水泥回转窑烧成带和过渡带筒体冷却技术的发展

中图分类号：TQ 72.622.26 文献标识码：B 文章编号： 008-0473(20 8)05-000 - 2 DOI编码： 0. 6008/ki. 008-0473.20 8.05.00水泥回转窑烧成带和过渡带筒体冷却技术的发展江旭昌天津市博纳建材高科技研究所，天津 300400摘 要 烧成带筒体温度过高，会出现挂窑皮困难、耐火砖寿命短、烧成带筒体过早失效、轮带下筒体出现缩颈、胀裂轮带等情况。

因过渡带没有完好窑皮的保护，预分解窑过渡带筒体的温度也很高。

为安全起见，水泥窑烧成带及过渡带筒体表面的温度均需要有效控制。

“窑筒体高温点水雾冷却装置（HCHSU）”比喷水冷却、淋水冷却、风冷等具有更大的优越性，更加节能减排，更加环保，是水泥窑烧成带筒体冷却的最先进技术。

轮带间隙风水结合自动控制装置在冀东水泥厂的实践说明，只用风冷就可控制住过渡带筒体的温度，基本上用不到水冷。

关键词 烧成带 过渡带 筒体 温度 冷却 装置0 引言烧成带筒体温度过高，会出现挂窑皮困难、耐火砖寿命短、烧成带筒体过早失效、轮带下筒体出现缩颈、胀裂轮带等情况。

大多数的水泥企业为安全起见，水泥窑烧成带筒体表面的操作温度都控制在370 ℃以内，一旦超过370 ℃就要采取应急措施进行调整，以防“红窑”，造成不应有的损失。

水泥回转窑筒体的温度除烧成带最高以外，预分解窑的过渡带筒体温度也很高，这是因为过渡带没有完好窑皮的保护。

其他处的筒体表面温度一般都不会超过370 ℃，可见需要冷却的筒体只有烧成带和过渡带。

对于三档支承的预分解窑，其过渡带基本都处于中间档处。

此处轮带下的筒体一旦温度超高，便会产生两种危险：一种是筒体会产生“缩颈”损坏；另一种是严重时轮带有被胀裂的可能。

到目前为止，解决水泥回转窑烧成带筒体超温和红窑以及过渡带处筒体的超温最适用的办法就是对其筒体进行冷却。

水泥回转窑烧成带筒体的冷却技术由初始的人工手持水管喷水冷却、淋水冷却、空气冷却、简易空气水雾冷却和水雾自动冷却等过程发展至今。

对三档支承预分解窑过渡带筒体的冷却有风水结合自动冷却和风冷技术，主要是通过有效控制轮带间隙进而达到保护此处筒体、轮带和窑衬的目的，以延长它们的使用寿命。

本文就水泥回转窑烧成带筒体和过渡带筒体需要冷却的原因、控制温度限制及冷却技术的发展进行论述，以供同行参考。

1 水泥回转窑烧成带筒体冷却的必要性水泥回转窑筒体基本上都是由不同厚度普通碳素结构钢Q235钢板（有极少数在烧成带误用20 g 钢板）卷制焊接而成的一个长圆筒，长径比最大的湿法窑可达L/D＝43之多，最小的立波尔窑和新型超短窑[1]也在10以上。

其重量约占整台窑设备的38%～65%，是回转窑中最大最重最重要的机件。

回转窑是热工设备，都在高温下工作，水泥回转窑中水泥熟料的烧成温度约为1 450 ℃，烧成带内气流的最高温度可达2 100 ℃（图1）[2]。

除极特殊工业部门中的回转窑外，水泥回转窑几乎是众多工业部门中应用温度最高的回转窑。

为保证正常生产，使回转窑筒体能够在允许的温度内工作，在筒体内必须砌筑耐火砖或局部打耐火浇注料（统称为“窑衬”）加以保护。

回转窑烧成带的筒体温度最高，除需要镶砌耐温好易挂窑皮的耐火砖外，在火砖的内圈表面上还要固结一层一定长度和厚度的“窑皮”。

这样，一方面使煅烧的高温水泥熟料不与耐火砖直接接触而与窑皮直接接触，使耐火砖免受窑内物料的磨损和烧蚀，起到保护耐火砖的作用，以延长其使用寿命；另一方2面能够降低耐火砖的温度进而降低烧成带筒体的温度，延长它们的使用寿命，使回转窑能够正常长期运转，见图2所示。

图1 回转窑烧成系统的温度分布a.窑筒体纵断面b. 窑筒体横断面 图2 水泥回转窑烧成带筒体的构成窑皮质量（长度、厚度、强度和表面的平整度等）的优劣，不仅对水泥熟料的产质量和能耗具有重要影响，而且对烧成系统能否长期、安全、稳定的正常运转也尤为关键。

水泥熟料在窑内烧成带煅烧过程中，火焰、烟气、熟料的热量都是首先通过窑皮继而耐火砖最后才传至金属筒体。

显然，烧成带筒体温度不仅反映了窑皮的质量、火砖状况，而且还反映了回转窑的运行状态是否正常。

因此，当代的水泥回转窑都配备红外线扫描筒体温度监测仪，以监测控制窑筒体的温度。

烧成带筒体温度过高，会出现挂窑皮困难、耐火砖寿命短、烧成带筒体过早失效、轮带下筒体出现缩颈、胀裂轮带等情况。

1.1 挂窑皮困难筒体温度过高或者过低都会造成挂窑皮困难，即使勉强挂上了也不会牢固，很容易脱落，使回转窑不能正常运转。

相反，温度过低也不可，如图3所示[3]。

因此，有经验的窑操或者看火工在挂窑皮时发现筒体温度过高，必须采用冷却措施将筒体温度降到合适温度，才能挂上质量好的窑皮。

a.窑皮的形成、粘附和掉落过程b. 窑皮的稳定段和不稳定段图3 水泥窑烧成带窑皮的形成、粘附和掉落过程及其分段H·Barthel对水泥回转窑内耐火窑衬内表面上窑皮的形成、粘附和掉落过程作了如图3a所示的描述。

由图3b可见，对于一定性能的耐火砖和窑料挂窑皮的要求温度是一定的，只有正火点段内的温度高于挂窑皮的要求温度，进而形成稳定的窑皮段。

烧成带内正火点前后的两侧部位，特别是烧成带前后的两侧过渡段内，窑料实际挂窑皮温度低于其要求温度，所形成的窑皮是不稳定的，通常会时长时落。

31.2 缩短耐火砖的寿命筒体温度过高窑皮不会牢固，当窑皮脱落后不仅会使耐火砖的温度增高，砖体软化，减弱抗磨蚀能力，而且水泥熟料便会与耐火砖直接接触，加快其磨蚀；由于不同的耐火砖其热膨胀系数不同，碱性耐火砖的热膨胀系数与金属筒体的热膨胀系数属于一个数量级，其线热膨胀系数α＝（8～16）×10-6/K 或α＝（8～16）×10-6/℃。

当窑筒体的热膨胀系数高于耐火砖时，窑筒体内表面与耐火砖保护层间就会出现间隙，使耐火砖的紧固度不足；当窑筒体的热膨胀系数小于耐火砖的热膨胀系数时，耐火砖又会被挤得过紧，超过自身抗压强度而损坏[4]，见图4。

1.3 水泥窑烧成带筒体过早失效水泥回转窑筒体的设计寿命一般为30年，但由于烧成带筒体超温会使其寿命大大缩短。

当烧成表2 4 000 t/d 水泥生产线非计划紧急停窑经济损失的估算注：最大停窑时间按停窑冷却2 d，耐火砖维修2 d，烘干1 d，升温投料1 d，共2＋2＋1＋1＝6 d。

a.不同窑径的衬砖圈压缩应力与筒体椭圆度ω的关系b.不同窑筒体椭圆度的衬砖圈压缩应力与窑直径D 的关系图4 窑衬厚度为200 mm 时衬砖圈压缩应力与筒体椭圆度ω和窑直径D 的关系带筒体外表面温度达到460℃时，其许用应力仅为316 ℃时的一半，见表1所测的数据。

当温度超过550～600 ℃，窑筒体就会出现红热点，晚间观察可看见微红色，这就是习称的“红窑”。

如果没有冷却措施，就必须紧急停窑，造成很大的损失。

现以国外一条4 000 t/d水泥生产线为例，一次因红窑紧急停窑所造成的经济损失就达26.4万美元[5]，折合人民币则约为170万元，详见表2。

表１ 普通钢板许用应力随温度升高的变化红窑有两种情况：一是局部红窑，即由窑皮局部脱落，耐火砖随之局部损坏，造成水泥窑烧成带筒体局部超温甚至红窑，如图5所示[5]；二是整段整环红窑，即整段整环的窑皮脱落，整段整环的耐火砖磨蚀变薄损坏，造成整段整环的红窑。

以前有的水泥厂操作员或看火工缺乏经验，采用水管喷水进行冷却，筒体便会发生凸凹不平很大的褶皱变形，火砖难以稳固，必须更换这段筒体才能保证正常生产。

另外，因温度过高导致筒体钢板许用应力降低而造成筒体裂断，也必须更换，这时所造成的损失就会更大。

我国HD水泥厂Φ4 m×60 m立波尔4窑烧成带筒体曾因此造成在约1 m宽度段上的整环发生严重皱瘪，不更换就无法进行生产。

图5 因窑皮局部脱落而造成烧成带筒体局部超温或红窑1.4 轮带下筒体出现缩颈、胀裂轮带近代的回转窑，基本上都采用松套轮带。

在冷态时，轮带内径与筒体垫板间存有一定的间隙，称为“轮带间隙”。

因为窑轮带下筒体的温度永远大于轮带温度，所以筒体的热胀量永远都大于轮带。

当轮带下筒体超温膨胀量增大超过轮带内径时，轮带宽度下的筒体因受刚固轮带的约束而不能继续膨胀，可轮带两侧的筒体因无约束便继续膨胀，经过较长时间后形成了在冷窑时轮带下的筒体直径比其两侧的小，即形成了“缩颈”[6]。

当轮带下筒体产生缩颈时，毫无疑问会使轮带的应力增大，这是轮带发生断裂的一个很重要的影响因素。

由上述可见，控制水泥回转窑烧成带筒体既不超温不红窑又不温度过低是非常必要的，或者说是使烧成系统能够长期、安全、稳定正常运转的重要保证[7-8]。

2 水泥回转窑筒体表面极限温度的限定水泥回转窑内的温度以烧成带为最高，由图1可知，气流的最高温度可达2 100 ℃，煅烧的熟料温度在1 350 ～1650 ℃之间。

有良好窑皮保护的火砖层内表面温度约在600～700 ℃之间[3]。

当窑皮脱落时，耐火砖层的内表面一般可达1 300 ～1 400 ℃，见图6所示。

当完好的耐火砖层厚度为200 mm时，不同种类或者说不同品种的耐火砖导热系数不同。

通过对一条规格直径为Φ4.4 m的水泥回转窑所测定结果表明，镁铬砖的导热系数大于晶体结合高铝砖。

在相同条件下窑筒体内表面的温度却不同，前者比后者高434－300＝134 ℃。

对于相同材质厚度均为25 mm厚的窑筒体，内表面温度越高，其传递速度越快。

由图6中的计算结果可见，采用镁铬砖窑筒体的温度传递速度为V Mg ＝0.36 ℃/mm，大于采用晶体结合高铝砖窑筒体的温度传递速度V Al ＝0.2 ℃/mm。

也就是说，晶体结合高铝砖的隔热性能优于镁铬砖，因此前者窑筒体的表面温度仅为295 ℃，而后者则高达425 ℃，超过了钢材允许的400 ℃的极限温度。

图6 不同耐火砖层和窑筒体的温度测定及温度传递速度的计算随着窑衬使用时间的延长，耐火砖层的内表面会磨蚀损坏，使其减薄，对窑筒体表面温度有很大影响。

除此之外，当采用40 mm厚耐火泥和垫以3 mm 厚陶瓷纤维毡砌筑火砖时，对窑筒体外表面温度也都有一定的影响。

对完好200 mm厚的普通碱性和专用碱性不同砌筑方式耐火砖层以及已磨损掉80 mm厚的相同旧砖层进行了窑筒体表面温度的测定，其结果见图7所示。

由此可见，采用普通碱性200 mm厚的新砖层，烧成带窑筒体表面的最高温度可达430 ℃，对于相同已磨蚀掉80 mm 厚的旧砖层，烧成带窑筒体表面的最高温度可达515 ℃，比新砖增高了85 ℃。

不管新旧砖，也不管普通碱性和专用碱性砖，采用3 mm厚陶瓷纤维衬的耐火砖层，其窑筒体表面温度都是最低的，今后应该推广，对节能减排大有好处[4]。

实测表明，在采用普通碱性砖时筒体表面温度由430 ℃降到350 ℃左右，熟料煤耗降低约2 kg/t·cl。