冶金石灰回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈原因分析及解決方案

丁春輝，劉華健，劉世昌，趙恒起，寧生龍

（1.鞍山鋼鐵集團(tuán)耐火材料有限公司，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼集團(tuán)朝陽鋼鐵有限公司，遼寧 朝陽 122000）

回轉(zhuǎn)窯作為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)冶金石灰的重要設(shè)備，具有對原料和燃料適應(yīng)性強(qiáng)、煅燒均勻、質(zhì)量穩(wěn)定、氧化鈣含量高、活性度大、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。但回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問題是一直以來困擾用戶的一大難題[1-4]。鞍山鋼鐵集團(tuán)耐火材料有限公司（以下簡稱“鞍鋼”）應(yīng)用日產(chǎn)1 000 t的KVS型回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)冶金石灰，該設(shè)備自投產(chǎn)以來頻發(fā)結(jié)圈故障，給生產(chǎn)順行帶來很大困難。為了有效避免回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問題，分析了結(jié)圈的形成原因，對比了常規(guī)處理結(jié)圈方法的優(yōu)劣勢，最終提出回轉(zhuǎn)窯砌筑揚(yáng)料臺方案并開展應(yīng)用實(shí)踐。

1 回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈形成原因分析

回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈是回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)冶金石灰過程中普遍存在的較為棘手的問題，一旦發(fā)生結(jié)圈，將會(huì)對回轉(zhuǎn)窯的產(chǎn)量、質(zhì)量和安全平穩(wěn)的運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，甚至造成回轉(zhuǎn)窯停產(chǎn)。結(jié)圈造成的不良影響包括：① 窯爐產(chǎn)量達(dá)不到設(shè)計(jì)產(chǎn)能；② 提高燃料單耗，增加石灰產(chǎn)品單位成本；③ 嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，生成大量廢料；④ 窯內(nèi)負(fù)荷增加，主電機(jī)電流上升，回轉(zhuǎn)窯本體安全穩(wěn)定運(yùn)行系數(shù)下降；⑤ 粉料增加，窯頭窯尾冒正壓，對現(xiàn)場和周邊環(huán)境帶來嚴(yán)重污染；⑥ 出料溫度升高，易發(fā)生火災(zāi)事故；⑦ 嚴(yán)重時(shí)需停窯處理，影響生產(chǎn)順行；⑧ 處理結(jié)圈增大崗位工人勞動(dòng)強(qiáng)度，并存在一定程度的燒燙傷危險(xiǎn)性。

回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈主要是由于物料中的低熔點(diǎn)物質(zhì)如 SiO2、Al2O3、Fe2O3等雜質(zhì)在一定溫度下與 CaO 反應(yīng)生成某些低熔點(diǎn)化合物如xCaO·SiO2、xCaO·Al2O3等，從而形成液相，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)圈。行業(yè)內(nèi)多家企業(yè)已對結(jié)圈的化學(xué)成分進(jìn)行了取樣分析，發(fā)現(xiàn)相比于石灰產(chǎn)品，瘤子中 SiO2、Al2O3等的含量明顯偏高[5-7]，且位置越接近瘤子根部，成分中低熔點(diǎn)物質(zhì)SiO2、Al2O3等含量越高[8]。由此可見，物料中低熔點(diǎn)物質(zhì)雜質(zhì)越多，越容易形成液相，而液態(tài)的低熔點(diǎn)物質(zhì)與窯襯、物料、煙氣存在一定的溫差，當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)物質(zhì)遇冷后將粘附窯內(nèi)襯磚，初期形成的相對較薄的一層掛料（行業(yè)內(nèi)稱之為“結(jié)皮”）對于窯爐運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至能起到保護(hù)窯襯的作用。但隨著時(shí)間的延長，粘附的物料逐漸增加，掛料形成的粘附層逐漸變厚，最終將形成結(jié)圈。鞍鋼回轉(zhuǎn)窯投產(chǎn)初期結(jié)圈如圖1所示。由于投產(chǎn)初期頻繁結(jié)圈，給生產(chǎn)順行帶來了極大的不利影響，甚至造成停產(chǎn)。

圖1 鞍鋼回轉(zhuǎn)窯投產(chǎn)初期結(jié)圈Fig.1 Circinate Conglutination in Rotary Kiln during Production Early Stage in Ansteel

2 常規(guī)處理結(jié)圈方法對比

2.1 減產(chǎn)降溫處理

在回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈程度較輕，結(jié)圈厚度低于300 mm的情況下，一般采用減產(chǎn)降溫處理方式，即先逐漸降溫、減產(chǎn),當(dāng)回轉(zhuǎn)窯窯尾的溫度降至400℃左右時(shí)，再快速升溫逐漸使回轉(zhuǎn)窯的產(chǎn)能恢復(fù)至正常產(chǎn)能的70%～80%。這種處理結(jié)圈方法的原理是：隨著窯里溫度的快速變化，結(jié)圈物質(zhì)的體積快速膨脹和收縮，結(jié)構(gòu)被破壞，使部分結(jié)圈脫落；逐漸恢復(fù)生產(chǎn)后，初期相對“生”的物料對結(jié)圈部分產(chǎn)生的沖擊較大，也會(huì)將一部分結(jié)圈沖擊下來。如此反復(fù)2～3次，結(jié)圈能夠基本清除。這種處理方法的優(yōu)點(diǎn)是影響生產(chǎn)時(shí)間最短，對窯襯損害也較小；局限是該方法只能處理結(jié)圈初期、瘤子厚度較薄的情況。

2.2 停窯降溫處理

在回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈厚度在300～400 mm時(shí)，采取停窯降溫處理方法，即立即停窯止火，并拉風(fēng)降溫，當(dāng)窯尾溫度降到200℃左右時(shí)，開始快速轉(zhuǎn)窯，使瘤子脫落。這種處理結(jié)圈方法的原理是：溫度快速降低，窯內(nèi)瘤子快速收縮，使結(jié)圈開裂，部分瘤子自行脫落；同時(shí)，當(dāng)窯體處于快速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，脫落的瘤子將在窯內(nèi)向窯頭方向翻滾，不斷撞擊尚未脫落的瘤子，從而使更多的瘤子脫落。這種處理方法的優(yōu)點(diǎn)是處理速度相對較快，對窯襯造成的傷害較低；缺點(diǎn)是該方法多數(shù)只能將結(jié)圈的厚度處理至50 mm左右，無法徹底清除窯內(nèi)結(jié)圈。

2.3 停窯人工處理

在回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈厚度超過400 mm時(shí)，窯爐已基本無法正常生產(chǎn)運(yùn)行，且前兩種處理方式已經(jīng)起不到明顯有效作用，此時(shí)應(yīng)立即停窯，待窯內(nèi)溫度降低至40℃以下，進(jìn)行人工敲打處理。該處理方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠徹底清除結(jié)圈，同時(shí)對窯襯的傷害最低；缺點(diǎn)是人工處理的勞動(dòng)強(qiáng)度極大，停產(chǎn)時(shí)間長并且存在燒燙傷危險(xiǎn)。因此，生產(chǎn)中一旦出現(xiàn)結(jié)圈，應(yīng)立即采取措施進(jìn)行處理，避免結(jié)圈持續(xù)增厚。

2.4 噴水處理

噴水處理方法一般是先停止加料并保持最小火焰，同時(shí)用輔助電機(jī)緩慢盤窯，將特質(zhì)鐵管通入高壓水并對準(zhǔn)結(jié)圈根部的薄弱處進(jìn)行噴水，噴水時(shí)間視具體情況而定，單次噴水時(shí)間一般不超過8 min，噴水過后，適當(dāng)加大火焰，同時(shí)用主電機(jī)盤窯。如此循環(huán)，次數(shù)控制在6次以內(nèi)，而后停窯觀察窯內(nèi)結(jié)圈處理情況，如效果不佳，可重復(fù)上述過程，直至處理完成。噴水處理的優(yōu)點(diǎn)是一旦成功，所需時(shí)間較短，工人勞動(dòng)強(qiáng)度相對較低。但缺點(diǎn)也比較明顯，包括：①當(dāng)噴水過后火焰增大時(shí)，產(chǎn)生的大量水蒸氣易快速從窯頭觀察孔噴出，存在較大安全隱患；②噴水處理過程中窯內(nèi)的溫度波動(dòng)較大，急冷急熱對窯內(nèi)襯磚的損害較大；③該方法處理脫落的瘤塊較大，如監(jiān)控不力，瘤塊堵塞冷卻器下料口，將影響成品石灰的卸料，從而影響窯爐的正常生產(chǎn)。鑒于噴水處理的上述弊端，一般較少用該方式處理結(jié)圈。

以上均為回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈后，為使回轉(zhuǎn)窯恢復(fù)正常生產(chǎn)而采取的處理結(jié)圈的方法，不僅會(huì)影響生產(chǎn)，還會(huì)增加人力、物力成本的投入。為控制結(jié)圈的形成，行業(yè)內(nèi)一般采用提高石灰石品位，控制好雜質(zhì)含量，從而減少低熔點(diǎn)物質(zhì)的產(chǎn)生；規(guī)范工藝操作，穩(wěn)定熱工制度，在調(diào)整風(fēng)煤比、控制好火焰形成的同時(shí)確保窯速和推料量相匹配，從而避免窯內(nèi)局部溫度過高的措施。但抑制結(jié)圈的措施難度較大，不易實(shí)現(xiàn)。因此，非常需要一種能夠杜絕回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的新方案。

3 回轉(zhuǎn)窯砌筑揚(yáng)料臺方案

為了防止回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈，提出了回轉(zhuǎn)窯砌筑揚(yáng)料臺方案，即在回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱帶砌筑4條具有一定寬度且高于常規(guī)窯襯磚的凸起的襯磚，從而達(dá)到揚(yáng)料的目的。

3.1 揚(yáng)料臺砌筑

揚(yáng)料臺的砌筑位置為預(yù)熱帶，回轉(zhuǎn)窯揚(yáng)料臺切面如圖3所示。

圖2 回轉(zhuǎn)窯揚(yáng)料臺切面Fig.2 Tangent Plane of Burdenlifting Table in Rotary Kiln

回轉(zhuǎn)窯窯殼體是物料石灰石煅燒分解的主要設(shè)備，窯襯磚是緊附于窯殼體內(nèi)側(cè)，起耐磨、保溫的耐火材料。揚(yáng)料臺砌筑寬度為400～600 mm，由多塊寬約100 mm的耐火磚構(gòu)成。常規(guī)預(yù)熱帶窯襯磚的厚度尺寸為230 mm，由于鞍鋼回轉(zhuǎn)窯日常所用的原料粒度范圍在18～40 mm，設(shè)計(jì)揚(yáng)料磚的高度為280 mm，高出常規(guī)預(yù)熱帶窯襯磚50 mm，目的是揚(yáng)起物料，使物料得到有效的翻滾，達(dá)到良好的揚(yáng)料效果。揚(yáng)料臺的砌筑只需將預(yù)熱帶部分窯襯磚尺寸調(diào)整為高于常規(guī)窯襯磚50 mm即可，增加的成本幾乎可以忽略不計(jì)。

3.2 防止結(jié)圈原理

物料石灰石在回轉(zhuǎn)窯預(yù)熱器內(nèi)預(yù)熱后，經(jīng)過下料溜槽進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯窯體內(nèi)，隨著窯體轉(zhuǎn)動(dòng)在窯內(nèi)翻滾，其動(dòng)態(tài)安息角約為30°，部分物料被揚(yáng)料臺揚(yáng)起翻滾，一方面,能夠使物料受熱更加均勻，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，節(jié)省燃料成本；另一方面，細(xì)小顆粒中 SiO2、Al2O3、Fe2O3等雜質(zhì)含量相對較高，均為形成結(jié)圈的有害成分，在物料被揚(yáng)起時(shí)，物料中存在的細(xì)小顆粒大部分會(huì)被及時(shí)抽走，不僅減少了有害雜質(zhì)含量，也避免了粉料過多導(dǎo)致滑料；更重要的是，有效的翻滾可以降低已經(jīng)完全分解的粉料與高溫窯襯的直接接觸，從而降低低熔點(diǎn)物質(zhì)粘結(jié)在窯內(nèi)襯磚上形成結(jié)圈的可能。因此，揚(yáng)料臺的砌筑可大大降低冶金石灰回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的概率。揚(yáng)料臺砌筑后的實(shí)物圖見圖3。

圖3 揚(yáng)料臺砌筑后的實(shí)物圖Fig.3 Photos of Built Kiln Burden-lifting Table

4 應(yīng)用效果

砌筑揚(yáng)料臺前后回轉(zhuǎn)窯主要參數(shù)及石灰產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)對比見表1。由表1可以看出，揚(yáng)料臺的砌筑對于改善回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)工藝參數(shù)起到了十分顯著的作用，冷卻器卸料溫度降低，回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)安全系數(shù)提高。同時(shí)，也很大程度提高了石灰產(chǎn)品質(zhì)量。

表1 砌筑揚(yáng)料臺前后回轉(zhuǎn)窯主要參數(shù)及石灰產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)對比Table 1 Comparison of Main Parameters for Rotary Kiln and Quality Indexes of Lime before and after Building Kiln Burden-lifting Table

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在砌筑揚(yáng)料臺前，回轉(zhuǎn)窯頻繁發(fā)生結(jié)圈，導(dǎo)致在結(jié)圈未處理期間回轉(zhuǎn)窯的單日產(chǎn)能平均只有650 t；砌筑揚(yáng)料臺后，基本能夠解決結(jié)圈問題，單日產(chǎn)能可達(dá)到950 t。同時(shí)，節(jié)省了由于處理結(jié)圈而投入的大量人力物力，降低了崗位工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也避免了由于處理結(jié)圈而有可能發(fā)生的燒燙傷事故。

5 結(jié)語

鞍山鋼鐵集團(tuán)耐火材料有限公司為了解決冶金石灰生產(chǎn)中出現(xiàn)的回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問題，提出了回轉(zhuǎn)窯砌筑揚(yáng)料臺方案。實(shí)踐后，有效解決了回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈問題，降低了冷卻器卸料溫度，提高了回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)安全系數(shù)，提高了石灰產(chǎn)品質(zhì)量，回轉(zhuǎn)窯日均產(chǎn)能由650 t提高到950 t；同時(shí)，也節(jié)省了由于處理結(jié)圈而投入的大量人力物力，降低了崗位工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了由于處理結(jié)圈而有可能發(fā)生的燒燙傷事故。