淺析不定型耐磨材料在水泥燒成系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　今新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)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(shè)備中，由于長期受高濃度氣體的沖刷，如三次風(fēng)管彎頭、閘板、篦冷機矮墻、余熱發(fā)電風(fēng)管等部位，耐火材料損毀很嚴(yán)重，個別部位兩三個月就要檢修一次，嚴(yán)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(shè)備易磨損、壽命短、熱利用率低等難題，為水泥窯磨損嚴(yán)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?fàn)顩r

　　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(xué)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(jìn)行安裝，優(yōu)點是安裝、維修更換方便，缺點是價格高，尤其當(dāng)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(shè)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(jié)合系統(tǒng)和磷酸鹽結(jié)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(jié)的優(yōu)質(zhì)原料細(xì)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(jié)合相在高溫下充分發(fā)揮連接、膠結(jié)骨料的作用，超細(xì)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(jié)合材料是指以上述高鋁礬土、剛玉、SiC為原料，添加結(jié)合粘土、增塑劑，以磷酸或磷酸二氫鋁為結(jié)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(yīng)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(yīng)用情況

　　2.1  三次風(fēng)管彎頭

　　水泥窯三次風(fēng)管彎頭內(nèi)襯需要承受800～1 100 ℃工作溫度，抵抗風(fēng)速大約為25 m/s的氣流以及熟料細(xì)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(yán)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(fēng)管彎頭內(nèi)襯所用的耐火材料經(jīng)過多次演變：最早設(shè)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(jié)構(gòu)，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(shè)計正確的結(jié)構(gòu)，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(fēng)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(jié)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(fēng)管中使用，至今為止已達(dá)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(tuán)、冀東集團(tuán)、華潤等多個水泥集團(tuán)得到了廣泛的應(yīng)用。

　　2.2  風(fēng)閥、閘板

　　凡是在高溫管道中有含塵氣流輸送的地方，都會設(shè)有調(diào)節(jié)風(fēng)速的風(fēng)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(fēng)閥和閘板在使用一、兩個月后就破損了；對風(fēng)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(guān)閉，只在它們的迎風(fēng)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(fēng)閥的施工厚度一般為20 mm。閘板施工應(yīng)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(jié)合的耐磨可塑搗打料以及水泥結(jié)合的剛玉質(zhì)耐磨材料，處理風(fēng)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(shè)備

　　近年來，利用水泥窯余熱進(jìn)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(fēng)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(shè)備的耐磨節(jié)能襯里主要為磷酸鹽結(jié)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(fù)荷的影響，施工厚度35 mm～40 mm。風(fēng)管部分一般采用龜甲網(wǎng)固定方式施工，由于風(fēng)管懸浮在半空中，因此必須考慮其負(fù)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(fēng)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(hù)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(jìn)步，在余熱發(fā)電系統(tǒng)以及水泥窯生產(chǎn)系統(tǒng)的風(fēng)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(dá)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(yīng)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(yīng)， 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(yīng)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(jié)構(gòu)剝落性能，延長矮墻部位使用周期。