對(duì)水泥窯耐火材料的使用分析

【摘 要】20世紀(jì)80年代以來，大量固體廢棄物被用作原料、燃料，致使耐火材料所承受的熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)侵蝕大幅度增加，使用周期縮短，耐火材料消耗增加。新的設(shè)計(jì)技術(shù)和施工技術(shù)，延長(zhǎng)使用周期和降低耐火材料的消耗，取得明顯的效果。本文根據(jù)我院耐火材料在水泥窯中使用一些情況，探討不同品種的耐火材料在水泥窯中使用原則。

【關(guān)鍵詞】水泥窯；耐火材料；設(shè)計(jì)技術(shù)；特點(diǎn)

1 堿性耐火材料

1.1 鎂鉻磚。

具有良好的高溫性能，良好的抗SiO2侵蝕和抗氧化還原作用，及優(yōu)良的高溫強(qiáng)度，較好的掛窯皮能力，被大量使用在水泥窯燒成帶。但在氣體內(nèi)鉻化物含量超過10mg/m3，水溶液含鉻量超過0.5mg/m3時(shí)，將對(duì)人體產(chǎn)生極為嚴(yán)重的危害，如果排放會(huì)造成水體污染。鎂洛磚的使用全部是在氧化環(huán)境下使用部分游離的Cr2O3會(huì)被氧化成CrO3，同時(shí)鎂洛磚在堿性環(huán)境下容易生成Cr+6化合物以上排放物對(duì)環(huán)境造成非常大的破壞。現(xiàn)在國(guó)家對(duì)于鎂鉻磚的使用制定了一些限制要求，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)過程中不推薦優(yōu)先采用鎂洛磚。

1.2 尖晶石磚。

鎂鋁尖晶石磚的化學(xué)組成對(duì)性能具有重要影響。尖晶石較適宜的化學(xué)成分8%~20%、CaO0.5%~1.0%、Fe2O30.2%~8%、SiO2<0.4%、B2O3及堿等雜質(zhì)含量小于0.3%，其余為MgO。當(dāng)Al2O3含量小于8%時(shí)，尖晶石晶體含量少，晶間結(jié)合以方鎂石與方鎂石直接結(jié)合為主，呈現(xiàn)出鎂磚的缺點(diǎn)，即抗剝落性差。而當(dāng)Al2O3含量超過20%，磚的抗侵蝕性能下降。當(dāng)CaO<0.5%、Fe2O3<0.2%時(shí)，尖晶石礦物晶體小于5mm或更小時(shí)，晶體間幾乎為方鎂石與方鎂石之間的直接結(jié)合，即表現(xiàn)出鎂磚的缺點(diǎn)。隨著CaO及Fe2O3含量的增加，形成了由CaO-Al2O3-Fe2O3系統(tǒng)的低熔物組成的液相，使尖晶石晶體長(zhǎng)大，由尖晶石晶體的作用所產(chǎn)生的抗剝落性得以發(fā)揮。但當(dāng)CaO>1%、Fe2O3>0.8%時(shí)，CaO-Al2O3-Fe2O3系統(tǒng)的低熔點(diǎn)液相量進(jìn)一步增加，尖晶石晶體尺寸達(dá)20mm以上，此時(shí)由于CaO-Al2O3-Fe2O3系統(tǒng)低熔物量增加使熱態(tài)強(qiáng)度下降。SiO2含量大于0.4%，B2O3及堿等雜質(zhì)含量大于0.3%時(shí)，生成較多的低熔物，也使磚的熱態(tài)強(qiáng)度下降。Al2O3含量在8%~20%范圍內(nèi)，從顯微結(jié)構(gòu)上可以觀察到尖晶石礦物均勻的分布在方鎂石中，尖晶石礦物晶體的尺寸約為5~20mm，磚的綜合性能較好。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的尖晶石磚，不但具有較強(qiáng)的掛窯皮能力，而且在抗堿、硫熔融物和熟料液相侵蝕的能力，荷重軟化溫度，熱震穩(wěn)定性和窯體變形產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力及在抗熱負(fù)荷等方面，都由于鎂洛磚，另外其主要成分是鎂、鐵、鋁等無毒無害成為廢舊材料的處理較為容易，可以回收對(duì)環(huán)境的污染相對(duì)較小，成為當(dāng)今世界堿性磚技術(shù)發(fā)展的主流。

1.3 鎂鋯磚。

氧化鋯熔化點(diǎn)為2715℃，溫度超過1660℃才被熟料侵蝕，因此鎂鋯磚具有較高的耐火度。而氧化鋯顆粒的另一特點(diǎn)是顆粒四周形成微裂紋，從而吸收外部應(yīng)力，在熱態(tài)和冷態(tài)條件下，具有較大的抗斷裂強(qiáng)度。在與尖晶石磚的系列對(duì)比試驗(yàn)中，鎂鋯磚對(duì)SO3、CO2、堿氯蒸汽等有害物抗侵蝕能力，對(duì)熟料液相抗侵蝕能力，氧化還原氣氛對(duì)其的影響及耐壓強(qiáng)度等方面都具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。但是鎂鋯磚在國(guó)內(nèi)采用不多，主要還是單位造價(jià)較高。

2 高鋁質(zhì)耐火材料

高鋁質(zhì)耐火材料氧化鋁含量小于25%的耐火材料，具有較好的抗堿侵蝕性能，但耐火度較低，而氧化鋁含量較高的耐火材料，其耐火度高，但抗堿侵蝕能力較差，當(dāng)工業(yè)固體廢棄物大量用作原燃料時(shí)，在超過1200℃的部位，出現(xiàn)堿富集，高鋁質(zhì)耐火材料很難適應(yīng)。由于碳化硅具有較強(qiáng)的抗堿性能，與堿反應(yīng)后，生成一層黏性極高的、又無裂紋的保護(hù)層。其SiC具有極高的導(dǎo)熱性能和耐磨蝕性能，所以由Al2O3、SiC組成的高耐堿性耐火材料相繼出現(xiàn)，并產(chǎn)生非常好的效果，能滿足燒成系統(tǒng)分解爐、回轉(zhuǎn)窯出料口、窯門罩的頂端及和三次風(fēng)管接口處、篦冷機(jī)底部耐磨段及進(jìn)料口靠近窯口墻面、三次風(fēng)管彎頭部分、前窯口一些磨損較為嚴(yán)重區(qū)域。

3 保溫材料在常規(guī)耐火襯料設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)

保溫材料在常規(guī)耐火材料設(shè)計(jì)時(shí)，保溫襯料一般采用硅酸鹽鈣板，而固體廢棄物在窯中處理時(shí)增加了堿、氯、硫的富集量，如果沉集在硅鈣板中，易使硅鈣板粉化，熱損失加重，同時(shí)會(huì)嚴(yán)重腐蝕金屬錨固件，影響工作層的正常使用。為緩和此狀況，現(xiàn)出現(xiàn)了隔熱耐火澆注料來取代硅鈣板，并取得了明顯的效果。

4 錨固件隨著水泥工業(yè)的迅速發(fā)展，相應(yīng)一些減緩金屬腐蝕的設(shè)計(jì)技術(shù)及耐腐蝕性強(qiáng)的材料也相繼出來，主要有如下幾個(gè)方面：

4.1 在一些堿、氯、硫富集的部位，使用澆注料時(shí)，采用抗堿氯硫侵蝕的陶瓷錨固件，這樣就緩解了因煙氣侵蝕金屬錨固件而導(dǎo)致耐火材料的損壞，延長(zhǎng)了耐火材料的使用周期。

4.2 近年來研究表明，在金屬錨固件表面涂上一層抗堿氯硫侵蝕的涂層，將有害物與金屬錨固件隔開，有效地保護(hù)錨固件，延長(zhǎng)其使用壽命，從而提高耐火襯料的使用周期。

4.3 由于錨固件的腐蝕主要是因煙氣穿過膨脹縫、耐火襯料的裂縫等進(jìn)入材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在高溫下直接侵蝕錨固件，影響耐火材料的正常使用，有些廠家已經(jīng)將材料設(shè)計(jì)為兩層，工作層和輕質(zhì)隔熱層，將膨脹縫錯(cuò)開，阻塞了煙氣的進(jìn)入，有效地保護(hù)了金屬錨固件，進(jìn)而促進(jìn)耐火襯料的正常使用。同時(shí)，由于耐火襯料分為兩層，輕質(zhì)隔熱層的容重遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工作層，所以整體耐火襯料重量減輕，減緩了錨固件的機(jī)械應(yīng)力，從而延長(zhǎng)其使用壽命。

5 合理選用耐火材料根據(jù)預(yù)分解窯生產(chǎn)特點(diǎn)，以及窯內(nèi)襯料所承受的化學(xué)及熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力等，對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)各主要設(shè)備內(nèi)耐火材料的選用大致如下：

5.1 燒成帶和上下過渡帶均使用堿性磚，其品種有鎂鉻磚、尖晶石磚、含鋯和不含鋯的特種鎂磚及白云石磚等。在窯皮不穩(wěn)定甚至常有露磚的過渡帶內(nèi)一般選用尖晶石磚，在堿硫侵蝕嚴(yán)重的窯內(nèi)，選用硅莫磚（SiC浸滲高鋁磚），在堿硫侵蝕低的窯內(nèi)也可選用鎂鉻磚。生產(chǎn)規(guī)模小、窯溫低、堿硫侵蝕低的上過渡帶后端可考慮特種高鋁磚。在分解帶內(nèi)的熱端部位，若磚受侵蝕較快，壽命太短，也可采用硅莫磚或尖晶石磚，否則可用特種高鋁質(zhì)磚。分解帶的其余部位，則應(yīng)采用特種高鋁質(zhì)磚。

5.2 大型窯的窯門罩及篦式冷卻機(jī)喉部和高溫區(qū)內(nèi)溫度偏高的部位（1250℃以上），可采用抗剝落高鋁磚、硅莫磚或特種高鋁磚做工作層材料。但從襯體的使用壽命、襯體的牢固性及材料的施工性能等來考慮，宜采用低水泥高強(qiáng)、高鋁耐火澆注料，并根據(jù)工況條件來選用。

5.3 在窯尾預(yù)熱部位包括窯內(nèi)分解帶以后的部位，預(yù)熱器和分解爐系統(tǒng)，三次風(fēng)管系統(tǒng)內(nèi)，襯料表面溫度>1200℃的部位，應(yīng)采用硅莫磚、抗剝落磚或特種高鋁磚，或采用與上述磚性能接近的低水泥高強(qiáng)高鋁質(zhì)耐火澆注料，上述部位的襯料表面溫度<1200℃，應(yīng)采用系列耐堿磚或耐堿澆注料。

5.4 窯口部位可采用耐磨性能優(yōu)良的特種高鋁質(zhì)耐火磚和高鋁碳化硅耐火澆注料。燃燒器外保護(hù)襯一般采用低水泥型高鋁-碳化硅質(zhì)耐火澆注料或特種高鋁質(zhì)耐火澆注料。

6 耐火材料的設(shè)計(jì)襯料設(shè)計(jì)是提高襯料使用周期重要的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)時(shí)必須做好合理地選用襯料，設(shè)計(jì)時(shí)采取措施減少襯料承受的熱、機(jī)械應(yīng)力、合理地選擇磚型、減少熱損失及增強(qiáng)襯體的牢固性。

6.1 合理地選擇磚型尺寸。襯料設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)裝備的形狀和生產(chǎn)特點(diǎn)作分析判斷，非運(yùn)轉(zhuǎn)件盡可能地選用耐火澆注料，以減少襯磚的使用，運(yùn)動(dòng)部件盡量采用耐火磚。

6.2 減少筒體散熱損失。襯料設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少筒體溫度，減少散熱損失，有利于燒成系統(tǒng)內(nèi)熱工穩(wěn)定，此外筒體溫度愈低，則金屬筒體變形愈小，對(duì)襯料產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力也愈小。

6.3 增強(qiáng)襯體的牢固性。生產(chǎn)過程中，襯料受熱、機(jī)械作用，造成裝備的某些部位襯體出現(xiàn)塌跨現(xiàn)象，解決襯體牢固性也是提高襯料使用周期的一個(gè)重要方面。預(yù)分解窯生產(chǎn)過程中，襯磚承受各種形式的熱、機(jī)械應(yīng)力的作用，窯內(nèi)襯磚的損壞和掉磚事故的原因是多方面的，除了襯磚和火泥泥漿的選用以及生產(chǎn)操作因素外，在襯磚設(shè)計(jì)時(shí)，磚型、磚縫以及檔磚圈的型式和設(shè)置部位直接影響襯磚的牢固。不動(dòng)設(shè)備襯體設(shè)計(jì)時(shí)，磚型、托磚板、錨固件的型式和設(shè)置部位必需考慮周到，必要時(shí)澆注料也必須設(shè)置托板，尤其是窯門上方。

6.4 部分設(shè)備特殊部位襯體的特種要求。在系統(tǒng)設(shè)備的部份襯墻設(shè)計(jì)中，必須解決的特殊技術(shù)要求，如大型裝備的頂蓋、重堿硫氯侵蝕部位的托磚板，需防止氣流接觸，篦冷機(jī)的直角墻體，以及燃燒器的澆注料和錨固釘?shù)呐渲茫紝?duì)襯料設(shè)計(jì)和襯料提出了相應(yīng)的技術(shù)要求。

7 結(jié)語

綜上所述各條生產(chǎn)線使用的原燃料成分及性能差別很大，裝備經(jīng)長(zhǎng)時(shí)期使用后，筒體及殼體變型情況也不一致，因此每條生產(chǎn)線必須按其生產(chǎn)特點(diǎn)及各種應(yīng)力作用的情況，綜合分析判斷，針對(duì)存在的問題，選用對(duì)在生產(chǎn)中出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位選用抗應(yīng)力的耐火襯料制品，只有這樣才能提高襯料的使用周期。