新型干法水泥窑用耐火材料的优化配置

新型干法水泥窑用耐火材料的优化配置

(2009-10-22 13:23:13)

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新型干法水泥窑耐火材料使用部位较多，其中静止设备的材料约占总量的70%～80%。不同规格的水泥窑及系统的不同使用部位，对耐火材料都有不同的要求，设计配套时必须选用与其相适应的品种；同时各生产厂家所用的原燃材料品质、设备状况、操作控制习惯等方面的差异，客观上对耐火材料的要求也略有不同。本文主要阐述不定形耐火材料在水泥窑上的配置状况。

1.回转窑

回转窑用耐火浇注料，尤其是前窑口的耐火材料在使用过程中，除了要承受1400℃以上高温外，还要受到机械应力、热应力和化学侵蚀的破坏，因此前窑口耐火浇注料的使用寿命对整条水泥生产线的运转周期有着至关重要的影响。

①回转窑作为动态设备，在运行使用过程中，前窑口的耐火浇注料承受着两种机械应力：一是窑的径向剪切应力，二是沿窑筒体方向的轴向挤压应力。径向剪切应力主要来源于回转窑运行中产生的机械变形，随着窑径加大，窑速加快，前窑口周期性的受压和松压作用加剧，耐火浇注料承受的径向剪切应力的破坏也更大。前窑口的轴向挤压应力产生的主要原因是因窑筒体与水平线成3.5%～4%的倾斜，窑内物料在窑运转时从窑尾向窑头方向运动，前窑口浇注料在运动物料的推力，及窑内耐火砖的轴向分力的共同作用下，有往窑头方向移动的趋势。在这两种机械应力的作用下，对前窑口浇注料要求有足够的机械强度。

②数据表明，回转窑运行过程中前窑口熟料出口温度达到1400℃，入窑二次空气温度达1200℃，在窑体运转过程中，窑皮时挂时落，温度变化频繁，由此产生的热应力是前窑口浇注料损坏的主要原因之一。随着水泥工业大型化的发展趋势，窑径也不断增大，窑口的出料量也在增加，这不仅使机械应力变大，窑内的热力强度也要大幅度提高，浇注料单位面积所受的热负荷也相应增大，热应力的破坏作用更加明显。在这种情况下，前窑口浇注料应该具有更好的热震稳定性。

③化学侵蚀是水泥窑用耐火材料损坏的主要原因之一，由于每个地区的石灰石品位，采用燃料的品质不同，窑内碱、氯、硫等有害成分的含量也不一样，生矿石和原燃料中的有害成分在高温下挥发，这些碱性气体随着生料一起进入窑内，在窑内1350℃～1450℃环境温度下，窑料中的有害成分和碱性气体与前窑口浇注料产生强烈的化学侵蚀作用，形成膨胀性矿物使其开裂剥落，发生“碱裂”破坏。因此，前窑口浇注料应该具有良好的耐碱性。

综上所述，前窑口浇注料在高温环境下应该具备足够的耐火度、机械强度、热震稳定性和耐碱性。前窑口浇注料在水泥窑用耐火材料中一直是关键，随着水泥工业技术的发展，水泥窑的规模逐渐增大，前窑口浇注料也经历了高铝质、刚玉质、莫玉石质耐火浇注料的发展。我公司的HR-PA80DT刚玉-莫来石窑口专用浇注料，最早使用在2001年投建的浙江桐星集团水泥有限公司2500t/d水泥生产线上，使用周期8～10个月以上，后来广泛推荐使用于2500t/d、5000t/d以上规模的新型干法水泥生产线。根据新型干法水泥生产线的实际工况，对前窑口耐火材料提出了新的标准，我们研发了HR-75MDT刚玉-莫来石窑口专用浇注料，使用周期达到10～12个月，满足了客户的使用要求；对于5000t/d水泥生产线设备的建设，耐火材料的发展又是一个新的挑战。针对5000t/d水泥生产线的具体工况，我们又研发了HR-75MDTF刚玉-莫来石钢纤维高强窑口专用浇注料，在兼顾HR-PA80DT、HR-75MDT性能的基础上，提高了材料的机械强度和热震稳定性。

2.燃烧器(喷煤管)

燃烧器的工作环境在1400℃左右，其火焰温度在2000℃左右，长时间在碱性气氛中工

作，相比前窑口温度变化更加频繁、温差更大，因此对其热震性要求更高。燃烧器前端在窑内始终受到气流的冲刷，尤其是下部受到的冲刷更严重，而且该气流夹着窑内的熟料粉尘，燃烧器耐火浇注料需要足够的耐磨性。鉴于上述两点，燃烧器浇注料的性能要求比前窑口浇注料要求更高，根据新型干法水泥生产线设备的使用工况，对应前窑口浇注料，我们研制了HR-75MET、HR-75MEF和HR-PA80ET喷煤管专用料，使用周期达到5～8个月。

3.窑头罩、篦冷机

窑头罩和篦冷机属于静止设备，受到的机械应力损坏比较小，工作温度总体比回转窑内温度要低，对耐火浇注料的要求相对要低一点。

有几个特殊部位需要提出：一是窑头罩下部耐火浇注料受到窑口下来的高温熟料反弹热冲击，对于一些大型水泥窑，日产熟料量大，此处所受热负荷比较高，一般的高铝质耐火浇注料如果养护升温控制不好，容易发生爆裂掉块。窑头罩顶部靠近3次风管处，粉尘气流冲刷相对比较严重，浇注料在高温下的耐磨性要好，顶部浇注料的施工比较困难，对材料的流动性和早期强度要求比较高。二是篦冷机前端顶部不仅受到熟料的反弹热冲击，工作温度相对较高、变化较大。前端两侧矮墙长期通过窑口下来的高温熟料，受到一定的机械应力和热应力的损坏。三是3次分管的拐弯处，在粉尘气流的冲刷下也比较容易磨损。

上述部位耐火浇注料的使用应根据各自工况需要合理选择，具有早强防爆性能的HR-DFB1、耐磨性更高的HR-DFB，及热震性更佳的HR-M66莫来石耐火浇注料，都是比较合适的材料，其他部位设计的时候，采用一般的高铝质耐火浇注料就能满足使用的要求。

4.预分解系统

原始生料在预热器中逐级升温，生料中碱、氯、硫等有害成分的不断挥发、凝聚，反复循环而不断富集，对耐火浇注料产生强烈的化学侵蚀，发生“碱裂”破坏，所以设计时此部位采用高强耐碱浇注料。与原始生料相比，最热级旋风筒的熟料中碱、氯、硫的富集浓度，分别达到5倍、80～100倍、3～5倍之多。在水泥生产过程中，窑尾预分解系统经常会遇到结皮堵塞的情况，预分解系统易结皮堵塞的部位主要有，上升烟道至C5风管水平段，C5膨胀节及下料管，堵塞物主要是高温黏结的物料；窑尾烟室缩口和下料斜坡，堵塞物主要是结皮物料，质硬、碱含量高；C5-C4风管水平段，堵塞物主要是生料沉积物，粉料多、易清理；分解炉锥部，堵塞物主要是煤灰高温熔融物。某水泥企业通过对结皮堵塞物及窑灰的化学分析结果是，氯含量较高是预分解系统频繁结皮堵塞的根本原因，这在一定程度上与水泥企业采用的石灰石的品位及原料、燃料的品质有关。

根据这一工况要求，我公司研制了HR-50S和HR-60S抗结皮浇注料，其中的主要原料碳化硅不仅具有非常好的抗化学侵蚀性能，而且在高温下发生氧化反应，在材料表面产生SiO2玻璃状光滑物质层，更加有效地阻止了有害气体对耐火浇注料的化学侵蚀，此外碳化硅具有很强的耐磨性，在下料管等部位可以满足大量生料的冲刷要求。