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與耐火材料施工相關的技術研究

發布時間:2015-12-03 09:30 文章來自:http://www.woigbj.buzz/ 作者:admin
隨著新型干法窯的快速發展,窯型越來越多樣化,窯的規格及能力也越來越大,同時伴隨著原料燃越來越緊張,用在窯上的原燃材料也越來越多樣化,這些條件的變化,都會引起對窯襯的影響。作為一名技術人員,我們不僅僅對砌筑要有不斷的創新,同時對耐火材料的性能、發展,及使用要有一個全方面的研究。

一、 耐火磚的砌筑

1、 膨脹縫的重要性
膨脹縫的留設是為了減少因磚的熱膨脹和窯筒體橢圓度造成的應力。
我國水泥窯的耐火材料使用及砌筑方法,主要有受兩個大公司的影響,一是雷法公司,一是悟而發公司。這兩家公司在堿性磚的徑向縫中用1mm厚的鋼板或紙板,或用火泥。許多公司由于膨脹縫的留設不當,對點火升溫后再冷卻的窯襯往往造成不當的影響,主要表現在擋磚圈部位,因為磚縫留的過大,窯筒體的膨脹量一定,在窯冷卻時往往出現問題。
2008年在厄瓜多爾,此公司的配磚是燒成帶用36米的鎂鋁尖晶石磚,該設計也是在36米的尖晶石磚后是第二檔擋磚圈,但由于砌筑時業主堅持不把環向面的紙板取掉,結果在點火生產10天后大修,進入窯內檢查時發現36米鎂鋁尖晶石磚到擋磚圈有一寬40mm的收縮縫。原因很簡單,就是36米磚有180環,每環當中有一個厚度為1.5mm的紙板,紙板同火泥不同,在點火升溫后紙板被燒掉,磚與磚之間就有了大的間隙,當窯冷卻時磚隨著冷卻收縮,磚之間的縫大于筒體的收縮,就有了大的無磚地帶——大的收縮縫。解決辦法,只能是拆掉4到5環,把收縮縫去除掉。這就提醒工藝人員,在配磚時不僅僅要考慮各帶的用磚情況,還要想到砌筑時所配磚的長度,要與窯筒體的膨脹量相近。
2、 擋磚圈的位置
回轉窯是斜度為3——4%的旋轉鋼筒,包括窯皮在內的沉重窯襯在窯中形成向前窯口的巨大推力。窯口護鐵一方面是保護窯口,另一方面就是護住耐火材料不掉下來。僅僅依靠窯口護鐵不足以承受沉重窯襯的巨大推力,再加上為更換磚方便所以設置幾道擋磚圈。在設置擋磚圈時,也要注意幾點,一在燒成帶和過渡帶不要設擋圈。因為在此區設置時不利于窯皮的穩定。二,低溫區內有擋磚圈時,要注意擋磚圈與最近的輪帶或是大傳動齒圈中心線至少保持5米距離,以防內外應力的影響,使該區的磚過早的受應力而被損壞。三,擋磚圈的形狀。不是任意來焊一道圈就行,朱磚圈的結構也很重要。首先擋磚圈不能是連續一個整圈,中間最少要斷開4到5處,每處要留有3——4mm的間隙,簡單的說就是減少因擋磚圈而產生的應力。

3、 砌筑中的創新
根據窯的變形,大膽采用新技術新方法。在##公司,該公司窯筒體變形大,經常出現掉磚情況,經過驗研決定采用江西東方科力公司生產的DK-1#高溫膠泥,此產品不需加熱自行固化,常溫下就有6MPa的抗壓強度。其可以代替火泥砌筑,可將所用被膠結耐火磚“焊”成為一體,相當于現場燒制出的整塊異形磚。在大膽使用這種新材料后,13月后該公司反饋信息,燒成帶磚用到15mm時磚也不會掉,大修拆磚時,磚是相互膠結在一起的,是被一片片拆下來的。鑒于此膠泥的特點,我們開創了不少新的有效的使用方法。此膠泥還可用于掉磚時的熱補,掉磚量不大,只有一兩塊是,可以把該處的磚清理干凈,然后找一同種磚,將磚搗碎成骨料,與膠泥相混成澆注料,用力搗打,澆注完即可點火生產,可用三個多月。

 二、預分解窯耐火材料的配套及使用

在回轉窯運行使用過程中,耐火材磚主要承受的機械應力有兩種:一是窯的徑向剪切應力,二是沿窯筒體方向的軸向擠壓應力。徑向剪切應力主要來源于回轉窯運行中產生的機械形變。窯筒體會發生橢圓變形,筒體中心線不再是一條直線;另一方面,在支撐輪帶附近區域,窯筒體會發生最大的橢圓變形,用測試議對運轉中的窯筒體進行連續測量可發現筒體的水平直徑與垂直直徑之間相對差值可達0.3‰,在較舊的窯上甚至可達0.6‰~0.7‰。橢窯徑加大,窯速加快,窯筒體這種周期性的受壓作用加劇,耐火磚將承受更大的徑向剪切應力破壞,燒成帶及上過渡帶是徑向剪切應力最大的部位。軸向擠壓應力的產生主要有兩個方面。一是因窯內物料在窯運轉時從窯尾向窯頭方向運動,窯內的耐火磚在運動物料的推力及磚自身重力的軸箱向分力的共同作用下有向窯頭方向移動的趨勢;二是耐火磚受熱后產生的膨脹力。耐火磚在1400~1450℃時的膨脹系數在1.4‰~1.6‰,常用每塊磚長為198mm,測膨脹量為2.8~3.2mm.。如果在烘窯時升溫速度太快,窯筒體膨脹速度相對磚而言較慢,就會限制耐火磚的進一步膨脹便會產生很大的應力,甚至導致磚的爆裂。窯內這種惡劣的工況環境要求耐火磚必須有足夠的機械強度,同時,在窯磚砌筑時合理地預留好膨脹縫也可以很好地緩解這兩種應力的破壞。熱應力破壞:測試結果表明,窯轉一圈中窯襯表面溫度變化達400℃以上,由此產生的熱應力是耐火磚損壞的主要原因之一。隨水泥工業大型化的發展趨勢,窯外分解窯的窯徑增大(10 000t/d生產線窯徑達到6m),窯的產量隨窯徑增加呈3次方增加,容積產量提高到傳統窯的3倍以上,達到5t/(m3.d)。這不僅使機械應力加大為增加,窯內熱力強度大幅度提高,耐火磚所受的單位熱負荷也增加,熱應力破壞作用加劇。此外,窯速也加快(3~4r/min),使窯襯所受的周期性溫差的頻率也大為增加,這就要求耐火磚具有更好的熱震穩定性?;瘜W侵蝕作用的破壞:化學侵蝕是耐火材料損壞的主要原因之一。在窯內1350~1450℃環境溫度下,具有強堿性的熟料會對窯襯產生強烈的化學侵蝕。熟料中的液相物質會與磚中的鹽基性物質反應生成底熔點的中間相(硫酸鹽,鉀鈉鹽等),深入磚體40~50mm深處沉積,這會導致磚的結構變脆硬、疏松,進而容易發生剝落??朔瘜W侵蝕作用破壞的關鍵是阻止水泥中的某些成分的滲透(sio2,cao,kcI等)。此外,生料中的有害成分堿、氯、硫等也會對窯襯產生嚴重的侵蝕破壞作用。堿的硫酸鹽和錄化物在預熱器系統揮發、凝聚、反復循環而不斷富集。通常,同原始生料相比,最熱級旋風筒的熱料中堿、氯、硫富集濃度分別達到5倍,80~100倍,3~5倍之多耐火材料受到來自窯料和窯氣中堿化合物的侵蝕,形成膨脹性礦物使其開裂剝落,發生 堿裂 破損。耐火材料的合理使用:訂購耐火材料時要把好耐火材料長期安全使用的第一關,首先考慮生產廠家的資質及生產加工能力,關注耐火材料質量和售后服務。訂購耐火材料時應對供貨產品的包裝運輸提出要求如沒有堅實牢固的包裝,可靠的運輸,極易造成損壞,直接影響使用壽命。 對于有保質時效的耐火材料(如一些澆注料等)應當避免長期存放,耐火磚應注意防潮,并做到有序堆放,避免混亂。 提高砌筑施工質量:窯襯的質量是決定窯運轉周期的最主要因素之一,砌筑施工質量又是確保窯襯質量的關鍵環節。1995年頒布試行的《水泥回轉窯用耐火材料使用規程》為規范化施工提供了依據,企業應當對筑爐施工人員進行培訓,全面學習推廣應用《水泥回轉窯用耐火材料使用規程》,以提高施工人員技術水平。但由于種種原因,施工中常常存在有章不循的現象,這需要在加強管理方面做工作。砌筑施工過程中應當注意一下問題: 按要求控制加水量。加水量大雖然方便施工,卻極大降低了澆注料的強度性能。注重施工后的養護。常見情況是施工施工單位為了搶進度水泥企業為了搶時間早投產,幾乎很少能按要求時間對澆注料進行合理養護。這勢必直接影響其使用性能。澆注料施工后升溫烘烤時應充分考慮排氣孔的設置,特別是窯頭罩部位。在大部分情況下,該處無單獨烘烤過程,出窯熱熟料進入窯頭罩后溫度從400℃左右急劇升高到1100℃左右,如未合理設置排氣孔,耐火材料爆裂危險極大。砌筑時襯磚不能有懸空點、懸空面。大頭靠緊筒體,焊縫不平處要打磨平整,筒體變形處用火泥墊平找正。根據磚的膨脹系數留出膨脹縫。留縫過大會發生磚抽簽,甚至于掉磚事故,留縫不足會加重磚的應力破壞。調整鐵板的使用應當規范。用量不能過多,更要嚴禁大頭小頭同事調整,不能縫連加;鐵板不應一半插入磚縫,導致小頭縫緊,大頭縫松;夾入鐵板時不能硬砸,不能將鐵板鍛厚打彎損傷磚面。用橡皮錘或木錘對磚面敲打,確保磚與磚之間切實接觸。合理使用和操作,烘窯升溫操作。首先是根據耐火磚的性能合理制定烘烤升溫曲線并嚴格控制升溫速度(通常30~50℃/h),以有效減少熱應力對磚的破壞;同時,嚴格執行窯升溫盤車制度,減少窯筒體機械變形對磚造成的機械應力破壞。新窯襯烘烤時,在從油烘烤轉到油煤混燒時較難控制,極易造成升溫速度失控,因  然加快而導致熱應力破壞。

1   回轉窯的砌筑:
2 回轉窯的砌筑的基本要求是:磚襯緊貼筒體體,磚與磚緊貼
3 回轉窯砌筑一般均采用環砌法,環于環之間錯縫砌筑工具采用氣壓式砌磚機砌筑。
4為了保證火磚砌體與窯的中心線的平行,在砌筑前必須在窯內放線,使用水平儀或經緯儀在窯的約0度、90度.180度.270度部位劃出幾條基準線(基準線根據窯徑的大少而等分條數一般約1.5~2m),在基準線上分別對窯的長度進行等分,作為控制磚襯偏移的控制點,以0度點作為底部砌筑的基準.
5 鎖磚要采用規定的鎖磚鎖緊,大小鎖磚要與標準磚錯開,鎖磚用的鐵板不可在一塊磚的兩側同時使用,必須錯開,并且控制鋼板用量,同一環中盡量不超過3塊。
6  模板的制作安裝:模板制作安裝要有足夠強度,不走形,不移位,不漏漿,幾何尺寸滿足圖紙要求,重復使用的模板要及時清理、修整,模板安裝時可以在模板表面刷一層機油,以方便拆模為準,不宜過多。
7 嚴格控制澆注料加水量,加水量不得超出材料說明書最高限量,在保證流動性的前提下,加水量易少不易多,已初凝甚至結塊的澆注料不得倒入??蛑?,也不得加水攪拌再用??梢圆捎?ldquo;拋球”試驗的方法簡易地做出含水率是否合適的判斷,即用手將攪拌好的澆注料團一個球,拋起用手接住,以球不散開也不流淌為合適。
      參考施工用水量:G-14N:5.5-7%;G-16:5.5-6.5%;GC-13:6.5-7.5%;G-18:5.5-6.5%;G-16P:6-7%;氣溫較高時可適當增加。
8   澆注料攪拌:攪拌機攪拌要均勻,干料攪拌一般為1分鐘后,加入水后攪拌時間G-14N為3分鐘,其它低水泥澆注料約4-5分鐘,攪拌好的澆注料必須在30分內用完,超過時間禁止使用,加入模板內的澆注料應立即用振動棒分層振實,每層高度應≤0.3m,振動棒插入間距以0.20m為宜,出漿為標準,應振搗密實,不得出現孔洞,但允許少量的細小表面排水微孔和局部不明顯麻面。
9   大面積澆注時,要分塊澆注施工,膨脹縫按照設計圖紙要求留設,不得遺 漏,且應留設在錨固件中間位置。一般隔開的面積應不大于1平方米。
澆注料表面干燥后,應立即將其暴露在露天部位的澆注料蓋嚴,高溫天氣初凝后應定期灑水養護并用塑料覆蓋,保持其表面濕潤;澆注料終凝后可拆除模板繼續灑水養護,承重模須待強度達到70%以后再拆除。

三、耐火材料的發展越趨勢

1、水泥生產技術的進展對耐火材料的需求
1.1傳統回轉窯對耐火材料的需求
早期的傳統回轉窯是料漿煅燒的濕法窯和料粉煅燒的干法長窯、余熱鍋爐窯,一般配用單筒和多筒冷卻機。窯的熱耗均在6500kJ/kg熟料以上,熟料在窯內煅燒溫度一般低于1350℃,燒成帶用普通高鋁磚,其余部份使用粘土磚,此后,出現了利用窯尾廢氣的立波爾加熱機以及配套的篦冷機,熱耗降低至5000kJ/kg熟料左右,熟料煅燒溫度超過1350℃,要求具有較高的耐火度和抗熟料化學侵蝕及抗震性能強的新品種耐火磚,此時,出現了特種高鋁磚、磷酸鹽磚及普通鎂質堿性磚,這些耐火磚滿足了生產需求,還進一步提高了一般的傳統窯襯料的使用周期,得以廣泛推廣應用。
1.2預熱器窯對耐火材料的需求
1.2.1襯砌部位的不同
傳統窯襯料主要用在回轉窯,冷卻筒和窯門罩,材質、磚型砌筑主要按回轉設備要求考慮的,立波爾窯除了回轉窯使用的襯磚外,增加了加熱機和篦冷機的襯砌,而預熱器窯的襯料只有部分用在回轉窯內,大部分用在形狀復雜的預熱器系統的設備內,所需襯料的材質、磚型、砌筑要求與回轉窯內襯料是不同的。
1.2.2窯溫及其影響
預熱器窯的配料率值中的硅酸率SM、鋁氧率IM較傳統窯高,熟料煅燒溫度高,再加上多風道燃燒器形成的高溫,使整個窯內氣流和物料溫度遠遠超過傳統窯相似部位的溫度,國外的大型預熱器窯內熟料煅燒溫度超過1400℃,熱耗低于3500kJ/kg熟料,在此高溫情況下,熟料中的鈣硅融熔物和堿硫化合物與Al2O3形成低溫共熔體,在工況苛刻的窯上,幾天之內可將高鋁質襯磚損壞,只得在窯內大量使用堿性磚,窯內堿性磚的長度約(7~10)D。
1.2.3堿硫揮發性組分的侵蝕及影響、
預熱器系統內,堿硫氯等化合物組分揮發凝聚,反復循環導致窯料中這些組分的富集,在系統下部的預熱器、進料室、上升煙道等溫度較高的部位易結皮阻塞、干擾正常生產。此外,襯料受堿氯硫化合物的氣體和結皮物的侵蝕,形成膨脹性堿裂損壞,在上述易結皮部位,采用系列耐堿侵蝕的半酸性粘土磚和耐火澆注料。
另一差別在回轉窯內,部分富集的堿氯硫化合物隨窯料從預熱器進入窯內,在熟料煅燒過程中,部分化合物揮發,侵蝕窯內未結皮的襯磚,而熟料內的化合物因熔融溫度較低,在高溫煅燒部位以液相形式存在熟料內,侵蝕燒成帶和上下過濾帶的襯磚,給上述部位的窯內襯磚提出了較高的抗堿氯硫化合物的侵蝕功能的需求。
1.2.4窯速的影響
常規窯的窯速為1r/min,而預熱器窯的窯速為2r/min,窯速高,窯內火焰和窯料之間溫差對襯磚造成的熱震破壞次數增大,遭受的軸向擠壓和向下的推力增強,對襯磚的強度和襯砌縫隙以及膠泥的性能均提出了要求。
1.2.5材質的差別
預熱器窯內的襯磚不論從窯溫、窯在回轉過程中造成的機械應力,以及堿氯硫化合物的化學侵蝕均提出了比立波爾窯更高的要求,在此期間出現了半直接接合鎂鉻磚、直接接合鎂鉻磚和白云石磚等產品。此類產品耐火度高、抗熟料和堿氯硫等化學侵蝕,抗熱震等機械性能強,掛窯皮性能優良,進一步滿足了各種不同生產方式窯型的需求。
1.2.6系統內不動設備結構復雜的影響
預熱器系統內不動設備多而形狀復雜,為簡化磚型,一方面制定標準化的磚型,在圓形和圓錐部位采用配磚設計,簡化磚形數量,另一方面在形狀復雜的部位使用耐火澆注料,相應減少磚形數量,通過上述措施,一套預熱器窯的磚型數量由原來的120種減少至20余種,由于不同部位對耐火澆注料的需求,促進了它的發展。
1.2.7節能要求
預熱器窯不動設備的表面散熱面積>1m2/d.t熟料,筒體散熱損失較大。減少襯體散熱損失,不僅降低能耗,更重要的是維持系統內的溫度,提高入窯物料分解率,有利于保持窯內熱工制度正常和穩定。在此需求下,出現了導熱系數低,工況溫度高,容重輕的硬質硅酸鈣板隔熱材料和性能優良的隔熱磚。
1.3窯外分解窯對耐火襯料的需求
70年代中期,在預熱器窯生產的基礎上,出現了窯外分解窯,在窯尾預熱器系統內增設分解爐,從冷卻機抽熱風通過三次風管入分解爐內作燃燒空氣。分解爐內燃料提供的熱量供生料分解用,煅燒熟料的熱量由窯頭燃燒器提供。由于生料分解所需的熱量較熟料煅燒的熱量多,在生產過程中,約60%的燃料由分解爐提供,而40%的燃料由窯頭燃燒器供應,因而在同一直徑的窯,產量幾乎增加了1倍以上,熱耗相應降低。窯外分解窯出現后,就成為水泥生產技術發展的主流,在世界各國廣為發展。窯外分解窯是從預熱器窯技術發展的,耐火材料的技術要求基本和預熱器窯接近,差別在于:
(1)在相同產量的情況下,窯外分解窯在燒成帶的熱力強度較預熱器窯有較大程度的下降,入窯物料分解率提高,燒成帶的窯皮長度較預熱器窯有所增長,窯內同一部位使用相同材質的耐火磚,則磚的使用周期有所提高。
(2)窯尾物料分解率提高,窯尾廢氣溫度增加,窯料內所含的堿氯硫相同的情況下,窯外分解窯在預熱器系統下部設備內的襯磚所遭受的堿氯硫侵蝕較預熱器窯重些。
(3)窯速加快至3r/min,對窯內襯磚的熱震破壞和機械應力增大。
2窯外分解窯生產技術的進展
窯外分解窯出現以來,窯的熱效率和單機生產能力大幅度提高,促進了水泥工業向大型化、現代化的發展,與耐火材料有關的主要表現在:
2.1生產能力大型化
70年代水泥熟料生產線主要規模為1000~4000t/d,80年代為3000~5000t/d,90年代為4000~10000t/d。世界上已投產的日產5000t熟料以上規模的生產線超過80條,7000t以上生產線接近30條,9000~10000t生產線為4條,正在興建的最大規格窯為Φ6.2m×105m,日產12000t熟料生產線。
2.2先進的水泥熟料生產技術
2.2.1生料均化技術
生料均化技術主要包括礦山計算機三維開采、預均化堆場、在線測試控制、精度高的計量秤、均化庫,確保了入窯生料成分和數量的均勻,保持了窯的穩定生產和產品質量優良。
2.2.2熟料煅燒技術
熟料煅燒裝備由預熱器、分解爐系統、回轉窯、篦冷機、燃燒器等項裝備組成,主要技術進展為:
(1)預熱器、分解爐系統的性能和效率進一步完善與提高,預熱器由4級逐步增加到6級,分解爐能使不同性能的原燃料分解和燃燒。系統的入窯物料分解率已增至95%,窯尾廢氣溫度提高至1200℃以上。
(2)入窯物料分解率逐步增加,窯的長度逐步縮短,長徑比從 >15下降到10~11,轉速從3r/min,逐漸提高到4r/min以上,窯的容積產量從2.5t熟料/m3.d,提高至5t熟料/m3.d以上。
(3)高效率的充氣梁篦冷機逐步取代厚層篦冷機,熱效率從68%~70%提高至76%以上,入窯二次風溫提高至1200℃,入分解爐三次風溫接近900℃。(4)多風道燃燒器廣泛應用,此類燃燒器不僅用于燒油,更多的適用于燒煤和工業廢燃料,做到不同燃料混燒,燃燒器火焰集中,氣溫高,還可減少NOx的排放。
上述裝備組成的燒成系統熱耗,70年代一般為3350~3550kJ/kg熟料,筒體散熱損失為450kJ/kg熟料,窯運轉率85%左右,
90年代技術先進的大型窯外分解窯6級預熱器的熱耗低于2900kJ/kg熟料,筒體散裝損失低于200kJ/kg熟料,窯運轉率提高至95%以上。
2.3生態化水泥生產技術
2.3.1燃料結構的變化
早期的窯外分解窯所用的燃料主要為燃油,70年代的石油危機造成燃油價格上漲,價格低的燃煤逐步取代燃油。燃煤所含的揮發分、灰分、熱值、硫含量變化較大,燃燒較燃油困難,總的說來,在生料設計中,必須考慮燃煤灰分沉積在窯料內作為熟料成分,而分解爐設計時,必須考慮足夠的燃燒時間,確保燃料燃燼,燃燒器設計必須考慮火焰有利于熟料煅燒。在燒煤的基礎上,一些工業化國家從80年代中期開始,逐步使用價格更為便宜的工業廢燃料,如石油焦、廢輪胎、廢機油、廢塑料及有毒有害工業廢棄物等,且愈來愈多。
2.3.2污染物排放控制
從80年代起,工業化國家在水泥生產過程中,加強了有害物排放的控制,主要為CO2、NOX、SOX、粉塵以及六價鉻造成的水污染等,上述物質的排放制定了嚴格的控制指標,在水泥熟料生產控制過程中,一些技術先進的水泥熟料生產線均能滿足環??刂频男枨?
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