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水泥回转窑预热器结皮机理及预防

铝硅碳化硅耐火材料在水泥回转窑中的应用

上世纪九十年代开始,随着国内水泥工业的不断发展,新型干法水泥窑生产规模迅速扩大,回转窑生产越来越趋于大型化,3200t、5000t和5000t以上的回转窑越来越普遍,窑径加大,窑速加快,这都给窑用耐火材料带来了越来越苛刻的要求。这时铝硅碳化硅耐火材料应运而生,开始作为一个商品名称应用于水泥窑。随着研究的深入和技术的推广,铝硅碳化硅耐火材料在水泥回转窑的应用得到快速发展,目前国内江苏、河南、浙江等省已有多家耐火材料企业生产各种牌号的铝硅碳化硅耐火材料,并申请了专利。不过由于各企业技术水平和差异,产品质量也各有不同。

铝硅碳化硅耐火材料主要应用在大型水泥回转窑的前后窑口、上下过渡带、次烧成带、冷却带和分解带等部位,可替代尖晶石砖和抗剥落高铝砖等耐火材料。有的窑简体除了长约20m的烧成带用直接结合镁络砖、前后窑口各0.8m左右用浇注料外,全部采用铝硅碳化硅耐火材料(图1)。

图1 铝硅碳化硅耐火材料在水泥回转窑应用示意图

水泥回转窑预热器结皮机理及预防

水泥回转窑过渡带承受的温度在1400℃左右,预热带、冷却带等部位的温度比过渡带要低,烧成带受窑皮保护,砖面的温度也不高,而后过渡带又处在轮带附近,承受较强的机械应力,很不容易挂上窑皮,并且从生产工艺角度出发,也不希望后过渡带有任何窑皮和结圈,以保证窑内良好的通风和物料反应空间,这样该带衬砖砖面的温度也将达到1400℃左右。铝硅碳化硅耐火材料的荷重软化开始温度在1500℃以上,可以满足该带砖的使用温度要求,特别是制品结构致密,由性能优异的矿物如莫来石、碳化硅组成,砖面可以形成连续的SiO2致密层,阻止了气体和熔融物的侵蚀。SiC的热导率高,热膨胀系数小,使得铝硅碳化硅耐火材料的抗热震性好。这些性能特点使铝硅碳化硅耐火材料不易发生断裂和剥落,保证了回转窑筒体的正常运转,是过渡带比较理想的窑用耐火材料。铝硅碳化硅耐火材料由于具有优异的性能和合理的价格,其应用于水泥回转窑的脚步越来越快,正逐步取代原来配置的尖晶石砖、磷酸盐结合高铝砖和抗剥落高铝砖等耐火材料。

水泥回转窑用耐火材料的损毁机理

(1)热应力破坏

水泥回转窑中燃烧温度最高可以达到1700℃,熟料的温度最高也达到1400℃左右,物料随着窑旋转而不断地翻动,当砖没有窑皮保护时,砖面的温度也会随着窑的旋转而发生变化,大约会产生200℃的周期性波动,频繁变化的温度使衬砖形成了温度梯度,从而产生热应力,过渡带由于温度变化比较激烈,不易挂上牢固的窑皮,这种作用最为明显。当热应力大于衬砖的强度时,砖就会发生破裂剥落。同时随着水泥窑规模的增大,回转窑承受的高温负荷也逐渐增大,也会促使耐火材料的损毁。因此,对水泥窑用耐火砖热震稳定性的要求很高。

水泥回转窑预热器结皮机理及预防

另外,开窑、停窑导致快速升温、降温,也会使砖面产生比较大的热应力,使砖出现剥落开裂现象。

(2)机械应力破坏

水泥回转窑在运转时,其内部的耐火砖主要受到剪切应力(沿窑的径向)和挤压应力(沿简体方向)这两种机械应力。

沿窑的径向的剪切应力形成的来源主要是回转窑在运行过程中发生的机械应变。水泥回转窑的简体经纶带支撑在拖轮上,筒体很大的重量,筒体内的耐火砖、生料或熟料也会加大简体的负荷,轮带之间的简体的横截面会产生径向椭圆变形,筒体的水平直径与垂直直径之间的相对差值可以达到0.3%,有时甚至可以达到0.6%左右。这样筒体运转中每转一圈,筒体椭圆率都会发生周期性的变化,窑体衬砖也会受到筒体的周期性挤压以及砖圈内部平衡应力的作用,在疲劳载荷的作用下发生损坏现象。随着窑径增大,转速加快,这种作用还会加剧,烧成带和过渡带这种作用最为严重。

挤压应力主要是由于两个方面的因素:一是由于筒体与水平线成一定角度的倾斜,当窑运转时窑内物料就会沿着窑尾到窑头方向运动,这时窑内的耐火砖就会受到两种作用力的共同作用,分别是物料运动产生的推力和自身重力产生的轴向压力,导致砖体产生向窑头方向滑动的趋势;二是耐火砖高温下发生热膨胀形成的作用力,假如烘窑的温度升高过快,导致耐火砖的膨胀速度大于窑筒体的膨胀速度,简体就会在一定程度上阻碍耐火砖较快的膨胀从而产生较大的应力,严重时耐火砖甚至出现爆裂现象。水泥回转窑预热器结皮机理及预防

此外,制造和安装过程中的误差,拖轮调整不当以及窑基础发生不均匀沉降等,也会使窑体的弯曲超过允许值,使简体失去直线性和圆整性,产生的机械应力超过耐火材料的承受度后,就会导致衬砖发生松动、抽签等现象。

水泥窑用耐火材料还会受到窑料的磨损,主要可以分为粘着磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损三种。高温情况下,粘着磨损是主要的破坏形式,在法向载荷作用下,窑料和耐火材料的接触表面发生相对滑动,窑料将与其粘结的部分耐火材料剥离而发生破坏,主要发生在窑口浇注料部位。低温情况下,磨粒磨损是主要的破坏形式,有凿削式磨损。高应力碾压式磨损和低应力擦伤性磨损三种磨损机理。磨蚀磨损是磨损与腐蚀同时作用,首先耐火材料的表面受磨损介质的作用产生沟槽或裂纹,腐蚀介质侵入受损材料表面,发生腐蚀反应,导致磨损部位的材料变质,然后这些因变质而缺乏耐磨性的部位被磨损介质除去,使得材料表面发生破坏。

(3)化学侵蚀

在高温作用下,预分解窑中K2O、Na2O、KCl、SiO2等组分挥发后,又经预热器、增湿塔、电收尘不断蒸发凝结,多级收集,重新进入回转窑中。当窑内碱、氯、硫的平衡建立后,上述挥发组分在窑内有很高的浓度,例如在大型预分解窑系统内,窑料的R2O的含量富集5倍,SO3含量和原料相比富集3~5倍,Cl-的含量甚至富集80~100倍。当窑料中含R2O>1%、C1->0.01%时,碱性氧化物就会渗入到铝硅系耐火材料内部,形成膨胀性的钾霞石(K2OAl2O32SiO2)和白榴石(K2OAl2O34SiO2),使砖发生“碱裂”而损坏,温度波动较大时,砖更容易开裂和剥落。当出窑熟料含碱量过高时,水泥窑的普通黏土砖和高铝砖也会由于“碱裂”而产生损坏现象。

水泥回转窑预热器结皮机理及预防

水泥生料温度从常温开始逐渐升高,当温度达到500℃时,一些低融化合物开始出现熔融,随着温度的升高形成的液相量逐渐增多。当温度接近900℃时,CaCO3开始分解生成CaO和CO2。在温度为900~1100℃时,物料中就会形成铝酸钙(CaA)、硅酸二钙(C2S)和铁铝酸四钙(C4AF),其含量在1200℃达到最大值。在1300℃硅酸三钙(C3S)开始形成并且在1400℃以上达到最大值,至此熟料完全生成。这样在窑内1300-1350℃的环境温度下,具有强碱性的熟料中的液相会与耐火砖中的酸性物质发生反应生成低熔点的中间相(硫酸盐,硅酸盐,钾钠盐等),这些中间相向砖中渗透,导致砖的结构疏松、变脆,进而发生剥落现象。

铝硅碳化硅耐火材料在应用过程中的问题

铝硅碳化硅耐火材料在使用过程中除了要承受机械应力和热应力冲击外,还要受到窑内碱性气氛和熟料的化学侵蚀。来自原料和燃料的K2O、Na2O、SO3和Cl-通过砖表面的釉层侵蚀衬里后,砖就会遭到破坏。碱和硫的摩尔比为1时将形成R2SO4,硫过剩时还形成二次CaSO4和2CaSO4K2SO4,碱过剩时还会形成R2CO3和RCl。上述生成物中所有碱盐都将侵蚀衬里,还原气氛的存在更促进对衬里的侵蚀。碱盐以气相或液相渗入砖衬内孔隙,并与砖内组分进行反应并形成新矿物,例如钾霞石(KAS2)、钠霞石(NAS2)、白榴石(KAS4)等长石组矿物。上述新矿物均在砖体内膨胀,导致砖结构松弛,砖面层疏松剥落,这一现象统称“碱裂”,如果砖的致密性不好,侵蚀就可能比较严重。

铝硅碳化硅耐火材料中含有一定量的碳化硅,由于碳化硅的热导率高,在500℃时达到64.4W/mK,到875℃时为41.4W/mK,因而铝硅碳化硅耐火材料的热导率也比较高。水泥窑过渡带的温度可以达到1400℃左右,由于没有窑皮保护,砖面将直接承受高温,筒体和火焰之间仅隔一层衬砖,比较高的导热率会直接导致水泥窑的筒体温度升高,甚至出现“红窑”现象。因此,降低铝硅碳化硅耐火材料的导热系数可以减少热量损失,有利于节约能源。

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