如何延長水泥回轉窯耐火材料使用壽命

  摘要：影響回轉窯耐火材料使用壽命的因素很多，但主要是機械應力作用、熱應力作用和生產操作這三個方面。逐一分析了這三方面因素對窯內耐火材料使用壽命的具體影響；在此基礎上提出了延長窯襯壽命的管理和技術措施。

  1 問題的提出

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

  回轉窯內的耐火磚，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、化學侵蝕等作用，從而延長窯的使用壽命。根據窯內不同帶的溫度，可以選擇不同品種的耐火材料。但因回轉窯是有一定傾角的旋轉體鑲砌在窯筒體內的耐火磚，在生產過程中，耐火磚因受機械負荷、熱負荷和化學侵蝕等綜合作用，過早的損壞而縮短使用壽命的情況會經常出現(xiàn)。因此，如何通過技術措施與控制，延長耐火材料使用壽命，以提高窯的運轉率、降低耐火材料用量、提高熟料的產質量，降低生產成本，為水泥企業(yè)所關注。

  2 耐火材料使用壽命的影響因素

  影響窯內耐火磚使用壽命的因素很多，見圖1。通過理論分析結合實際生產經驗，認為主要是三個方面，即機械應力作用、熱應力作用和生產操作的影響。

  2.1 機械應力對耐火磚使用壽命的影響

  機械應力是物體由于外因變形時，在物體內各部分之間產生相互作用的內力，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到變形前的位置。當窯內耐火磚所承受的機械應力超過其自身強度時，磚體在應力作用下產生局部或全部損壞^[2]。產生機械應力的主要因素有以下兩個原因：

  （1）橢圓變形。由于回轉窯內襯磚、窯料和筒體自身重量等綜合因素造成窯筒體變形，在重力以及熱負荷作用下，筒體的圓形截面變成橢圓形。當窯運轉時，橢圓對耐火磚造成機械應力，且橢圓度愈大所產生的機械應力也愈大。由橢圓度變化產生的剪切應力作用在每環(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、堅硬。

  （2）回轉窯的軸線偏移?；剞D窯是由輪帶、托輪、托輥支撐的，其軸線應為窯各斷面圓中心點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，或窯體經過一段時間運行后且窯內熱工制度不穩(wěn)定，在熱負荷和荷重的作用下，窯體的軸線會產生偏移。之后，再經長時間的運轉，輪帶和托輥的磨損、托輥的外偏和內偏，各個支點的荷重條件會發(fā)生變化，特別是當支點的荷重過大時，容易造成托輥軸瓦燒損、輪帶及托輥表面異常剝離或裂縫，這又將進一步加劇窯體軸線偏移；結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 熱應力

  熱應力是指當溫度變化時，物體由于外在約束以及內部各部分之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產生的應力。高溫熱膨脹，易使耐火磚產生軸向膨脹擠壓應力，是窯內耐火磚剝落、破損的重要原因之一。以鎂鉻質或尖晶石質磚為例，l400℃時的膨脹率均可按 1.6％計算^[3]，長 198mm 的耐火磚其膨脹量可達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，嚴重縮短耐火磚的使用壽命。耐火磚因熱應力產生破壞的形式見圖 4。

  2.3 生產操作對耐火材料使用壽命的影響

  生產操作對耐火磚使用壽命的影響機理復雜且因素較多，現(xiàn)主要從以下兩個方面進行分析。

  （1）煅燒溫度過高引起的磚損傷。新型干法預分解窯窯內火焰溫度可達到 1700℃以上，另其過渡帶、燒成帶、冷卻帶、窯頭罩、冷卻機的喉部和高溫區(qū)以及噴嘴外側部位的工作溫度也遠高于傳統(tǒng)窯相應部位的溫度。即使采用優(yōu)質耐火材料，大型回轉窯的過渡帶、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；窯頭罩和冷卻機喉部窯襯壽命約 2 年。在試生產階段，通?；剞D窯的運轉率一般僅為 70%～75%甚至更低，極少數能達 85%～90%。如果再加上預熱器、分解爐的運行狀況不良，入窯物料分解程度很不穩(wěn)定，會使窯內各工藝帶位置經常變動，必將導致窯操作不穩(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。新型干法預分解窯的轉速常達 3～3.7 r/min，甚至高達4 r/min 以上，回轉窯筒體的線速度達到 1m/s 以上。在高轉速、大直徑和高溫度的新型干法窯上，窯襯所受熱應力、機械應力和化學侵蝕的綜合破壞效應比傳統(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度和穩(wěn)定性。

  3 延長耐火材料使用壽命的技術措施

  3.1 橢圓度變形的控制

  橢圓率是反映回轉窯筒體橢圓變形程度的重要指標，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值，一般將其作為橢圓率的管理基準值，這個數值有上限值和下限值，與窯徑呈直線關系，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產生窯筒體被輪帶夾?。ㄋ^輪帶夾緊現(xiàn)象）的數值。

  實踐表明，磚的損耗速度與熱窯橢圓率有一定的相關性，通過它們的關系得到的近似公式（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。

  計算得出：窯期（窯從開始運行至停產檢修的時間）為 1 年時，熱窯橢圓率的允許值應控制在0.42％以下，窯期為半年時，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，所以對燒成帶要進行更加嚴密的橢圓率管理。

  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確地掌握機械狀況，從而能制定出更加準確的大窯維修計劃。

  3.2 回轉窯軸線偏移的控

  實際生產過程中，嚴格控制窯軸線偏移不得超過 3mm，否則必須進行糾偏處理。實踐證明，當窯體在熱態(tài)下軸線調整準確時，筒體的彎曲和扭曲都降到最小，各個支點上的荷重分布也比較適宜，窯內耐火磚、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??；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轉率。因此，必須加強熱態(tài)下回轉窯軸線的在線檢測和偏移的及時糾偏工作。

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

  3.3 合理確定環(huán)縫尺寸以減小熱應力影響

  環(huán)縫是回轉窯進行耐火磚砌筑時，為減小高溫時耐火磚膨脹產生軸向擠壓應力對耐火磚的損壞而設置在每環(huán)耐火磚之間的間隙。環(huán)縫尺寸的大小，應根據耐火磚的線性膨脹系數、使用溫度等通過計算確定。如通過計算，燒成帶耐火磚的膨脹量為 3.17 mm，實 際 砌 筑 時 ，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)，并應研究烘窯操作制度，正常生產時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、降本。最高溫度管理必須進入工藝管理過程，可結合火焰比色、測溫儀、熟料晶相分析等方法進行測試。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

  在生產操作過程中，不能一味地追求高轉速提高熟料產量，要做到物料量、窯轉速和窯內煅燒狀況的匹配，才能達到最佳效果。同時可以根據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 語

  隨著水泥工業(yè)應用的耐火材料品種不斷增加，在注重節(jié)能降耗的今天，水泥生產企業(yè)應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 個月，窯的運轉率已超過85％～ 90%，熟料的產、質量均有所提高。

  參考文獻

  [1] 周劍平. 水泥生產工藝[M]. 西北大學出版社，2008.2.

  [2] 納 杰.關于延長回轉窯耐火磚使用壽命的探討[J] .有色金屬設計，2007（01）.

  [3] 魯有，何憲超. 水泥窯用耐火材料適用技術[M]. 中國建材工業(yè)出版社，2007.1.