新型干法水泥窯用耐火材料的優(yōu)化配置

　　新型干法水泥窯耐火材料使用部位較多，其中靜止設(shè)備的材料約占總量的70%～80%。不同規(guī)格的水泥窯及系統(tǒng)的不同使用部位，對(duì)耐火材料都有不同的要求，設(shè)計(jì)配套時(shí)必須選用與其相適應(yīng)的品種；同時(shí)各生產(chǎn)廠家所用的原燃材料品質(zhì)、設(shè)備狀況、操作控制習(xí)慣等方面的差異，客觀上對(duì)耐火材料的要求也略有不同。本文主要闡述不定形耐火材料在水泥窯上的配置狀況。

　　1.回轉(zhuǎn)窯

　　回轉(zhuǎn)窯用耐火澆注料，尤其是前窯口的耐火材料在使用過(guò)程中，除了要承受1400℃以上高溫外，還要受到機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力和化學(xué)侵蝕的破壞，因此前窯口耐火澆注料的使用壽命對(duì)整條水泥生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)周期有著至關(guān)重要的影響。

　?、倩剞D(zhuǎn)窯作為動(dòng)態(tài)設(shè)備，在運(yùn)行使用過(guò)程中，前窯口的耐火澆注料承受著兩種機(jī)械應(yīng)力：一是窯的徑向剪切應(yīng)力，二是沿窯筒體方向的軸向擠壓應(yīng)力。徑向剪切應(yīng)力主要來(lái)源于回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行中產(chǎn)生的機(jī)械變形，隨著窯徑加大，窯速加快，前窯口周期性的受壓和松壓作用加劇，耐火澆注料承受的徑向剪切應(yīng)力的破壞也更大。前窯口的軸向擠壓應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是因窯筒體與水平線成3.5%～4%的傾斜，窯內(nèi)物料在窯運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)從窯尾向窯頭方向運(yùn)動(dòng)，前窯口澆注料在運(yùn)動(dòng)物料的推力，及窯內(nèi)耐火磚的軸向分力的共同作用下，有往窯頭方向移動(dòng)的趨勢(shì)。在這兩種機(jī)械應(yīng)力的作用下，對(duì)前窯口澆注料要求有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

　?、跀?shù)據(jù)表明，回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行過(guò)程中前窯口熟料出口溫度達(dá)到1400℃，入窯二次空氣溫度達(dá)1200℃，在窯體運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，窯皮時(shí)掛時(shí)落，溫度變化頻繁，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力是前窯口澆注料損壞的主要原因之一。隨著水泥工業(yè)大型化的發(fā)展趨勢(shì)，窯徑也不斷增大，窯口的出料量也在增加，這不僅使機(jī)械應(yīng)力變大，窯內(nèi)的熱力強(qiáng)度也要大幅度提高，澆注料單位面積所受的熱負(fù)荷也相應(yīng)增大，熱應(yīng)力的破壞作用更加明顯。在這種情況下，前窯口澆注料應(yīng)該具有更好的熱震穩(wěn)定性。

　?、刍瘜W(xué)侵蝕是水泥窯用耐火材料損壞的主要原因之一，由于每個(gè)地區(qū)的石灰石品位，采用燃料的品質(zhì)不同，窯內(nèi)堿、氯、硫等有害成分的含量也不一樣，生礦石和原燃料中的有害成分在高溫下?lián)]發(fā)，這些堿性氣體隨著生料一起進(jìn)入窯內(nèi)，在窯內(nèi)1350℃～1450℃環(huán)境溫度下，窯料中的有害成分和堿性氣體與前窯口澆注料產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)侵蝕作用，形成膨脹性礦物使其開(kāi)裂剝落，發(fā)生“堿裂”破壞。因此，前窯口澆注料應(yīng)該具有良好的耐堿性。

　　[Page]綜上所述，前窯口澆注料在高溫環(huán)境下應(yīng)該具備足夠的耐火度、機(jī)械強(qiáng)度、熱震穩(wěn)定性和耐堿性。前窯口澆注料在水泥窯用耐火材料中一直是關(guān)鍵，隨著水泥工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，水泥窯的規(guī)模逐漸增大，前窯口澆注料也經(jīng)歷了高鋁質(zhì)、剛玉質(zhì)、莫玉石質(zhì)耐火澆注料的發(fā)展。我公司的HR-PA80DT剛玉-莫來(lái)石窯口專用澆注料，最早使用在2001年投建的浙江桐星集團(tuán)水泥有限公司2500t/d水泥生產(chǎn)線上，使用周期8～10個(gè)月以上，后來(lái)廣泛推薦使用于2500t/d、5000t/d以上規(guī)模的新型干法水泥生產(chǎn)線。根據(jù)新型干法水泥生產(chǎn)線的實(shí)際工況，對(duì)前窯口耐火材料提出了新的標(biāo)準(zhǔn)，我們研發(fā)了HR-75MDT剛玉-莫來(lái)石窯口專用澆注料，使用周期達(dá)到10～12個(gè)月，滿足了客戶的使用要求；對(duì)于5000t/d水泥生產(chǎn)線設(shè)備的建設(shè)，耐火材料的發(fā)展又是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。針對(duì)5000t/d水泥生產(chǎn)線的具體工況，我們又研發(fā)了HR-75MDTF剛玉-莫來(lái)石鋼纖維高強(qiáng)窯口專用澆注料，在兼顧HR-PA80DT、HR-75MDT性能的基礎(chǔ)上，提高了材料的機(jī)械強(qiáng)度和熱震穩(wěn)定性。

　　2.燃燒器(噴煤管)

　　燃燒器的工作環(huán)境在1400℃左右，其火焰溫度在2000℃左右，長(zhǎng)時(shí)間在堿性氣氛中工作，相比前窯口溫度變化更加頻繁、溫差更大，因此對(duì)其熱震性要求更高。燃燒器前端在窯內(nèi)始終受到氣流的沖刷，尤其是下部受到的沖刷更嚴(yán)重，而且該氣流夾著窯內(nèi)的熟料粉塵，燃燒器耐火澆注料需要足夠的耐磨性。鑒于上述兩點(diǎn)，燃燒器澆注料的性能要求比前窯口澆注料要求更高，根據(jù)新型干法水泥生產(chǎn)線設(shè)備的使用工況，對(duì)應(yīng)前窯口澆注料，我們研制了HR-75MET、HR-75MEF和HR-PA80ET噴煤管專用料，使用周期達(dá)到5～8個(gè)月。

　　3.窯頭罩、篦冷機(jī)

　　窯頭罩和篦冷機(jī)屬于靜止設(shè)備，受到的機(jī)械應(yīng)力損壞比較小，工作溫度總體比回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度要低，對(duì)耐火澆注料的要求相對(duì)要低一點(diǎn)。

　　[Page]有幾個(gè)特殊部位需要提出：一是窯頭罩下部耐火澆注料受到窯口下來(lái)的高溫熟料反彈熱沖擊，對(duì)于一些大型水泥窯，日產(chǎn)熟料量大，此處所受熱負(fù)荷比較高，一般的高鋁質(zhì)耐火澆注料如果養(yǎng)護(hù)升溫控制不好，容易發(fā)生爆裂掉塊。窯頭罩頂部靠近3次風(fēng)管處，粉塵氣流沖刷相對(duì)比較嚴(yán)重，澆注料在高溫下的耐磨性要好，頂部澆注料的施工比較困難，對(duì)材料的流動(dòng)性和早期強(qiáng)度要求比較高。二是篦冷機(jī)前端頂部不僅受到熟料的反彈熱沖擊，工作溫度相對(duì)較高、變化較大。前端兩側(cè)矮墻長(zhǎng)期通過(guò)窯口下來(lái)的高溫熟料，受到一定的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的損壞。三是3次分管的拐彎處，在粉塵氣流的沖刷下也比較容易磨損。

　　上述部位耐火澆注料的使用應(yīng)根據(jù)各自工況需要合理選擇，具有早強(qiáng)防爆性能的HR-DFB1、耐磨性更高的HR-DFB，及熱震性更佳的HR-M66莫來(lái)石耐火澆注料，都是比較合適的材料，其他部位設(shè)計(jì)的時(shí)候，采用一般的高鋁質(zhì)耐火澆注料就能滿足使用的要求。

　　 4.預(yù)分解系統(tǒng)

　　原始生料在預(yù)熱器中逐級(jí)升溫，生料中堿、氯、硫等有害成分的不斷揮發(fā)、凝聚，反復(fù)循環(huán)而不斷富集，對(duì)耐火澆注料產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)侵蝕，發(fā)生“堿裂”破壞，所以設(shè)計(jì)時(shí)此部位采用高強(qiáng)耐堿澆注料。與原始生料相比，最熱級(jí)旋風(fēng)筒的熟料中堿、氯、硫的富集濃度，分別達(dá)到5倍、80～100倍、3～5倍之多。在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，窯尾預(yù)分解系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)遇到結(jié)皮堵塞的情況，預(yù)分解系統(tǒng)易結(jié)皮堵塞的部位主要有，上升煙道至C5風(fēng)管水平段，C5膨脹節(jié)及下料管，堵塞物主要是高溫黏結(jié)的物料；窯尾煙室縮口和下料斜坡，堵塞物主要是結(jié)皮物料，質(zhì)硬、堿含量高；C5-C4風(fēng)管水平段，堵塞物主要是生料沉積物，粉料多、易清理；分解爐錐部，堵塞物主要是煤灰高溫熔融物。某水泥企業(yè)通過(guò)對(duì)結(jié)皮堵塞物及窯灰的化學(xué)分析結(jié)果是，氯含量較高是預(yù)分解系統(tǒng)頻繁結(jié)皮堵塞的根本原因，這在一定程度上與水泥企業(yè)采用的石灰石的品位及原料、燃料的品質(zhì)有關(guān)。

　　根據(jù)這一工況要求，我公司研制了HR-50S和HR-60S抗結(jié)皮澆注料，其中的主要原料碳化硅不僅具有非常好的抗化學(xué)侵蝕性能，而且在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)，在材料表面產(chǎn)生SiO₂玻璃狀光滑物質(zhì)層，更加有效地阻止了有害氣體對(duì)耐火澆注料的化學(xué)侵蝕，此外碳化硅具有很強(qiáng)的耐磨性，在下料管等部位可以滿足大量生料的沖刷要求。