玻璃熔窑用高级耐火材料
实现最佳性能和寿命的综合技术指南
第一部分：玻璃熔窑运行和耐火材料性能的基础原理
1.1 玻璃熔窑作为高温系统
现代玻璃熔窑是一台高度复杂的工业设备，设计用于在极端条件下连续运行，运行周期可超过十年。为了充分理解耐火材料的作用和要求，首先必须了解控制熔窑运行的基本原理。它不仅仅是一个被动的容纳容器，而是一个动态系统，既是高温热交换器，也是复杂的化学反应器。在这个系统中，通过一系列精心控制的过程（熔化、澄清和均化）将原料转化为均匀精制的熔融玻璃。
整个操作都遵循热力学定律。第一定律决定了系统的整体热平衡，考虑了所有能量输入（燃料燃烧、电增压）和输出（玻璃吸收的热量、结构热损失、烟气损失）。第二定律引入了过程不可逆性的概念，揭示了熔窑优化核心中的根本冲突：实现高生产率（拉速）和最大限度地提高能源效率这两个相互竞争的目标。追求更高的产量不可避免地会导致较低的热效率，从而产生一个狭窄的操作“瓶颈”，必须在此仔细平衡性能。
熔窑内主要的热传递机制是辐射。例如，熔窑窑顶吸收来自燃烧火焰的巨大能量，并将大部分热量辐射到玻璃液，在熔化过程中发挥着积极作用。整个热力系统的效率由单位能耗 (SEC) 来量化，这是任何玻璃厂的关键绩效指标，通常以每吨玻璃生产的兆焦耳 (MJ/t) 来衡量。
历史能源效率进展
20世纪30年代： 20,200 MJ/t → 1970年： 9,400 MJ/t → 1990年： 5,800 MJ/t
现代最佳水平： 3,700-3,800 MJ/t（容器玻璃）
理论目标： 2,800-3,000 MJ/t
这一进展揭示了熔窑设计和材料科学之间的共生演变；能够承受更高温度的更耐用的耐火材料的开发是这些效率提升的主要推动力。更高的运行温度提高了熔化过程的热力学效率，从而实现更有效的热传递和更快的熔化速度，直接有助于降低每吨玻璃的能耗。
现代性能基准不断突破效率的界限。一项对130多个容器玻璃熔窑进行的综合基准调查（数据已标准化为50%的碎玻璃比率）发现，排名前10%的熔窑的单位能耗为3,900 MJ/t。其他独立调查也证实了这些数据，确定了在3,700-3,800 MJ/t范围内运行的最佳熔窑。对于更大规模的浮法玻璃行业，单位能耗高度依赖于熔窑尺寸和拉速，典型值范围从日产1,000吨熔窑的5,000 MJ/t到日产600吨熔窑的7,250 MJ/t。
1.2 全球耐火材料市场概况
玻璃熔窑的性能和寿命与其耐火内衬的质量和战略应用密切相关。这些材料构成了一个重要的全球市场，由所有高温重工业的需求驱动。2024年的市场分析显示，估值范围从大约288亿美元到高达454亿美元不等。这种巨大的差异并不一定矛盾，而是反映了市场定义的复杂性；不同的报告在包含原材料、成品、安装服务以及快速增长的再生耐火材料细分市场方面可能有所不同，而再生耐火材料本身就是一个价值超过136亿美元的市场。
全球耐火材料市场的主要驱动力是钢铁行业，该行业占总需求的65%以上。然而，市场也受到其他行业的显著推动。新兴经济体的大型基础设施项目推动了水泥行业的发展，水泥行业是其窑炉耐火材料的主要消费者。玻璃行业是另一个关键的最终用途细分市场，其需求与住宅和商业建筑趋势相关。事实上，虽然总量小于钢铁，但玻璃和陶瓷行业通常被认为是增长率最高的行业。
市场细分分析
最终用途行业： 钢铁（65%）、水泥、有色金属、玻璃、发电
形式： 砖块和异型产品、整体式和非整体式材料
化学成分： 粘土基材料与高纯度合成非粘土材料
碱度： 酸性（二氧化硅）、中性（高铝）、碱性（氧化镁）
地理位置： 亚太地区占据主导地位，市场份额为65-75%
第二部分：玻璃熔窑耐火材料汇编
耐火材料的选择是一项关键的工程学科，它决定了玻璃熔窑的性能、效率和运行寿命。熔窑的每个区域都存在独特的热、化学和机械应力组合，需要选择具有特定性能的材料。本节提供了现代玻璃熔窑结构中主要耐火材料类型的详细汇编，其基础是已建立的行业标准。
2.1 硅质耐火材料：皇冠上的明珠
二氧化硅耐火材料，其成分中二氧化硅（SiO₂）含量超过93%，属于酸性材料，是窑炉上部结构，特别是窑顶的主要组成部分。它们在该应用中的卓越地位源于其独特的性能组合，使其非常适合跨越大型高温空隙。
主要特性：
高温抗压强度 (RUL)： 二氧化硅砖最重要的特性是其在接近实际熔点的高温下承受较大压缩载荷的能力。与许多逐渐软化的其他耐火材料不同，二氧化硅在破坏前保持刚性和体积稳定性。标准级产品的RUL值（T₀.₅）为1650°C至1680°C，而特级产品能够承受超过1660°C高温下的载荷。这确保了大型窑炉窑顶在多年运行期间的结构完整性。
工作温度下的体积稳定性： 虽然二氧化硅在较低温度下表现出明显的热膨胀，但在约800°C时，这种膨胀基本完成。高于此温度，它具有显著的体积稳定性，这可以防止在运行过程中可能危及窑炉结构的持续膨胀压力。
热膨胀： 二氧化硅砖的低温膨胀是其最重要的操作和处理难题。SiO₂的多晶型转变（例如，β-石英到α-石英）会导致体积发生快速变化，尤其是在600°C以下。这需要缓慢、精心控制的升温程序，以防止开裂和结构损坏。
热导率： 二氧化硅砖是相对良好的绝缘体，有助于在窑炉内保存热量。致密级产品的热导率值通常在1.3至1.5 W/m⋅K之间，特种绝缘级产品的热导率值在350°C时约为0.55 W/m⋅K。
抗蠕变性： 二氧化硅表现出优异的抗蠕变性，这是指材料在高温下长期受力缓慢变形的趋势。该特性对于在多年的使用寿命中保持窑顶拱形的精确几何形状至关重要。
耐化学性： 作为一种酸性耐火材料，二氧化硅对酸性炉渣和窑炉气氛具有优异的耐受性。但是，它容易受到碱性粉尘和蒸汽（例如，来自纯碱携带）的侵蚀，这些物质会形成低熔点共晶体并加速磨损。必须通过窑炉设计和运行控制来管理这一因素。
| 特性 | 单位 | BG-96A级 | BG-96B级 | BG-95级 | 典型范围 |
|---|---|---|---|---|---|
| SiO₂含量 | % | ≥96 | ≥96 | ≥95 | 95−99 |
| 堆积密度 | g/cm³ | — | — | — | 1.80−1.90 |
| 表观孔隙率 | % | ≤21 | ≤22 | ≤22 | 16−22 |
| 冷压强度 (CCS) | MPa | ≥40 | ≥35 | ≥30 | 30−45 |
| 高温抗压强度 (T₀.₅) | °C | ≥1680 | ≥1680 | ≥1670 | 1650−1690 |
| 压缩蠕变 (0.2MPa) | % | — | — | — | 0% @ 1600°C |
2.2 氧化铝-二氧化硅体系：从耐火粘土到高铝质
氧化铝-二氧化硅（Al₂O₃-SiO₂）体系包含各种耐火材料，从经济高效的耐火粘土到高性能高铝砖。它们的分类和性能由行业标准ASTM C27-98（2022年重新批准）明确定义，该标准为根据其化学成分和物理性能指定和比较材料提供了强大的框架。
耐火粘土砖：
这些材料由耐火粘土制成，并根据其物理特性（如高温烧结锥当量（PCE），即其软化温度的量度）进行分类。特级耐火粘土砖通常含有约42%的Al₂O₃，其特点是PCE最小值为33，并且具有良好的机械强度。它们广泛用于窑炉系统的低温区域，例如窑底和侧壁的衬里以及蓄热室的较冷部分。
高铝砖：
当氧化铝含量超过耐火粘土时，该材料被归类为高铝砖。性能特性（特别是耐火度、RUL和耐化学性）通常与Al₂O₃含量成正比。
- 70%氧化铝： 这些砖的性能有了显著提高，RUL值约为1500°C，机械强度高，耐热冲击性好。它们适用于蓄热室上壁和炉口结构等应用。
- 80%氧化铝： 典型的RUL超过1530°C，堆积密度约为2.75 g/cm³，冷压强度 (CCS) 为60-70 MPa，这些砖在苛刻的环境中提供强大的性能。
- 90%氧化铝： 作为该类别的顶级产品，90%氧化铝砖具有卓越的性能，RUL值达到或超过1700°C，堆积密度超过2.90 g/cm³，CCS值超过70 MPa。它们仅用于承受极高热负荷和机械负荷的区域。
| 特性 | 单位 | 75% Alumina | 80% Alumina | 85% Alumina | 90% Alumina |
|---|---|---|---|---|---|
| Al₂O₃含量 | % | ≥75 | ≥80 | ≥85 | ≥90 |
| 堆积密度 | g/cm³ | ≥2.50 | ≥2.60 | ≥2.80 | ≥2.90 |
| 表观孔隙率 | % | ≤24 | ≤23 | ≤22 | ≤19 |
| 冷压强度 (CCS) | MPa | ≥60 | ≥65 | ≥70 | ≥70 |
| 高温抗压强度 (T₀.₆) | °C | ≥1520 | ≥1530 | ≥1550 | ≥1700 |
2.3 熔铸AZS：玻璃接触的先锋
对于直接接触熔融玻璃的耐火材料而言，没有什么材料比熔铸氧化铝-氧化锆-二氧化硅 (AZS) 更为关键。这些材料经过专门设计，能够承受熔化池内强烈的化学腐蚀和热应力。
制造和显微结构：
制造工艺是 AZS 性能的关键。将高纯度氧化铝、锆砂和其他添加剂的精确混合物在高于 1800°C 的温度下，在电弧炉中熔化。然后将这种熔融材料浇铸成型并缓慢冷却。此过程会产生致密的、互锁的勃姆石 (ZrO₂) 和刚玉 (Al₂O₃) 晶体微观结构，它们提供了主要的结构和耐腐蚀框架。这些晶体嵌入残余的硅质玻璃基体中，该基体填充间隙空间。砌块的最终性能不仅取决于其整体化学成分，而且还严重依赖于这种微观结构的质量和所使用的浇铸技术。
主要特性：
卓越的耐腐蚀性： AZS 的主要优点是其优异的耐熔融玻璃腐蚀性。勃姆石 (ZrO₂) 晶体在大多数玻璃熔体中高度不溶，并在耐火材料-玻璃界面形成保护层，从而减缓更易溶解的刚玉和玻璃相的溶解。这种耐腐蚀性直接随着材料中氧化锆含量的增加而增加。
玻璃相析出： AZS 的一个关键性能特征是其间隙玻璃相可能在工作温度下渗出或“冒汗”到耐火材料的热面上。这种渗出的玻璃会流入熔体中，并产生诸如结石和气泡之类的缺陷。析出的倾向受玻璃相的化学成分影响，特别是受氧化铁 (Fe₂O₃) 和二氧化钛 (TiO₂) 等杂质的浓度影响。评估此性能的标准测试方法是 ASTM C1223。
先进的浇铸技术： 熔融 AZS 的冷却和凝固自然会导致在铸造块内形成收缩空隙或“缩孔”。如果此空隙位于高磨损区域，则在炉窑运行期间，它可能会因腐蚀而暴露，从而导致磨损率迅速且灾难性地增加，并可能导致玻璃泄漏。为了减轻这种固有风险，制造商开发了先进的浇铸技术，通常称为无空隙浇铸 (VFC)，或用 WS（无空隙）、VF（无空隙）和 ENC（端切）等代码表示。这些方法会战略性地定位和/或去除最终砌块中的收缩空隙，确保为最关键的应用提供致密的、坚固的耐火材料。
等级和规格：
AZS 耐火材料主要按其氧化锆的标称重量百分比分级：
- AZS-33： 含有约 33% 的 ZrO₂，这是最广泛用于一般玻璃接触应用的等级，包括熔化器侧壁、铺路和上部结构组件。
- AZS-36： 含约 36% 的 ZrO₂，此等级具有增强的耐腐蚀性，适用于磨损较大的区域，例如炉膛角、堰墙和炉口门槛。
- AZS-41： 作为含约 41% ZrO₂ 的高级别产品，AZS-41 提供最高的耐腐蚀性。它仅用于在炉膛喉部、电极块、鼓泡块和坝墙中发现的最恶劣的服务条件。
| 特性 | 单位 | AZS-33 | AZS-36 | AZS-41 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 化学成分 | |||||
| Al₂O₃ | % | ≥50.0 | ≥49.0 | ≥45.0 | |
| ZrO₂ | % | ≥32.5 | ≥35.5 | ≥40.5 | |
| SiO₂ | % | ≤15.5 | ≤13.5 | ≤13.0 | |
| 物理性能 | |||||
| 堆积密度 | g/cm³ | ≥3.70 | ≥3.75 | ≥3.88 | |
| 表观孔隙率 | % | ≤1.4 | ≤1.2 | ≤1.2 | |
| 冷压强度 (CCS) | MPa | ≥200 | ≥200 | ≥200 | |
| 玻璃相析出温度 | °C | ≥1400 | ≥1400 | ≥1410 | |
| 耐玻璃腐蚀性 (1500°C，36 小时) | mm/24h | ≤1.4 | ≤1.3 | ≤1.2 | |
2.4 高氧化锆和特种耐火材料
对于特种玻璃的生产，例如硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐显示玻璃和微晶玻璃，即使是极微量的污染也可能导致产品无法使用，因此需要更高纯度的耐火材料。
高氧化锆熔铸 (HZFC)： 这些耐火材料含有 90% 到 97% 的 ZrO₂，并具有最高的耐腐蚀性和最低的产生玻璃缺陷的可能性。其微观结构几乎完全由勃姆石晶体组成，只有极少量的间隙玻璃相。虽然其性能无与伦比，但 HZFC 材料的成本要高得多，而且制造也更具挑战性。氧化锆的高熔点（超过 2500°C）以及与其相变相关的巨大体积变化使得铸造大型无裂纹砌块极其困难。因此，它们的应用仅限于特种玻璃窑炉中最关键的区域。
2.5 再生器系统的碱性耐火材料
再生器室内的环境与熔化池的环境根本不同。在这里，主要威胁不是熔融玻璃的腐蚀，而是来自碱性蒸汽以及来自高温下炉料的颗粒物携带的高强度化学侵蚀。这需要一类不同的耐火材料：碱性耐火材料。
成分和类型： 碱性耐火材料基于氧化镁 (MgO)，包括氧化镁、氧化镁铬和镁橄榄石砖等材料。对于玻璃窑再生器检查器堆和炉墙的上部最热部分，直接结合的氧化镁铬砖是首选材料。这些材料由高纯度烧结氧化镁和铬精矿制成，在非常高的温度（高于 1700°C）下烧制。这种烧制过程会产生坚固的微观结构，其特征在于方镁石 (MgO) 和尖晶石 (MgO⋅Cr₂O₃) 晶体之间的直接固态结合，晶界中的硅酸盐相最少。
主要特性：
- 高耐碱性： 这是它们在蓄热器中使用的主要原因。基本的耐火材料在碱性化合物（钠、钙等）存在下表现出优异的化学稳定性，这些化合物从熔体中挥发出来，并随废气一起带走。
- 高耐火度： 镁铬砖具有非常高的耐火度（超过2000°C）和RUL值，通常超过1550°C，高等级的直接结合产品达到1700°C。
- 水化敏感性： 这是镁基耐火材料最显著的弱点。在40°C到120°C之间的温度下，MgO可以与水或蒸汽反应形成氢氧化镁（Mg(OH)₂），也称为水镁石。这种化学反应伴随着高达115%的巨大体积膨胀，产生巨大的内应力，导致砖块开裂、变弱，最终崩解成粉末——这种失效模式被称为“粉化”。因此，严格的无水储存协议、安装过程中的处理以及快速、受控的炉子升温对于防止蓄热器结构的灾难性破坏绝对至关重要。
第三部分：提高炉子寿命的战略应用和设计
耐火材料的最佳选择只是第一步；它们在设计良好的炉子中的战略应用最终决定了炉子的效率、玻璃质量和运行寿命。现代玻璃熔炉不是一个整体，而是一个精心分区的系统，其中每个部件都衬有专门选择的材料，以抵消该位置存在的独特破坏力。这种系统工程方法考虑了耐火材料、结构钢和操作参数之间的相互作用，对于实现长期可靠的性能至关重要。
3.1 分区耐火材料设计：按应用分类的材料矩阵
没有一种耐火材料能够承受玻璃熔炉内所有不同的条件。因此，采用分区或“映射”衬里方法，创建不同材料的镶嵌图，这些材料适合特定的微环境。
熔化池底部结构： 炉底是一个多层系统，设计用于隔热和安全。典型的结构始于混凝土底层，它充当防止玻璃渗透的最终安全屏障。在其上方是几层绝缘耐火砖和更致密的耐火粘土备用砖块，它们减少了通过底部的热量损失并创造了热梯度。最终层与熔融玻璃直接接触，由熔铸AZS铺路砖组成，其耐腐蚀性很高。
熔化池侧壁： 侧壁，尤其是在金属线处，由于高温和对流玻璃流的共同作用，是炉内磨损最严重的区域之一。因此，它们由高等级的无孔隙（WS/VF）熔铸AZS砌块构成，以防止由于内部铸造缺陷而过早失效。沿罐体的长度进行分区至关重要。最剧烈的区域——例如“热点”区域、喉部入口以及电极或鼓泡器周围——需要AZS-41最高的耐腐蚀性。在熔化和精炼区域较冷、较不剧烈的区域，AZS-33或AZS-36提供了一种经济有效且耐用的解决方案。
上部结构（炉顶和炉孔）： 炉顶几乎普遍采用特级硅砖建造。其无与伦比的耐高温荷重能力和在高温下的出色体积稳定性使其成为创建大型自支撑拱形结构的唯一可行选择，这些结构可以在十多年内运行而不会变形。炉孔和炉胸壁容纳燃烧器并引导火焰，它们承受强烈的热循环和燃料杂质以及炉料带入的化学侵蚀。这些区域通常由高铝砖构成，或者在非常恶劣的环境中使用熔铸AZS。
蓄热器： 蓄热室也垂直分区。格子填料的顶层和上部室壁承受最高的温度和碱性蒸汽最集中的侵蚀。该区域需要直接结合的镁铬砖的优异耐碱性。随着格子填料向下温度降低，化学侵蚀变得不那么严重，允许在下部较冷区域使用更经济的高铝砖和耐火粘土砖。
工作端和前窑： 在这些区域，玻璃已经完全熔化和精炼，主要关注点从高温耐腐蚀性转变为保持绝对的玻璃质量。所使用的耐火材料必须具有非常低的释放缺陷（结石、气泡或条纹）到玻璃流中的可能性。因此，熔铸α-β氧化铝等材料通常被指定用于工作端和进料通道，因为它们在这些调节温度下具有优异的纯度和稳定性。
3.2 增强熔体动力学：电助熔和鼓泡的作用
现代熔炉操作通常采用过程强化技术来提高熔化速度和改善均匀性。然而，这些系统从根本上改变了熔炉内的磨损模式，产生了局部、高度侵蚀的腐蚀区域，这些区域需要更高性能的耐火材料。
电助熔： 这包括通过炉底或侧壁安装钼电极，以使电流直接通过熔融玻璃，通过焦耳效应（P=I²R）产生热量。这种技术提供了一种将能量输送到玻璃浴深处的非常有效的方法，可以提高熔炉的整体熔化能力，提高热效率，并可用于战略性地控制玻璃循环模式。放置在靠近热点的池子上的“屏障助熔器”可以创造一个热屏障，增强主要循环回路并提高玻璃质量。然而，电极周围巨大的能量密度会产生极高的温度和高度局部化的剧烈腐蚀。这需要使用最强大的耐火材料，例如AZS-41或HZFC，用于电极块，以防止过早失效。
空气鼓泡： 从炉底注入气泡流的做法是控制熔体动力学的另一个有力工具。上升的气泡将较冷、较粘稠的玻璃从池底拖到表面，产生强烈的向上对流。这种作用极大地改善了来自上部燃烧空间到熔化炉料的热传递，并增强了熔体的整体均匀性。与电极一样，鼓泡器喷嘴周围集中的机械和热作用会产生高磨损区域，这需要使用高耐腐蚀性材料，如AZS-41，用于鼓泡器块。
3.3 施工、升温和膨胀管理
熔炉的寿命不仅取决于耐火砖的质量，还取决于整个系统的完整性，包括连接它们的接缝以及将它们加热到工作温度的程序。
砂浆选择： 砂浆接缝通常是耐火衬里的薄弱环节，为玻璃或蒸汽渗透提供了潜在的途径。因此，选择化学相容且高性能的砂浆至关重要。例如，蓄热器中的碱性砖必须用高镁砂浆铺设以抵抗碱性侵蚀。在上部结构中，硅砖和AZS砌块中的接缝通常用锆基浆料密封，以提供紧密的耐高温密封。
预组装和施工技术： 为了最大限度地减少易损接头的数量并减少现场复杂的砌砖工作，现代熔炉结构越来越多地采用大型整体预制耐火材料。拱顶和炉顶等部件可以在受控条件下异地浇铸，然后作为单个单元安装，从而提高结构完整性并大大缩短施工时间。
受控升温： 初始升温可以说是熔炉寿命中最关键的阶段。升温管理不当可能会在熔炉熔化玻璃之前造成不可逆转的损坏。缓慢、精确控制的温度升高对于以下两个主要原因至关重要：
- 控制硅砖的热膨胀：必须通过熔炉的钢筋和拉杆系统来适应硅质炉顶在800°C以下的显着且快速的膨胀。升温过快会导致过度应力，从而导致砖石破碎或开裂。
- 防止碱性耐火材料水化：必须尽快安全地将蓄热室结构加热通过40°C至120°C的关键水化窗口，以在残留水分与镁铬砖发生反应之前将其排出。
为了实现这种均匀和受控的加热，使用了专门的高速燃烧器。这些燃烧器以高速喷射高温气体，在熔炉内引起强烈的循环模式，确保均匀的温度分布并防止产生有害的热点。
第四部分：最大限度地延长使用寿命：维护、维修和监控
玻璃厂的经济可行性很大程度上受其熔炉的使用寿命的影响。冷态重建是一项巨大的工程，涉及数月的停机时间和大量的资本支出。因此，旨在延长熔炉使用寿命的策略和技术至关重要，这代表了这些关键资产管理方式的根本转变。
4.1 熔炉寿命的演变
过去一个世纪以来，延长熔炉使用寿命的进展令人瞩目。在20世纪30年代，典型的熔炉使用寿命仅为1到1.5年。如今，由于耐火材料、熔炉设计和操作实践的巨大进步，使用寿命已大大延长。现在预计现代熔炉可以连续运行多年：
现代使用寿命预期
容器玻璃熔炉： 9到10年以上
浮法玻璃熔炉： 12到15年以上，有些接近20年
玻璃纤维熔炉： 6到10年
使用寿命的延长具有直接而重大的经济影响。每增加一年的运行时间，就可以推迟数百万美元的重建资本投资。此外，延长使用寿命的主动维护可以节省大量的耐火材料；将熔炉的使用寿命延长一年可以将耐火材料的年化成本降低多达50%。这使得熔炉维护从反应性成本中心转变为资本资产管理的战略工具。
4.2 先进的热修复和维护技术
在熔炉保持在或接近工作温度时进行维修的能力是现代寿命延长策略的基石。这些技术允许操作人员解决局部磨损，加固薄弱区域并延缓可能导致完全停机的故障发生。
陶瓷焊接： 这是一种高度专业化的热修复工艺，用于修复裂缝、填充接缝以及重建耐火材料上部结构的剥落或腐蚀区域。该工艺涉及使用氧气流通过水冷喷嘴喷射精细研磨的耐火材料粉末（例如，硅石、AZS）和金属燃料（例如，铝、硅）的混合物。燃料在高温耐火材料表面点燃，产生放热反应，产生超过2200°C（4000°F）的温度。这种高温熔化耐火材料粉末，将其熔合到母材上，并形成耐用的陶瓷粘合补丁。它是预防性维护的有效工具，能够解决硅质炉顶、AZS炉口门槛和其他关键区域的损坏，而不会中断生产。
热涂层和修补： 对于较大的磨损区域，尤其是在玻璃接触面（如窑体侧壁）上，涂层是一种常见的寿命延长技术。这包括在现有磨损面上涂覆一层新的耐火材料。这可以使用预烧电熔砖来完成，这些砖小心地放置在磨损的墙面上。成功的涂层工作可以使熔炉的使用寿命延长三到四年。或者，可以使用整体浇注料。现代AZS基浇注料具有自流特性和快速、低温烧结能力（在1200-1300°C下固化），这大大缩短了维修时间，并避免了传统材料所需的漫长、危险且昂贵的升温。
用于寿命延长的富氧燃烧增强： 随着熔炉的老化，其蓄热室经常会堵塞或结构受损，降低其预热燃烧空气的能力。这会导致热效率降低，并降低熔炉的最大拉速。为了抵消这一点，可以安装富氧燃烧器作为增强系统。通过用纯氧而不是预热空气提供一部分燃烧能量，熔炉可以保持其拉速和运行稳定性，有效地补偿失效的蓄热室。这种策略可以将熔炉的使用寿命延长三年，为计划中的冷态重建提供关键的桥梁，并避免代价高昂的计划外停机。
4.3 无损监测和检查
从反应性维护到主动性维护，最终到预测性维护的转变，得益于先进的无损检测 (NDT) 技术，这些技术使工程师能够在熔炉仍在运行时评估炉衬的状况。这些实时数据对于识别磨损模式、预测潜在的故障点和规划有针对性的维修非常宝贵。
基于雷达的厚度测量： 这是熔炉健康监测的一项突破性技术。便携式基于雷达的传感器可用于运行熔炉的外部，以测量玻璃接触耐火材料衬里的剩余厚度。雷达信号穿透外部钢壳和绝缘层，从致密耐火材料（例如，AZS）和熔融玻璃之间的界面反射。通过测量信号的飞行时间，系统可以计算残余壁厚，在工业试验中已证明其精度达到95%或更高。这为操作人员提供了耐火材料磨损的直接、定量测量，用硬数据代替了估计。
熔炉断层扫描传感器 (FTS)： FTS 是一种补充性的基于雷达的技术，旨在检测玻璃渗透到主要玻璃接触衬里后面的备用绝缘层中。通过创建绝缘层的断层扫描图，系统可以识别表明早期玻璃泄漏的异常情况，从而提供关键的早期预警，远早于在熔炉壳体上可见热点。
热成像： 使用红外 (IR) 热像仪连续或定期扫描熔炉外部钢壳是一种完善的无损检测方法。它允许识别局部热点，这些热点是内部耐火材料降解或绝缘失效的明显指标。这些数据允许维护团队进行有针对性的热修复，例如施加外部过冷或规划内部陶瓷焊接，以解决薄弱区域并防止潜在的停机。
实时收集耐火材料磨损数据的能力改变了维护计划。操作人员无需依赖历史平均值或等待可见的故障，即可随着时间的推移跟踪关键部件的实际磨损率。此数据可用于构建预测模型，预测特定炉区的寿命终点，从而能够在需要之前精确安排热修，从而最大限度地提高资产利用率，最大限度地降低风险，并优化维护预算。
第五部分：耐火材料和玻璃熔化的未来
玻璃行业正处于技术拐点，受到脱碳和对高性能产品需求的双重压力驱动。这正在推动整个价值链的创新，从耐火材料的基础科学到熔炉运行的数字化转型。未来的熔炉将是一个高效、数据驱动、物理信息系统，由下一代材料建造，并在可持续的循环经济中运行。
5.1下一代材料和纳米技术
耐火材料性能的下一个飞跃有望来自在微米和纳米尺度上工程材料以实现定制特性。
耐火材料中的纳米技术： 纳米技术的应用包括将纳米级颗粒（通常<100 nm）集成到耐火基体中，以从根本上改变其性能。通过精确控制纳米颗粒的分散，可以优化堆积结构，减少孔隙率，并创建新的键合机制。这可以显著提高机械强度、导热率以及耐腐蚀和耐热侵蚀性。虽然仍然是一个新兴领域，但纳米技术有望创造出一类新型的“设计型”耐火材料，其性能特性远远超过传统材料。
蜂窝陶瓷： 为了追求更高的能源效率，传统的蓄热器格子砖正受到先进蜂窝陶瓷结构的挑战。这些材料通常由堇青石、莫来石或碳化硅制成，具有许多小型平行通道的基体，与传统砖相比，其传热表面积大得多。这种增强的传热能力允许更有效地从烟气中回收余热，从而提高燃烧空气预热温度。其结果是熔炉效率得到直接提高，文献记载的燃料节省率为5-10%或更高，相应的CO₂和NOₓ排放量也减少了。
5.2数字熔炉：智能耐火材料、人工智能和数字孪生
先进传感、数据分析和计算建模的融合正在将玻璃熔炉从手动控制的工艺单元转变为智能的、自优化的系统。
智能耐火材料： 熔炉监测的下一个前沿是开发具有嵌入式传感功能的“智能耐火材料”或“智能部件”。这包括在制造过程中将高温传感器（例如光纤）直接集成到耐火砖中。这些嵌入式传感器可以提供关于关键参数的连续、实时、原位数据，例如来自炉衬深处的温度梯度、应变、应力以及化学降解。这将提供前所未有的洞察力，了解耐火系统的健康状况和性能。
人工智能（AI）和机器学习： 现代玻璃厂会产生大量传感器数据。人工智能和机器学习平台正在被部署以实时分析这些复杂的数据流，以优化熔炉运行。这些系统可以识别对人工操作员不可见的一些细微模式和相关性，从而实现动态的闭环控制策略。已验证的用例包括优化燃料与空气的比率，以将能耗降低几个百分点，调整温度曲线以最大限度地减少缺陷率，以及建立耐火材料磨损的预测模型，从而实现主动维护调度。
数字孪生： 熔炉数字化的最终体现是数字孪生。这是一个物理熔炉的全面、高保真虚拟模型，它会不断更新来自工厂控制系统和高级传感器的实时数据。这个物理信息系统在现实世界和虚拟世界之间创建了一个闭环。操作人员可以使用数字孪生来运行不同生产场景的模拟（例如，改变玻璃成分，提高拉速），以预测对能耗和熔炉寿命的影响，而不会对实际操作造成任何风险。孪生体还可以预测未来的状态，在潜在的设备故障或工艺偏差发生之前很久就识别出来，从而彻底改变维护、过程控制和整体资产管理。
5.3可持续性和循环经济
环境管理和资源效率不再是次要问题，而是耐火材料和玻璃行业商业战略的核心组成部分。
再生耐火材料： 循环经济的概念正在获得显著的吸引力，导致再生耐火材料市场迅速增长。用过的耐火衬里曾经被认为是注定要填埋的废物，现在正在被加工以回收可重新用于制造新型耐火产品的宝贵材料。2024年全球再生耐火材料市场价值超过136亿美元，预计复合年增长率将超过8%。这种做法不仅减少了垃圾填埋场的垃圾，而且还降低了对原生原材料的需求，进而降低了与采矿和加工相关的巨大能源消耗和碳足迹。
环境管理和认证： 对环境责任的明确承诺正在成为关键的竞争优势，在某些情况下，也是进入市场的先决条件。获得ISO 14001（环境管理体系）等国际公认标准的认证，为公司提供了一个正式框架，用于监测和持续改进其环境绩效。许多领先的耐火材料制造商已经获得了ISO 14001认证，向玻璃行业的客户表明他们致力于可持续实践，包括减少浪费、预防污染和提高能源效率。对于全球玻璃生产商而言，从获得ISO 14001认证的供应商采购正日益成为供应链风险管理和企业社会责任的关键部分。
第六部分：结论
现代玻璃熔炉的寿命和性能是先进材料科学、复杂的工程设计和规范的运营管理之间复杂相互作用的结果。本指南详细介绍了耐火材料在此系统中起到的关键作用，从基础原理到面向未来的技术。主要结论可以概括如下：
系统工程方法至关重要： 最佳的熔炉性能不是通过孤立地关注单个组件来实现的。耐火衬里必须被视为一个集成系统，其中砖的性能、砂浆的相容性、钢支撑结构的设计以及操作程序（特别是加热）的精度都是相互依赖的。任何一个领域的失败都可能危及整个系统。
分区是耐火材料设计的核心原则： 没有通用的“最佳”耐火材料。选择过程是一个多变量优化问题，需要将每个炉区特有的热、化学和机械应力与具有适当性能特性和成本结构的材料相匹配。这种战略分区——在炉顶使用特级硅石，在玻璃接触区使用分区的熔铸AZS，在蓄热器中使用碱性砖——是建造耐用且经济高效的熔炉的基础。
制造工艺与成分一样重要： 对于熔铸AZS等高性能材料，化学数据表只能说明一部分情况。制造方法，特别是使用无气孔铸造等先进技术，是使用可靠性的关键决定因素。指定铸造方法与指定化学等级一样重要，可以减轻已知的失效机制，并确保长期性能。
维护已从成本中心转变为战略资产管理工具： 先进的热修复技术（例如，陶瓷焊接，热喷涂）和在线无损检测监测（例如，基于雷达的厚度测量）的出现，从根本上改变了炉窑管理的模式。炉窑运行期不再是倒计时到冷修的固定期限，而是一个可以主动且经济地延长的管理生命周期，使操作人员能够推迟大规模的资本支出，并最大限度地提高资产回报率。
未来是数据驱动型、信息物理融合系统： 智能材料与嵌入式传感器、人工智能和数字孪生建模的融合，为下一代玻璃熔窑铺平了道路。这些将是智能的、自优化的系统，利用实时数据来提高效率、改善质量和预测维护需求，进一步延长运行期并减少环境影响。
可持续性现在是核心价值驱动因素： 在法规压力和市场需求的双重驱动下，可持续性已成为关键的竞争优势。通过使用再生耐火材料和实施ISO 14001等认证的环境管理体系，采用循环经济原则已不再是可选的，而是全球耐火材料和玻璃行业现代商业战略的组成部分。
通过采纳这些原则，玻璃制造商可以继续突破效率和寿命的界限，确保其运营在未来几十年内保持竞争力、盈利能力和可持续性。湖北中耐新材科技有限公司致力于推进耐火材料技术，并为玻璃熔窑应用提供全面的解决方案。我们在高温材料方面的专业知识和对创新的奉献精神，支持全球玻璃行业实现最佳性能和更长的运行期。如需技术咨询和先进的耐火材料解决方案，请联系我们+86 19171489999或访问https://en.hbznxc.com。
附录：技术数据和标准
A.1 耐火材料主要ASTM标准摘要
ASTM C27-98 (2022)：耐火粘土砖和高铝耐火砖标准分类
本标准为氧化铝-二氧化硅耐火砖提供了一个分类系统。耐火粘土砖根据物理性能（主要是高温锥当量（PCE））分为不同的等级（特级、高级、中级等）。高铝砖根据其标称氧化铝（Al₂O₃）含量进行分类，范围从50%到99%。本标准对于从不同供应商处指定和采购具有稳定性能的材料至关重要。
ASTM C133-97 (2021)：耐火材料冷压强度和抗弯强度的标准试验方法
本标准概述了在室温下测定耐火材料两个关键力学性能的程序。冷压强度（CCS）测量耐火材料所能承受的最大压力载荷。抗弯强度（MOR）通过三点弯曲试验测量其抗弯强度。这些性能是材料质量及其在耐火材料结构中适用性的指标，但它们并不测量高温下的性能。
ASTM C621-09 (2022)：耐火材料等温耐腐蚀性对熔融玻璃的标准试验方法
该试验方法提供了一个程序，用于比较耐火材料在等温（恒温）条件下与熔融玻璃接触时的静态耐腐蚀性。将耐火材料样品部分浸入坩埚中的熔融玻璃中，并在指定温度下保持一段时间。然后测量腐蚀情况，通常在“熔融线”或玻璃-空气界面处测量。虽然该方法可用于质量控制和材料比较，但其结果并不能直接预测炉窑的使用寿命，因为该试验没有考虑温度梯度或移动玻璃的侵蚀作用。
ASTM C1223-09：AZS熔铸耐火材料玻璃析出的标准试验方法
本标准专门针对熔铸AZS耐火材料中玻璃相析出的现象。将芯样或棒状样品加热到高温，导致内部玻璃相析出到表面。然后通过测量试样的体积增加来量化析出物的量。该试验对于耐火材料制造商（作为过程控制）和玻璃生产商（用于材料选择）来说都是一个关键工具，用于评估耐火材料在炉窑运行过程中导致玻璃缺陷的可能性。
A.2 术语表
表观孔隙率： 耐火材料试样中开口孔隙体积与其外部体积之比，以百分比表示。
AZS（氧化铝-氧化锆-二氧化硅）： 一类用于与玻璃接触应用的高性能熔铸耐火材料。
Baddeleyite（斜锆石）： 二氧化锆（ZrO₂）的结晶矿物形式，是AZS耐火材料的关键成分。
堆积密度： 耐火材料每单位体积的质量，包括其孔隙。
运行期： 从炉窑最初加热到最终关闭进行冷修的总运行时间。
冷压强度（CCS）： 耐火材料在室温下断裂前所能承受的最大压应力。
刚玉： 氧化铝（Al₂O₃）的结晶矿物形式。
蠕变： 耐火材料在高温下承受恒定载荷时随时间变化的变形。
析出： 熔铸耐火材料内部间隙玻璃相在运行温度下迁移到热表面的过程。
熔铸耐火材料： 通过在电弧炉中熔化原料并将液体浇铸到模具中生产的耐火材料。
水化： 耐火氧化物（通常为MgO）与水或蒸汽的化学反应，通常会导致破坏性的体积膨胀。
抗弯强度（MOR）： 耐火材料在室温下的抗弯强度（或弯曲强度）的量度。
方镁石： 氧化镁（MgO）的结晶矿物形式。
高温锥当量（PCE）： 耐火材料软化温度的量度，通过观察与用测试材料制成的锥体同时弯曲的标准高温锥体来确定。
荷重耐火度 (RUL)： 耐火材料在高温下抵抗特定载荷变形的能力的量度。通常报告为T₀.₅或T₀.₆，即样品压缩0.5%或0.6%时的温度。
单位能量消耗 (SEC)： 生产单位质量产品所需的能量，通常以兆焦每吨 (MJ/t) 表示，用于玻璃。
无气孔浇铸 (VFC)： 一种先进的熔铸耐火材料制造技术，可消除或去除内部收缩空隙，从而形成致密的固体块。
常见问题 - 技术常见问题
选择用于玻璃窑炉应用的耐火材料时，最关键的因素是什么？
最关键的因素是每个窑炉区域的具体运行条件，包括温度、化学环境和机械应力。没有一种耐火材料能够承受玻璃窑炉内的所有条件，这就是为什么必须采用分区域的方法，对不同的应用使用不同的材料。对于与玻璃接触的区域，耐腐蚀性至关重要；而对于窑顶等上部结构，抗荷软化性和体积稳定性最为重要。
熔铸AZS耐火材料如何在玻璃熔化应用中实现优异的耐腐蚀性？
熔铸AZS耐火材料通过其独特的显微结构（由二氧化锆 (ZrO₂) 和刚玉 (Al₂O₃) 晶体组成）实现优异的耐腐蚀性。二氧化锆晶体在大多数玻璃熔体中高度不溶，并在耐火材料-玻璃界面形成一层保护层，从而大大减缓其他相的溶解。耐腐蚀性直接随着氧化锆含量的增加而增加，AZS-41（41% ZrO₂）为最苛刻的应用提供了最高的性能。
无气孔浇铸技术对AZS耐火材料的主要优势是什么？
无气孔浇铸 (VFC) 技术消除了在传统熔铸AZS块过程中形成的天然收缩空隙或“管道”。如果在使用过程中因腐蚀而暴露，这些空隙会导致快速、灾难性的磨损和潜在的玻璃泄漏。VFC技术可以战略性地定位或去除这些空隙，确保为关键应用提供致密的固体耐火材料。这项技术显著提高了可靠性，并延长了窑炉高磨损区域的运行寿命。
为什么碱性耐火材料对于玻璃窑炉蓄热室系统至关重要？
碱性耐火材料，特别是直接结合的镁铬砖，对于蓄热室系统至关重要，因为它们提供了对从玻璃熔体挥发的碱性化合物优异的抵抗力。这些碱性蒸汽（钠、钙化合物）会迅速腐蚀酸性或中性耐火材料，导致过早失效。碱性耐火材料中高含量的镁可以化学中和这些具有侵蚀性的碱性物质，使其成为蓄热室上部最热部分的唯一可行选择。
现代热修补技术如何延长玻璃窑炉的运行寿命？
现代热修补技术，如陶瓷焊接、热涂层和先进的可浇注材料应用，允许在窑炉仍在运行时进行维修。陶瓷焊接可以使用达到2200°C的放热反应来修复裂缝和重建被腐蚀的区域，而热涂层可以通过涂覆新的耐火层来延长使用寿命3-4年。这些技术将维护从被动转变为主动的资产管理，可能将运行寿命延长数年，并避免代价高昂的计划外停机。
数字技术在玻璃窑炉运行的未来中扮演什么角色？
数字技术，包括嵌入传感器的智能耐火材料、人工智能驱动的优化和数字孪生建模，正在将玻璃窑炉转变为智能的、自我优化的系统。这些技术能够实时监控耐火材料的健康状况、预测性维护调度以及优化能源消耗和玻璃质量。数字孪生允许在没有风险的情况下模拟不同的运行场景，而人工智能可以识别人工操作员无法察觉的细微模式，从而提高效率并延长运行寿命。
