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新型干法水泥窑用不定型耐火材料的优化配置

2022-03-01 00:07 已有 人浏览 小编

20世纪水泥工业技术取得了突破性的发展,回转窑的推广,提高了水泥熟料的烧成热效率。七十年代,日本研发了预分解水泥生产技术,此技术使水泥工业产生了革命性的进展,由此建造的新型干法水泥生产线, 相比较同直径的湿法窑或传统干法窑,不仅获得了更高的烧成热效率,降低了能源消耗,还减少了对环境的污染,单机生产能力更是获得了很大的提高。不同窑型水泥窑的生产能力及窑型详见表一。


新型干法水泥窑用不定型耐火材料的优化配置(图1)

上世纪八十年代,我国开始自主研发预分解水泥生产技术,并引进国外新型干法水泥生产设备,投资建设了一批新型干法水泥生产线。九十年代开始,我国的新型干法水泥技术得到了飞速发展,相继投成生产了一批2500T/D、5000T/D以上的水泥生产线,海螺万吨线的建成更是标志着我国的水泥生产技术达到了世界水平。


耐火材料作为在水泥窑上的消耗品,不仅保护着生产设备在高温下的正常运转,还有效的降低了热损耗。随着水泥生产技术的提高和发展,系统装备不断大型化,水泥熟料的生产能力日趋扩大,水泥设备工作状况和窑内环境的变化,对耐火材料提出了新的要求。


不定型耐火材料在新型干法窑上的配置


我厂成立于上世纪八十年代,是一家专业生产水泥窑用不定型耐火材料的企业,根据新型干法水泥窑的工况要求,以及我们与全国300多家水泥企业的合作使用经验,为新型干法水泥窑用不定型耐火材料的选择提供一些合理性建议,供各水泥厂家参考。


预分解水泥窑耐火材料使用部位较多,其中静止设备的衬料约占总量的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。本文主要阐述不定型耐火材料在水泥窑上的配置状况。在水泥窑上使用的不定型耐火材料主要指耐火浇注料,完善的不定型耐火材料供应商会根据每座水泥窑的实际生产状况,配置最适合的耐火浇注料。


1.1 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度以上的高温以外,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。


1.1.1 机械应力损坏


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,对前窑口浇注料就要求有足够的机械强度。


1.1.2 热应力损坏


数据表明,回转窑运行过程中前窑口熟料出口温度达到1400多度,入窑二次空气温度达1200多度。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。


1.1.3 化学侵蚀损坏


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材料,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、莫来石质耐火浇注料的发展。我厂的HN-20G莫来石高强耐火浇注料最早使用在1997年投建的台湾嘉新京阳5000T/D水泥生产线,通过京阳水泥厂技术改造日产熟料达到6700吨,在此工况下HN-20G使用周期仍达到8-12个月以上,后来在国内被广泛推荐使用于2500T/D、5000T/D以上规模的新型干法水泥生产线;2002年法国拉法基在四川投建的都江堰拉法基3500T/D生产线正式投产,根据该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HN-20GF莫来石钢纤维高强耐火浇注料,使用周期达到10-12个月,满足了客户的使用要求;铜陵海螺万吨线的建设对耐火材料的发展又是一个新的挑战,针对万吨线的具体工况,我们又研发了HN-20GT刚玉莫来石高强耐火浇注料,在兼顾HN-20G的性能的基础上,提高了材料的机械强度和热震稳定性。


1.2 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,而且该气流夹带着窑内的熟料粉尘,因此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的浇注料的性能要求比前窑口浇注料要求更高。根据该设备的使用工况,对应前窑口浇注料,我厂研制了HN-20GP、HN-20GFP和HN-20GTP,在大型水泥窑上使用周期达到5-8个月以上。


1.3 窑头罩、篦冷机


窑头罩和篦冷机属于相对静止设备,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,因此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的是:一、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,该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的话,容易发生爆裂掉块;窑头罩顶部靠近三次风管处,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,而且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、篦冷机前端顶部受到熟料的反弹热冲击,工作温度相对较高,变化较大;前端两侧矮墙长期受到通过窑口下来的高温熟料的磨损,也承受一定的机械应力和热应力破坏;三、三次分管的拐弯处,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HN-DFB1、耐磨性更高的HN-DFB以及热震性更佳的HN-20都是比较合适的材料。其他部位设计的时候都采用一般的高铝质耐火浇注料就能满足使用的要求。


1.4 预分解系统


原始生料在预热器中逐级升温,在此过程中生料中的碱、氯、硫等有害成分不断挥发、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,所以设计中该部位采用高强耐碱浇注料。与原始生料相比,最热级旋风筒的热料中碱、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膨胀仓及下料管,堵塞物主要是高温粘结的物料;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燃料的品质有关。根据这一工况要求,我厂研制了HN-50S和HN-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,会在材料表面产生SiO2玻璃状光滑物质层,更加有效的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。


耐火浇注料施工使用的配套方案


由于耐火浇注料是一种散状料,需要到生产现场施工浇注成型,每个品种的材料的加水量、施工时间都有所区别,不同施工部位的浇注和振捣方式也不太一样,因此施工的质量就直接影响到浇注料的使用寿命。除了浇注这道工序以外,耐火浇注料的施工还包括浇注料的拆除、锚固件的排布与焊接、铺贴硅酸钙板、支模等相关工序,不同的部位对每道工序的要求都不尽相同。目前大多数水泥企业在新建项目或窑炉检修时,耐火浇注料的供应方和施工方是不同的单位,那么在施工质量的控制上可能达不到耐火浇注料供应方的要求,降低了浇注料的使用寿命,由此影响了水泥窑的运转周期。为了保证我们的耐火浇注料在水泥企业更好的使用,不影响水泥窑的正常运转,我厂在1997年单独成立了炉窑公司,长期为各大水泥企业提供选型、耐火浇注料、施工等配套项目,免除企业后顾之忧。


结语


综上所述,新型干法水泥生产线有着湿法窑和传统干法窑无法比拟的优势,在不定型耐火材料的选型上也有别于其它类型的水泥窑,每个企业要根据自身设备、原燃材料的实际情况进行优化配置,提高水泥窑生产效率的同时,降低水泥企业的生产成本。我厂为各水泥企业提供全方位配套服务,量身打造最合适的耐火材料优化配置,为水泥企业的发展保驾护航。


参考文献


【1】 曾大凡,张用宾.新型干法水泥窑用耐火材料的技术发展与现状.中国建材科技,2001,(1):33-36


【2】 张卫东,窑外分解窑耐火材料配套及合理使用.水泥工程,2004,(5):30-32,54


【3】 支俊秉,石云生.预分解系统结皮堵塞的原因及对策.水泥工程,2006,(6):44-45

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