42 45 75 7 8 -0.06 -0.28 6.0 1 350
PN-BH60 60.62 2.48 48 78 7 9 -0.05 -0.30 6.2 1 350
可长期使用温度/℃
由表1可知，PN-LN浇注料在室温～1 000 ℃时的平均线膨胀系数为6.2×10-6 ℃-1，1 000 ℃ 3 h烧后的线变化率一般为-0.22%，所以PN-LN低水泥浇注料的膨胀缝留设按下式计算：6.2×10-6（℃-1）×（1 000 ℃-25℃）-0.22%=0.38%，即每米应留约4 mm的膨胀缝，每2 m左右留约8 mm的膨胀缝。PN-BH55浇注料在室温～1 300 ℃时的平均线膨胀系数分别为6.0×10-6 ℃-1，1 300 ℃ 3 h烧后的线变化率为-0.28%，所以PN-BH55低水泥浇注料的膨胀缝留设：6.0×10-6（℃-1）×（1 300 ℃-25℃）-0.28%=0.49%，即每米应留约5 mm的膨胀缝，每2 m左右留约10 mm的膨胀缝。PN-BH60低水泥浇注料在室温～1 300 ℃时的平均线膨胀系数分别为6.2×10-6 ℃-1，1 300 ℃ 3 h烧后的线变化率为-0.30%，所以PN-BH60低水泥浇注料的
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膨胀缝留设按下式计算：6.2×10-6（C-1）×（1 300 ℃-25℃）-0.30%=0.49%，即每米应留约5 mm膨胀缝，每2 m左右留约10 mm膨胀缝。
但在实际施工过程中，PN-BH55、PN-BH60低水泥浇注料通常选择每2 m左右留约8 mm的膨胀缝，因为在高温下，材料有液相生成，液相的存在可缓冲材料的膨胀应力，故PN-BH55、PN-BH60低水泥浇注料在加热段及均热段一般每2 m左右留约8 mm的膨胀缝。
膨胀缝的留设应遵循以下原则：①受力部位不允许留设膨胀缝，以免降低炉体的强度；②炉体金属骨架部位不允许留设膨胀缝，以防从膨胀缝向外冒火，烧伤骨架；③不允许将留设在工作层的膨胀缝直通至炉外空气中；④工作层内的膨胀缝应该上下垂直贯通；⑤低温部位的砌体若膨胀极小，可以考虑不留设膨胀缝。
2 膨胀缝材料的选择
膨胀缝材料可以选择使用耐火纤维毡、马粪纸、PVC胀缝板等。
耐火纤维毡主要用在炉墙金属壳内绝热层、炉底绝热层、水梁内绝热层；在加热炉侧墙、端墙和炉顶之间也可以使用以缓冲膨胀，一般采用10 mm厚的耐火纤维毡，施工时纤维毡不能外露，在边角处可适当加厚至25 mm。耐火纤维毡应有一定硬度，密度达到0.18 g·cm-3以上，在施工过程中要不易变形，以保证膨胀缝位置和尺寸的准确。施工前，耐火纤维毡应首先按设计要求进行裁剪，尺寸为正公差，预制留出压缩空间，用薄塑料布包裹，胶带纸粘牢，这样可防止其吸取浇注料中的水分，影响到浇注料的流动性，并防止纤维毡破损，缩短寿命。施工时要将纤维毡固定牢，防止脱落，滑入浇注料中。
马粪纸主要使用在砖砌体上，如炉墙、炉底等砖砌部位。
加热炉耐火浇注料膨胀缝的填充材料一般选用具有良好的机械强度、耐候性和耐燃性的硬质PVC胀缝板，其外观如图1所示。严禁使用强度较低、外观质量较差的胀缝板。正常的胀缝板100 ℃受热就可压缩变形，180 ℃受热较易变形，放在电炉内260 ℃开始燃烧，冷却后炭化，在750 ℃高温下开始溶化，1 000 ℃燃烧后仅残留微量杂物。
图1 硬质PVC胀缝板的外观
3 膨胀缝的设计应用与施工
加热炉炉墙一般结构为钢壳+耐火纤维+硅钙板+轻质砖+浇注料。炉顶一般为浇注料+耐火纤维+轻质浇注料，少数炉顶为浇注料＋轻质浇注料＋耐火纤维＋硅钙板。炉底一般为高铝砖（或浇注料）+黏土砖＋轻质砖＋硅钙板。
3.1加热炉工作层用浇注料膨胀缝的设计与施工
为了保证炉体结构不变形，加热炉炉墙、炉顶工作层用浇注料时，应保证工作层内膨胀缝上下垂直贯
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加热炉炉顶一般沿宽度方向每2 m左右留一条约8 mm的膨胀缝，在炉顶和两边炉墙接触部位各留设一层20 mm的纤维毡以作缓冲，沿长度方向每2 m左右留一条约8 mm的膨胀缝。工作层可选择快干防爆浇注料，该材料施工方便，烘烤时间短，使用性能优良，其理化指标如表2。留设膨胀缝时，可以根据加热炉结构，进行适当的位置调整，但应保证炉顶总长的膨胀缝尺寸和设计一致。炉顶重质浇注料施工完后，应在膨胀缝上部放上压火砖以防止窜火。
表2 快干防爆浇注料的理化指标
项目 w（Al2O3 ）/% 施工用量/(t·m-3)
体积密度/(g·cm-3） 耐压强度/MPa
110 ℃ 24 h 110 ℃ 24 h 1 350 ℃ 3 h
抗折强度/MPa
110 ℃ 24 h 1 350 ℃ 3 h
线变化率/％
110 ℃ 24 h 1 300 ℃ 3 h
可长期使用温度/℃
PN－SP50 ≥50 2.45 ≥2.20 ≥30 ≥50 ≥5 ≥8 0～-0.2 0～-0.5
PN－SP55 ≥55 2.45 ≥2.25 ≥45 ≥60 ≥6 ≥8 0～-0.2 0～-0.5
1 350
PN－SP60 ≥60 2.55 ≥2.35 ≥50 ≥65 ≥7 ≥8 0～-0.2 0～-0.5
PN－SP65 ≥65 2.65 ≥2.35 ≥55 ≥65 ≥8 ≥9 0～-0.2 0～-0.5
加热炉炉顶不同层间浇注料需同时留设膨胀缝时，上下层的膨胀缝应错开100 mm，施工上层浇注料前，在下层浇注料面上的膨胀缝处盖上2 mm厚纤维纸，同时整面铺塑料布，使上下分层，热态工作时，使浇注料的膨胀缝能正常起作用。
耐火浇注料用于炉底施工时，应将整个炉底分割成若干块施工体，膨胀缝在浇注料厚度方向为直形，即上下直通形式。加热炉炉底浇注料膨胀缝的留设可参照炉墙浇注料的膨胀缝留设方法，膨胀缝材料多用耐火纤维毡。
3.2浇注成型水梁膨胀缝的设计与施工
炉内支撑水梁施工时，先在锚固钩上刷一层沥青油，然后贴耐火纤维，厚度一般为20 mm，再于纤维毡外贴一层塑料薄膜，最后用塑料绳捆绑纤维毡及塑料薄膜，架模浇注。水梁的膨胀缝留设多在三通端处留设，膨胀缝材料用耐火纤维毡或PVC胀缝板，厚度为2～3 mm。表3为水冷管包扎用浇注料理化指标。
表3 水冷管包扎用浇注料理化指标
项目 w（Al2O3 ）/% 施工用量/(t·m-3)
体积密度/(g·cm-3） 耐压强度/MPa 抗折强度/MPa
110 ℃ 24 h 110 ℃ 24 h 1 350 ℃ 3 h 110 ℃ 24 h
PN-AH10-B
≥60 2.55 ≥2.35 ≥40 ≥65 ≥6
PN-AH15-B ≥≥65 2.65 ≥2.40 ≥40 ≥65 ≥6
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线变化率/% 可长期使用温度/℃
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≥8 0～-0.2 0～-0.5
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≥8 0～-0.2 0～-0.5
4 膨胀缝施工的注意事项
1) 膨胀缝的位置、厚度尺寸、缝内填塞物等，一定要按设计要求或筑炉规范的规定施工，不得任意改动；
2) 一般不应将耐火砖的切割面朝向膨胀缝；
3) 膨胀缝应上下整齐，不得歪扭，缝内无泥浆、碎砖或杂物；
4) 工作层的膨胀缝后口与保温层相接近时，其后口外应使用与工作层相同材质的砖遮挡；
5) 根据加热炉的结构、部位、使用温度和所使用耐火材料的性能，设计时膨胀缝应参考使用经验对计算结果进行修订。
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