延长水泥回转窑耐火材料使用寿命

延长水泥回转窑耐火材料使用寿命

在当今的水泥行业中，新型干法窑、预分解窑和各种类型的传统窑多种形式共存，而新型干法预分解技术是当今世界技术发展的主流。新型干法水泥熟料在煅烧过程中，烧成温度1 450 ℃左右，而回转窑内部的燃烧气体温度最高可达1 700 ℃以上，甚至接近2 000 ℃。不论是技术先进还是传统的烧成系统设备，均需配置高性能的耐火材料。优质的耐火材料不仅可确保窑的高产和安全运转，而且有利于产品质量的提高，达到生产过程中高效低耗的目的。

　　影响窑内耐火材料使用周期的因素很多，图1为影响窑内耐火材料使用周期的因素。窑内衬料在使用过程中因受机械负荷、热负荷和化学侵蚀等综合效应的影响，往往达不到窑衬的正常使用寿命，从而会过早损坏，其原因较为复杂，必须通过仔细观测分析，才能找出不正常损坏的原因，减少窑衬的过早损坏事故。通过多年的生产实践发现在众多的影响因素当中，以下3个方面尤为重要，水泥厂对此不应忽视，要侧重管理。

图1 影响窑内耐火衬料使用寿命的因素

1 机械应力对耐火材料使用寿命的影响

　　回转窑是旋转体，机械应力对耐火材料的损伤非常突出，由于不同状况的操作条件，耐火砖受到不同机械应力的作用，当所承受的机械应力强度超过耐火砖自身的强度时，砖体在应力作用下产生局部或全部损坏。因此机械应力是最为重要的损坏因素。

　　1.1椭圆变形带来的砖损伤

　　1.1.1 椭圆变形如何带来砖损伤

　　窑筒体变形是由窑内衬砖、窑料和筒体重力等综合因素造成，在上述重力以及热负荷作用下，筒体的圆形截面变成椭圆形。当窑运转时，椭圆对耐火砖造成机械应力，椭圆度愈大所产生的机械应力也愈大。为减少轮带对筒体的应力变形，在筒体和轮带之间设计时留有间隙，在生产过程中，应经常对间隙进行调整，保持合适的间隙。即使采用预防性措施，窑筒体在长期运转过程中仍会出现椭圆形变，致使窑内衬砖遭受椭圆度应力。由椭圆产生的剪切应力随窑旋转每周至少变化4次，使用6～8个月衬砖受剪切应力循环作用360万～480万次，这是十分巨大的疲劳作用，对耐火材料的破坏格外严重。由椭圆产生的剪切应力作用在每环砖的切线方向，故残砖剥落成环状损坏，而剥片厚度一般均匀、坚硬。

　　1.1.2椭圆率的管理

　　Holderbank公司提出的椭圆率管理数值，一般将其作为椭圆率的管理基准值，这个数值有上限值和下限值，与窑径呈直线关系，上限和下限之间的部分为理想范围，见图2。上限值是对荷重或间隙引起的大窑变形而造成的耐火材料损伤所能允许的最大界限值，如果超过上限会给砖带来不良影响、造成砖脱落等事故，引起耐火砖破损。下限值是为了避免间隙不足时产生窑筒体被轮带夹住(所谓轮带夹紧现象)的数值。
椭圆率的值是通过椭圆度计算出的，椭圆率=椭圆度/窑有效内径×100%。椭圆度计算式为W=4/3D2σ，其中W 为椭圆度，σ为筒体测示仪测得的最大偏差值，D为筒体外径。合理的椭圆度应小于窑外径的十分之一，因此椭圆度要控制在窑外径的十分之一范围内。若没有筒体测试装备，可以通过轮带和筒体相对滑动（滑移量）和间隙对椭圆度进行控制。

实践表明，砖的损耗速度与热窑椭圆率有一定的相关关系，通过它们的关系得到的近似公式得出：热窑椭圆率的允许值为1年运转要控制在0.42％以下，半年运转要控制在0.78％以下。但是，在烧成区域，由于椭圆度的增大会造成结皮不稳定从而引起熔化损伤等异常损耗，所以要进行更加严密的椭圆率管理。

图2 椭圆率的管理值与窑径的关系

椭圆率管理不仅对于稳定大窑操作、延长砖的使用寿命有重要的意义，而且，通过定期测定热窑椭圆度也可以准确地掌握机械状况、制定出更加准确的大窑维修计划。

1.1.3管理要点

通常的运转管理中，如果在热态窑情况下测出的椭圆率(实测值)等于或超过 0.6％、并且轮带滑移量等于或超过3 0～5 0 mm，必须考虑调整垫板高度。实际工作中必须考虑以下几点：

(1)抑制卡紧现象发生

要掌握通常运转时的轮带滑移量并对从滑移量中计算出来的椭圆率的变化进行管理。同时要确认这个数值和筒体椭圆率测定仪的实测值呈何种关系。如果有条件，筒体测定仪的实测值可以两个月测定一次，但最少要大修前测定一次，用以制定维修计划。

点火时要监视轮带和筒体的温度以及轮带滑移量，要将筒体进行冷却以消灭温度差、抑制卡紧现象发生。

在运转方面可采取改变升温速度等措施。

(2)使椭圆率靠近理想范围即0.4％～0.6％。可采用加强筋或加大筒体板厚以增强窑的刚性并及时进行椭圆率的测定。

1.2大窑偏芯带来的砖损伤

在窑筒体安装及部分筒体切割更换时，定芯工作基本上都是在冷窑状态下进行的，因此，当运转中有热负荷和荷重发生后，窑筒体的芯会发生偏移，当芯的偏移不大时不存在什么特别问题，但经过长时间的运转后，轮带和托辊的磨损、托辊的外偏和内偏、筒体的部分切割更换等因素都会促使芯的偏移越来越大。

1.2.1大窑偏芯如何带来砖损伤

回转窑的结构是用几个大的轮带将细长的圆筒支撑起来而成的，各个支点的回转芯应设置在一条直线上。在定芯准确的状态下，筒体的扭曲为最小，荷重也都适当地分散在各个支点上；相反，由于在运转中托辊和轮带会发生磨损，如果不及时修正，大窑肯定会发生偏芯现象。当大窑偏芯时，连接各个支点的回转芯垂直方向或水平方向无法在一条直线上，这时，筒体的扭曲和变形较大，加在内衬砖上的机械应力就会增加，因此砖的使用寿命会大幅度缩短。

当窑芯不在一条直线而在偏芯的状态下转动时，砖不仅会受到挤压而容易造成压坏或脱落，而且由于各个支点的荷重条件会发生变化，特别是当支点的荷重过大时，容易造成托辊轴瓦烧损、轮带及托辊表面异常剥离或裂缝等。另外，大小齿轮也会产生忽深忽浅的振动或缺损。因此，当窑芯偏移超过3 mm时，一定要进行定芯修正。

1.2.2如何定芯

大窑的定芯方法有两种：一种是在冷窑状况下，在大窑内部求出各个支点和大齿轮的芯，使用光线等，边调整托辊边将芯定在一条直线上的方法；另一种是在热窑状态下从大窑外部求出各个支点的回转芯，然后边调整托辊边将芯定在一条直线上的方法。在部件已经发生磨损的情况下，在大窑运转过程中求出回转芯的热窑方法对改善大窑的条件起着有效的作用，因此，建议水泥厂应采用在运转状态下进行定芯的热窑定芯方法，相比冷态的定芯作用更好。

1.2.3定芯带来的改善

进行热窑定芯后，当窑芯定得准确的状态下，筒体的弯曲和扭曲都降到最小，加在各个支点上的荷重也都分布得比较合适，通过实践证明耐火砖的损耗速度明显下降；除此之外，在定芯准确的状况下，大窑内衬耐火砖、大窑筒体、轮带下垫板(座板)、轮带、支撑托辊、托辊轴、托辊轴瓦受到的压力较小，使用寿命得以延长。可见在定芯准确的状态下，不仅耐火砖如此，其他所有的部件也由于所受应力减小而减少了磨损，从而使窑的使用寿命得以延长，其结果可以避免大窑的意外停车，提高机械性稳定程度。也就是说，准确的定芯可以在预防维修方面也起到有效的作用。

2 轴向膨胀挤压应力带来的砖损伤

2.1轴向膨胀挤压应力如何带来砖损伤

回转窑有3.0°～4.0°的倾角，在回转窑转动到上方时，易使砖和窑皮出现脱离筒体的倾向，促成砖抽签、掉砖、窑皮脱落，窑中心线倾角越大、转数越快，也就越不利于衬砖的安全和窑皮的稳定。

2.2 克服挤压剥落的办法

（1）密切关注耐火材料自身膨胀

热膨胀性是耐火材料使用时应考虑的重要性能之一。炉窑在常温下砌筑，而在高温下使用时炉体要膨胀。为抵消热膨胀造成的应力，需预留膨胀缝。线膨胀率和线膨胀系数是预留膨胀缝和砌体总尺寸结构设计计算的关键参数，不能忽视。

（2）留好环缝

克服挤压剥落的办法是留好环缝。不论镁铬质还是尖晶石质砖，l 400 ℃时的膨胀率均可按1.6％估算，长198 mm的砖膨胀量为3.17 mm，故环缝不可小于3.0 mm，有的企业在砖出厂前贴2.6～3.0mm的纸板是正确的。这里说的环缝大小是理论值，作者实际测量环缝的平均值在3.5～4.0 mm，而实际操作中，要进行精密计算。在烘窑时，纸板烧掉，砖尚未膨胀到最大点，因此纸板遏制砖的窜动能力有限，为防挤压应力防范措施失效，贴板应采用燃烧温度高的材质(如纤维板)，并应研究烘窑操作制度，将F0降为最小。

许多水泥厂认为过渡带温度低，窜动挤压力不大，不要求砌于此区域的砖加纸板,。事实并非如此，尖晶石质材料在1 200 ℃的膨胀率为1.3％~l.2％，净膨胀量为2.8 mm，说明贴纸板很有必要，拆窑时会发现在上、下过渡带不贴纸板的窑衬每块砖都表现出挤压剥落的特征，剥头量可达50％，严重者几乎全部爆头或断裂，所以在损伤分析中要仔细客观，不能只简单地认为磨损、化学应力及热应力重要，更要注意热膨胀的重要性及砌筑时设计计算的重要性。

3 生产操作对耐火材料使用寿命的影响

生产操作对耐火材料使用周期的影响机理复杂，因素较多，下面就大型预分解窑从两个主要方面加以分析。

3.1煅烧温度过高引起的砖损伤

大型预分解窑使用预热器和分解炉，以及高效篦式冷却机和多风道喷煤嘴，入窑生料的分解率达90%以上，窑头和窑头罩又加强了密闭和隔热，火焰温度可达到1 700 ℃以上，甚至接近2 000 ℃。其过渡带、烧成带、冷却带、窑头罩、冷却机的喉部和高温区以及喷嘴外侧部位的工作温度远高于传统窑相应部位的。即使采用优质材料，大型回转窑的过渡带、烧成带和冷却带的窑衬寿命一般在0.5～1年，短的甚至仅3～5个月。窑口和喷嘴衬料寿命一般只有0.5～1年，甚至更短，窑头罩和冷却机喉部窑衬寿命约2年。因此，在窑的试生产阶段，这种窑的年运转率一般仅为70%～75%，少数能达85%～90%。如果预热器、分解炉的预分解程度很不稳定，会使窑内各工艺带位置经常变动，必将导致窑操作不稳定，窑衬损坏更快。因此严格控制并准确测量最高煅烧温度必须引起重视，窑砖损伤40%的可能性是由于没有掌握好窑内的最高煅烧温度，或者没有进行最高温度的管理，所以最高温度管理必须进入工艺管理过程，可结合火焰比色、测温仪、熟料晶相分析等方法进行测试。

3.2窑速较快引起的砖损伤

传统回转窑的转速一般只有60～70 r•h-1，大型预分解窑的转速常达180～220 r•h-1，甚至240 r•h-1以上，回转窑筒体的线速度达到1 m•s-1以上。在高转速、大直径和高温度的新型干法窑上，窑衬所受热应力、机械应力和化学侵蚀的综合破坏效应比传统窑要大得多。这就要求新型干法窑的窑衬无论在冷态或热态下，在窑转动中均须具有足够的强度和稳定性，在窑衬设计和耐火砖选型中都要保证更高的精准度，并要求更高的施工质量。在生产操作上，也不能一味的追求高转速，要做到物料、窑转速和窑内煅烧状况的匹配，才能达到最佳效果。

4 结束语

随着水泥工业中应用的耐火材料品种不断增加，在注重节能降耗的今天，水泥生产企业的科技人员应更多地了解耐火材料，更好地使用耐火材料，采取一系列措施维护好耐火材料，把耐火材料消耗降到最低水平。