活性石灰回轉(zhuǎn)窯整體配套耐火材料研發(fā)與應(yīng)用

何貫通，郭宏相，王立旺，萬(wàn) 俊

（1.河南省宏達(dá)爐業(yè)有限公司，河南 鄭州 450064；2.浙江錦誠(chéng)新材料股份有限公司，浙江 長(zhǎng)興 313100）

活性石灰回轉(zhuǎn)窯主要應(yīng)用于鋼鐵、鐵合金、氧化鋁及電石行業(yè)用活性石灰和輕燒白云石?；钚允一剞D(zhuǎn)窯煅燒系統(tǒng)主要設(shè)備包括預(yù)熱器、轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽、回轉(zhuǎn)窯、燃燒裝置、冷卻器等設(shè)備，整套系統(tǒng)設(shè)備操作可靠，自動(dòng)化程度和勞動(dòng)生產(chǎn)率高，產(chǎn)品質(zhì)量好。

活性石灰生產(chǎn)線耐火材料使用過(guò)程中存在著高溫段侵蝕嚴(yán)重，容易發(fā)生掉磚，塌窯等現(xiàn)象，回轉(zhuǎn)窯高溫段、窯口、轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽等關(guān)鍵部位內(nèi)襯使用壽命短、壽命不均衡、作業(yè)率低及能耗高，制約了該設(shè)備優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮，嚴(yán)重影響活性石灰的質(zhì)量和產(chǎn)量。根據(jù)活性石灰回轉(zhuǎn)窯耐火材料損壞機(jī)理，從新材料研發(fā)、砌筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)能降耗等方面對(duì)耐火材料進(jìn)行集成優(yōu)化設(shè)計(jì)和全面研究，突破行業(yè)界限、關(guān)鍵技術(shù)，先后研發(fā)了系列配套功能耐火材料及整體解決方案，該整體解決方案長(zhǎng)壽、高效、穩(wěn)定、安全運(yùn)行，節(jié)能降耗。

1 耐火材料應(yīng)用現(xiàn)狀

回轉(zhuǎn)窯、預(yù)熱器和冷卻器耐火材料內(nèi)襯對(duì)設(shè)備運(yùn)行起著關(guān)鍵作用，耐火材料的損壞直接影響整個(gè)生產(chǎn)線的正常運(yùn)行和設(shè)備壽命[1]。目前，活性石灰回轉(zhuǎn)窯耐火材料應(yīng)用主要存在高溫段侵蝕嚴(yán)重的問(wèn)題，容易發(fā)生掉磚、塌窯，且窯口、分倉(cāng)隔墻、轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽等關(guān)鍵部位內(nèi)襯使用壽命短，壽命不均衡。

1.1 回轉(zhuǎn)窯用耐火材料

傳統(tǒng)石灰回轉(zhuǎn)窯砌筑常采用鎂鋁質(zhì)燒成磚或不燒磚砌筑結(jié)構(gòu)，該材料及砌筑結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)高，回轉(zhuǎn)窯筒體外表溫度在300℃以上，能耗極高。該砌筑結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，常出現(xiàn)抽簽、剝落、掉磚甚至坍塌現(xiàn)象，具有極大的安全隱患。國(guó)內(nèi)不少石灰生產(chǎn)線投產(chǎn)不到3個(gè)月即發(fā)生塌窯事故?；剞D(zhuǎn)窯窯口部位冷熱交替頻繁，物料持續(xù)撞擊與沖刷，使該部位耐火材料經(jīng)常出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，進(jìn)而破壞鋼構(gòu)件，需要經(jīng)常進(jìn)行停窯檢修。

1.2 轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽用耐火材料

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽及下料漏斗部位采用低水泥澆注料整體澆注或小磚砌筑結(jié)構(gòu)，難以達(dá)到烘烤條件，強(qiáng)度低、耐磨性差。該部位物料持續(xù)撞擊與沖刷，使該部位耐火材料經(jīng)常出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

1.3 預(yù)熱器用耐火材料

大部分預(yù)熱器料倉(cāng)、分倉(cāng)隔墻采用澆注料現(xiàn)場(chǎng)澆注施工，預(yù)熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，空間狹小，現(xiàn)場(chǎng)支模施工困難，澆注料流動(dòng)不到位，容易造成的空洞現(xiàn)象。因此，施工時(shí)常通過(guò)增加加水量來(lái)提高澆注料的流動(dòng)性，但是加水量的增加會(huì)大大降低材料的耐磨性，直接影響到澆注料的使用性能，造成該部位耐火材料的使用壽命較短，滿足不了使用要求，影響生產(chǎn)率。

2 生產(chǎn)工藝對(duì)耐火材料的影響

活性石灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝操作的穩(wěn)定性、科學(xué)性是保證耐火材料使用壽命的重要因素，火焰燃燒、煤粉質(zhì)量及燒嘴、轉(zhuǎn)子稱等設(shè)備因素均會(huì)產(chǎn)生重大影響，甚至能成為耐火材料損壞的直接因素。

2.1 火焰燃燒

回轉(zhuǎn)窯活性石灰煅燒工藝需要的熱量大部分是通過(guò)火焰輻射進(jìn)行傳遞，火焰的溫度和形狀極為重要，火焰燃燒形狀對(duì)耐火材料使用壽命有重大影響[2-3]。正常的火焰形態(tài)應(yīng)該在窯內(nèi)呈柳葉形，均勻?qū)ξ锪线M(jìn)行煅燒。如果燃燒呈現(xiàn)團(tuán)狀，直接在耐火材料表面燃燒，會(huì)形成局部溫度過(guò)高，造成回轉(zhuǎn)窯耐火內(nèi)襯局部坑狀熔蝕（見(jiàn)圖1）。

圖1 局部坑狀熔蝕形貌圖

2.2 煤粉質(zhì)量

煤粉粒度較大，未能在規(guī)定的部位充分燃燒，未充分燃燒的煤核在重力和燒嘴旋風(fēng)的作用下落至耐火材料表面繼續(xù)燃燒，造成材料局部高溫，高溫狀態(tài)下煤核中的雜質(zhì)低融物與材料發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而損壞耐火材料[2]。

煤粉水分大，水分是燃燒過(guò)程中的有害物質(zhì)之一，它在燃燒過(guò)程中吸收大量的熱量，造成燃燒波動(dòng)大，產(chǎn)生大量氣體，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)壓力波動(dòng)大，是產(chǎn)生正壓原因之一，影響回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部溫度分布及穩(wěn)定性，造成耐火材料剝落或者熔蝕。

揮發(fā)分對(duì)燃燒的影響，揮發(fā)分小，火焰燃燒速度慢，火焰長(zhǎng)度就會(huì)變長(zhǎng)，高溫段就會(huì)向后移動(dòng)，揮發(fā)分大，燃燒速度快，高溫段就會(huì)集中在回轉(zhuǎn)窯前段，造成耐火材料熔蝕。

長(zhǎng)時(shí)間煤粉粒度、水分、揮發(fā)分等質(zhì)量波動(dòng)，煤粉爆燃產(chǎn)生局部高溫，在回轉(zhuǎn)窯高溫段造成坑狀連續(xù)熔蝕（見(jiàn)圖2）。

圖2 坑狀連續(xù)熔蝕形貌圖

2.3 頻繁停窯

頻繁停窯和快速升降溫使窯內(nèi)耐火材料承受較大的剪切應(yīng)力，導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，對(duì)材料造成隱性傷害，疊加回轉(zhuǎn)窯旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的周期性應(yīng)力，在頻繁的內(nèi)部應(yīng)力作用下，材料強(qiáng)度逐步衰減。窯體在運(yùn)行時(shí)成橢圓形，窯體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)耐火材料制品與窯體鋼構(gòu)之間、耐火材料制品之間產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)材料本身強(qiáng)度受熱震破壞后不足以抵抗應(yīng)力時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生材料成塊剝落的現(xiàn)象。

2.4 設(shè)備因素

（1）燒嘴

由于火焰長(zhǎng)度較長(zhǎng)，如燒嘴位置發(fā)生稍許偏移就會(huì)使火焰末端產(chǎn)生較大偏移，有可能造成火焰直接噴向窯體材料的情況，導(dǎo)致局部耐火材料持續(xù)受到火焰的烘烤，造成局部溫度過(guò)高，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)窯耐火內(nèi)襯環(huán)狀熔蝕（見(jiàn)圖3）。燒嘴長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有維護(hù)或者結(jié)構(gòu)不合理，燃燒不穩(wěn)定，造成溫度波動(dòng)窯內(nèi)壓力波動(dòng)，影響耐火材料的使用壽命。

圖3 耐火內(nèi)襯環(huán)狀熔蝕形貌圖

（2）轉(zhuǎn)子秤

轉(zhuǎn)子秤計(jì)量不準(zhǔn)確，造成煤粉單位時(shí)間供應(yīng)量波動(dòng)比較大，從而影響燃燒的穩(wěn)定性，造成溫度波動(dòng)窯內(nèi)壓力波動(dòng)，影響耐火材料的使用壽命。

3 功能耐火材料的研發(fā)與應(yīng)用

根據(jù)耐火材料損壞機(jī)理及活性石灰生產(chǎn)工藝狀況，通過(guò)研發(fā)功能耐火材料，優(yōu)化耐火材料材料內(nèi)襯配置，解決活性石灰系統(tǒng)關(guān)鍵部位和易損部位耐火材料現(xiàn)有問(wèn)題，使之各個(gè)部位耐火材料內(nèi)襯使用壽命基本同步，減少停窯檢修次數(shù)，有效延長(zhǎng)窯爐使用壽命，提高窯爐生產(chǎn)作業(yè)率[4-6]。

3.1 回轉(zhuǎn)窯耐火材料

通過(guò)對(duì)用后耐火材料進(jìn)行電鏡掃描分析，研究回轉(zhuǎn)窯高溫段有關(guān)耐火材料損壞情況及機(jī)理，根據(jù)不同損壞機(jī)理結(jié)合工況條件，先后研發(fā)鎂鋁尖晶石澆注料、鉻剛玉尖晶石復(fù)合澆注料、鋼纖維增強(qiáng)剛玉莫來(lái)石復(fù)合澆注料等使其具有耐高溫、抗堿侵蝕及物料沖刷功能，解決耐火材料侵蝕嚴(yán)重、內(nèi)襯壽命短的問(wèn)題。鎂鋁尖晶石澆注料及預(yù)制磚，具有抗剝落功能，解決普遍存在的回轉(zhuǎn)窯剝落影響生產(chǎn)順行問(wèn)題。并對(duì)低硫石灰、低生燒石灰煅燒工藝及對(duì)耐火材料侵蝕機(jī)理進(jìn)行研究，提高耐火材料對(duì)低硫石灰煅燒工藝的適應(yīng)性，進(jìn)一步延長(zhǎng)低硫石灰、低生燒石灰回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯使用壽命。

3.2 轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽、窯口等關(guān)鍵部位耐火材料

轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽、窯口部位耐火材料物料沖刷嚴(yán)重，通過(guò)研究損壞情況及機(jī)理，采用超微粉技術(shù)、凝聚結(jié)合技術(shù)、斷裂增韌技術(shù)、鋼纖維增強(qiáng)技術(shù)以及原位反應(yīng)技術(shù),充分發(fā)揮了莫來(lái)石相的耐急冷急熱性和剛玉相的高溫耐磨性，具有體積穩(wěn)定性好、熱震穩(wěn)定性強(qiáng)、耐侵蝕、耐沖刷、強(qiáng)度大等特點(diǎn)。開(kāi)發(fā)的窯口專用料具有強(qiáng)度大、耐磨損、耐侵蝕等特點(diǎn)，使用壽命2年以上（見(jiàn)圖4）。

圖4 窯口部位耐火材料形貌圖

3.3 高耐磨耐火材料

采用耐磨性極好、熱震性良好的高純?cè)?，通過(guò)合理搭配，利用流變學(xué)原理、最緊密堆積理論、凝聚復(fù)合技術(shù)、增韌技術(shù)和超細(xì)粉技術(shù)，主要研究結(jié)合劑的選擇與加入量對(duì)高強(qiáng)耐磨材料的性能及組織結(jié)構(gòu)及耐磨性能的影響，特殊添加劑、顆粒級(jí)配對(duì)流動(dòng)性能的影響，助燒劑的選擇及對(duì)耐火材料耐磨性能的影響，研究開(kāi)發(fā)高耐磨澆注料，在預(yù)熱段上使用壽命延長(zhǎng)2～3倍。

3.4 高強(qiáng)度噴涂料料及噴涂修復(fù)技術(shù)

關(guān)于高強(qiáng)度噴涂料及噴涂修復(fù)技術(shù)[7]，針對(duì)活性石灰回轉(zhuǎn)窯的特點(diǎn)，通過(guò)材料選型及顆粒級(jí)配優(yōu)化，研制開(kāi)發(fā)高強(qiáng)度噴涂料及噴涂修復(fù)技術(shù)（見(jiàn)圖5），對(duì)耐火材料內(nèi)襯進(jìn)行修復(fù)，延長(zhǎng)耐火材料使用周期。在多家石灰生產(chǎn)系統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯應(yīng)用，可延長(zhǎng)使用壽命2～4個(gè)月。

圖5 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯噴涂現(xiàn)場(chǎng)圖

3.5 快速烘烤防爆技術(shù)

優(yōu)化材料結(jié)合系統(tǒng)，使材料具有可快速烘烤的特點(diǎn)，同時(shí)在使用過(guò)程中，各個(gè)溫度段均保持高強(qiáng)度，高耐磨性。該材料適合于短時(shí)間臨時(shí)檢修，比常規(guī)澆注料烘爐時(shí)間節(jié)約一半以上。

4 綜合砌筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)

通過(guò)對(duì)活性石灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線耐火材料內(nèi)襯整體設(shè)計(jì)，對(duì)砌筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，大幅提高了易損部位的使用壽命，耐火材料內(nèi)襯壽命均衡，提高了耐火材料內(nèi)襯的整體使用壽命，提高設(shè)備作業(yè)率，降低設(shè)備能耗。

4.1 回轉(zhuǎn)窯

通過(guò)和客戶技術(shù)人員充分交流及實(shí)地考察，針對(duì)活性石灰工程耐火材料進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)新型耐火材料品種進(jìn)行推廣應(yīng)用，同時(shí)積極進(jìn)行砌筑結(jié)構(gòu)改進(jìn)?；剞D(zhuǎn)窯窯襯砌筑采用預(yù)制磚和澆注料的綜合砌筑（圖6），根據(jù)回轉(zhuǎn)窯直徑及工況條件，沿圓周方向等分為若干等份，每一份砌筑預(yù)制磚和澆注料各一條，保溫層采用陶瓷纖維，整體解決方案長(zhǎng)壽、節(jié)能、安全、高效。

圖6 回轉(zhuǎn)窯綜合砌筑現(xiàn)場(chǎng)圖

（1）長(zhǎng)壽：正常使用條件下，高溫段質(zhì)量壽命2年以上，低溫段壽命3年以上。在中天鋼鐵1 000 t/d白灰回轉(zhuǎn)窯上使用3年后高溫段仍有220 mm,低溫段原磚厚度。

（2）節(jié)能：正常使用條件下，窯皮溫度在220℃以下，有效節(jié)約能源10%以上。

（3）安全：整體性好、不剝落、不坍塌。

（4）高效：20 d即可完成整條窯砌筑。

（5）生燒率低，石灰產(chǎn)量、質(zhì)量高：該砌筑結(jié)構(gòu)設(shè)置揚(yáng)料磚，起到翻料、楊料和推料作用，促使石灰的充分、均勻干燥和預(yù)熱，降低了石灰的生燒率，提高了石灰的質(zhì)量和產(chǎn)量。

4.2 推料平臺(tái)

推料平面采用隔熱磚、黏土磚、鉻剛玉耐磨磚分層綜合砌筑結(jié)構(gòu)，隔熱磚緊貼爐體砌筑，然后砌筑一層黏土磚，最上層的工作層采用鉻剛玉耐磨磚，推料平面不能砌磚部位焊接錨固釘采用鉻剛玉耐磨澆注料澆注。使用該方法砌筑推料平臺(tái)的耐磨性好，維修更換方便、快捷。

4.3 下料漏斗

下料漏斗采用專利技術(shù)[8]（一種豎式預(yù)熱器砌筑式下料漏斗及其豎式預(yù)熱器，專利號(hào)：CN202020755541.6），該技術(shù)方案采用下料漏斗預(yù)制磚、鉻剛玉耐磨磚混合砌筑的方式。預(yù)制磚焊接于設(shè)備上，可有效防止因振動(dòng)和變形造成耐火材料脫落的發(fā)生，根據(jù)設(shè)備形狀特征，設(shè)計(jì)組合預(yù)制磚，能夠有效釋放熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，預(yù)制本身經(jīng)過(guò)預(yù)制成型、烘烤，耐磨損、耐沖刷、耐侵蝕，使用壽命有較大提高。

4.4 轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽體

溜槽體采用磚料混砌的結(jié)構(gòu)形式，溜槽體斜平面、兩側(cè)斜面用溜槽預(yù)制磚焊接砌筑在鋼板上。溜槽預(yù)制磚之間的空隙采用鉻剛玉耐磨磚填充。溜槽體上不能焊磚也不能填充鉻剛玉耐磨磚的部位及舌頭部位焊接錨固釘，然后澆注鉻剛玉耐磨澆注料。

推料平臺(tái)、下料圓錐、轉(zhuǎn)運(yùn)溜槽新型砌筑結(jié)構(gòu)、燒嘴保護(hù)技術(shù)等解決該部位壽命短的技術(shù)難題，壽命提高到24個(gè)月以上。

5 節(jié)能降耗

采用輕質(zhì)和重質(zhì)耐火材料復(fù)合砌筑結(jié)構(gòu)，預(yù)制磚及澆注帶設(shè)有隔熱性能優(yōu)異的陶瓷纖維材料做為保溫層，且窯襯材料內(nèi)的沒(méi)有縫隙，杜絕了窯內(nèi)熱量向筒體的對(duì)流和輻射傳熱，有效地降低了窯皮溫度，節(jié)約能源[9]。通過(guò)研發(fā)導(dǎo)熱系數(shù)低的功能耐火材料新產(chǎn)品，進(jìn)一步有效的降低設(shè)備外壁溫度，節(jié)約了能源的消耗；另一方面，通過(guò)長(zhǎng)壽化、均衡化設(shè)計(jì)及新材料開(kāi)發(fā)減少停窯次數(shù)，節(jié)約了每次停窯浪費(fèi)的能源，節(jié)能降耗。窯體外部溫度有明顯降低，節(jié)能效果明顯，節(jié)能效果達(dá)10%以上。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)活性石灰回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)工藝條件，采用功能耐火材料新產(chǎn)品，通過(guò)功能耐火材料和綜合砌筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化耐火材料內(nèi)襯配置，解決了活性石灰系統(tǒng)關(guān)鍵部位和易損部位耐火材料現(xiàn)有問(wèn)題，使之各個(gè)部位耐火材料內(nèi)襯使用壽命基本同步，減少停窯檢修次數(shù)，有效延長(zhǎng)窯爐使用壽命，提高窯爐生產(chǎn)作業(yè)率，降低能源消耗，提高資源綜合效率。