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水泥回转窑系统是新型干法水泥生产线上的关键设备。耐火材料是砌筑水泥窑内衬的关键材料。一方面，耐火材料的质量优劣、配套的正误、维护的好坏都影响窑炉的效率;另一方面，水泥窑操作对耐火材料的寿命也有重要影响。所以，为提高耐火材料的使用效果，需了解水泥煅烧条件对耐火材料的影响。 一、窑温增高的影响 新型干法水泥窑预热系统的热交换能力很好。但是，回转窑部分的热交换能力较差，降低了烧结能力。因此，水泥回转窑需要提髙烧成温度加以补偿。水泥 回转窑中火焰的最高温度可达1700°C，高温作用十分强烈。如果没有窑皮的保护，裸露的耐火材料将很快损毁。 随着水泥窑产量的增大，回转窑的高温负荷也逐步增大。当产量从2000t/d 提高至7000t/d时，窑的截面热负荷从4.2X109cal/(m2.h) (lcal = 4.18J,下同)提高至6.2X109cal(m2 · h)，高温带耐火材料表面的热负荷约从3.0X109cal/(m2 . h)提高至4. 8X 109cal/(m2 . h)，表面产量负荷也从8t/dm2提高 至 llt/dm2。 大型预分解(PC)窑使用热回收效率在60%以上的高效冷却机以及使用燃烧充分、一次风比例又少的多风道烧嘴，窑头还加强了密闭和隔热。某ф4.7mX 74m预分解窑上，二次空气温度达1150°C，窑尾气流温度达1050〜1100°C (最高1200°C)，且离开窑筒熟料的温度达1400°C。它的过渡带、烧成带、冷却带、 窑门罩、冷却机的喉部和高温区以及烧嘴外侧等部位的工作温度远高于传统水泥窑的相应部位。 高温虽有利于水泥的烧成，但会削弱耐火材料的性能，并加速对耐火材料的侵蚀，致使耐火材料发生损坏，影响耐火材料寿命。因此，水泥预分解窑必须使用一系列新型耐火材料来取代传统窖上原来采用的传统材料。例如.水泥回转窑烧成带的正火点(中心)部位需要使用高级镁质耐火材料，包括荷重软论温度> 1650°C的直接结合镁铬砖或优质无铬碱性砖。 如果水泥窑中的耐火砖部分损毁.剩余窑衬的厚度就会变小，衬体的隔热作用就会减弱，窑体表面温度就会升高。由此.将引起耐火材料损毁速度进一步增加。例如，高温带筒体温度从正常温度250〜300°C增高达350〜400°C时，窑体就会产生很大变形。窑体和耐火材料之间就会出现热膨胀差：某些情况下，这种差异可以使筒体和耐火砖之间出现很大空隙，使耐火材料发生松动，运转中的筒体和窑衬发生相对运动，耐火材料受到磨损。另一些情况下，窑体的膨胀受到整体性耐火耐火材料(如浇注料)的限制，窑体和耐火材料之间产生很大应力：这种应力可以将锚固件拔出或者损害锚固件周围的耐火材料。 二、窑速加快的影响 传统水泥窑的转速为lr/min，大型预分解窑的转速却高达3〜4r/min高温、高速和大直径的预分解窑上，窑体、窑衬的工作环境都要比传统回转窑苛刻得多。 水泥回转窑的筒体经轮带支承在托轮上。筒体有很大自重，又受到耐火砖、窑皮、窑料重力的作用，轮带之间的筒体的横截面上会产生的很大径向变形。用筒体测量仪对运转中的窑体进行连续测量，可以显示出茼体水平直径和垂直直径的尺寸差达0.3%，有时甚至达到0.6%〜0.7%。运转中·窑体每转一圈，筒体的曲率都会发生周而复始的改变，耐火材料内衬将不可避免地受到窑体周期性挤压力以及砖圈内部中平衡应力的作用，在疲劳载荷的作用下发生损坏。 此外，制造、安装的误差，托轮调整不当，以及窑基础发生不均匀沉降等原因，也能使窑体的弯曲超过允许值，使筒体失去直线性和圆整性。若弯曲发生在端部，将使端部筒体发生跳动，导致窑头、窑尾漏风、密封装置和耐火材料损坏。若发生在传动齿轮处，则使大小齿轮啮合不均匀，引起振动，导致耐火材料发生松动、“抽签”、掉砖或承受过大机械应力作用而损坏。 三、窑径加大的影响 水泥回转窑所用耐火砖的冷端受到窑体的挤压力P作用，两个侧面受到砖圈平衡压力f的作用。筒体和耐火砖所受的外力平衡如图2-3所示。 根据平衡条件，窑体对耐火砖的挤压力P、耐火砖圈中的平衡反力f、耐火砖所对圆心角a之间满足以下关系(忽略砖的重量)： 根据图中所示几何条件可知，回转窑直径D和图中所示耐火砖大头(冷端)尺寸ι2、耐火砖小头(热端)尺寸ι1、耐火砖的高度h以及耐火砖所对的圆心角a之间近似满足以下关系。 分析表明：耐火砖的高度h和厚度L2都是相对固定的，没有太大的调整余地。如果高度h过低，耐火砖的隔热性太差，砖的热端稍一损毁，窑体温度就会上升超过上限，导致停窑换砖;但高度h过大，砖的重量也大，就会使窑体产生过大的变形，也会使耐火材料受到损害。与此类似，砖的厚度L2过低，砖坯太薄，不易压制。但厚度L2过高，又不易压透。由此，依式(2-3)可知，窑径D 增大之后，L2不变、h不变，就需要增大砖的小头尺寸L1，或减少大小头尺寸差 L2一L1才能使等式成立。由式(2-4)可知，窑径D增大后，L2不变，则会减小耐火砖对应的圆心角a。 以下，分析窑径对耐火砖所受应力的影响。由图2-3和式(2-1)可知：a角减小后必须增大耐火砖侧面受到的反力f才能平衡砖块受到的窑体挤压力P。f增高，就增大了耐火材料所受的机械应力，导致耐火材料损毁加快。例如：φ=4m的回转窑上耐火材料的寿命为两年;相同材料用φ=6m的窑上，寿命只有半年。 四、挥发性组分的影响 在高温作用下，预分解窑中K20、SO2、KCl等组分挥发后，又经预热器、增湿塔、电收尘的多级搜集，重新进人回转窑内。当窑的碱、硫、氯的平衡建立后，上述挥发性组分在窑内有很高的浓度.显著影响水泥生产和耐火材料的寿 命。PC、SP (悬浮预热器)窑系统内，窑料的SO3含量和原料相比富集3〜5 倍，R2O的含量富集5倍，CI的含量更富集髙达80〜100倍。 挥发性组分的含量大增，使最热两级预热器、预分解炉、上升烟道、喂料斜坡和窑筒后部1/3的部位，也即所有砖面温度为800〜1200°C的部位(当原、燃料含氯高时更扩及600〜120CTC的部位)，窑料中形成2C2S . CaCO3、2C2S . CaSO4、2CaS04 .K2SO4, KCl和二次CaSO4等结皮的特征矿物，裹带其余窑料在衬里上形成结皮，干扰窑的正常运行，严重时被迫停窑检修。 硅铝系耐火砖受来自于窑料渗人砖内的碱性化合物等的侵蚀，形成膨胀性的钾霞石(K2O . Al2O3 . 2Si02)和白榴石(K20 · Al2O3 . 4SiO2),使砖“碱裂” 损坏。窑料含R2O>l%和Cl>0.01%时，这种现象就会发生。当出窑熟料含碱等过高时，连冷却机热端、窑门罩和三次风管道中的普通黏土砖和高铝砖也会因碱裂而损坏。 五、窑系统复杂性的影响 预分解窑远比传统水泥回转窑复杂。预分解窑由冷却机、三通道烧嘴、窑门罩、窑体、窑尾烟室、三次风管、分解炉、预热系统、风机、增湿塔、电收尘等几大部分组成。任何一个部分出现问题都可能导致生产终止。 水泥预分解窑结构复杂,不同的部位要求使用不同型号、规格的耐火材料。 4000t/d预分解窑上砖型多达100种以上;2000t/d的窑上，也需使用80多种， 生产和施工管理极为复杂。因而，需要窑衬设计的标准化、制造过程的现代化、 施工过程的规范化。第一，尽力避免采用复杂的砖型.设法用少数几种形状的砖组合成复杂的砲体结构。比如，采用CAD技术简化窑衬设计，尽可能更多使用不定形耐火材料，以降低工程造价。第二，采用先进的管理和现代化的设备，制造出品质优良、性能稳定的耐火材料，使材料具有良好的耐高温、抗侵蚀、抗热震、适度的机械强度等性能和精确的外形尺寸。第三，严格按照规程进行耐火砖砌筑和浇注料施工，合理维护耐火材料，杜绝不正确的贮存、运输、施工和维护办法。这样，就可使材料充分发挥性能，获得最长的窖衬寿命。 六、节能要求的影响 我国经济发展十分迅速，对能源的需求也节节攀升。众所周知20世纪70年代以来，中东石油资源消耗很快，对石油的争夺异常激烈。很多时候，战争因争夺石油而起，政治决定着世界石油价格。例如.第四次中东战争、两伊战争、 海湾战争、伊拉克战争都使油价飞涨。2007年，美国次贷危机发生后向市场注人过多的流动性，又使油价增至100美元/桶的新高，如图2-4所示。 由图2-4可知，每当国际形势发生变化时，世界石油价格就会扶摇直上。国际油价增高之后，煤炭价格就可能水涨船高。近年来，我国煤炭价格上升很快。 以秦皇岛发热量为23000kJ/kg的山西优混煤炭为例：2001〜2003年9月价格为 260〜280元/t, 2004年11月猛涨至425元/t,上涨幅度高达57%。2005年秦皇岛山西优混煤炭价格与2004年相当。2006年8月山西优混煤炭价格为405 元八。由于中东局势紧张、石油资源储备不足，煤炭的价格将长期维持高位。 煤炭价格的上扬，将增加火电成本，进而又引起电价增高。由此，煤电价格一起上涨就将备受产能过剩折磨的水泥行业雪上加霜。近年来，落后的工艺逐步被淘汰，经营不善的企业纷纷落马。例如，一台o5mX170m的干法长窑，能力为1500t/d。全窑散热面积达2670m2，相当于I. 78m2/t熟料。但是，能力为17651/£1的?0 5级预热器窑筒(o3.4m*48m)的散热面积只有512m2，相当于0.29m2/t熟料，仅对比窑筒部位单位产量的散热面积时，前者就为后者的6倍之多。所以，前者窑筒散热损失高达164kcal/kg熟料(lkcal = 4.18kj，下同)，后者只有38kcal/kg熟料，相差达126kcal/kg熟料之多，这就是一些传统水泥被被新型干法水泥窑取代的原因。 需要指出，水泥预分解窑窑尾系统的外表面积很大，需要设法减少预热系统的散热，才能取得更好的节能效果。由于预热系统的工作温度不高，机组又静止不动，外壳只用普通钢板制成。在预热器、预分解炉、上升烟道等处，采用1层工作层和1〜2层隔热层组成的复合衬里.就可以使得钢板表面温度不超过 100°C'，实现预分解窖系统的节能。 目前，我国和发达国家处于不同的经济发展阶段。我国新型干法水泥窑的主要问题是高产、优质、低消耗和长期安全运转。耐火材料的主要损坏因素是高温、侵蚀、热震和机械应力。这和20世纪80年代前后发达国家的情况类似。图2-5显示了不同历史阶段发达国家水泥窑面临的主要问题。 由图2-5可知以下几点。 ①1963〜1968年，热震 和侵蚀是碱性材料的主要损毁原因。随着操作的改善和直接结合镁铬砖的应用，这一问题得到逐步解决。 ② 1968〜1978年，机械应力是主要损毁原因。机械应力很大程度是由窑体变形而引起的。机械制造技术和检测技术提高减少了窑的变形，耐火砖因机械应力而发生的损坏随之减少。 ③1978〜1983年，开始大量使用煤和替代燃料，氧化还原问题出现。这一问题又因燃烧技术改善而得到缓解。 ④ 1978年以后，使用替代燃料越来越多，替代燃料带有的挥发性组分増大了盐侵蚀。近年，盐侵蚀是发达国家面临的主要问题。 当前，发达国家水泥窑用耐火材料损坏的原因为：高温作用23%;高温化学和盐侵蚀和为23%;机械、热化学和盐综合破坏23%;盐侵蚀为17%;机械 和热化学综合破坏8%;氧化还原1%;其他5%。简言之·高温和盐浸蚀是发达国家水泥窑的主要破坏因素。今后，我国水泥工业将从扩张规模，转向以提高效益为主，节能得到日益重视，利用低品位原燃料和废弃物也提上了日程。今后，我国的水泥工业也将面临发达国家目前的问题。 |
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