窯用耐火材料的選用原則

1、窯用耐火材料的選用原那么易敏武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢430050耐火材料REFRACTORY中國(guó)水泥2022.81回轉(zhuǎn)窯各帶耐火材料的選用原那么1.1預(yù)熱帶、分解帶預(yù)熱帶和分解帶的溫度相對(duì)較低,要求磚襯的導(dǎo)熱系數(shù)小,耐磨； 在這個(gè)區(qū)域來(lái)自原燃料的硫酸堿和氯化堿開(kāi)始揮發(fā),在窯內(nèi)凝聚和富集,并滲入磚的內(nèi)部.普通黏土磚與堿反響形成鉀震石和白榴石,使磚面發(fā)酥,磚體內(nèi)產(chǎn)生膨脹致其開(kāi)裂剝落 這個(gè)損壞現(xiàn)象被統(tǒng)稱為“堿裂.而含A12O325嗆28%PSiO265%70%fc右的耐堿磚或耐堿隔熱磚在一定的溫度下與堿反響時(shí),磚的外表立即形成一層高黏度的釉面層,封閉了堿向磚內(nèi)滲透的通道,預(yù)防了“堿裂,又增大了磚面

2、對(duì)窯研磨的反抗力,變“堿害為“堿利.但這種磚不耐1200c以上的使用溫度.所以預(yù)熱帶一般采用磷酸鹽結(jié)合高鋁磚、 抗剝落高鋁磚,也可以采用耐堿磚.分解帶一般都采用抗剝落高鋁磚,硅莫磚在性能上優(yōu)于抗剝落高鋁磚,壽命比抗剝落高鋁磚高約1倍,但價(jià)格較高.窯尾進(jìn)料口宜采用抗結(jié)皮的碳化硅澆注料.1.2過(guò)渡帶和燒成帶過(guò)渡帶：該帶窯皮不穩(wěn),要求窯襯反抗氣氛變化水平好、熱震穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱系數(shù)小、耐磨；國(guó)外推薦采用鎂鋁尖晶石磚,但該磚的導(dǎo)熱系數(shù)大,筒體溫度高,相對(duì)熱耗要大,不利于降低能耗.國(guó)內(nèi)的硅莫磚導(dǎo)熱系數(shù)小、抗磨,性能一定程度上與進(jìn)口材料相媲美.燒成帶：該帶溫度高,火焰溫度達(dá)1700c以上,化學(xué)反響劇烈,高溫

3、下熟料液相、熔融燃料灰渣的滲入以及隨窯氣滲入的硫酸堿和氯化堿等對(duì)各種耐火材料都有很強(qiáng)的化學(xué)侵蝕水平.在氧化一復(fù)原氣氛頻繁交替的窯上,形成硫化物,并凝聚在磚內(nèi),停窯時(shí)轉(zhuǎn)為氧化氣氛,硫化物轉(zhuǎn)化成硫酸鹽,體積增大,如此反復(fù)循環(huán),破壞了磚的結(jié)構(gòu),引起磚的開(kāi)裂.因此,在燒成帶要求磚襯抗熟料侵蝕、抗SO3CO雄力強(qiáng).國(guó)外一般采用鎂鋁尖晶石磚,但該磚掛窯皮比擬困難,而白云石磚熱震穩(wěn)定性不好,易水化； 國(guó)外的鎂鐵尖晶石磚在掛窯皮上效果較好,但造價(jià)太高,國(guó)內(nèi)新采用低銘的方鎂石復(fù)合尖晶石磚使用情況較好.1.3冷卻帶和窯口冷卻帶和窯口處氣溫高達(dá)1400c左右,又沒(méi)有穩(wěn)定窯皮,溫度波動(dòng)較大,熟料的研磨和氣流的沖刷都很

4、嚴(yán)重.要求磚襯的導(dǎo)熱系數(shù)小、耐磨、抗熱震；熱震穩(wěn)定性優(yōu)良的堿性磚如尖晶石磚 或高鋁磚適用于冷卻帶內(nèi).國(guó)外一般推薦使用尖晶石磚,但尖晶石磚的導(dǎo)熱系數(shù)大且耐磨性不好,國(guó)內(nèi)近年多采用硅磨磚和抗剝落耐磨磚.窯口部位要采用抗熱震的澆注料.如耐磨耐熱震的高鋁磚或鋼纖維增強(qiáng)的澆注料和低水泥型高鋁質(zhì)澆注科,但在窯口溫度極高的大型窯上那么宜采用普通的或鋼纖維增強(qiáng)的剛玉質(zhì)澆注科.2窯襯材料的選用要點(diǎn)2.1有良好的熱震穩(wěn)定性能耐火材料的熱展穩(wěn)定性K隨它的導(dǎo)熱系數(shù)入和力學(xué)強(qiáng)度的增加而增加,隨它的熱膨脹系數(shù)a,彈性模量E、比熱c和體積密度丫的增加而降低,即:K=入r/c丫aE1耐火磚的熱膨脹系數(shù)和彈性模量是其本質(zhì)所決定

5、的,因此必須設(shè)法適當(dāng)?shù)靥嵘突鸫u的強(qiáng)度來(lái)提升磚的熱展穩(wěn)定性.2.2在環(huán)境溫度和使用溫度下均有足夠的力學(xué)強(qiáng)度窯的筒體并不完全是剛性的,加上窯橢圓度過(guò)大的影響,窯在轉(zhuǎn)動(dòng)中窯體特別是輪帶部位發(fā)生或大或小的變形,在窯襯內(nèi)產(chǎn)生壓、 拉和剪應(yīng)力,加上火磚相互間持續(xù)出現(xiàn)的相對(duì)位移和局部應(yīng)力,導(dǎo)致磚的斷裂、開(kāi)裂、剝落甚至“抽簽掉磚.窯襯在加熱、冷卻過(guò)程中產(chǎn)生溫差應(yīng)力熱應(yīng)力,也能導(dǎo)致磚的開(kāi)裂和剝落.還有化學(xué)侵蝕形成某些新礦物,產(chǎn)生體積變化,也在磚內(nèi)造成新的機(jī)械應(yīng)力.以上種種都要求耐火磚在常溫和高溫下均有足夠的強(qiáng)度,才能正常使用.2.3要有正確的磚型和尺寸窯筒內(nèi)耐火磚目前普遍選用兩種磚型即VD邳或稱B和冗/3型或

6、ISO型.VDZ型是全德水泥廠協(xié)會(huì)所訂的標(biāo)準(zhǔn).這種磚尺寸較小,單重78kg,大小頭間楔形度小,砌成窯襯后磚縫較多,能較好吸收磚體受熱膨脹后的應(yīng)力,回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的堿性磚應(yīng)采用這種磚型.但這種磚大小頭寬度之差小,砌筑中必須嚴(yán)禁大小頭倒置,以免發(fā)生掉磚事故.冗/3型是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),這種磚大頭寬度統(tǒng)一為103mm,因而單重較大,回轉(zhuǎn)窯用的高鋁磚和黏土磚適于采用這一磚型.綜上所述,為滿足傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝的要求,必須配套使用一系列的堿性磚、高鋁質(zhì)磚、耐堿磚、耐火澆注料、黏土質(zhì)磚、碳化硅等耐火材料.口水泥回轉(zhuǎn)窯及其內(nèi)襯的侵蝕隨著建材工業(yè)“由大變強(qiáng)、靠新出強(qiáng)開(kāi)展戰(zhàn)略的實(shí)施以及國(guó)家對(duì)于根底工業(yè)的重視,作為2000t/

7、d以下和4000t/d級(jí)回轉(zhuǎn)窯的非高溫區(qū)的全套耐火材料已能完全滿足要求1.但由于大型干法回轉(zhuǎn)窯將取代一大批立窯及小型回轉(zhuǎn)窯,其具有窯溫更高、窯速更快、窯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、堿等揮發(fā)性組分侵蝕嚴(yán)重等特性2,從而對(duì)耐火材料提出了更為苛刻的要求.1回轉(zhuǎn)窯工藝1.1回轉(zhuǎn)窯的開(kāi)展回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)水泥熟料已有一個(gè)多世紀(jì)的歷史.現(xiàn)在,水泥回轉(zhuǎn)窯12000t/d的最大生產(chǎn)水平是其它窯所不能到達(dá)的.上世紀(jì)70年代,引進(jìn)了預(yù)燒結(jié)窯,從而獲得了耐火材料的熱卸載.進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯之前,在預(yù)熱系統(tǒng)中進(jìn)行的二次燒結(jié)除去了原料中90%的碳,在燒結(jié)期間,注入的料發(fā)生熔融,形成燒結(jié)礦物.隨著這些變化的發(fā)生,回轉(zhuǎn)窯縮短,但生產(chǎn)水平保持不變3.1

8、.2回轉(zhuǎn)窯的工藝特點(diǎn)新型大型回轉(zhuǎn)窯以預(yù)分解窯(PC)和預(yù)熱器窯(SP)為主,與傳統(tǒng)水泥窯相比具有以下特點(diǎn)4,5:(1)堿、硫、氯等組分侵蝕嚴(yán)重.硫酸鹽和氯化物等揮發(fā)凝聚反復(fù)循環(huán)并富集,導(dǎo)致預(yù)熱器、分解爐、上升煙道、下料斜坡所用的黏土磚和普通高鋁磚等耐火材料受到嚴(yán)重的侵蝕,加劇結(jié)構(gòu)剝落損毀；(2)窯溫提升,大型預(yù)分解窯多采用篦式冷卻機(jī)和多通道噴煤嘴,二次風(fēng)溫度可達(dá)1300C,出窯熟料溫度可達(dá)1300C.而傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯出窯熟料溫度為1100C左右,二次風(fēng)溫度在1100c1200C.溫度的提升加劇了熟料對(duì)耐火材料的侵蝕,使用壽命急劇下降；(3)窯速加大,單位產(chǎn)量加大,機(jī)械應(yīng)力和熱疲勞破壞加大.大型窯的

9、轉(zhuǎn)速到達(dá)了34r/min,比傳統(tǒng)窯提升3倍以上.這就要求耐火材料要有更高的整體穩(wěn)定性和抗熱震性能；(4)窯徑加大,窯皮的穩(wěn)定性差.2000t/d的窯直徑為4m,4000t/d窯直徑為4.7m,又加之窯速加快,機(jī)械震動(dòng)加劇,要求高溫帶耐火材料除了有耐高溫熟料侵蝕及熱震穩(wěn)定性外,還需要易粘窯皮的性能.基于上述特點(diǎn),必須對(duì)各個(gè)部位的不同要求選擇適宜的耐火材料,并在此根底上研制新型的耐火材料.1.3燃料的變化回轉(zhuǎn)窯做為主要的水泥燒結(jié)系統(tǒng),煤是其主要燃料.從上世紀(jì)50年代,水泥工業(yè)開(kāi)始使用石油和天然氣.這種變化對(duì)耐火材料內(nèi)襯有積極作用,由于石油和天然氣幾乎不含有能滲透到耐火材料內(nèi)襯中的灰分或惰性氣體.但

10、由于石油能源的緊張對(duì)水泥工業(yè)造成的沖擊,故又重使用煤作燃料.同時(shí),二次燃料,諸如舊輪胎、廢木材、廢石油、塑料、溶劑等的使用也在增加.水泥回轉(zhuǎn)窯變成了一個(gè)“廢棄物焚化爐,耐火材料工業(yè)面臨著新的挑戰(zhàn).二次燃料的使用,不僅堿金屬、 氯化物、 硫酸鹽、 硫化物,而且重金屬和微量元素,如鉛、鎘、銘、鍥、汞等也大量地進(jìn)入窯系統(tǒng)中.這些物質(zhì)滲透和腐蝕耐火材料內(nèi)襯,有些還直達(dá)窯殼.此外,當(dāng)二次燃料燃燒時(shí),由于在脫氣和二次燃料的延遲燃燒期間釋放出了CO氣體,形成了局部復(fù)原條件.2回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的侵蝕作用水泥熟料煨燒過(guò)程中,尤其在燒成帶和過(guò)渡帶,窯襯用耐火材料因與水泥熟料和窯內(nèi)高溫氣氛直接接觸而受到嚴(yán)重的化學(xué)侵蝕6.

11、原料和燃料中含有揮發(fā)凝聚性質(zhì)的微量組分,在氣相和凝聚相內(nèi)均能存在.由于新型干法窯充分利用煙氣的余熱預(yù)熱進(jìn)入預(yù)熱器的水泥生料,堿的硫酸鹽和氯化物揮發(fā)、凝聚,反復(fù)循環(huán),使得這些組分在窯內(nèi)富集,其中這些組分的含量也大為增加7.在水泥燒成溫度范圍內(nèi),這些元素化合物對(duì)不同耐火材料有著不同的影響.2.1高鋁質(zhì)耐火材料對(duì)于高鋁質(zhì)耐火材料,氧化鋁含量小于25%時(shí),具有較好的抗堿侵蝕性能,材料與堿反響生成KAS6、KAS4、K、Na、A12O3、SiO2的堿硅鋁化合物,呈玻璃熔融體,形成致密的保護(hù)層,阻止了堿的進(jìn)一步侵蝕,一定程度上保護(hù)了耐火材料,但此種耐火材料耐火度較低8.而氧化鋁含量較高的耐火材料,其耐火度

12、較高,但抗堿侵蝕水平較差,材料與堿反響生成KAS6、KAS2、K、Na、A12O3、SiO2的堿鋁硅礦物,發(fā)生體積膨脹,使材料損壞、剝落,影響使用壽命.2.2鎂質(zhì)耐火材料一般來(lái)講,鎂質(zhì)耐火材料的侵蝕行為大致可劃分為兩個(gè)溫度帶的化學(xué)反響：即高溫區(qū)的熟料-磚工作帶界面反響和低溫區(qū)K、S、C1的冷凝氣化學(xué)侵蝕作用9.前一過(guò)程中堿元素化合物局部地參與熟料液相的形成,降低硅酸鹽結(jié)合相的熔點(diǎn)和黏度,緩慢地溶解方鎂石顆粒外表,雖影響磚的結(jié)合強(qiáng)度,但利于窯皮的形成,起到保護(hù)耐火材料的作用.后一過(guò)程中堿、氯、硫元素化合物與方鎂石等礦物發(fā)生化學(xué)反響,從而使磚產(chǎn)生各種缺陷,影響材料使用壽命.對(duì)于鎂質(zhì)耐火材料,其使用

13、氣氛不同,受損害的程度也不同.在氧化氣氛下,煙氣內(nèi)的硫化物與窯內(nèi)的C2s及耐火材料中的氧化鎂等成分起反響,生成C3SMgS2、CMS等低熔融化合物.這些化合物滲透到耐火磚內(nèi),既破壞了襯磚的耐火度,又損壞了襯磚的致密結(jié)構(gòu),降低襯磚的使用壽命.同時(shí)SO3與MgO作用生成含有MgO的硫酸鹽,在長(zhǎng)期作用下,大顆粒的氧化鎂將分裂成小晶粒,影響磚體結(jié)構(gòu)和材料的強(qiáng)度.在復(fù)原氣氛下,三價(jià)硫?qū)?fù)原成二價(jià)硫,在磚的冷面生成FeS、KFeS2和CaS.但在氧化復(fù)原情況下,C2S又會(huì)轉(zhuǎn)化為C3SMgS2,出現(xiàn)體積頻繁變化,最終導(dǎo)致材料損壞.此外,鎂銘磚雖具有良好的高溫性能,良好的抗SiO2侵蝕和抗氧化復(fù)原作用,同時(shí)具

14、有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度,較好的掛窯皮性,但其在水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)使用時(shí),在堿或硫的作用下,穩(wěn)定的三價(jià)銘極易轉(zhuǎn)化為氧化水平極強(qiáng)的六價(jià)銘,在氣體內(nèi)銘化物含量超過(guò)10mg/m3,水溶液含銘量超過(guò)0.5mg/L時(shí),將對(duì)人體產(chǎn)生極為嚴(yán)重的危害,使鎂銘磚的使用受到一定的限制.但鑒于鎂銘磚優(yōu)良的性價(jià)比,仍然用于工況條件較為苛刻的大型預(yù)分解窯上.3耐火材料的選擇根據(jù)新型大型回轉(zhuǎn)窯以及預(yù)分解窯(PC)和預(yù)熱器窯(SP)的特點(diǎn),綜合窯內(nèi)襯所受的熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)侵蝕等特征,針對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)不同段帶的需求,選擇適宜的耐火材料.各個(gè)區(qū)域的工況條件和材料選用分述如下10,11(1)進(jìn)料帶該帶一般采用高鋁磚、抗剝落高鋁磚,也有采用耐

15、堿磚,窯尾進(jìn)料口宜采用抗結(jié)皮的碳化硅澆注科；(2)下過(guò)渡帶該帶溫度相對(duì)低,要求磚襯的導(dǎo)熱系數(shù)小,耐磨,一般都采用抗剝落高鋁磚；(3)上過(guò)渡帶該帶窯皮不穩(wěn),要求窯襯反抗氣氛變化水平好、熱震穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱系數(shù)小、耐磨,通常采用鎂鋁尖晶石磚、硅莫磚等；(4)燒成帶該帶溫度高,化學(xué)反響劇烈,要求磚襯抗熟料侵蝕、抗SO3CO2能力強(qiáng),可采用鎂鐵尖晶石磚、低銘方鎂石復(fù)合尖晶石磚等；(5)卸料帶該帶窯皮不穩(wěn),溫度波動(dòng)較大,要求磚襯的導(dǎo)熱系數(shù)小、耐磨、抗熱震,可采用抗剝落耐磨磚；(6)窯口部位采用抗熱震的澆注料.4結(jié)語(yǔ)近年來(lái),我國(guó)已在較短的時(shí)間內(nèi)興建大批大、中型回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線.在今后較短的時(shí)間內(nèi),仍將建設(shè)相當(dāng)數(shù)

16、量的25005000t/d級(jí)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線和少量的10000t/d生產(chǎn)線12,充分熟悉水泥和耐火材料的開(kāi)展形勢(shì),在開(kāi)展水泥工業(yè)的同時(shí),開(kāi)展具有我國(guó)特色的水泥窯用耐火材料.表1歷年來(lái)更換時(shí)火磚情況表耐火磚使用啟訖U期/年月.U換磚部位換磚長(zhǎng)度/m換磚用時(shí)/h使用天數(shù)/d2022-09-16-B9-26更換0.877.6m16.8249.58112022-10-20-41-30更換、挖補(bǔ)1.0-3.0m2.029.25412022-12-07-42-24更換、挖補(bǔ)3.0T3.0m10.089.61172022.01.031-16更換、挖補(bǔ)0.2.8m2.079.25142022-01-192.14更

17、換、挖補(bǔ)0.2Y.8m4.068.17272022-02-163.04更換0.2Tl.4inJ6.6T9.0m23.0314.08172022-03-174-12更換、挖補(bǔ)4.0-7.6m3.680.08272022-04-154.25更換3.0T.6m、挖補(bǔ)18.4T3.0m7.277.72112022-04-285.08更換2.4Y,0m、22.4T6.0m7.297.00112022-05.126.10更換2.4T2,4m、26.0Y8.0in42215.23302022.06-199.15更換19.8T6.0m6.2254.75892022-09-25-2022-01-16更換2.474.2m11.8188.781142022-01-234.13更換0.8T5.0m、22.8-30.6m22.0204.32822022-04-2W5-27更換3.04.4m.16.622.8m7.685.30382022-05-3W0-20更換4.4F.6mJ2.2TL8m21.8259.921422022-10-30-2022-03-31更換0.8T3.4m、30.2Y9.6in32.0206.171512022-04-07-8-27更換4.4T.4mJL6