200万t球团回转窑中耐火材料的作用、失效原因以及长寿化改进措施
发布日期： 2020-12-02 09:59:59 阅读量（674） 作者：李宗胜本文分析了200万t球团链篦机-回转窑中耐火材料的作用及重要性，同时分析了耐火材料失效的主要原因。根据耐火材料的失效机理，总结了改进回转窑耐火材料长寿化的几种方法。
1耐火材料作用
在追求钢铁高产量的同时，对提高原材料利用率和减排也提出了更严格的要求。相比于传统的高炉炼铁，200万t球团链篦机-回转密工艺制造的氧化球团有更高的品味和强度、以及更均匀的粒度，因此，在我国的现代钢铁生产中，百万吨级的球团链篦机-回转窑设备逐渐受到学者与工作人员的重视。由于我国磁铁矿存量逐渐减少，使用赤铁矿作为原材料在链篦机-回转窑生产线上生产球团成为未来发展趋势。赤铁矿的主要成分是Fe2O3，赤铁矿球团在回转窑中焙烧时，需要温度升至1300℃左右时，Fe2O3晶粒会发生长大与再结晶。赤铁矿不同于磁铁矿的一显著特点在于使用赤铁矿作为原材料进行加工时，考虑其冶金性能，需要更高的工作温度。
200万t球团链篦机-回转窑的工作环境处在从常温到高温的不同温度下，其中，回转窑作为焙烧氧化球团矿的主要场所，处在最高的工作温度下，回转窑内工作温度需要高于1400℃，普通的钢无法承受这种高温，所以一般在钢的内部增加一层耐火材料。因此，设计其内衬时，必须选用合适的耐火材料。耐火材料可以安全有效地提高回转窑中工作温度，在冶金反应中，得到更高的反应温度，进而提高氧化球团矿的质量。
2耐火材料失效原因分析
链篦机-回转窑工艺中的回转窑通常由筒体、回转窑内衬、滚圈、窑头与窑尾罩、燃烧装置、传动装置、支撑装置、下料设备组成。据报道，2017年回转窑停产原因的统计分析中，回转窑停产大约一半是由于回转窑的内衬破损。回转窑是物料加热的主要场所，内衬使用耐火材料。在反应过程中，物料会频繁地与内衬发生机械摩擦，同时，回转窑在使用过程中频繁急冷或急热，造成内应力集中，易出现脱落、还原等损坏。
回转窑在使用过程中处在1400℃以上的高温，由于设计工艺缺陷或操作不当，出现的急冷或急热会使内衬耐火材料出现应力集中。回转窑内衬的主要成分一般为氧化铝。材料的抗热震性不足是过早发生失效的原因。抗热震性指的是耐火材料(回转窑内衬)的在急冷急热的温度骤变情况下而不发生破坏的性能，属于工程参数。
关于物料氧化球团与回转窑的内衬发生机械摩擦，主要原因是氧化球团矿在还原过程中发生的体积膨胀。国内外对球团膨胀机理的描述，已经成型的理论体系主要有四种：
1)碳沉积膨胀理论，低温还原特性，一氧化碳被还原为碳单质，碳单质在球团矿的缝隙中发生沉积导致球团开裂体积膨胀。
2)碱金属膨胀理论，认为铁矿或添加物中的碱金属在反应过程中使铁的还原反应加快，导致反应迅速发生球团膨胀。
3)铁晶须膨胀理论，认为微观组织中纤维状的金属铁会使晶粒间产生应力场，最终导致球团体积膨胀。
4)埃德斯特累姆理论，认为球团的膨胀是还原产物二氧化碳与水蒸气的产生速度大于扩散速度，导致球团矿的开裂膨胀。
3耐火材料长寿化改进
3.1改进耐火材料实现长寿化
回转窑的内衬大部分使用耐热耐磨的特级高铝，主要成分为氧化铝，原料为刚玉。由于氧化球团物料硬度较高，还原反应过程中很容易与内壁摩擦，所以不在内衬上黏附熟料当作保护层(窑皮)。这对耐火材料的耐热耐磨性能提出了更高的要求。当氧化铝耐火材料在快速地受热或受冷中，会发生膨胀或收缩，各部分之间会因变形互相制约并产生热应力。当热应力超过耐火材料的内部结合力时，材料就产生崩裂或剥落。因此，对耐火材料的改进可以从抗热震性考虑。
影响抗热震性的因素有材料的热膨胀系数、传热系数、弹性模量、材料的强度、断裂韧性。传热系数提高，热导率越大，材料内部温差就越小，材料不同位置的应力差就越小，抗热震性也越好;材料的固有强度越高，承受热应力发生破坏的临界应力越大，抗热震性越好;断裂韧性越高，断裂前吸收的能量越高，抗热震性越好;热膨胀系数小，材料温度变化引起体积变化小，由于体积变化带来的应力也越小，抗热震性好;弹性模量越高，材料由于温差产生的应力难以通过弹性变形抵消，抗热震性越差。材料的内部组织结构和几何形状等也会对抗热震性有影响。一般地讲，材料组织相对疏松，有一定气孔率，有适当的微裂纹存在，都可以提高断裂能，使材料在热冲击下不致被破坏。另外，形状相对简单、外形相对均匀的构件抗热震性能要好于形状复杂、结构不均匀的构件。
氧化铝作为内衬材料，就其材料特性而言具有较好的抗热震性。对氧化铝耐火材料作为回转窑内衬的改进，可以从组织出发。使用造孔剂方法和等静压成型可以制备多孔的氧化铝，制得的氧化铝可以测量密度与气孔率，或使用扫描电子显微镜观察表面形貌来判断是否得到疏松带有气孔的氧化铝材料。据报道，制备的多孔氧化铝在大约800℃热震后的残余强度相比380℃热震后残余强度，从31MPa减小到6MPa，扫描电子显微镜观察到较少的裂纹和缺陷，多孔的氧化铝抗热震性较好。
同时，在回转窑结构设计上，可以通过对危险部位加固以防止过早失效。对受热膨胀导致脱落的部位增加保护措施，可以用焊接的方法防止螺栓受热松动后部件发生移动，耐火材料不会因此发生松动。也可以改善回转窑整体结构，使用对称砌筑法，计算膨胀应力并保留膨胀缝。根据已有的报道，使用这些方法都可以有效地提高回转窑应力集中部位的使用寿命。
如果氧化球团含有碱金属，又不得不进入回转窑煅烧，可以考虑更换耐火材料放止碱金属腐蚀。镁铬耐火材料是镁砂、镁铬砂等作为主要材料高温煅烧的来，为弱碱性化合物，所以相比氧化铝耐火材料，镁铬耐火材料对碱金属的腐蚀具有较好的抵抗作用。镁铬耐火材料目前多用于炼铜产业，主要原因是镁铬对铜行业的碱性炉渣具有抗蚀作用。随着高温工艺的发展，镁铬耐火材料在炼铁中也有一定的应用前景，如熔融还原炼铁法等。随着我国科研实力的进步，研究人员共同努力会推动更多的耐火材料的发展。
3.2改进氧化球团实现耐火材料长寿化
氧化球团在回转窑中发生高温还原反应，由于反应温度高、反应迅速，铁的氧化物被还原成铁单质和CO、CO2、水蒸气的混合气体。反应伴随的体积膨胀是由于相变、混合气体或二者共同作用造成的，据报道体积膨胀最大可达20%左右。由于反应过程中的体积膨胀，物料会对回转窑内衬施加较大的摩擦力，导致磨损。而且，不同成分的物料对回转窑也会材料也会有不同的侵蚀，其中，含有二氧化硅与铁的化合物反应生产铁橄榄石使炉渣黏结，也与氧化铝耐火材料中的Al2O3形成二次莫来石，导致耐火材料结构疏松。碱金属会明显腐蚀耐火材料，随着碱金属的增加，耐火材料裂纹数量也增加了。
从氧化球团对耐火材料造成的影响可以判断，在链篦机-回转窑法中，使用高质量的氧化球团可以有效提高回转窑耐火材料使用寿命。为此，可以对氧化球团增加预处理工艺提高球团矿品质。
3.3改进工艺实现耐火材料长寿化
为了减少急热和急冷对耐火材料的热应力而使耐火材料失效，需要从工艺角度出发。加热时，根据材料特性与回转窑结构设定升温曲线，冷却时，按照提前停止下料、不打开观察孔等标准停窑程序进行以防止突然停窑降温过快。回转窑应定期检修，检查技术参数、尺寸等，更换失效部件，保证设备各部分有效稳定运行。
4结论
随着国家对冶金行业环保的重视，200万t链篦机-回转窑由于能源利用率高等优势受到众多冶金生产厂家的重视。而回转窑内衬耐火材料寿命较短、需要频繁的更换处理，使设备运转率低，提高了冶金过程的生产成本，降低了经济效益。因此，分析了耐火材料失效的原因主要是物料对内衬的机械作用力和设备急冷急热产生的热应力共同导致的。并有针对性地提出了耐火材料长寿化改进的几个方法：
1)改进内衬耐火材料，对现用的特级高铝进行改性或选用新材料。
2)预处理氧化球团，以降低其在煅烧过程中的体积膨胀，从而降低其与内衬的机械作用力。
3)合理化生产工艺，尽量避免速率过快的加热和冷却。
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