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    影響水泥回轉窯耐火磚襯體壽命的主要因素

    發布日期: 2020-09-28 10:11:56    閱讀量(253)    作者:

    水泥回轉窯是傾斜安裝在托輪上作回轉運動的鋼質圓形筒體,筒體內襯體由耐火磚及相匹配的金屬部件鑲砌組成,襯體的主要作用是維持水泥熟料煅燒所需高溫并保護筒體設備,襯料的損壞與窯內的熱應力、化學侵蝕、機械應力3種因素的綜合影響密切相關。3種應力的產生是水泥熟料在煅燒過程中,系統內耐火襯料受所在部位的物料(生料、窯料、熟料)和燃料燃燒產生的煙氣的溫度和化學成份的影響,以及筒體及其他金屬部件變形對該部位襯體和金屬產生作用的影響。

    1、熱應力

    水泥熟料煅燒過程中受窯料、煙氣的影響,窯系統內溫度分布不一樣,產生相應不同的熱應力影響(見圖1、圖2)。

    圖1回轉窯內溫度分布

    圖2燒成系統內物料的工況溫度

    窯內熟料煅燒時生料、窯料、熟料溫度從常溫加熱至約1430℃,回轉窯內燃料燃燒所生成的煙氣溫度從1800℃~2000℃,窯筒體內所襯砌的耐火磚(又稱火磚、襯磚)受高溫煙氣和熟料溫度的幅射和傳導作用使襯磚溫度升高產生體積變形損壞,窯內耐火磚常見的熱應力損壞有:最高溫部位襯磚表面的窯皮熔體滲透磚面,與磚體成份起化學作用,導致磚體熱面致密,一些物理性能如容重、孔隙率、強度等發生變化而使磚體發生損壞的熟料熔體侵蝕;高溫導致磚內晶格結構發生變化而出現結構疲勞損壞的過熱負荷損壞;窯內煙氣和磚熱面溫度突然變化產生熱應力造成的熱震損壞等。

    2、化學侵蝕

    煅燒水泥熟料的原料主要成份為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3,次要成份為MgO、K2O、Na2O、SO3、Cl2等氧化物以及微量元素化合物。近年來,質次的原燃料、工業廢物以及城市生活垃圾大量用作水泥原燃料,增加了少量和微量元素化合物的品種和數量(見表2)。上述元素化合物在熟料煅燒過程中,相互作用,生成大量的固、熔、氣相化合物,對耐火襯體造成熱化學侵蝕。

    表2水泥熟料煅燒過程中不同元素的循環

    對耐火襯料直接影響的是在燒成過程中,在預熱器和回轉窯之間的內循環所富集的堿(鉀、鈉)鹵族(氟、氯)和硫的化合物,其氣體和熔融物隨窯料侵蝕耐火襯料,與耐火襯料內的成份起作用,生成新的低熔礦物,與襯料內的原有礦物相比,體積呈現不同程度的膨脹,致使襯料剝落損壞。

    近年來的生產實際中,發現個別重金屬如鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎘(Cd)滲入襯磚后,會與磚內成份作用,生成新的化合物,造成磚體熔融溫度降低和體積膨脹,而使磚體損壞。常見的襯體化學侵蝕主要有:堿鹽侵蝕、鉻礦石腐蝕、氧化還原損壞、堿剝落等。

    3、機械應力

    水泥熟料生產時,襯磚與襯磚之間、襯磚與窯料之間、襯磚與金屬筒體、襯體與受熱膨脹金屬件之間相互作用產生機械應力,造成襯磚損壞。

    在回轉窯中,機械應力主要有窯筒體橢圓度應力損壞、擋磚圈壓應力損壞、襯磚之間熱膨脹剝落、襯磚錯位應力損壞、插縫鐵板膨脹應力損壞。在不動設備系統中,金屬托磚板、金屬筒體直墻、襯體分別會受到熱變形和荷重及粉料沖刷產生的應力,從而導致襯體剝落或襯體坍垮。

    減緩機械應力主要途徑有降低金屬溫度、襯體砌筑預留合適的縫隙、砌筑時在磚縫之間充填膠泥、嚴防熱氣流直接接觸金屬筒體、提高耐材的抗折和抗壓強度、通過設計、施工、生產操作以及提高耐材質量來減緩不同種類機械應力。

    近年來,一些生產線使用含有大量堿、氯、硫有害化合物的代用原燃料,在生產過程中產生熱、化學、機械應力而嚴重損壞襯體,托磚板的使用壽命也大幅降低。由此出現了密閉形托磚板設計技術,用耐火澆注料將金屬托磚板封閉,防止其受含塵熱氣流的直接接觸而變形損壞,在實踐中取得較好效果。

    另外,近年來生產線裝備的日℃加大也會附帶產生新的問題,尤其是在高溫部位的大窯門罩、篦冷機以及預熱器,均出現裝備頂蓋跨距過大,頂部殼體和襯體易自重下垂,使襯體之間產生裂縫,高溫熱氣流通過裂縫與頂部金屬殼體接觸,而使殼體受熱膨脹變形,反過來又對襯體產生機械應力,最終使襯體損壞。

    4、綜合作用

    由于熟料煅燒所產生的各種應力是動態的,窯內各部位工況條件和反應機理不一樣,導致對耐火材料的要求也有所不同,尤其是高溫下的耐火襯體,除熱應力外,熱化學、熱機械應力檢測有一定的困難,且重覆性差,一般從生產過程中,對襯體產生的應力進行分析判斷,或者停窯后,對殘磚和金屬部件進行冷態檢測,從而找出對襯體作用的應力及其程度,提出緩解措施。

    (1)預熱器分解爐系統內存在的堿、硫、氯成份造成對襯體的化學侵蝕。一些生產線為降低NOx排放,在燃料燃燒過程中,采用還原氣氛的分級煅燒方式,會增加CaSO4分解產生的SO2循環富集量,同時還原氣氛易造成襯體和金屬筒體及金屬部件的化學侵蝕。

    燒成系統裝備中的冷卻機、窯門罩、三次風管的熱端部位主要承受1100℃以上高溫煙氣和1350℃以上的熟料熱應力和熟料熔體產生的化學應力,熟料及粉塵熟料產生的磨蝕等應力,以及金屬筒體變形對襯體產生的機械應力等。

    (2)回轉窯規模的加大,也增加相應有害應力。隨著窯的產量增加,窯速逐步增高,新投產的窯有的高達5~5.5r/分,最大窯徑為Ф6.2m,這增加了高溫金屬筒體變形,對襯體產生機械應力。

    回轉窯內溫度高,化學反應復雜,且窯料以較快速度運行,因此回轉窯內耐火磚的使用壽命受到影響,成為燒成系統更換最為頻繁的部位。國內大型預分解窯內耐火磚運轉較好的為1年左右,一般為8~10個月,在一些尚未正常的生產線,不超過6個月,個別窯不到2個月。

    回轉窯內各不同工作帶耐火磚因承受高的熱、熱化學、熱機械應力,質量要求嚴格且價格昂貴,為減少耐火磚消耗,窯內耐火磚的應用是水泥生產廠和耐火材料制造廠關注的焦點。

    (a)分解帶主要受到化學侵蝕,考慮盡量減少生料、燃料中的堿、氯、硫的含量,配用既能承受此工況溫度,又能承受堿侵蝕的襯磚,同時還需考慮此部位溫度較高,應盡量減少筒體散熱損失,較為合適的品種是既抗堿侵蝕,且熱導率較低的抗剝落高鋁耐火磚。近年來,為減少堿、氯、硫侵蝕襯磚及結皮堵塞,該部位較多使用碳化硅高鋁質襯磚,磚的熱導率高,易造成襯磚部位筒體溫度偏高,造成筒體變形,對襯磚產生機械應力,此外還增加筒體散熱損失。

    (b)過渡帶(上過渡帶后端)受堿、硫侵蝕,煙氣溫度較高,正常操作時沒有窯皮,筒體散熱較大,金屬筒體受熱變形產生橢圓度應力。過渡帶正處在第二檔輪帶下,當開窯溫升過快時,易造成筒體受熱膨脹,受輪帶壓迫造成永久性形變產生的橢圓應力,造成襯磚損壞,是窯內襯磚損壞較多的部位。該部位多選用荷軟溫度超過1600℃,抗堿硫侵蝕,且熱導率較低,抗機械應力強的耐火磚。

    (c)熔體燒成帶(上過渡帶前端)正處在窯的中部,煙氣溫度在1700℃左右,窯料溫度在1300℃以上,耐火磚要承受高溫及溫差形成的熱震應力,加之部份襯體缺少窯皮保護,因此,選擇耐火磚時一般配置高的荷軟溫度且抗窯料熔體侵蝕的耐火磚。但此類耐火磚熱導率高,筒體較快的升溫導致筒體產生膨脹,造成永久性變形而形成橢圓形,對襯磚產生嚴重的機械應力。

    (d)最高溫度燒成帶(燒成帶)在窯的最高溫度部位,火焰溫度最高可達2000℃。該部位存在高溫、熱化學侵蝕、熱震應力不同工況,耐火磚必須具備較強的掛窯皮性能、抗高溫熟料熔體侵蝕及還原氣氛和抗機械應力性能。

    (e)冷卻帶(下過渡帶)熟料從冷卻到固化,其工況變化較大。帶內受高溫氣流、熟料熱應力、含塵氣流、熔體侵蝕、固化熟料的磨蝕及窯筒體變形應力,是回轉窯內襯磚承受熱、熱化學、熱機械應力最高的部位。近年來,隨著窯產量及冷卻機、燃燒器性能的優化,冷卻帶內熟料溫度越來越高,帶的長度越來越短,對襯體性能要求越來越高。

    (3)窯內燃燒器前端耐火澆注料承受高達1800~2000℃的火焰溫度和1400℃以上的熟料溫度的熱幅射,以及熟料和煙氣中硫和堿侵蝕,是燒成系統所有裝備襯體中承受熱、熱化學、熱機械應力最為苛刻的部位,襯體使用壽命最短。

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