5000t/d新型干法水泥生产线耐火材料的配置问题及优化
发布日期： 2020-06-19 09:12:07 阅读量（748） 作者：郑毅，张国庆，殷世文摘要：以5000t/d新型干法生产线为例，对其回转窑、三次风管、篦冷机耐火材料配置主要使用问题进行分析，介绍了相应的整改优化措施及效果，并提出了进一步优化建议。
引言：大中型水泥生产线所用的耐火材料种类众多，针对笔者曾参与建设及管理的国外某大型水泥企业5000t/d生产线中回转窑、三次风管、篦冷机部位初期耐火材料配置使用存在的问题，后期优化处理措施及使用效果作简要介绍。
大中型新型干法生产线回转窑因窑径大，窑速高，单位时间熟料通过量大，热负荷大，窑温高，因而其窑衬所受的热应力、机械应力较大。从而要求耐火材料无论在冷态或热态下，均要有足够的强度、体积稳定性和耐侵蚀性。另外，因生产线所用的原、燃材料不同，而对于同等配置的耐火材料，其耐磨、抗侵蚀性等性能亦有较大差异，从而对衬砌的使用周期寿命造成较大影响。因此在进行回转窑的衬砌设计选型及配砖前，设计人员应对于所用原燃材料及使用环境进行充分的调查了解，避免衬砌设计达不到使用要求，影响设备运转率及生产效益。
1.1回转窑耐火材料初期配置及使用情况
本项目回转窑耐火材料初期按照设计院提供的砌筑图进行配置及砌筑，投产运行后短时间内暴露出该衬砌配置方案与生产实际所用的原燃材料及煅烧制度不匹配，造成下过渡带所配砖使用寿命达不到要求，损耗快，平均3~4个月就须整体更换，增大了企业生产成本;另部分烧成带使用美铝尖晶石砖，砖抗侵蚀能力不佳，窑皮粘挂困难，高温下很快开裂损坏，从而总体降低烧成带砖更换周期。本项目回转窑的初期衬砌布置情况见下图1：
图1 Φ4.8m回转窑初期配砖图
由上图可知，本项目回转窑衬砌初期下过渡带选用美铝尖晶石砖，长度6.4m，明显长于常规窑的下过渡带长度(从窑口至窑直径0.6D位置)，烧成带为美铁尖晶石砖，长度26m，较常规窑烧成带长度偏长(窑直径4~4.5D)，上过渡带为美铝尖晶石砖，长度7m，又较常规窑上过渡带长度(从窑口5~7D位置)短。该回转窑耐火材料配置及使用情况详见表1。
1.2生产线实际原燃料分析及操作情况
从该生产线使用的原燃料情况来看，该厂主矿点所用的石灰石含较高的结晶硅及燧石，易磨性及易烧性不好，后采用多个矿点高、低硅石灰石按比例搭配进料方式以降低石灰石混合料结晶硅含量。从原料、熟料化学成分(表2)及煤工业分析(表3)
表1 Φ4.8x74m回转窑耐火材料初期配置及使用情况表
中可见熟料中硫含量(0.43%)为原煤带入，原料中碱含量(K2O+Na2O)未检出。因石灰石中掺杂有较难烧的结晶硅及燧石，为增加生料易烧性，减少飞砂料对窑内衬砌的冲刷，该生产线按照“三中”配料，控制熟料三率值为中饱和比(KH=0.904)、中硅酸率(SM=2.4)、中铝氧率(IM=1.51)进行生产。
表2 5000t/d生产线原料生料及熟料化学成分表
注：上表中熟料f-CaO含量0.92%。
表 3 煤工业分析及煤粉细度表
根据现场使用的煤质情况，所用煤为进口南非烟煤及本地褐煤按比例搭配使用。该混合煤挥发粉较高，灰分较低，空气干燥基低位热值平均均在5500kcal/kg以上，燃点较低。为加强窑内煅烧，及防止煤粉自燃，混合煤入磨原煤水分控制小于12%，出磨煤粉水分控制小于6%，出磨细度小于10%。
1.3回转窑各带实际划分情况及砖衬配置分析
由于上表中混合煤兼具有褐煤及烟煤的特点，挥发份高，热值高，灰分较低，燃点介于褐煤及烟煤之间。再加上煤粉水分及细度的控制适宜，在窑内着火温度较低，煤粉气流吹入窑内0.3~0.5m即开始着火，火焰长度适中，无后燃及高温区后移现象。同时因原料中石灰石含较高结晶硅及燧石，为避免易烧性差导致熟料游离氧化钙超标影响熟料质量，因而未采用高石灰饱和比、高硅率配料，而是采用了中石灰饱和比、中硅率及中铝氧率，从而在煅烧上避免了高温长带煅烧(烧成带长度为窑直径的4.5~5.5D)，经现场实测，该生产线回转窑烧成带实际长度基本不超过窑直径的4.5D，即21m，则初期烧成带设计26m显然过长。
对于回转窑烧成带配砖而言，应具有良好的挂窑皮性能及较低的导热率。水泥熟料中的液相主要是C4AF和C3A。在水泥生产过程中，熟料首先渗透到耐火砖内部的成分主要是C4AF。镁铁尖晶石砖具有很强的抗硅酸盐熔体渗透的能力和抗盐碱侵蚀的性能。熟料中液相在进入镁铁尖晶石砖表面时，液相与砖的化学成分反应首先形成高温耐火层，阻止液相的进一步渗透，提高了抗熟料侵蚀的能力。此外砖面上形成的一层钙铁相化合物易于粘挂窑皮，形成牢固的窑皮保护层。因此烧成带采用镁铁尖晶石砖较为适宜。
另外由于该窑实际煅烧中火焰的黑火头长度约在2m左右，因此烧成带起点即下过渡带终点应位于从窑口至窑内3m左右位置为宜。扣除窑口浇注料长度0.6m，则该窑下过渡带的长度在2.4m较为适宜，而初期下过渡带设计6.4m长不太合理，其后约4m长实际已进入烧成带，该段选用过渡带砖粘挂窑皮困难，在无窑皮保护下，砖极易因高温冲击和化学侵蚀炸裂剥落。
下过渡带主要承受磨损、机械应力、及温度波动作用，该部位的耐火砖应具有较好的热震稳定性和耐磨及抗侵蚀性。本生产线初期下过渡带配砖采用美铝尖晶石，该砖的热震稳定性尚可，但耐磨性能及窑皮剥落下的抗侵蚀性能不佳。该部位如采用硅莫红砖则可显著增强耐磨性能及热震稳定性，此外硅莫红砖的导热系数及体积密度均较美铝尖晶石砖小，采用硅莫红砖也降低了窑筒体的散热损失及荷重。
该回转窑上过渡带长度初期设计为距窑口33~40m，烧成带末端已延至2#轮带后3m，在实际煅烧中烧成带不到21m，末端缩短且前移了9m，上过渡带实际起点位置应在距窑口24m左右，从现场窑筒体表面温度实测看来，距窑口24~34m表面温度为315~340℃，36m左右表面温度为280℃，因此上过渡带长度宜确定为距窑口24~35m之间，即长度10~11m左右。
上过渡带主要处于放热反应，进入该处的物料温度为1000~1300℃，气体温度为1400~1600℃，存在氧化铝、氧化铁、氧化镁、碱等液相。该处产生窑皮薄且不易挂牢，频繁脱落，使窑衬直接暴露在高温环境下。且当烧成带高温点因物料变化前后移动时，上过渡带的温度场也将不断变化，冷热交替频繁。另上过渡带通常位于2#轮带，该部位负荷最重，衬砖受到的机械应力大。上述因素导致砖衬极易损坏，使用寿命短。因此该部位的衬砖应有良好热震稳定性及耐碱侵蚀性，另外还应具有较低的导热系数，从而具备较好的隔热效果，避免高温时段窑筒体表面温度高造成2#挡托轮轴瓦温升大而影响生产。该回转窑上过渡带配砖采用镁铝尖晶石。
该回转窑初期分解带为距窑口40~63m位置，预热带为63~73m位置。从现场窑筒体表面温度实测看来，距窑口35~58m左右窑筒体表面温度约在270-290℃，从58~73m筒体表面温度基本在240~260℃。因而分解带长度约在23m左右，预热带长度约为15m。对于分解带及预热带配砖，因窑内温度较低，其受到的热应力及化学应力较少，耐火材料主要受物料和碱性气体侵蚀，该分解带配备硅莫砖，预热带配置抗剥落高铝砖是常规配置。
1.4回转窑砖衬调整及使用效果
结合实际使用的原燃料情况及生产实践，利用生产线大修时间对于该回转窑各带及耐火材料配置进行了重新划分和调整，窑口进料端0.6m长低膨胀浇筑料不变，下过渡带长度缩短为2.4m，采用耐磨性能更好的硅莫红砖，烧成带长度缩短为21m，砌筑镁铁尖晶石砖，上过渡带调整为11m，砌筑镁铝尖晶石砖，分解带长度23m不变，其中靠上过渡带的10m砌筑硅莫红砖，剩余13m砌筑硅莫砖，预热带加长为15m，砌筑抗剥落高铝砖，最后窑尾进料端1米高强耐磨防爆浇筑料不变，配置调整情况详见下图2及表5。
通过上述调整，该回转窑上、下过渡带衬砖寿命达到和烧成带寿命一致，特别是下过渡带衬砖使用寿命达到12个月以上，从而显著降低停窑换砖次数，提高回转窑运转率，降低了生产成本。因上过渡带的镁铝尖晶石砖仍然存在不耐磨及导热系数较高问题，下一步可将其替换为硅莫红砖，则可增加抗磨及抗剥落性能，进一步延长使用更换期，同时又可降低
表4回转窑主要耐火砖理化指标表
图 2 Φ4.8m 回转窑调整配砖图
表 5 Φ4.8x74m 回转窑耐火材料配置调整及使用情况表
2#轮带负荷及筒体表面温度，减少散热损失。
3次风管主要承受超过900℃的气流及粉尘冲刷，其耐火材料应主要具有耐磨及抗侵蚀性能。该生产线3次风管耐火材料配置情况见下表6。
表 63 次风管各部位主要耐火材料配置对比表
该生产线3次风管在实际生产中除因砌筑施工质量问题存在部分顶部砖下沉更换外，主要为高温料气对耐火材料的磨损、冲刷及硫碱侵蚀，特别是进分解炉前弯头因改变风向，该处浇筑料磨损、剥落过快，基本不超过2个月弯头外弧筒壁即被多处磨穿，造成频繁在外壁磨穿部位补打浇注料背包现象。该弯头角度72.3°，弯头两段均有较长的直段，设计弯头曲率半径3200mm较小，曲率半径与三次风管外径之比为1，弯头局部阻力系数ξ0.27很大，该处摩擦及局部阻力均较大，加剧了料气对管壁衬料的冲刷及磨损。后期利用检修间隙将该弯头外弧段高耐磨抗侵蚀浇注料替换为硅莫砖，显著增强了该部位衬料耐高温、抗侵蚀、抗磨损性能，使用寿命增至10个月以上。后续还可对该部位弯头进行整改，将两端直段缩短，将弯头曲率半径加大为4000mm，曲率半径与三次风管外径之比调整为1.25，弯头局部阻力系数ξ可降为0.22，将进一步降低该部位的磨损，延长耐火材料的使用寿命。
篦冷机耐火材料主要受熟料输送的磨损及含尘气体的冲刷，其使用的主要耐火材料为具有高铝、高强耐磨防爆、抗碱侵蚀等性能的浇注料。该生产线篦冷机的主要耐火材料配置见下表7。
表 7 篦冷机各部位主要耐火材料配置表
从生产使用情况看，该篦冷机其余部位的耐火材料使用寿命满足要求，但一、二段矮墙浇注料受熟料磨蚀情况较为严重，经比较该厂在另一条5000t/d生产线篦冷机二段矮墙上使用硅莫砖代替高强防爆耐磨浇注料，耐磨性能显著提高，使用寿命延长一倍。因此后续可将该生产线篦冷机一、二段矮墙用硅莫砖替换，将显著延长耐火材料使用及更换周期，提高设备运转率，降低生产成本。
大中型新型干法水泥生产线使用的耐火材料品种众多，因使用的原燃材料、操作制度、当地的气候条件的差异，相同的耐火材料配置往往使用效果差异很大，甚至出现使用寿命远远不能满足使用要求，频繁更换，从而降低生产线热工设备的运转率，影响企业的经济效益。因此，耐火材料的设计配置不能照搬套用，而是应当对使用的原燃材料、使用环境及业主要求进行充分的调查了解后，再有针对性的进行设计及配置，才能充分发挥耐火材料的各项性能，满足企业的生产使用要求。
本文作者：郑毅，张国庆，殷世文
(云南省建筑材料科学研究设计院云南昆明650221)
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