熔塊窯爐的侵蝕與改善的探討

何慶華+李家鐸+張磊+張國(guó)慶+羅振鋒

摘 ?要：熔塊窯爐從結(jié)構(gòu)上看與玻璃窯爐相似，但由于熔塊的粘度大，以及燒成溫度高的特性，決定了熔塊窯爐在爐體結(jié)構(gòu)和材料上要求更嚴(yán)格。本文以一臺(tái)15 m2待修的熔塊窯爐為研究對(duì)象，分析了窯爐的結(jié)構(gòu)，各部分耐火材料的選擇，以及侵蝕損傷狀況與侵蝕原因。并提出了改善窯爐的設(shè)想，從而使窯爐更加節(jié)能，性價(jià)比更高。

關(guān)鍵詞：熔塊窯爐;侵蝕;改善;節(jié)能

1 ? 引言

熔塊窯爐從結(jié)構(gòu)上看與玻璃窯爐相似，但由于熔塊的粘度大，以及燒成溫度高的特性（通常為1550 ℃左右），決定了熔塊窯爐在爐體結(jié)構(gòu)和材料上要求更嚴(yán)格。以重油為燃料時(shí)，需要使用壓縮空氣進(jìn)行霧化，加上重油熱值很高燃燒時(shí)需要大量的助燃空氣，這些導(dǎo)致窯爐內(nèi)部的氣流速度很快且溫度高，氣流帶起窯爐內(nèi)的原料對(duì)整個(gè)窯爐爐體耐火材料進(jìn)行沖刷，產(chǎn)生了很?chē)?yán)重的侵蝕，大大地降低了窯爐的使用壽命。同時(shí)，燃燒產(chǎn)生的廢氣也帶走了大量的熱量，使整個(gè)窯爐的能量利用率降低，損失了大量的能量。本文以一臺(tái)15 m2待修的熔塊窯爐為研究對(duì)象，分析了窯爐的結(jié)構(gòu)，各部分耐火材料的選擇，以及侵蝕損傷狀況與侵蝕原因，并提出了改善窯爐的設(shè)想.從而使窯爐更加節(jié)能，性價(jià)比更高。

2 ? 耐火磚材的特性及使用部位

目前，窯爐中部分耐火磚材料的特性及使用部分如表1所示。

3 ? 窯爐的結(jié)構(gòu)和主要部位耐火材料的侵蝕分析

3.1 ?窯爐的結(jié)構(gòu)

窯爐的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3.2 ?窯爐主要部位的侵蝕情況

3.2.1蓄熱室侵蝕情況

蓄熱室的侵蝕情況如圖2所示。

由圖2（a）可以看到，蓄熱室內(nèi)的上層八角磚被侵蝕的都是孔洞，表面材質(zhì)疏松。在遠(yuǎn)離小爐位置的八角磚被侵蝕的最嚴(yán)重，兩個(gè)角落的八角磚均被侵蝕的已經(jīng)倒塌，都塞了通風(fēng)口。靠近兩蓄熱室之間的墻壁處，八角磚的侵蝕情況最為嚴(yán)重，由距離小爐越遠(yuǎn)侵蝕情況越嚴(yán)重，最里面的一排被侵蝕殆盡，稍近處僅剩下5個(gè)完整的八角磚。圖2（b）中蓄熱室內(nèi)部的墻體也被侵蝕，頂部有些耐火磚已經(jīng)脫落，墻體表層被侵蝕的很疏松。

3.2.2小爐侵蝕情況

火口整個(gè)墻被侵蝕的狀況如圖3所示。

由圖3可知，兩個(gè)小爐之間的墻柱被侵蝕的厚度變化較均一。小爐的頂部龍門(mén)架的電熔磚表面已經(jīng)脫落，小爐通風(fēng)道墻壁也被侵蝕的很疏松，可以看到上部有耐火材料掉落，通道上堆了一層耐火材料的碎渣;火口周?chē)竞芤?guī)則的梯形耐火材料已經(jīng)被侵蝕的成為一片松軟的碎渣，處于火口處的熔池池壁也被侵蝕成凹型;觀察火口周?chē)膲Ρ谏夏突鸩牧媳磺治g成沙丘狀，方向均向著小爐內(nèi)部;火口兩側(cè)的寬度被擴(kuò)大，整體呈喇叭狀。

3.2.3加料口侵蝕情況

加料口部分被侵蝕示意圖如圖4所示。

由圖4可知，窯爐中與加料口等高平行的兩側(cè)被侵蝕的很?chē)?yán)重，加料口侵蝕后最寬處有100 cm，上下高有114cm?？拷鹂谝贿吪c加料口齊平處到池壁的耐火磚原本的棱角被磨平，另一邊雖然磨損程度相對(duì)較輕，但均出現(xiàn)裂痕和孔洞，如圖4（a）所示;加料口周?chē)哪突鸩牧弦呀?jīng)完全碎裂，加料口兩側(cè)的耐火材料均被侵蝕的僅剩薄薄一層，有些部位已經(jīng)被燒透，其中一側(cè)的加料口旁邊的耐火磚被侵蝕出一些像刮痕一樣很深的痕跡;加料口上部與窯頂相接處侵蝕的很?chē)?yán)重，有三排的耐火磚被侵蝕的僅僅殘留一部分，有些位置的耐火磚已經(jīng)脫落，如圖4（b）所示，并且窯爐的加料口兩側(cè)的耐火材料均被侵蝕成喇叭狀。

3.2.4胸墻侵蝕情況

左、右側(cè)掛鉤磚及熔池被侵蝕的狀況如圖5所示。

由圖5可知，右側(cè)胸墻在掛鉤磚上寬約50 cm，長(zhǎng)約140 cm的范圍內(nèi)，耐火材料被侵蝕的很?chē)?yán)重，大部分部位向里凹進(jìn)去，有些部位的耐火磚已經(jīng)裂開(kāi)。左側(cè)掛鉤磚也被侵蝕的很?chē)?yán)重，靠近加料口約100 cm的范圍內(nèi)突出掛鉤磚已經(jīng)被侵蝕殆盡，剩余的掛鉤磚在上部和下部均被向內(nèi)侵蝕，僅有6 cm厚;左側(cè)掛鉤磚被侵蝕程度要大于右側(cè)，有140 cm長(zhǎng)的掛鉤磚突出的部位被侵蝕殆盡，剩余的部位最薄處僅有3 cm厚。池壁被侵蝕的很深，兩池壁之間的距離為270 cm，靠近加料口的部位被侵蝕的很?chē)?yán)重，向內(nèi)凹的比較深。靠近加料口附近的耐火材料被侵蝕的很?chē)?yán)重，侵蝕的走勢(shì)均為凸起狀，也就是靠近加料口和前墻拐角處侵蝕的最為嚴(yán)重。

3.2.5窯爐前墻與流口處侵蝕情況

窯爐前墻與流口處侵蝕示意圖如圖6所示。

由圖6可知，整個(gè)窯爐前墻與流口處侵蝕最嚴(yán)重，前墻被侵蝕成圓弧狀。前墻的池壁被大面積的侵蝕和脫落，由于玻璃膏和粉塵的沖刷，使得池壁的厚度被侵蝕的較為嚴(yán)重。流口四周的部位內(nèi)部的耐火材料已經(jīng)被完全侵蝕，露出了外面一層的耐火材料;有些耐火材料已經(jīng)脫落，或者被侵蝕殆盡;有些部位近乎被燒穿。

3.2.6爐頂侵蝕情況

爐頂被侵蝕情況如圖7所示。

爐頂被粉塵和火焰沖刷出很多細(xì)小的空洞，原料與耐火材料發(fā)生共熔，這樣使耐火材料表層質(zhì)地變得很疏松。被燒熔的玻璃膏黏在爐頂上面，在玻璃膏滴落時(shí)會(huì)帶走部分耐火材料，使得耐火材料被侵蝕，變形成倒置的水滴狀。而窯爐前段長(zhǎng)約2 m的爐頂受侵蝕更加明顯。

3.3 ?侵蝕狀況分析

通過(guò)對(duì)窯爐各部位的侵蝕狀況進(jìn)行觀察，可以看出，窯爐在運(yùn)行過(guò)程中最容易損壞的部位主要為前墻、流液洞、爐頂前段、加料口、火口以及蓄熱室上層格子體。

其主要原因在于霧化的重油沖擊和高速的助燃空氣的帶動(dòng)，使少量沒(méi)有熔化的微細(xì)原料被吹起。隨著窯爐內(nèi)部高溫氣流的流動(dòng)，在流動(dòng)的過(guò)程中熔化成玻璃液附著在耐火材料表面，并與耐火材料發(fā)生反應(yīng)，使耐火材料表面變軟，在受到氣流沖擊時(shí)慢慢脫離，這樣一次又一次的侵蝕最終導(dǎo)致耐火材料越來(lái)越薄，直至穿透或者斷裂。endprint

窯爐內(nèi)部的空氣流動(dòng)是按照馬蹄印的形狀流動(dòng)的，如圖8所示。燃料在高壓霧化下會(huì)產(chǎn)生高速氣流，這些氣流對(duì)溫度達(dá)到1000 ℃以上的耐火材料來(lái)說(shuō)產(chǎn)生了很?chē)?yán)重的物理沖刷。所以，無(wú)論使用哪只油槍，前墻及爐頂前段總會(huì)受到很大的侵蝕，在每個(gè)氣流需要拐彎處都是侵蝕很?chē)?yán)重的部位。窯爐內(nèi)部的玻璃膏在熔池內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，是平緩的流動(dòng)，等到了流液洞時(shí)，流動(dòng)的空間突然變小，流膏的速度加快，對(duì)流液洞那段的耐火材料的侵蝕加重，可以看到呈喇叭狀。

火口的部位是由于周期性換向產(chǎn)生劇烈溫差，以及燃燒的廢氣帶有大量的粉塵，在廢氣排出時(shí)廢氣的溫度很高，在高溫下粉塵會(huì)對(duì)火口周?chē)哪突鸩牧线M(jìn)行侵蝕。

窯爐燃燒產(chǎn)生的廢氣帶有大量的熱量和粉塵，隨著高速氣流撞擊到蓄熱室的后墻，然后向下沖刷八角磚。所以，靠近后墻的八角磚被侵蝕的很?chē)?yán)重。對(duì)于蓄熱室的格子磚被損壞的原因主要有以下幾個(gè)方面：

（1） 熱應(yīng)力作用，小爐和格子磚室經(jīng)常處在急冷急熱的變化中，受應(yīng)力作用，會(huì)出現(xiàn)裂紋，開(kāi)裂和剝落;

（2） 機(jī)械荷載作用，在機(jī)械荷載和高溫的作用下，砌體發(fā)生收縮變形和產(chǎn)生裂紋，影響使用壽命;

（3） 化學(xué)侵蝕作用，燃燒產(chǎn)生的堿性氧化物和灰粉粘附在耐火材料表面并向里滲透，同時(shí)與耐火磚組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使體積變化，導(dǎo)致破壞，降低強(qiáng)度和高溫使用性能;

（4） 燃燒廢棄中帶有大量的熔融的原料和氣化的助溶劑等，在蓄熱室上層時(shí)溫度較高，不會(huì)凝固，隨著向下流動(dòng)蓄熱室的溫度越來(lái)越低逐漸冷凝，在中部堵塞蓄熱室，氣流流動(dòng)不順暢，導(dǎo)致蓄熱室上層的溫度升高超過(guò)耐火度，對(duì)耐火材料造成損害。

4 ? 窯爐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)想

4.1 ?蓄熱室的改進(jìn)設(shè)想

窯爐內(nèi)燃燒后的煙氣離開(kāi)窯爐內(nèi)部時(shí)的溫度很高，可達(dá)1400 ℃以上。煙氣在這樣高的溫度下離開(kāi)窯爐，將帶走大量的熱量，一般約占窯爐供熱量的30%～40%。因此，為提高窯爐的熱效率，合理利用能源，在玻璃窯爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都附有蓄熱室等余熱利用設(shè)備。同時(shí)，為達(dá)到窯爐內(nèi)所要求的火焰溫度，除了燃料燃燒提供的熱能外，還需將助燃空氣預(yù)熱，這也是引入蓄熱室的重要目的之一。

蓄熱室是窯爐正常運(yùn)行中助燃風(fēng)和廢氣的通道。在蓄熱室內(nèi)部，氣流通過(guò)八角磚時(shí)被分割成許多相互平行的小股氣流，由于熱氣流自上而下的流動(dòng)，熱能逐漸被八角磚吸收，給蓄熱室加熱;冷空氣從下到上流動(dòng)吸收八角磚內(nèi)部的熱能，逐漸被加熱。這些熱能的轉(zhuǎn)換符合分散垂直氣流法則，使得蓄熱室的八角磚能夠均勻的被加熱，然后再將熱能助燃空氣，使助燃空氣也能被均勻的加熱，不會(huì)存在熱量不均勻的情況。從這可以看出，增大八角磚與煙氣的接觸面積，提高其換熱面積，使八角磚吸收的熱量越多，進(jìn)而傳給助燃空氣的熱量也就越多，助燃空氣進(jìn)入窯爐內(nèi)的溫度也就越高。有助于提高燃料的燃燒效率，不僅提高了窯爐內(nèi)部的溫度，而且節(jié)約了能源的消耗。但是并不是越大的蓄熱室就越好，我們把蓄熱室的空氣與八角磚的接觸面積和熔池的面積比叫做熔蓄比，只有合理的熔蓄比才能使蓄熱室起到最好的效果，使助燃空氣達(dá)到理想的溫度，最終取得理想的效果。

在考慮增大蓄熱室面積時(shí)，我們也要考慮到八角磚所使用的耐火材料，蓄熱室中的八角磚由于被高溫?zé)煔饧訜?，被加熱的同時(shí)還帶有固體粉塵和一些配合料的分解產(chǎn)物，在氣流流動(dòng)時(shí)不僅有氣流對(duì)其沖刷，還會(huì)有固體粉塵的侵蝕，再加上氣流轉(zhuǎn)化使得高、低溫的巨變，導(dǎo)致八角磚嚴(yán)重?fù)p壞，造成蓄熱室堵塞、空氣不流通，使蓄熱室的使用壽命大大減少。因此，可以選擇一些耐侵蝕，吸放熱量速度快的材料。研究證明，窯爐蓄熱室八角磚使用的耐火材料是高鋁磚和粘土磚。因此，可以考慮上層采用鎂質(zhì)磚、燒結(jié)剛玉磚或低蠕高鋁磚等方面的耐火材料。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，蓄熱室內(nèi)部損壞的部位集中在離小爐最遠(yuǎn)的一側(cè)墻處。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，可能是由于煙氣排出時(shí)速度較快，直接沖擊到那側(cè)墻，使煙氣中夾帶的固體粉塵和熔融的原料在此處落下，進(jìn)而使得此處的八角磚被侵蝕的很?chē)?yán)重。因此，可以試著改變蓄熱室頂部的形狀，讓其改成階梯狀或者傾斜。讓煙氣排出時(shí)所夾帶的固體粉塵不會(huì)全部撞擊在一處，使整個(gè)蓄熱室的八角磚被侵蝕的程度達(dá)到一致，減少更換頻率。還可以增大蓄熱室的面積，使蓄熱室的進(jìn)出氣通道增大，這樣廢氣在排除時(shí)的速度便不會(huì)那么快，不僅降低了高速氣流流動(dòng)速度所帶來(lái)的物理沖刷，還使得受到?jīng)_刷的面積增大，單位面積受力大大降低。

蓄熱室的保溫方面也是需要考慮的，在擴(kuò)大蓄熱室和更換耐火材料后，要對(duì)蓄熱室進(jìn)行保溫，防止透過(guò)墻體散發(fā)熱量，造成不必要損失。

4.2 ?爐體的改進(jìn)設(shè)想

熔池是熔塊窯爐的重要組成部位，熔塊窯爐的熔池與熔塊的產(chǎn)量和產(chǎn)品的品質(zhì)有著密切關(guān)系。同時(shí)，合理的熔池結(jié)構(gòu)對(duì)能源的消耗、窯爐的使用壽命也密切相關(guān)。原料由加料口加入，由于加入的是生料，是沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)熱的原料，再加入熔池后會(huì)吸收熔池內(nèi)的熱能，這樣就造成加料口附近的溫度降低。有時(shí)會(huì)導(dǎo)致原料在加入后不能及時(shí)的融化，堆積在一起造成堵塞。因此，我們可以適當(dāng)?shù)募由钊刍兀岣呷刍貎?nèi)玻璃膏的液面高度，這樣一方面降低了加料口與液面的高度，減少了原料下落時(shí)的揚(yáng)塵，更能讓原料大面積的平鋪在玻璃液面上，利用玻璃膏中的熱量加速熔化;另一方面由于熔池的深度增加使它單位面積所含的能量增多，被生料所吸收的能量相對(duì)均勻穩(wěn)定，溫度波動(dòng)不會(huì)太大，能夠及時(shí)地把生料熔化。采用較深的熔化池，可以提高熔化率。它主要是增大了熔融的空間，在相同的面積下加快了生料熔化的速度，相同的溫度下，使產(chǎn)量增大。

根據(jù)熔塊窯爐的侵蝕情況發(fā)現(xiàn)，熔池的池壁在生產(chǎn)的過(guò)程中被侵蝕的很?chē)?yán)重，但也不是整體的被侵蝕。由于窯爐生產(chǎn)的產(chǎn)品選取熔池內(nèi)玻璃膏中間部位，玻璃膏的粘度大，在流動(dòng)過(guò)程中摩擦池壁的中部，熔池內(nèi)部的溫度又高，玻璃膏流動(dòng)中不停地沖刷池壁。因此，池壁的中間部位被侵蝕的最嚴(yán)重，成凹狀。但由于池壁是由若干塊同等高度的電熔鋯剛玉磚排列組合而成，在修理窯爐時(shí)要整塊的更換，這樣不僅浪費(fèi)還比較麻煩。因此，可以嘗試使用不同的耐火材料，按縱向分兩部分或者三部分來(lái)組合成池壁，中間使用抗侵蝕性較好的33#無(wú)縮孔澆鑄電熔鋯剛玉磚，其他部位使用質(zhì)地較差、成本較低的33#普通澆鑄電熔鋯剛玉磚，這樣可以使整個(gè)熔池池壁的耐火材料使用壽命達(dá)到一致。endprint