錯(cuò)縫砌筑在大型回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯砌筑中的應(yīng)用

孫鐵成

（中鋁中州鋁業(yè)有限公司，河南 焦作 454000）

1 概述

目前國內(nèi)外大型回轉(zhuǎn)窯多用于建材、冶金等行業(yè)。對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)預(yù)熱分解區(qū)域物料的熱加工，都采取了各自的方案和措施。

1.1 回轉(zhuǎn)窯及其工作原理

回轉(zhuǎn)窯最早用于水泥行業(yè)，用于取代古老的立式窯，迄今已經(jīng)120多年了。下圖所示為英國某企業(yè)在1937年建造的回轉(zhuǎn)窯，筒體鋼板拼接全部采用了鉚接。

圖1 英國某企業(yè)在1937年建造的回轉(zhuǎn)窯

隨著回轉(zhuǎn)窯技術(shù)的日臻完善，逐漸被推廣到冶金、碳素及其他化工行業(yè)。雖然回轉(zhuǎn)窯的用途多種多樣，但他們都有著頗多的共性。如下圖所示。

圖2 回轉(zhuǎn)窯主要組成部分示意圖

如圖所示，回轉(zhuǎn)窯包括六大組成部分：

（1）承托系統(tǒng)，包括輪帶、托輪、托輪鋼底座等，在整個(gè)窯系統(tǒng)中起到支撐作用。

（2）傳動(dòng)系統(tǒng)，包括大齒圈、小齒輪、小齒輪鋼底座、減速機(jī)、電機(jī)等，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）窯體系統(tǒng)，包括窯筒體、輪帶筒節(jié)等，和內(nèi)襯系統(tǒng)一起構(gòu)成熟料熱加工的空間。

（4）內(nèi)襯系統(tǒng)，包括澆筑料內(nèi)襯、耐火磚內(nèi)襯等，起到保護(hù)筒體及減少筒體散熱的作用。

（5）密封系統(tǒng)，包括窯頭密封及窯尾密封，主要作用是減少漏風(fēng)和改善工作環(huán)境。

（6）燃燒系統(tǒng)，包括噴煤管、鼓風(fēng)機(jī)等，燃燒燃料，為窯系統(tǒng)對(duì)物料的熱加工提供熱源。

下圖為某水泥廠的濕法回轉(zhuǎn)窯。圖中可見，為了強(qiáng)化物料換熱，在預(yù)熱烘干帶采用了換熱懸鏈。

回轉(zhuǎn)窯在安裝時(shí)具有一定的斜度，斜度一般為3%～4%，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)大齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)窯系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)；待加工物料從窯的高端喂入窯內(nèi)，隨著窯體的轉(zhuǎn)動(dòng)，靠自重不斷向低端移動(dòng)，經(jīng)過烘干、預(yù)熱、分解、燒成、冷卻等，經(jīng)窯頭罩進(jìn)入冷卻機(jī)；熟料窯燒結(jié)熟料所需的燃料由燃燒器噴入窯內(nèi)，燃燒后產(chǎn)生高溫火焰及熱氣流，對(duì)熟料進(jìn)行燒結(jié)、分解、預(yù)熱、烘干等加工，最后產(chǎn)生的廢氣由窯的高端排出窯外。

圖3 某水泥廠濕法回轉(zhuǎn)窯示意圖

回轉(zhuǎn)窯的尺寸主要是指回轉(zhuǎn)窯的直徑和長度。通過對(duì)回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)物料的各種分析，依據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)需求，來確定回轉(zhuǎn)窯的尺寸。回轉(zhuǎn)窯不僅要有足夠的容積，而且要有燃燒系統(tǒng)來確保物料熱加工以及保持物料反應(yīng)環(huán)境溫度所必需的熱量。通過物料熱化學(xué)分析我們大致能確定物料反應(yīng)時(shí)間，這樣就可以大致確定回轉(zhuǎn)窯的長度。

回轉(zhuǎn)窯的直徑和長度的確定最終基于企業(yè)對(duì)回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)物料的需求量、物料化學(xué)反應(yīng)持續(xù)時(shí)間以及生產(chǎn)中回轉(zhuǎn)窯橫斷面的物料填充比。

當(dāng)這些數(shù)據(jù)確定后，我們可以通過計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)對(duì)回轉(zhuǎn)窯的設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

一旦我們確定了回轉(zhuǎn)窯的尺寸，我們就開始研究回轉(zhuǎn)窯的內(nèi)襯設(shè)計(jì)。對(duì)于直接加熱的回轉(zhuǎn)窯來說，其內(nèi)部都有燃燒的火焰，因此回轉(zhuǎn)窯內(nèi)必須設(shè)有耐火材料建造的內(nèi)襯，用來保護(hù)用碳鋼制成的回轉(zhuǎn)窯筒體。

選用何種耐火材料來建造回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯要因地制宜，依據(jù)不同的需求，選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。有兩種耐火材料建造的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯最具有代表性，即澆注料內(nèi)襯和耐火磚內(nèi)襯。這兩種內(nèi)襯各有自己的優(yōu)勢和不足，如何選用主要依據(jù)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)各區(qū)域的溫度、物料的化學(xué)組成以及物料的磨損性能。

1.2 回轉(zhuǎn)窯澆注料內(nèi)襯

澆注料屬于不定型耐火材料，在施工前加水或其他業(yè)態(tài)結(jié)合劑調(diào)制攪拌而成。澆注料在施工前必須安裝錨固件，用來將澆注料內(nèi)襯和回轉(zhuǎn)窯筒體錨固在一起。澆注料內(nèi)襯的特點(diǎn)是可以采用機(jī)械化施工，人工成本相對(duì)較低；其缺點(diǎn)是質(zhì)量不太穩(wěn)定，施工工期較長，特別是在澆注料內(nèi)襯拆除過程中，施工效率低，作業(yè)條件惡劣。

澆注料內(nèi)襯的另一個(gè)特點(diǎn)是當(dāng)內(nèi)襯局部損壞時(shí)，修理方便。只需要將損壞部位周圍做少量的拆除清理，安裝合適數(shù)量的錨固件，按照澆注料施工工藝完成修補(bǔ)。工作量小，工期短，大幅度縮短停窯時(shí)間。澆注料內(nèi)襯結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 回轉(zhuǎn)窯澆注料內(nèi)襯示意圖

1.3 回轉(zhuǎn)窯耐火磚內(nèi)襯

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯采用的耐火磚大多數(shù)屬于硅酸鋁系耐火材料，其質(zhì)量和耐火度取決于其中的氧化鋁含量。

以黏土磚為例，其坯料采用壓力機(jī)壓制成型，在倒焰窯或者隧道窯內(nèi)經(jīng)過合適的燒制，其性能優(yōu)于澆注料。耐火磚的成本比澆注料略高一些，但耐火磚內(nèi)襯不需要錨固件，質(zhì)量比較穩(wěn)定，比較容易實(shí)現(xiàn)施工中的質(zhì)量控制。耐火磚內(nèi)襯的耐磨損性能優(yōu)于澆注料內(nèi)襯。

耐火磚內(nèi)襯的缺點(diǎn)表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

耐火磚內(nèi)襯砌筑時(shí)完全采用手工作業(yè)，人工成本很高。

耐火磚內(nèi)襯和回轉(zhuǎn)窯筒體沒有連接，耐火磚內(nèi)襯的整體強(qiáng)度主要來自于磚與磚之間的擠壓產(chǎn)生的拱圈作用，這就在耐火磚內(nèi)部產(chǎn)生了很強(qiáng)的擠壓應(yīng)力，容易造成耐火磚內(nèi)襯的剝落損壞。

耐火磚內(nèi)襯出現(xiàn)局部損壞后，修理起來比較困難，往往必須將整段內(nèi)襯完全拆除后重新砌筑，工作量大，工期長，造成比較高的檢修成本。圖5所示為回轉(zhuǎn)窯耐火磚內(nèi)襯示意圖。

圖5 回轉(zhuǎn)窯耐火磚內(nèi)襯示意圖

1.4 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的工作層和絕熱保溫層

當(dāng)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯耐火材料選定以后，接下來要進(jìn)行回轉(zhuǎn)窯窯體的散熱損失的評(píng)估。

當(dāng)我們認(rèn)識(shí)到回轉(zhuǎn)窯內(nèi)工作溫度較高，物料對(duì)內(nèi)襯沖刷磨損嚴(yán)重，那么在內(nèi)襯設(shè)計(jì)是就要考慮雙層內(nèi)襯，兩層內(nèi)襯分別稱為工作層和絕熱保溫層。

工作層選用重質(zhì)耐火材料，滿足抵御高溫火焰和物料沖刷磨損；絕熱保溫層選用輕質(zhì)耐火材料，用來提高內(nèi)襯的保溫性能，減少回轉(zhuǎn)窯窯體散熱損失。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯有了絕熱保溫層，可有效降低回轉(zhuǎn)窯的散熱損失同時(shí)亦有利于保護(hù)回轉(zhuǎn)窯筒體及其他筒體組件。

一般來講，帶有絕熱保溫層的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯往往用于操作溫度較高的回轉(zhuǎn)窯。絕熱保溫層內(nèi)襯和工作層內(nèi)襯耐火材料有著類似的化學(xué)組成，最大的區(qū)別在于各自的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性。絕熱保溫層內(nèi)襯耐火材料密度較低，強(qiáng)度較小，但其熱阻比較大，可有效降低回轉(zhuǎn)窯窯體散熱損失。

1.5 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的維護(hù)

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯砌筑完成后，在還要在運(yùn)行過程中要對(duì)內(nèi)襯進(jìn)行必要的維護(hù)，從而盡量延長其使用壽命?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)襯的使用壽命可達(dá)1年甚至幾年，但有以下幾個(gè)因素的影響會(huì)縮短回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的使用壽命：目前，在世界范圍內(nèi)，大型回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯大多采用耐火磚內(nèi)襯。內(nèi)襯砌筑工藝主要有以下幾種方法。

1.6 模板法

多適用于環(huán)向通縫砌筑。如下圖所示：

內(nèi)襯從橫截面最低處開始沿環(huán)向分別向兩個(gè)方向砌筑，當(dāng)高度超過窯體中心線時(shí)，設(shè)置一個(gè)模具，分別從兩個(gè)方向朝橫截面最高處合攏，邊砌筑邊支撐，直到完成鎖扣。

圖6是較為簡易的模具，完全采用手工操作，施工效率較低。

圖6 模板法回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯砌筑示意圖（環(huán)向通縫砌筑）

為了提高施工效率，不少企業(yè)采用了風(fēng)動(dòng)支撐環(huán)，如圖2所示。

圖7 風(fēng)動(dòng)支撐環(huán)機(jī)器作業(yè)平臺(tái)示意圖（模板法回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯砌筑）

該設(shè)備有兩排風(fēng)動(dòng)支撐裝置，施工效率得到了大幅度提高。

由于模板法必須采用環(huán)向通縫砌筑，限制了該工藝的適用范圍。在要求錯(cuò)縫砌筑的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯砌筑中無法采用。

客觀上講，錯(cuò)縫砌筑回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯使用壽命優(yōu)于環(huán)向通縫回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯。在內(nèi)襯使用壽命的中后期，明顯能在內(nèi)襯環(huán)縫處觀察到V字形現(xiàn)象。這主要是兩方面原因引起的：

窯內(nèi)物料滑動(dòng)時(shí)沿環(huán)向沖刷比較嚴(yán)重，環(huán)向通縫為這種沖刷提供了有利條件，造成內(nèi)襯早期損壞。

由于回轉(zhuǎn)窯各帶溫度差別較大，導(dǎo)致窯金屬筒體各部位溫差較大。以等直徑回轉(zhuǎn)窯為例，雖然在制作時(shí)筒體內(nèi)徑是相等的，但在使用中，由于金屬筒體存在溫度差別，造成通體熱膨脹量不同，溫度高的區(qū)域內(nèi)徑較大，而溫度低的區(qū)域內(nèi)徑較小。內(nèi)襯在金屬筒體內(nèi)滾動(dòng)，則內(nèi)襯環(huán)與環(huán)之間角速度存在差別，這會(huì)引起環(huán)與環(huán)之間耐火磚揉搓，從而造成環(huán)縫處耐火磚早期損壞。

相比較而言，錯(cuò)縫砌筑回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯則不存在上述缺點(diǎn)。錯(cuò)縫砌筑回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯整體性較好，內(nèi)襯使用壽命較長。

1.7 支撐法

如圖所示。采用支撐法砌筑回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯砌筑時(shí)，從橫截面的最低處開始，分別向兩邊逐層砌筑，當(dāng)超過橫截面的一半時(shí)，安裝支撐器。然后磚窯，再從低處向高處逐層砌筑，超過四分之一時(shí)第二次安裝支撐器，然后第二次轉(zhuǎn)窯。接著從低處向高處逐層砌筑，接近鎖扣位置時(shí)，第三次磚窯，開始鎖口，逐步完成內(nèi)襯砌筑。

采用支撐法砌筑回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯，既可以是環(huán)向通縫砌筑，也可以是錯(cuò)縫砌筑。該工藝優(yōu)點(diǎn)是采用工器具簡單，易操作；缺點(diǎn)是支撐器的支設(shè)引起了要筒體彈性變形，當(dāng)支撐器拆除時(shí)，筒體恢復(fù)原狀過程中在內(nèi)襯中因其強(qiáng)大的擠壓應(yīng)力，造成磚砌體內(nèi)襯早期損壞，使用壽命縮短。

圖8 支撐法回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯砌筑工藝示意圖

1.8 膠結(jié)法

在大型回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯砌筑中，膠結(jié)法應(yīng)用不常見。只是有文獻(xiàn)介紹個(gè)別企業(yè)曾經(jīng)采用過，但是由于其工序較多，施工工藝復(fù)雜，成本較高等原因，沒有得到廣泛推廣。

2 分散支撐法模具的設(shè)計(jì)研究

早期的回轉(zhuǎn)窯直徑較小，直徑大多不大于兩米，其內(nèi)襯砌筑時(shí)大多采用分散支撐的方法，當(dāng)內(nèi)襯砌筑超過一半時(shí)，為了防止耐火磚下滑，每砌筑一塊耐火磚都采用一根簡易的支撐桿壓緊固定，當(dāng)完成鎖口砌筑后，拆除所有支撐桿。采用該工藝砌筑回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯，即可以實(shí)現(xiàn)環(huán)向通縫砌筑也可以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)縫砌筑。對(duì)于直徑較大的回轉(zhuǎn)窯采用該工藝施工效率太低，工期較長，不適合采用。

某氧化鋁企業(yè)設(shè)計(jì)制作了如下圖所示的作業(yè)平臺(tái)及支撐裝置。

圖9 回轉(zhuǎn)窯錯(cuò)縫砌筑作業(yè)平臺(tái)及支撐裝置（模板法錯(cuò)縫砌筑）

平臺(tái)各個(gè)構(gòu)件均采用了“積木”方式，方便運(yùn)輸、組裝、拆卸。

所有構(gòu)件采用木質(zhì)，重量輕，方便在窯內(nèi)運(yùn)輸。

3 模板法錯(cuò)縫砌筑回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯

內(nèi)襯砌筑從下半部分的最底部開始，砌筑到平口位置時(shí)，設(shè)置一套模板，如圖4所示。

模板包括橫梁、通梁、支撐弧板等幾部分組成。橫梁及通梁在同一平面上，設(shè)置高度應(yīng)低于窯體中心線150mm～200mm。橫梁及通梁之間的裝配必須采用快速便捷的裝配方式，以便于在窯內(nèi)施工現(xiàn)場組裝；支撐弧板采用木板拼裝，其半徑小于內(nèi)襯內(nèi)半徑25mm～30mm，拼裝方式如圖10所示。

圖10 支撐弧板制作示意圖

使用時(shí)將支撐弧板用合適的方式固定在通梁上。為了提高內(nèi)襯的砌筑進(jìn)度，搭設(shè)的作業(yè)平臺(tái)長度不小于6m；每塊磚長必須設(shè)置一個(gè)支撐弧板，以確保每砌筑一塊磚都能做到合適的支撐。

模板設(shè)置牢固后，開始砌筑上半部分內(nèi)襯。每一塊磚砌筑合適后，都必須用木楔子將其固定妥當(dāng)，如圖11所示。

圖11 耐火磚支撐示意圖

用木榔頭按圖6所示的箭頭方向輕輕敲擊木楔子，以保證耐火磚的穩(wěn)定、牢固。砌筑順序是沿兩側(cè)向上，逐步向頂部靠攏。

當(dāng)砌筑到頂部鎖口位置時(shí)，在鎖口預(yù)留好的位置內(nèi)設(shè)置一個(gè)小型千斤頂，緩慢頂壓其兩端的耐火磚，待內(nèi)襯頂緊后拆除千斤頂，然后根據(jù)鎖口處空檔的大小，用組合式鎖口磚將該處內(nèi)襯鎖砌完畢。待耐火泥漿初凝后，方可拆去支撐弧板。

用上述工藝砌筑回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的上半部分時(shí)，耐火泥漿的黏結(jié)時(shí)間及凝固時(shí)間必須合適，以保證施工按進(jìn)度順利進(jìn)行；耐火泥漿的黏結(jié)時(shí)間過長，則磚縫中的耐火泥漿會(huì)因自重而流淌，將導(dǎo)致支撐弧板拆除后內(nèi)襯變形、松動(dòng)甚至塌落。

4 結(jié)束語

采用模板法錯(cuò)縫砌筑回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯時(shí)，避免了內(nèi)襯砌筑過程中的窯體轉(zhuǎn)動(dòng)，施工效率略有提高；避免了支撐器的使用，消除了內(nèi)襯中局部應(yīng)力過大的現(xiàn)象，從而避免了內(nèi)襯局部早期損壞，延長了內(nèi)襯的使用壽命。據(jù)測算，回轉(zhuǎn)窯中后部內(nèi)襯使用壽命延長25%以上。

采用模板法錯(cuò)縫砌筑回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯，不必轉(zhuǎn)動(dòng)窯體，為窯內(nèi)襯砌筑時(shí)采用機(jī)械化運(yùn)磚創(chuàng)造了條件，對(duì)進(jìn)一步提高內(nèi)襯的砌筑效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。