焙燒爐火道墻裂紋產(chǎn)生原因及對策

李方義,劉 濤

(索通發(fā)展股份有限公司,山東 德州 251500)

炭素敞開環(huán)式焙燒爐通常是由爐底、橫墻、火道墻(含爐面澆注塊)、側(cè)墻及煙道等幾部分組成。投產(chǎn)后的焙燒爐,其火道墻是維護(hù)最頻繁、大修周期最短的構(gòu)件。探究火道墻裂紋(或稱裂縫)產(chǎn)生原因并提出相應(yīng)對策,對降低維修成本和減少制品氧化,延長火道墻使用壽命等,均具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 火道墻裂紋類型

敞開式焙燒爐火道墻裂紋大致可以分為三類:①出現(xiàn)在火道墻上部兩側(cè),其逐層錯位加寬的磚縫呈斜向鋸齒狀,俗稱“八”字裂紋;②出現(xiàn)在火道墻中下部的垂直或斜向貫通裂紋,嚴(yán)重時還伴有磚墻在縫隙兩側(cè)的錯位現(xiàn)象;③出現(xiàn)在火焰燃燒區(qū)的外圍,裂紋呈不規(guī)則“U”形居多。

2 火道墻裂紋成因分析及對策

2.1 火道墻“八”字形裂紋

典形火道墻“八”字形裂紋見下圖1,其斜向縫隙均處于邊部爐面澆注塊的下方,有發(fā)端于邊部爐面澆注塊與中間爐面塊接縫處下方的,有在邊部爐面塊中部甚或更靠近橫墻位置的,且斜向鋸齒狀裂縫以1～2條居多,也有單側(cè)2～4條小縫隙的情況出現(xiàn)。

圖1 火道墻兩側(cè)磚縫斜向開裂紋(俗稱“八”字裂紋)

2.1.1 火道墻“八”字形裂紋形成原因

經(jīng)對不同企業(yè)爐面澆注塊尺寸及安裝方式與“八”字裂紋多寡的比較,分析認(rèn)為形成火道墻“八”字裂紋的核心原因有:

(1)火道墻封口磚與爐面澆注塊之間摩擦阻力過大

因火道磚的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于爐面澆注塊的熱膨脹系數(shù),受熱膨脹已外延的火道墻,在冷卻回縮過程中受到來自爐面塊過大的摩擦阻力,將使部分封口磚不能復(fù)位,封口磚又帶動其下方火道磚從磚縫撕裂;

(2)爐面澆注塊預(yù)留伸縮縫偏小

因火道墻下沉和彎曲是焙燒生產(chǎn)過程中不可避免的現(xiàn)象,若爐面澆注塊之間伸縮縫過小,火道墻無論是下沉還是彎曲,均將導(dǎo)致爐面澆注塊之間相互擠壓而使邊部爐面塊向橫墻方向運動。邊部爐面塊位移時又帶動其下方火道墻砌體外移,產(chǎn)生火道墻豎磚縫逐層臺階式錯位加寬的狀況。

2.1.2 減少火道墻“八”字形裂紋的對策

要減少或杜絕火道墻“八”字裂紋的產(chǎn)生,可從兩方面入手:①設(shè)計,可以縮小爐面澆注塊長度尺寸,使?fàn)t面澆注塊有足夠的伸縮間隙來適用火道墻的變形;②施工工藝,可使用塑料膜或陶瓷纖維毯隔開封口磚與爐面澆注塊,避免耐火泥漿或耐火膠泥使兩者粘結(jié),以減少火道磚與爐面澆注塊之間的滑動阻力。

2.2 火道墻中下部產(chǎn)生豎直或斜向貫通裂縫

仔細(xì)觀察某企業(yè)火道墻貫通裂縫狀況,發(fā)現(xiàn)3#火井孔下方為裂縫第一多發(fā)區(qū),1#火井孔下方火道墻為裂縫第二多發(fā)區(qū),且貫通裂縫中斷裂的磚多為長度較長的磚。另外，貫通裂縫與拉磚及拉磚上下的牽引磚似乎有某種程度的關(guān)聯(lián):① 裂縫出現(xiàn)在拉磚立縫的延伸線位置;② 裂縫出現(xiàn)在拉磚牽引磚立縫的上下延伸線位置,且該種裂縫形式較為多見;③ 混合型裂縫,即上述兩位置同時出現(xiàn)裂縫,且裂縫還可能斜向發(fā)展等?；鸬缐ω炌芽p形式見圖2。

圖2 火道墻貫通裂縫與拉磚及拉磚牽引磚位置關(guān)系(方塊標(biāo)注為拉磚位置)

2.2.1 火道墻中下部產(chǎn)生豎直或斜向貫通裂縫的原因

經(jīng)對火道墻貫通裂縫綜合考察和分析,我們認(rèn)為豎直或斜向貫通裂縫的產(chǎn)生與以下因素密切相關(guān):

(1)與拉磚的作用密切相關(guān)

對火道墻來講,拉磚起到連接兩側(cè)火道墻的作用,被稱作“拉磚”或“拉筋磚”是合適的,但對料箱來講,拉磚更確切的說應(yīng)叫“頂磚”。因焙燒爐料箱內(nèi)成型炭素制品四周全是填充料,填充料的堆積密度800 kg/m3左右(≈柴油比重)。填充料產(chǎn)生的壓力使火道墻向內(nèi)擠壓,而拉磚周圍火道磚受拉磚支撐產(chǎn)生向外的反作用力,使拉磚周圍的火道磚承受反向剪切力。另外,在生產(chǎn)過程中,火道必然要經(jīng)歷升溫階段→高溫保持階段→自然及強(qiáng)制冷卻階段等熱工狀態(tài),而拉磚的溫度變化是最迅速的,拉磚必然會把自身熱脹冷縮的熱應(yīng)力變化傳遞給火道墻,使拉磚周圍火道磚受到周期性的擾動,從而加速其周圍火道磚結(jié)構(gòu)的松動和開裂等。

(2)與火道墻不均勻高溫蠕變有關(guān)

耐火材料在高溫下承受低于其臨界強(qiáng)度的力,長期作用下將產(chǎn)生緩慢而連續(xù)的變形,這種現(xiàn)象稱為高溫蠕變。對于火道墻而言,生產(chǎn)過程中火道墻中部溫度往往要高于兩側(cè)溫度。因不同區(qū)域火道墻磚溫度的差異,使其在垂直方向蠕變收縮也是不一致、不均衡的,導(dǎo)致火道墻中部下沉、塌陷更多。不均勻下沉導(dǎo)致火道磚被微微架空,架空的耐火磚又在上層耐火磚重力和火道墻熱膨脹的擠壓力聯(lián)合作用下形成剪切力,導(dǎo)致耐火磚先在最薄弱部位產(chǎn)生微裂→裂紋→斷裂等,其后剪切應(yīng)力釋放,砌體發(fā)生類似多米諾骨牌效應(yīng),形成局域貫通裂紋。

(3)與火道磚的外形尺寸有關(guān)

已知耐火材料抗折強(qiáng)度的計算公式為[1]:

Rr=3/2* L·F/w·h2

(1)

式中:L——材料長度,mm;

w——材料寬度,mm;

h——材料厚度(高度),mm;

F——材料可承受的最大負(fù)荷,N。

按抗折強(qiáng)度公式反推每塊磚可以承受的最大負(fù)荷:

F=2/3* Rr·w·h2/L

(2)

即每塊磚的最大抗折負(fù)荷與磚的長度成反比,與磚的寬度和抗折強(qiáng)度成正比,與磚厚度的平方成正比。

這個公式很好地解釋了為何貫通裂縫中斷裂的磚基本都是長度較長的火道磚;為何使用厚度更大的火道磚(如134 mm厚)砌筑的火道墻貫通裂紋少,而使用薄一點的火道磚(如125 mm厚)砌筑的火道墻貫通裂縫多。雖然從125 mm提高到134 mm,厚度僅微微增加9 mm(7%),但同等長寬的磚的抗折能力已提升近15%!

(4)與火道磚內(nèi)在品質(zhì)(和生產(chǎn)單位)有關(guān)

耐火材料是由固相(結(jié)晶相和玻璃相)和氣孔組成的多相非均質(zhì)材料。固相的化學(xué)、礦物質(zhì)組成,以及固相與固相、固相與氣孔之間的宏觀組織結(jié)構(gòu),本質(zhì)上決定了耐火材料的性質(zhì)。具有不同化學(xué)組成、礦物質(zhì)組成及其分布結(jié)構(gòu)特征的耐火材料,會表現(xiàn)出不同的化學(xué)性質(zhì)和物理性能。對火道磚而言,荷重軟化溫度越高、氣孔率越低、高溫抗折強(qiáng)度越大、蠕變率越小,該磚的使用性能會更佳、更結(jié)實、更耐用。

生產(chǎn)低蠕變磚必須添加藍(lán)晶石、紅柱石或硅線石,以增強(qiáng)耐火材料的抗蠕變性能。藍(lán)晶石、紅柱石原料(Al2O3·SiO2)在常壓下加熱至1300～1350 ℃,開始轉(zhuǎn)化成針狀莫來石(3Al2O3·2SiO2)和少量熔融態(tài)SiO2。莫來石晶體是鋁硅酸鹽在高溫下唯一穩(wěn)定的形式,具有更高的耐火性能。紅柱石磚的雜質(zhì)很少,高溫強(qiáng)度下降很小,還具有耐急冷急熱、機(jī)械強(qiáng)度大、抗熱沖擊力強(qiáng)、抗渣性強(qiáng)、荷重軟化點高等特點,并具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性(甚至不溶于氫氟酸)和極強(qiáng)的抗化學(xué)腐蝕性。部分企業(yè)在火焰燃燒區(qū)使用紅柱石磚,已取得很好的效果?？傊?火道磚內(nèi)在品質(zhì)對火道墻使用有極大影響,已得到眾多企業(yè)的認(rèn)可,而耐火材料生產(chǎn)企業(yè)的裝備水平和信譽(yù),也越來越多的為人們所重視。

(5)與火道墻排磚設(shè)計有關(guān)

長期以來,火道墻磚縫設(shè)計要求“橫平豎直,上下層錯縫,隔層對縫”。但對火道墻這種非均勻沉降砌體而言,恰恰是這種排磚設(shè)計方式助長了局域貫通縫的產(chǎn)生。因為只要有一塊火道磚從中間斷裂,馬上就與上下層磚的立縫連成一線形成局域貫通縫,并可能引發(fā)多米諾骨牌效應(yīng)(參見下圖3-a)。

圖3 兩種不同類型排磚圖設(shè)計局域圖

某些企業(yè)使用加高F2拉磚設(shè)計了新的排磚圖,新圖采取了非嚴(yán)格隔層對縫式布局(見上圖3-b),特別在中部區(qū)域,大量采用雙層磚阻隔后才對縫的方式,這些企業(yè)的火道墻貫通裂紋就較少發(fā)生。

(6)似與耐火膠泥的粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)

耐火膠泥作為新型接縫材料,因其具有耐火度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、粘結(jié)強(qiáng)度高、使用性能好等特點,已在焙燒爐爐墻砌筑上得到廣泛應(yīng)用。同耐火泥漿一樣,耐火膠泥要起到找平磚縫,實現(xiàn)砌體之間的粘結(jié)與氣密性,以及用作砌體熱脹冷縮的緩沖層的目的。因此調(diào)制的膠泥首先不能太稀,太稀的膠泥達(dá)不到上述效果;其次,膠泥的高溫粘結(jié)強(qiáng)度也應(yīng)略低于火道磚的高溫抗折強(qiáng)度,否則起不到緩沖的作用。目前多臺焙燒爐火道墻垂直裂縫的產(chǎn)生,雖無直接證據(jù)證明是因耐火膠泥高溫粘結(jié)強(qiáng)度過高造成的,但已促使人們對膠泥強(qiáng)度的選擇進(jìn)行思考。筆者認(rèn)為耐火膠泥高溫抗折強(qiáng)度略低于火道磚的高溫抗折強(qiáng)度才是合理的。

(7)與溫度負(fù)荷有關(guān)

火道磚斷裂與溫度的關(guān)系,其核心還是與火道磚抗折強(qiáng)度的關(guān)系。因為溫度越高,低蠕變磚抗折強(qiáng)度越小,火道磚抗折強(qiáng)度在高溫區(qū)有明顯衰減。如某企業(yè)低蠕變磚訂貨技術(shù)要求中規(guī)定:1200 ℃×0.5 h抗折強(qiáng)度≥12 MPa,1350 ℃×0.5 h 抗折強(qiáng)度≥6 MPa?？梢姟斑^燒”時火道磚抗折能力會嚴(yán)重下降,從而更容易產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象。

(8)與填充料的微量元素含量有關(guān)

低蠕變磚選材時,特別對氧化鐵及堿金屬、堿土金屬氧化物含量作了規(guī)定,如某企業(yè)低蠕變磚要求:Fe203≤1.8%,Na2O+K2O≤0.6%,CaO+MgO≤0.6%。紅柱石磚的指標(biāo)要求更嚴(yán)格,因上述氧化物與Al2O3-SiO2系物質(zhì)反應(yīng),將生成鈣長石、橄欖石、鈉霞石、鉀霞石、白榴石等有害晶體。這些晶體熔點很低,會嚴(yán)重降低耐火材料的耐火度和使用性能。因此一些學(xué)者呼吁,填充料中的微量元素含量也要進(jìn)行控制[2],否則,氧化鈉、氧化鐵、氧化鈣和氟化物等在高溫下滲透入墻體,形成變質(zhì)層,也會導(dǎo)致耐火磚耐火度降低,抗剝落性能下降,最終必然會影響磚的使用性能和壽命。

(9)與其它外力作用有關(guān)

外力首推多功能天車裝出爐過程中制品對墻體的擠壓、碰撞等,其次風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的振動,人工調(diào)整制品位置的撬動,清理爐墻結(jié)焦及拆除或修理受損部位等操作,也會對火道墻帶來不同程度的影響,在此不一一細(xì)表。

(10)與耐火材料使用時間有關(guān)

有文獻(xiàn)給出耐火材料高溫變形量與時間的關(guān)系式如下[1]:

(3)

式中:ε——變形量;

C——與材質(zhì)、溫度和作用力等因素相關(guān)的綜合常數(shù);

t——時間。

通常高溫蠕變可分為高溫壓蠕變、高溫拉伸蠕變、高溫彎曲蠕變和高溫扭曲蠕變等,這些蠕變現(xiàn)象在火道中均不同程度存在。當(dāng)蠕變產(chǎn)生的應(yīng)力超出耐火材料彈性范圍就會導(dǎo)致材料損毀,這種現(xiàn)象稱為蠕變斷裂。公式表明,隨著使用時間的推移,火道磚蠕變量將會不斷增加,因蠕變引起的斷裂縫也會有擴(kuò)大的趨勢。

2.2.2 延遲或減少火道墻豎直或斜向貫通裂縫的對策

以上列舉了與火道墻貫通裂縫相關(guān)的十大因素,其中六項與設(shè)計、選材及施工有關(guān),四項與生產(chǎn)有關(guān)。雖然我們無法從根本上杜絕貫通裂縫的產(chǎn)生,但可以采取一些措施延遲其出現(xiàn),控制其劣化。

(1)優(yōu)化火道墻設(shè)計和相關(guān)耐火材料選材

對新建焙燒爐或需要大修的火道墻,可重新設(shè)計磚的外形尺寸和排磚圖,并選用企業(yè)信譽(yù)好、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)的耐火材料進(jìn)行建造,以提高火道墻的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗蠕變能力,夯實焙燒爐先天物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)控制焙燒溫度,防范火道墻“過燒”

一般最高焙燒溫度設(shè)置要低于火道磚荷重軟化點300 ℃以上為佳,天然氣壓力設(shè)置也不宜過高,并要保證適宜的負(fù)壓,以防火道局域“窩火”。

(3)加強(qiáng)生產(chǎn)操作及維護(hù)管理

要及時清理爐墻結(jié)焦;按規(guī)程對大于3 mm的縫隙進(jìn)行及時修補(bǔ);并嚴(yán)格監(jiān)督裝出爐工作,減少制品對火道墻的碰撞、擠壓等。

(4)使用優(yōu)質(zhì)填充料

在條件許可的情況下,可改用新型高導(dǎo)熱抗結(jié)焦的優(yōu)質(zhì)填充料,以減少爐墻結(jié)焦及有害微量元素對火道磚的侵蝕。

2.3 燃燒區(qū)外圍裂縫

火道墻燃燒區(qū)外圍產(chǎn)生的裂縫有輕微的,有嚴(yán)重的,裂紋以不規(guī)則U形居多,參見圖4。

圖4 火道墻燃燒區(qū)外圍裂紋

2.3.1 燃燒區(qū)外圍裂紋產(chǎn)生原因

火道墻燃燒區(qū)外圍產(chǎn)生裂紋,大體由兩方面造成。

(1)材質(zhì)差異

部分焙燒爐在燃燒區(qū)使用了紅柱石磚,由于紅柱石磚與四周低蠕變磚存在理化性能上的差異,在周期性的熱脹冷縮過程中逐步形成縫隙。

(2)燃燒區(qū)火道磚長期過燒

燃燒區(qū)火道磚長期過燒,導(dǎo)致火道磚的抗折強(qiáng)度降低,引發(fā)火道墻內(nèi)凹,內(nèi)凹又撕裂出U形或其它形狀的裂縫等。

2.3.2 防止燃燒區(qū)外圍裂紋的對策

核心措施仍然是要防止火道墻過燒,這里不再贅述。

3 結(jié) 語

焙燒爐火道墻上部兩側(cè)出現(xiàn)“八”字形裂紋,中下部出現(xiàn)垂直或斜向裂紋,燃燒區(qū)四周出現(xiàn)不規(guī)則“U”形裂紋,其產(chǎn)生原因是有差異的,有針對性的從設(shè)計、選材和運行維護(hù)等方面采取措施,對延遲和減少裂紋出現(xiàn),降低火道墻維修成本,減少制品局域氧化,以及延長火道墻使用壽命等,均是十分必要和極為有益的。