耐火預(yù)制件在水泥窯中的應(yīng)用

錢永祥（昆明鋼鐵控股有限公司，云南 昆明 650302）

0 前言

隨著水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)的不斷更新和進(jìn)步，水泥窯單條生產(chǎn)線向大型化方向發(fā)展，新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)具有窯溫高、窯速快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、堿等揮發(fā)性組份的侵蝕嚴(yán)重等特性，這對(duì)水泥窯用耐火材料提出了更加苛刻的要求。不定形耐火材料由于具有性能優(yōu)良、施工方便、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn),在水泥工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用,占比接近50%左右。然而不定形耐火材料對(duì)現(xiàn)場施工質(zhì)量要求較高,容易出現(xiàn)現(xiàn)場加水量過多,造成澆注料性能下降較快以及烘烤過程中出現(xiàn)爆裂等問題。預(yù)制件是將不定形耐火材料定形化，制備工藝介于定形耐火材料和不定形耐火材料之間，性能方面兼具有定形和不定形的優(yōu)點(diǎn)，是不定形耐火材料施工和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)新方向，近幾年得到了快速發(fā)展[1]。本文針對(duì)耐火預(yù)制件的特點(diǎn)以及在水泥窯中不同部位的應(yīng)用和性能要求做了概述。

1 耐火預(yù)制件的特點(diǎn)及要求

耐火預(yù)制件是將預(yù)施工的部位提前劃分成小塊，并設(shè)計(jì)出合適的形狀，然后按形狀制作模具，再在工廠澆注成型、養(yǎng)護(hù)、烘烤完畢后運(yùn)到現(xiàn)場施工安裝。耐火預(yù)制件的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)澆注料的現(xiàn)場澆注施工的方法，使施工簡便易行，可以省去現(xiàn)場攪拌、澆注或搗打以及所需的相應(yīng)設(shè)備，大大節(jié)約了施工時(shí)間，并且使現(xiàn)場施工條件不受施工環(huán)境和季節(jié)的影響，更有利于保證施工質(zhì)量。為了便于制作、運(yùn)輸和安裝，預(yù)制件的形狀不能設(shè)計(jì)過大和過于復(fù)雜，而且盡可能的統(tǒng)一尺寸，此外需要考慮到塊與塊之間的結(jié)合情況，從而增強(qiáng)施工后的一體化效果。施工部位需要清理干凈，否則會(huì)影響耐火預(yù)制件的安裝精度和效果。

耐火預(yù)制件所用部位多數(shù)處于高溫、水泥熟料沖刷、磨損、急冷急熱等惡劣環(huán)境下的特殊部位，容易產(chǎn)生機(jī)械變形，需要具有良好的耐侵蝕性能、良好的抗耐磨性和抗高溫氣體沖刷性以及優(yōu)異的抗熱震穩(wěn)定性。要達(dá)到使用性能要求，原材料配比是基礎(chǔ)，這與澆注料的要求類似，但澆注料需要注重施工后至使用條件整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)的性能，而耐火預(yù)制件作為采用澆注料制備出的定形產(chǎn)品，注重烘烤后的性能即可。不少生產(chǎn)廠家列出了不同溫度條件的預(yù)制件性能指標(biāo)，實(shí)際上對(duì)于水泥廠家來說參考意義不大。鑒于此種情況，耐火預(yù)制件所用原料及配比可以在澆注料的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，需要更加關(guān)注烘烤后的性能。

水泥窯關(guān)鍵部位耐火材料在施工過程中需要較高的施工質(zhì)量，而在水泥窯檢修期間，一般工期較短，現(xiàn)場澆注施工質(zhì)量難以保證，施工質(zhì)量的好壞對(duì)耐火材料的使用壽命有很大的影響。加水量的增加會(huì)使?jié)沧⒘系臍饪茁试龃?，?qiáng)度降低，并嚴(yán)重影響澆注料的耐磨性能。澆注料施工完畢，必須有一定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，養(yǎng)護(hù)完成后還必須進(jìn)行烘烤處理，否則容易爆裂。

耐火預(yù)制件由于制作過程在生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行，可以克服現(xiàn)場施工時(shí)間緊迫、環(huán)境季節(jié)溫度變化、現(xiàn)場施工管理等因素產(chǎn)生的不利影響，經(jīng)過充分的養(yǎng)護(hù)和嚴(yán)格的烘烤能夠保證施工質(zhì)量，大幅降低因施工不規(guī)范造成的質(zhì)量問題，使耐火材料的性能得以充分發(fā)揮。安裝后直接點(diǎn)火使用，縮短了檢修時(shí)間，能夠創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 水泥窯不同部位對(duì)預(yù)制件的性能要求

2.1 篦冷機(jī)矮墻及頂部預(yù)制件

篦冷機(jī)所處位置特殊，煙氣成分復(fù)雜，溫度高，風(fēng)速大，煙氣含塵多為水泥熟料小顆粒，不僅量大而且硬度大，對(duì)耐火材料的侵蝕及沖刷磨損嚴(yán)重，因此篦冷機(jī)中超溫或燒穿現(xiàn)象十分普遍，因此該部位耐火材料的合理選擇及施工質(zhì)量至關(guān)重要[2]。此部位的預(yù)制件通常采用高鋁礬土、碳化硅等為骨料，以鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑，添加超微粉、外加劑，并摻加一定量的耐熱鋼纖維，按照低水泥澆注料施工規(guī)范制作成合適形狀的預(yù)制件[3]。預(yù)制件的形狀尺寸和結(jié)構(gòu)形式與其使用部位有關(guān)系。對(duì)于篦冷機(jī)矮墻用預(yù)制件來說，為提高矮墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，每塊預(yù)制件的上下表面分別帶有溝槽或凸舌。通過舌、溝之間的結(jié)合，限制了各砌塊之間的滑動(dòng)，提高了砌體結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)固性[4]。對(duì)于篦冷機(jī)頂部，特別是一段高溫區(qū)域，預(yù)制件可以通過錨固件與頂部進(jìn)行焊接或螺栓連接，也可以通過直接采用懸掛在鋼板上的方式進(jìn)行連接，施工效果見圖1，篦冷機(jī)矮墻及頂部預(yù)制件的典型性能指標(biāo)見表1。

表1 篦冷機(jī)用預(yù)制件性能指標(biāo)

圖1 篦冷機(jī)頂部預(yù)制件施工效果圖

2.2 三次風(fēng)管彎道預(yù)制件

水泥窯三次風(fēng)管彎道內(nèi)襯不僅需要承受飽含大量細(xì)顆粒熟料的高速三次風(fēng)氣流的沖刷，而且還要承受在800～1200℃工作溫度條件下嚴(yán)重的堿腐蝕，造成內(nèi)襯經(jīng)常剝落。三次風(fēng)管彎道內(nèi)襯所用的耐磨材料經(jīng)歷了高鋁澆注料、莫來石剛玉澆注料以及高耐磨磚與莫來石剛玉澆注料組合而成的框架結(jié)構(gòu)等一系列發(fā)展歷程，而目前多數(shù)采用以剛玉和碳化硅為主要材質(zhì)的超高強(qiáng)耐磨澆注料，在三次風(fēng)管彎道處的使用效果較好[5]。在制備三次風(fēng)管彎道預(yù)制件的過程中，預(yù)制件形狀尺寸需要考慮風(fēng)管直徑大小，將預(yù)制件形狀設(shè)計(jì)成帶弧狀的楔形結(jié)構(gòu)，有利于增強(qiáng)塊與塊之間的結(jié)合緊密程度[6]。根據(jù)預(yù)制件的工作溫度條件，采用超低水泥和超微粉復(fù)合結(jié)合的方式，主要著力于提高預(yù)制件在工作條件下的性能。國內(nèi)部分廠家生產(chǎn)的三次風(fēng)管彎道預(yù)制件的外觀和典型性能指標(biāo)分別見表2，圖2。

表2 三次風(fēng)管彎道預(yù)制件性能指標(biāo)

圖2 三次風(fēng)管彎道預(yù)制件外觀

2.3 三次風(fēng)管閘板預(yù)制件

在新型干法水泥窯中主要通過調(diào)節(jié)三次風(fēng)管閘板的開合度，從而調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的風(fēng)量并保證分解爐內(nèi)煤粉充分燃燒所需的氧含量。閘板在使用中始終受到高溫高速氣流的正面沖擊，煙氣流速高，并且含塵濃度大，所含顆粒的硬度高，通常閘板容易產(chǎn)生嚴(yán)重磨損[7]。三次風(fēng)管閘板預(yù)制件在結(jié)構(gòu)方面采用優(yōu)質(zhì)的耐熱鋼作為骨架，并焊接上錨固件，確保閘板在高溫條件下不變形，施工過程如圖3所示。在耐熱鋼和錨固件表面涂刷瀝青漆后采用添加有鋼纖維的剛玉莫來石澆注料進(jìn)行澆注成型，既能使?jié)沧⒘虾湾^固件緊密的形成整體，也為兩者之間的應(yīng)力緩沖提供了一定空間。為了降低高溫烘烤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)性能的影響，三次風(fēng)管閘板預(yù)制件的整體烘烤溫度比水泥窯其他部位使用的預(yù)制件要低，滿足充分排除結(jié)合水和提高強(qiáng)度的要求，三次風(fēng)管閘板預(yù)制件的典型性能指標(biāo)如表3所示。

表3 三次風(fēng)管閘板預(yù)制件的性能指標(biāo)

圖3 三次風(fēng)管閘板預(yù)制件鋼結(jié)構(gòu)施工圖

2.4 窯頭罩預(yù)制件

窯頭罩位于回轉(zhuǎn)窯的排料端，噴煤管穿過窯頭罩伸入窯口內(nèi)，隨著回轉(zhuǎn)窯向大型化方向發(fā)展，窯頭罩內(nèi)跨度也越來越大，受沖刷、冷熱突變頻繁和熱震的作用，使用條件十分苛刻。此部位的內(nèi)襯通常采用莫來石和碳化硅作為主要材質(zhì)，設(shè)計(jì)成預(yù)制件的方法，與定形產(chǎn)品相比可以滿足復(fù)雜形狀制作的要求，并且能夠保證預(yù)制件不同部分的均勻性和致密度，與不定形產(chǎn)品相比能夠給予充分的養(yǎng)護(hù)和烘烤時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速安裝，免受水泥廠施工環(huán)境影響，國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的窯頭罩預(yù)制件形狀外觀和性能指標(biāo)分別見表4和圖4。此外采用預(yù)制件的方式更有利于形成重質(zhì)輕質(zhì)密度梯度復(fù)合的結(jié)構(gòu)形式，重質(zhì)部分作為工作層，主要起結(jié)構(gòu)強(qiáng)度支撐作用，輕質(zhì)部分作為保溫隔熱層，主要起降低熱量散失的作用，避免了采用定形壓制方法和不定形澆注方法產(chǎn)生的一系列問題。

表4 窯頭罩預(yù)制件性能指標(biāo)

圖4 窯頭罩預(yù)制件外觀

3 結(jié)語

水泥窯用耐火預(yù)制件的原料及配比可以參考所使用部位的澆注料，外形根據(jù)現(xiàn)場使用條件采用個(gè)性化設(shè)計(jì)，在成型、烘烤等環(huán)節(jié)方面采用工廠化和規(guī)?；a(chǎn)，需要更注重烘烤后的性能指標(biāo)。耐火預(yù)制件與澆注料相比，對(duì)保質(zhì)期和環(huán)境條件的要求較低，具有更加優(yōu)異的整體穩(wěn)定性和適應(yīng)性，能夠顯著地縮短水泥窯施工時(shí)間，提高維修效率，有效延長耐火材料的使用周期，在篦冷機(jī)、三次風(fēng)管、窯尾煙室等部位都取得了良好的使用效果，預(yù)計(jì)將來耐火預(yù)制件在水泥窯中的使用范圍會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。