如何延長水泥回轉(zhuǎn)窯耐火材料使用壽命

  摘要：影響回轉(zhuǎn)窯耐火材料使用壽命的因素很多，但主要是機(jī)械應(yīng)力作用、熱應(yīng)力作用和生產(chǎn)操作這三個(gè)方面。逐一分析了這三方面因素對窯內(nèi)耐火材料使用壽命的具體影響；在此基礎(chǔ)上提出了延長窯襯壽命的管理和技術(shù)措施。

  1 問題的提出

  目前，我國的新型干法預(yù)分解窯生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)成為水泥工業(yè)的發(fā)展主流，且已經(jīng)進(jìn)入大型化的發(fā)展通道， 5000t/d 及其以上規(guī)模的生產(chǎn)線是建設(shè)主流。眾所周知，在煅燒過程中，熟料的燒成溫度約為 1450 ℃ ^[1]，但窯內(nèi)燒成帶燃燒氣體的溫度最高可達(dá) 1700℃以上。如此高溫的條件，對回轉(zhuǎn)窯用耐火材料的要求也越來越高。

  回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的耐火磚，其主要作用是避免窯筒體高溫變形、減少熱量損失、避免燒成過程中熟料對筒體直接地磨蝕、化學(xué)侵蝕等作用，從而延長窯的使用壽命。根據(jù)窯內(nèi)不同帶的溫度，可以選擇不同品種的耐火材料。但因回轉(zhuǎn)窯是有一定傾角的旋轉(zhuǎn)體鑲砌在窯筒體內(nèi)的耐火磚，在生產(chǎn)過程中，耐火磚因受機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷和化學(xué)侵蝕等綜合作用，過早的損壞而縮短使用壽命的情況會經(jīng)常出現(xiàn)。因此，如何通過技術(shù)措施與控制，延長耐火材料使用壽命，以提高窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率、降低耐火材料用量、提高熟料的產(chǎn)質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，為水泥企業(yè)所關(guān)注。

  2 耐火材料使用壽命的影響因素

  影響窯內(nèi)耐火磚使用壽命的因素很多，見圖1。通過理論分析結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為主要是三個(gè)方面，即機(jī)械應(yīng)力作用、熱應(yīng)力作用和生產(chǎn)操作的影響。

  2.1 機(jī)械應(yīng)力對耐火磚使用壽命的影響

  機(jī)械應(yīng)力是物體由于外因變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置。當(dāng)窯內(nèi)耐火磚所承受的機(jī)械應(yīng)力超過其自身強(qiáng)度時(shí)，磚體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生局部或全部損壞^[2]。產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力的主要因素有以下兩個(gè)原因：

  （1）橢圓變形。由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯磚、窯料和筒體自身重量等綜合因素造成窯筒體變形，在重力以及熱負(fù)荷作用下，筒體的圓形截面變成橢圓形。當(dāng)窯運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，橢圓對耐火磚造成機(jī)械應(yīng)力，且橢圓度愈大所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力也愈大。由橢圓度變化產(chǎn)生的剪切應(yīng)力作用在每環(huán)磚的切線方向，故造成磚成環(huán)狀剝落，見圖 2。一般情況下，剝片厚度均勻、堅(jiān)硬。

  （2）回轉(zhuǎn)窯的軸線偏移。回轉(zhuǎn)窯是由輪帶、托輪、托輥支撐的，其軸線應(yīng)為窯各斷面圓中心點(diǎn)的連線且在一條直線上，但在窯筒體安裝及部分筒體切割更換后，或窯體經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后且窯內(nèi)熱工制度不穩(wěn)定，在熱負(fù)荷和荷重的作用下，窯體的軸線會產(chǎn)生偏移。之后，再經(jīng)長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，輪帶和托輥的磨損、托輥的外偏和內(nèi)偏，各個(gè)支點(diǎn)的荷重條件會發(fā)生變化，特別是當(dāng)支點(diǎn)的荷重過大時(shí)，容易造成托輥軸瓦燒損、輪帶及托輥表面異常剝離或裂縫，這又將進(jìn)一步加劇窯體軸線偏移；結(jié)果將使耐火磚受到擠壓變形造成破損或脫落。耐火磚損壞后形狀深淺不一，見圖 3。

  2.2 熱應(yīng)力

  熱應(yīng)力是指當(dāng)溫度變化時(shí)，物體由于外在約束以及內(nèi)部各部分之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。高溫?zé)崤蛎?，易使耐火磚產(chǎn)生軸向膨脹擠壓應(yīng)力，是窯內(nèi)耐火磚剝落、破損的重要原因之一。以鎂鉻質(zhì)或尖晶石質(zhì)磚為例，l400℃時(shí)的膨脹率均可按 1.6％計(jì)算^[3]，長 198mm 的耐火磚其膨脹量可達(dá)3.17mm，如此大的膨脹，如果不能正確地留好環(huán)縫，過大或過小都將使耐火磚出現(xiàn)抽簽、掉磚、剝落，嚴(yán)重縮短耐火磚的使用壽命。耐火磚因熱應(yīng)力產(chǎn)生破壞的形式見圖 4。

  2.3 生產(chǎn)操作對耐火材料使用壽命的影響

  生產(chǎn)操作對耐火磚使用壽命的影響機(jī)理復(fù)雜且因素較多，現(xiàn)主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

  （1）煅燒溫度過高引起的磚損傷。新型干法預(yù)分解窯窯內(nèi)火焰溫度可達(dá)到 1700℃以上，另其過渡帶、燒成帶、冷卻帶、窯頭罩、冷卻機(jī)的喉部和高溫區(qū)以及噴嘴外側(cè)部位的工作溫度也遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)窯相應(yīng)部位的溫度。即使采用優(yōu)質(zhì)耐火材料，大型回轉(zhuǎn)窯的過渡帶、燒成帶和冷卻帶的窯襯壽命一般在0.5～ 1 年，短的甚至僅 3～5 個(gè)月；窯口和噴嘴襯料壽命一般只有 0.5～1 年，甚至更短；窯頭罩和冷卻機(jī)喉部窯襯壽命約 2 年。在試生產(chǎn)階段，通?；剞D(zhuǎn)窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率一般僅為 70%～75%甚至更低，極少數(shù)能達(dá) 85%～90%。如果再加上預(yù)熱器、分解爐的運(yùn)行狀況不良，入窯物料分解程度很不穩(wěn)定，會使窯內(nèi)各工藝帶位置經(jīng)常變動，必將導(dǎo)致窯操作不穩(wěn)定，窯襯損壞更快。例如若煅燒溫度過高，就會引起窯內(nèi)耐火磚損傷熔坑，見圖5中圈出的部分。

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  （2）窯速較快引起的磚損傷。新型干法預(yù)分解窯的轉(zhuǎn)速常達(dá) 3～3.7 r/min，甚至高達(dá)4 r/min 以上，回轉(zhuǎn)窯筒體的線速度達(dá)到 1m/s 以上。在高轉(zhuǎn)速、大直徑和高溫度的新型干法窯上，窯襯所受熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)侵蝕的綜合破壞效應(yīng)比傳統(tǒng)窯要大得多。這就要求新型干法窯無論在冷態(tài)還是熱態(tài)情況下，其窯襯均須具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

  3 延長耐火材料使用壽命的技術(shù)措施

  3.1 橢圓度變形的控制

  橢圓率是反映回轉(zhuǎn)窯筒體橢圓變形程度的重要指標(biāo)，公式如下(瑞士 Holderbank 公司最早提出)：

  式中： W—橢圓度；

  Da — 窯的有效內(nèi)徑，m；

  D —筒體外徑，m；

  σ— 筒體測示儀測得的最大偏差值， m。

  瑞士 Holcim 公司（原名 Holderbank）提出的橢圓率管理數(shù)值，一般將其作為橢圓率的管理基準(zhǔn)值，這個(gè)數(shù)值有上限值和下限值，與窯徑呈直線關(guān)系，上限和下限之間的部分為理想范圍，見圖 6。上限值是對荷重或間隙引起的大窯變形而造成的耐火磚損傷所能允許的最大界限值，如果超過上限會給磚帶來不良影響、造成磚脫落等事故，引起耐火磚破損。下限值是為了避免間隙不足時(shí)產(chǎn)生窯筒體被輪帶夾住（所謂輪帶夾緊現(xiàn)象）的數(shù)值。

  實(shí)踐表明，磚的損耗速度與熱窯橢圓率有一定的相關(guān)性，通過它們的關(guān)系得到的近似公式（瑞士Holcim公司（原名 Holderbank）提出）。

  W=1.22×0.002Dm+1.5V

  W’=W/D×100%

  式中： W’—— 橢圓率，%；

  W——橢圓度；

  Dm——輪帶直徑；

  D——筒體直徑；

  V—— 滑移量。

  計(jì)算得出：窯期（窯從開始運(yùn)行至停產(chǎn)檢修的時(shí)間）為 1 年時(shí)，熱窯橢圓率的允許值應(yīng)控制在0.42％以下，窯期為半年時(shí)，橢圓率要控制在 0.78％以下。但是，在燒成區(qū)域，由于橢圓度的增大會造成結(jié)皮不穩(wěn)定，從而引起熔化損傷等異常損耗，所以對燒成帶要進(jìn)行更加嚴(yán)密的橢圓率管理。

  橢圓率管理不僅對于穩(wěn)定大窯操作、延長磚的使用壽命有重要的意義，而且通過定期測定熱窯橢圓度也可以準(zhǔn)確地掌握機(jī)械狀況，從而能制定出更加準(zhǔn)確的大窯維修計(jì)劃。

  3.2 回轉(zhuǎn)窯軸線偏移的控

  實(shí)際生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制窯軸線偏移不得超過 3mm，否則必須進(jìn)行糾偏處理。實(shí)踐證明，當(dāng)窯體在熱態(tài)下軸線調(diào)整準(zhǔn)確時(shí)，筒體的彎曲和扭曲都降到最小，各個(gè)支點(diǎn)上的荷重分布也比較適宜，窯內(nèi)耐火磚、大窯筒體、輪帶下墊板（座板）、輪帶、支撐托輥、托輥軸、托輥軸瓦受到的壓力較小；且耐火磚損耗速度明顯下降，使用壽命明顯延長，并能大幅度提高了窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率。因此，必須加強(qiáng)熱態(tài)下回轉(zhuǎn)窯軸線的在線檢測和偏移的及時(shí)糾偏工作。

  大窯軸線的調(diào)整方法有兩種：一種是在冷窯狀況下，在大窯內(nèi)部求出各個(gè)支點(diǎn)和大齒輪的軸心，使用光束，邊調(diào)整托輥邊將回轉(zhuǎn)窯軸線調(diào)整在一條直線上；另一種是在回轉(zhuǎn)窯在熱態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，從大窯外部求出各個(gè)支點(diǎn)的回轉(zhuǎn)軸心，然后邊調(diào)整托輥邊將回轉(zhuǎn)窯軸線調(diào)整在一條直線上。實(shí)踐證明，后者更加有效。

  3.3 合理確定環(huán)縫尺寸以減小熱應(yīng)力影響

  環(huán)縫是回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行耐火磚砌筑時(shí)，為減小高溫時(shí)耐火磚膨脹產(chǎn)生軸向擠壓應(yīng)力對耐火磚的損壞而設(shè)置在每環(huán)耐火磚之間的間隙。環(huán)縫尺寸的大小，應(yīng)根據(jù)耐火磚的線性膨脹系數(shù)、使用溫度等通過計(jì)算確定。如通過計(jì)算，燒成帶耐火磚的膨脹量為 3.17 mm，實(shí) 際 砌 筑 時(shí) ，環(huán)縫尺寸 為 3.5 mm～4.0mm 之間；且各環(huán)縫間貼板可采用燃燒溫度高的纖維板(日本耐材行業(yè)專用)，并應(yīng)研究烘窯操作制度，正常生產(chǎn)時(shí)也要控制熱工制度穩(wěn)定，以將軸向擠壓力降為最小。

  3.4 煅燒溫度的控制

  煅燒溫度對耐火磚使用壽命的影響極為顯著。因此，只有合理控制燒成溫度，最大限度地延長耐火磚的使用壽命，提高窯的利用率、降低耐火材料消耗量，才能增產(chǎn)、降本。最高溫度管理必須進(jìn)入工藝管理過程，可結(jié)合火焰比色、測溫儀、熟料晶相分析等方法進(jìn)行測試。其中：火焰比色一般控制火焰溫度 1500~1600℃；測溫儀主要針對熟料落口溫度進(jìn)行控制，一般為 1320~1400℃；熟料晶相分析要控制 C3S的雙折射率，一般控制為 0.007~0.008。

  3.5 窯速的管理與控制

  在生產(chǎn)操作過程中，不能一味地追求高轉(zhuǎn)速提高熟料產(chǎn)量，要做到物料量、窯轉(zhuǎn)速和窯內(nèi)煅燒狀況的匹配，才能達(dá)到最佳效果。同時(shí)可以根據(jù)熟料晶相的尺寸大小、生長狀況，來判斷窯速的控制值是否適宜。

  4 結(jié) 語

  隨著水泥工業(yè)應(yīng)用的耐火材料品種不斷增加，在注重節(jié)能降耗的今天，水泥生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)更多地了解耐火材料性能，合理使用耐火材料，采取一系列技術(shù)措施與控制，最大限度地延長耐火材料的使用壽命，把耐火材料消耗降到最低水平。通過對上述因素的技術(shù)控制與管理，耐火材料的使用壽命由原來的 8～ 10 月延長到現(xiàn)在的 14～ 16 個(gè)月，窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率已超過85％～ 90%，熟料的產(chǎn)、質(zhì)量均有所提高。

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