淺析不定型耐磨材料在水泥燒成系統(tǒng)中的應用

　　今新型干法水泥生產(chǎn)技術迅猛發(fā)展，隨著窯徑加大、窯速提高，對服役的耐火材料提出了更高的要求，尤其在有高溫含塵氣流輸送的管道及設備中，由于長期受高濃度氣體的沖刷，如三次風管彎頭、閘板、篦冷機矮墻、余熱發(fā)電風管等部位，耐火材料損毀很嚴重，個別部位兩三個月就要檢修一次，嚴重影響了水泥窯的正常運轉(zhuǎn)。為了延長這些部位耐火材料的使用壽命，科研工作者付出了艱辛的勞動，研制了各種耐磨材料，有效解決了水泥窯設備易磨損、壽命短、熱利用率低等難題，為水泥窯磨損嚴重的部位高效長壽命運行提供了可靠的保障。本文重點就不定型耐磨材料在水泥廠燒成系統(tǒng)具體部位的使用情況加以介紹。

　　1  非金屬耐磨材料的發(fā)展狀況

　　非金屬耐磨材料的主要原料有高鋁礬土、剛玉、SiC。剛玉具有硬度大（硬度9）、熔點高（熔點2 050 ℃）、化學性質(zhì)穩(wěn)定，對酸、堿都有良好的抵抗性的性能。碳化硅也具有硬度大（硬度9.5）、熔點高（分解溫度3 400 ℃）、即使在氫氟酸中也完全不溶解的特點。所以，以剛玉、碳化硅作基體骨架的材料，有助于使產(chǎn)品獲得體積密度高、熱態(tài)強度大、耐腐蝕和耐磨等性能的材料。耐磨定形制品主要有剛玉磚、碳化硅磚、高鋁磚等，其顯著特點是既耐高溫又耐磨。按圖紙要求加工耐火磚，用耐熱不銹鋼螺栓進行安裝，優(yōu)點是安裝、維修更換方便，缺點是價格高，尤其當殘磚存在質(zhì)量問題和不銹鋼螺栓磨損后， 殘磚掉落時，將使設備堵塞，如不能及時停爐將造成安全事故。不定型耐磨材料包括水泥結合系統(tǒng)和磷酸鹽結合系統(tǒng)，前者制作時除了采用上述提到的耐磨原料外，還要添加電熔或燒結的優(yōu)質(zhì)原料細粉與超微粉、水泥、外加劑等，通過調(diào)整基質(zhì)各成分比例，保證其結合相在高溫下充分發(fā)揮連接、膠結骨料的作用，超細粉有效地充填骨料孔隙，改善材料的高溫性能，從而顯著提高材料強度，整個材料以“剛性”方式來實現(xiàn)主動抗磨。磷酸鹽結合材料是指以上述高鋁礬土、剛玉、SiC為原料，添加結合粘土、增塑劑，以磷酸或磷酸二氫鋁為結合相的耐磨材料。這種材料的特點是強度不高，但材料耐侵蝕，塑性及韌性好，不易剝落，通過“柔性”方式來實現(xiàn)被動耐磨。這種材料應用比較廣泛，除了具備良好的材料性能，而且可以采用多種施工方式。

　　2  不定型耐磨材料在水泥廠燒成系統(tǒng)的應用情況

　　2.1  三次風管彎頭

　　水泥窯三次風管彎頭內(nèi)襯需要承受800～1 100 ℃工作溫度，抵抗風速大約為25 m/s的氣流以及熟料細顆粒沖刷，而且還要遭受堿蒸氣的腐蝕。所以，工況惡劣，損壞嚴重，常常因為彎頭部位的磨損影響生產(chǎn)的正常運轉(zhuǎn)。三次風管彎頭內(nèi)襯所用的耐火材料經(jīng)過多次演變：最早設計為高鋁澆注料，使用時間僅有一個月；之后，改為莫來石剛玉澆注料，使用時間只有二個月；再后，采用HMS高耐磨磚與莫來石剛玉澆注料組合框架結構，也勉強僅能維持四個月的運行。為保證生產(chǎn)正常運轉(zhuǎn)，需要通過選用合適的材質(zhì)，設計正確的結構，提高彎頭部位的耐磨性，延長襯料的使用壽命。目前市場上牌號為JP-85超高強耐磨澆注料在三次風管彎頭處的使用效果良好，這種材料的主材為剛玉和SiC，還要添加一定量的鋼纖維、水泥為結合相的耐磨材料，通過提高材料的強度來提高耐磨性；另一方面這種材料在施工過程中采用了帶有梯形凸塊的形狀。凸塊的作用有二：其一，凸塊產(chǎn)生渦流，從而緩沖了氣流及其挾帶顆粒的沖刷；其二，凸塊阻止了固體粒子的運動，制止了上述粒子沿襯體表面的滑行，從而減緩了氣流及其挾帶顆粒的磨損。JP-85超高強耐磨澆注料在寧國水泥廠的三次風管中使用，至今為止已達三年之久，沒有出現(xiàn)破損現(xiàn)象。目前這種材料在海螺集團、冀東集團、華潤等多個水泥集團得到了廣泛的應用。

　　2.2  風閥、閘板

　　凡是在高溫管道中有含塵氣流輸送的地方，都會設有調(diào)節(jié)風速的風閥或閘板。由于普通鋼板在高溫下剛度及強度都有不同程度的下降，金屬材料很難滿足耐磨要求，不做耐磨處理的風閥和閘板在使用一、兩個月后就破損了；對風閥和閘板做耐磨處理后，其使用壽命提高到1年。為了保證正常開啟和關閉，只在它們的迎風面做耐磨處理，側(cè)面不做耐磨處理，施工時先將六邊形龜甲網(wǎng)焊接在閘板上，四周支起模板，然后再涂抹一層耐磨材料即可，風閥的施工厚度一般為20 mm。閘板施工應先支模，再焊接錨固件，采用澆注施工，厚度一般為200 mm。目前市場提供的材料主要為磷酸鹽結合的耐磨可塑搗打料以及水泥結合的剛玉質(zhì)耐磨材料，處理風閥的材料對粒度有一定的要求，臨界顆粒＜3 mm。耐磨處理后的實物如圖2，該處的耐磨處理施工方便，既可先施工后安裝，也可先安裝后施工。

　　2.3  余熱發(fā)電設備

　　近年來，利用水泥窯余熱進行發(fā)電是水泥工業(yè)節(jié)能降耗的重要措施，已被國家發(fā)改委等部門列入“十一五”十大重點節(jié)能工程。但由于余熱發(fā)電系統(tǒng)風管、沉降室等的工況惡劣，其磨損問題不容忽視。據(jù)統(tǒng)計，帶余熱發(fā)電的水泥企業(yè)因余熱發(fā)電系統(tǒng)磨損而引起的停機時間占總停機時間的50%～55%。目前余熱發(fā)電設備的耐磨節(jié)能襯里主要為磷酸鹽結合的耐磨材料，為了使耐磨材料附著在施工體上，采用海鷗形錨固件或龜甲網(wǎng)做固定橋梁，然后將耐磨材料用涂抹或搗打方式固定在施工體上，使材料較好地附著在被施工體上，整體性能好。沉降室部位一般采用錨固件固定方式施工，錨固件以梅花狀分布在施工體上，規(guī)格及具體的施工要求見圖3。沉降室部位空間大，溫度稍低，安裝方式?jīng)Q定其不用考慮負荷的影響，施工厚度35 mm～40 mm。風管部分一般采用龜甲網(wǎng)固定方式施工，由于風管懸浮在半空中，因此必須考慮其負荷不易過大，否則易變形，再則要保證余熱發(fā)電系統(tǒng)的氣流通暢，施工厚度不易過厚，一般為20 mm～22 mm。施工時先用160 mm×160 mm的銷釘將龜甲網(wǎng)焊接在施工體上，如圖4所示，然后再將耐磨材料固定在風管內(nèi)壁。這兩種施工工藝的使用使耐磨材料很好地附著在施工體上，對施工體起到了良好的保護作用，延長了耐磨襯體的使用壽命。

　　隨著耐磨材料及施工工藝不斷進步，在余熱發(fā)電系統(tǒng)以及水泥窯生產(chǎn)系統(tǒng)的風管使用壽命不斷加長，由原來的1年發(fā)展到今天的2～3年，有一種牌號為JP-80材料使用壽命可以長達4年之久。

　　2.4  篦冷機矮墻

　　篦冷機矮墻要長期承受300～1 450 ℃的高溫熟料顆粒的沖刷，同時跟冷熱空氣交替接觸，使矮墻損壞較快，磨損后的矮墻會露出錨固件，如圖5。由最初使用的耐堿澆注料、高鋁澆注料，發(fā)展到今天的莫來石質(zhì)澆注料、鋼纖維增強澆注料，制作方法一般以高鋁莫來石為耐磨骨料，添加超微粉、純鋁酸鈣水泥、耐熱鋼纖維等成分。使用中由于溫度或體積上的變化容易造成應力集中在澆注料實體上，在工藝上引入鋼纖維是可以起到增韌補強、提高斷裂韌度的有力措施。加有鋼纖維的耐火材料中， 如果擴展裂紋面對的是纖維，一旦初始微裂紋有發(fā)展的趨勢，由于纖維拉拔效應， 其方向就可能改變或某些能量可能被消耗， 使裂紋不再或少量擴展；另外， 將鋼纖維加入到耐火材料中， 使材料產(chǎn)生的應力能夠被吸收，阻止微裂紋的擴展，增強材料的整體性，從而改善材料的抗熱沖擊能力和抗結構剝落性能，延長矮墻部位使用周期。