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影响水泥回转窑耐火砖衬体寿命的主要因素

文章编辑:耐火材料 发表时间:2021-05-26 浏览次数:
在2021年5月26日,水泥回转窑是倾斜安装在托轮上作回转运动的钢质圆形筒体,筒体内衬体由耐火砖及相匹配的金属部件镶砌组成,衬体的主要作用是维持水泥熟料煅烧所需高温并保护筒体设备,衬料的损坏与窑内的热应力、化学侵蚀、机械应力3种因素的综合影响密切相关。3种应力的产生是水泥熟料在煅烧过程中,系统内耐火衬料受所在部位的物料(生料、窑料、熟料)和燃料燃烧产生的烟气的温度和化学成份的影响,以及筒体及其他金属部件变形对该部位衬体和金属产生作用的影响。
 
1、热应力
 
水泥熟料煅烧过程中受窑料、烟气的影响,窑系统内温度分布不一样,产生相应不同的热应力影响(见图1、图2)。
 
 
图1回转窑内温度分布
 
 
图2烧成系统内物料的工况温度
 
窑内熟料煅烧时生料、窑料、熟料温度从常温加热至约1430℃,回转窑内燃料燃烧所生成的烟气温度从1800℃~2000℃,窑筒体内所衬砌的耐火砖(又称火砖、衬砖)受高温烟气和熟料温度的幅射和传导作用使衬砖温度升高产生体积变形损坏,窑内耐火砖常见的热应力损坏有:最高温部位衬砖表面的窑皮熔体渗透砖面,与砖体成份起化学作用,导致砖体热面致密,一些物理性能如容重、孔隙率、强度等发生变化而使砖体发生损坏的熟料熔体侵蚀;高温导致砖内晶格结构发生变化而出现结构疲劳损坏的过热负荷损坏;窑内烟气和砖热面温度突然变化产生热应力造成的热震损坏等。
 
2、化学侵蚀
 
煅烧水泥熟料的原料主要成份为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3,次要成份为MgO、K2O、Na2O、SO3、Cl2等氧化物以及微量元素化合物。近年来,质次的原燃料、工业废物以及城市生活垃圾大量用作水泥原燃料,增加了少量和微量元素化合物的品种和数量(见表2)。上述元素化合物在熟料煅烧过程中,相互作用,生成大量的固、熔、气相化合物,对耐火衬体造成热化学侵蚀。
 
表2水泥熟料煅烧过程中不同元素的循环
 
 
对耐火衬料直接影响的是在烧成过程中,在预热器和回转窑之间的内循环所富集的碱(钾、钠)卤族(氟、氯)和硫的化合物,其气体和熔融物随窑料侵蚀耐火衬料,与耐火衬料内的成份起作用,生成新的低熔矿物,与衬料内的原有矿物相比,体积呈现不同程度的膨胀,致使衬料剥落损坏。
 
近年来的生产实际中,发现个别重金属如铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)渗入衬砖后,会与砖内成份作用,生成新的化合物,造成砖体熔融温度降低和体积膨胀,而使砖体损坏。常见的衬体化学侵蚀主要有:碱盐侵蚀、铬矿石腐蚀、氧化还原损坏、碱剥落等。
 
3、机械应力
 
水泥熟料生产时,衬砖与衬砖之间、衬砖与窑料之间、衬砖与金属筒体、衬体与受热膨胀金属件之间相互作用产生机械应力,造成衬砖损坏。
 
在回转窑中,机械应力主要有窑筒体椭圆度应力损坏、挡砖圈压应力损坏、衬砖之间热膨胀剥落、衬砖错位应力损坏、插缝铁板膨胀应力损坏。在不动设备系统中,金属托砖板、金属筒体直墙、衬体分别会受到热变形和荷重及粉料冲刷产生的应力,从而导致衬体剥落或衬体坍垮。
 
减缓机械应力主要途径有降低金属温度、衬体砌筑预留合适的缝隙、砌筑时在砖缝之间充填胶泥、严防热气流直接接触金属筒体、提高耐材的抗折和抗压强度、通过设计、施工、生产操作以及提高耐材质量来减缓不同种类机械应力。
 
近年来,一些生产线使用含有大量碱、氯、硫有害化合物的代用原燃料,在生产过程中产生热、化学、机械应力而严重损坏衬体,托砖板的使用寿命也大幅降低。由此出现了密闭形托砖板设计技术,用耐火浇注料将金属托砖板封闭,防止其受含尘热气流的直接接触而变形损坏,在实践中取得较好效果。
 
另外,近年来生产线装备的日℃加大也会附带产生新的问题,尤其是在高温部位的大窑门罩、篦冷机以及预热器,均出现装备顶盖跨距过大,顶部壳体和衬体易自重下垂,使衬体之间产生裂缝,高温热气流通过裂缝与顶部金属壳体接触,而使壳体受热膨胀变形,反过来又对衬体产生机械应力,最终使衬体损坏。
 
4、综合作用
 
由于熟料煅烧所产生的各种应力是动态的,窑内各部位工况条件和反应机理不一样,导致对耐火材料的要求也有所不同,尤其是高温下的耐火衬体,除热应力外,热化学、热机械应力检测有一定的困难,且重覆性差,一般从生产过程中,对衬体产生的应力进行分析判断,或者停窑后,对残砖和金属部件进行冷态检测,从而找出对衬体作用的应力及其程度,提出缓解措施。
 
(1)预热器分解炉系统内存在的碱、硫、氯成份造成对衬体的化学侵蚀。一些生产线为降低NOx排放,在燃料燃烧过程中,采用还原气氛的分级煅烧方式,会增加CaSO4分解产生的SO2循环富集量,同时还原气氛易造成衬体和金属筒体及金属部件的化学侵蚀。
 
烧成系统装备中的冷却机、窑门罩、三次风管的热端部位主要承受1100℃以上高温烟气和1350℃以上的熟料热应力和熟料熔体产生的化学应力,熟料及粉尘熟料产生的磨蚀等应力,以及金属筒体变形对衬体产生的机械应力等。
 
(2)回转窑规模的加大,也增加相应有害应力。随着窑的产量增加,窑速逐步增高,新投产的窑有的高达5~5.5r/分,最大窑径为Ф6.2m,这增加了高温金属筒体变形,对衬体产生机械应力。
 
回转窑内温度高,化学反应复杂,且窑料以较快速度运行,因此回转窑内耐火砖的使用寿命受到影响,成为烧成系统更换最为频繁的部位。国内大型预分解窑内耐火砖运转较好的为1年左右,一般为8~10个月,在一些尚未正常的生产线,不超过6个月,个别窑不到2个月。
 
回转窑内各不同工作带耐火砖因承受高的热、热化学、热机械应力,质量要求严格且价格昂贵,为减少耐火砖消耗,窑内耐火砖的应用是水泥生产厂和耐火材料制造厂关注的焦点。
 
(a)分解带主要受到化学侵蚀,考虑尽量减少生料、燃料中的碱、氯、硫的含量,配用既能承受此工况温度,又能承受碱侵蚀的衬砖,同时还需考虑此部位温度较高,应尽量减少筒体散热损失,较为合适的品种是既抗碱侵蚀,且热导率较低的抗剥落高铝耐火砖。近年来,为减少碱、氯、硫侵蚀衬砖及结皮堵塞,该部位较多使用碳化硅高铝质衬砖,砖的热导率高,易造成衬砖部位筒体温度偏高,造成筒体变形,对衬砖产生机械应力,此外还增加筒体散热损失。
 
(b)过渡带(上过渡带后端)受碱、硫侵蚀,烟气温度较高,正常操作时没有窑皮,筒体散热较大,金属筒体受热变形产生椭圆度应力。过渡带正处在第二档轮带下,当开窑温升过快时,易造成筒体受热膨胀,受轮带压迫造成永久性形变产生的椭圆应力,造成衬砖损坏,是窑内衬砖损坏较多的部位。该部位多选用荷软温度超过1600℃,抗碱硫侵蚀,且热导率较低,抗机械应力强的耐火砖。
 
(c)熔体烧成带(上过渡带前端)正处在窑的中部,烟气温度在1700℃左右,窑料温度在1300℃以上,耐火砖要承受高温及温差形成的热震应力,加之部份衬体缺少窑皮保护,因此,选择耐火砖时一般配置高的荷软温度且抗窑料熔体侵蚀的耐火砖。但此类耐火砖热导率高,筒体较快的升温导致筒体产生膨胀,造成永久性变形而形成椭圆形,对衬砖产生严重的机械应力。
 
(d)最高温度烧成带(烧成带)在窑的最高温度部位,火焰温度最高可达2000℃。该部位存在高温、热化学侵蚀、热震应力不同工况,耐火砖必须具备较强的挂窑皮性能、抗高温熟料熔体侵蚀及还原气氛和抗机械应力性能。
 
(e)冷却带(下过渡带)熟料从冷却到固化,其工况变化较大。带内受高温气流、熟料热应力、含尘气流、熔体侵蚀、固化熟料的磨蚀及窑筒体变形应力,是回转窑内衬砖承受热、热化学、热机械应力最高的部位。近年来,随着窑产量及冷却机、燃烧器性能的优化,冷却带内熟料温度越来越高,带的长度越来越短,对衬体性能要求越来越高。
 
(3)窑内燃烧器前端耐火浇注料承受高达1800~2000℃的火焰温度和1400℃以上的熟料温度的热幅射,以及熟料和烟气中硫和碱侵蚀,是烧成系统所有装备衬体中承受热、热化学、热机械应力最为苛刻的部位,衬体使用寿命最短。
 
 
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