申　毅，陳友德

實(shí)驗(yàn)研究

水泥預(yù)分解窯耐火襯料承受的應(yīng)力分析

申毅11，陳友德22

水泥預(yù)分解窯熟料煅燒過(guò)程中，窯內(nèi)襯砌的耐火材料承受高溫?zé)帷峄瘜W(xué)、熱機(jī)械應(yīng)力，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，受上述應(yīng)力作用而損壞。窯內(nèi)耐火襯體的損壞，不僅會(huì)造成耐火材料和砌筑費(fèi)用的直接經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)影響熟料質(zhì)量、增加燃料消耗，降低熟料產(chǎn)量和窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率，從而對(duì)生產(chǎn)造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。窯內(nèi)耐火材料的性能、配置、砌筑的好壞，對(duì)熟料煅燒起著關(guān)鍵的作用。

長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)，我國(guó)水泥行業(yè)一直未對(duì)水泥窯用耐火材料使用損壞工況和數(shù)量進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)。國(guó)外最大的水泥制造公司（年水泥產(chǎn)能約2億噸）的綜合統(tǒng)計(jì)資料表明，在預(yù)分解窯系統(tǒng)裝備內(nèi)，回轉(zhuǎn)窯耐火材料損壞約占總量的76%，而其余不動(dòng)裝備（窯門、預(yù)熱器、分解爐、冷卻機(jī)三次風(fēng)管、燃燒器）占總量的24%，由此可見(jiàn)耐火材料的損壞主要出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)窯。

我國(guó)的國(guó)情與國(guó)外不同，各生產(chǎn)企業(yè)使用的原燃料也有差異，在熟料煅燒過(guò)程中，各條生產(chǎn)線回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯體所產(chǎn)生的熱、熱化學(xué)、熱機(jī)械應(yīng)力的類型和程度也不盡一致。為減緩耐火材料的損壞應(yīng)力，需對(duì)預(yù)分解窯內(nèi)熟料煅燒工況對(duì)襯體產(chǎn)生的各種應(yīng)力作一分析，以利于開發(fā)適應(yīng)于窯內(nèi)不同應(yīng)力的耐火材料。

1　預(yù)分解窯內(nèi)各帶的劃分

多年來(lái)，水泥行業(yè)的工藝、裝備技術(shù)研究單位和水泥制造公司對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)各帶提出了不同的分帶方法和帶的名稱。為便于說(shuō)明問(wèn)題，本文引用丹麥?zhǔn)访芩构驹谏鲜兰o(jì)80年代提出的并大量出現(xiàn)在該公司有關(guān)文獻(xiàn)上的預(yù)熱器、預(yù)分解窯內(nèi)各帶劃分的概念。

史密斯公司認(rèn)為：窯料在預(yù)分解窯內(nèi)煅燒成熟料時(shí)，根據(jù)其物理、化學(xué)作用過(guò)程，大致分成5個(gè)帶：即分解帶、過(guò)渡帶、熔體（液相）燒成帶、最高溫度燒成帶、冷卻帶，各帶由其功能決定，其長(zhǎng)度因其功能變化而變化。同一規(guī)模的窯，因原燃料性能和生產(chǎn)控制的不一致，窯內(nèi)各帶的長(zhǎng)度也不盡相同。各帶的主要功能如下：

1.1窯內(nèi)各帶的主要功能

1.1.1分解帶（CZ）

預(yù)分解窯系統(tǒng)的入窯生料分解率一般均＞90%，高的接近94%。未分解的生料在此帶加熱分解，已分解的生料中的fCaO與SiO2顆粒作用生成C2S。C2S生成時(shí)放出熱量（420～520kJ/kg），生料在此帶內(nèi)較快加熱分解，帶內(nèi)有少量的C2S形成。

預(yù)分解窯內(nèi)的分解帶長(zhǎng)度與入窯物料的分解率有關(guān)，也與窯氣溫度有關(guān)。分解率越高則帶越短，分解率越低則帶越長(zhǎng)。窯氣溫度越高，窯料加溫較快，則帶越短。

1.1.2過(guò)渡帶（HZ）（上過(guò)渡帶后端）

物料從900℃加熱至1 300℃，在此帶內(nèi)物料溫度增加很快，C2S大量生成，熔體僅有少量出現(xiàn)。C2S生成放出大量熱量，促進(jìn)窯料和窯氣溫度迅速上升，當(dāng)溫度上升到1 250～1 300℃，即達(dá)到窯內(nèi)物料的熔融溫度時(shí)，熔體突然大量增加，進(jìn)入熔體燒成帶。

1.1.3熔體燒成帶（LZ）（上過(guò)渡帶前端）

在此帶內(nèi)，熔體已大量生成，帶內(nèi)熔體的數(shù)量并不是無(wú)限增加，而是與入窯物料的成分和數(shù)量有關(guān)。熔體內(nèi)，熟料開始形成，其主要過(guò)程為：熔體在晶體外形成毛細(xì)管橋，熔體毛細(xì)管橋起到兩個(gè)作用，一是使顆粒結(jié)合在一起，另一作用是作為中間介質(zhì)，使CaO和C2S在熔體內(nèi)擴(kuò)散生成C3S。顆粒的強(qiáng)度取決于毛細(xì)管橋的強(qiáng)度，橋的強(qiáng)度（即連接顆粒的力）隨熔體表面張力和顆粒直徑的降低而增加，毛細(xì)管橋的數(shù)量又和顆粒直徑的平方根成反比。要結(jié)好粒，必須有足夠的熔體，并要求顆粒在熔體內(nèi)分布均勻，形成較高的表面張力及較低的熔體粘度和適宜的結(jié)粒時(shí)間和溫度。

在熟料結(jié)粒過(guò)程中，若熔體數(shù)量太少，易生成不易成球的粉塵料；若熔體量太多，物料易粘在一起成大塊熟料。熔體表面張力將粗顆粒聚合在一起，表面張力大，則熟料顆粒也大。熟料的顆粒的尺寸影響著熟料性能，窯在回轉(zhuǎn)的過(guò)程中，在已形成熟料球的料面上，細(xì)顆粒在翻滾的過(guò)程中通過(guò)熔體表面張力聚集成球。

在聚集過(guò)程中，當(dāng)兩個(gè)已生成的C3S較小晶格聚集在一起時(shí)，結(jié)粒增大。若C3S晶格過(guò)大，將影響成球，易在窯內(nèi)生成飛砂料。

1.1.4最高溫度燒成帶（MZ）

最高溫度燒成帶在火焰的最高溫度部位，窯內(nèi)物料溫度達(dá)到最高值，C3S數(shù)量增多直到完全生成，與此同時(shí)熟料完成結(jié)粒，在此帶內(nèi)熟料完成全部煅燒過(guò)程。

1.1.5冷卻帶（AZ）（下過(guò)渡帶）

此帶內(nèi)熟料開始降溫，熟料固化。近年來(lái)，隨著篦冷機(jī)、燃燒器技術(shù)的優(yōu)化，入窯二次空氣和燃燒空氣溫度越來(lái)越高，熱料離窯溫度越來(lái)越高，冷卻帶在窯內(nèi)長(zhǎng)度越來(lái)越短。

1.2窯內(nèi)各帶工況

窯內(nèi)各帶煙氣溫度、物料溫度、熔體（液相）量、C3S生成率等見(jiàn)圖1。

圖1　預(yù)熱器、分解爐系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料溫度、煙氣溫度、熔體量、C3S生成量

2　回轉(zhuǎn)窯各帶襯體所承受的應(yīng)力

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃料燃燒火焰溫度高達(dá)1 800～2 000℃，高溫?zé)煔馀c窯料進(jìn)行熱交換，出窯煙氣溫度降至1 200℃左右，入窯物料溫度約900℃，逐步加熱至1 400℃以上，窯料中的不同成分在此過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成熟料。近年來(lái)，隨著窯產(chǎn)量的增加，最大窯產(chǎn)量已超過(guò)12 000t/d，窯徑達(dá)?6.2m，窯速逐步增高，國(guó)內(nèi)外一些新投產(chǎn)的窯窯速高達(dá)5～5.5r/ min。上述工況易使金屬筒體高溫變形產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度高、化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，且窯料以較快速度運(yùn)行，使回轉(zhuǎn)窯內(nèi)耐火磚的使用壽命受到影響，成為燒成系統(tǒng)更換最為頻繁的部件。國(guó)內(nèi)大型預(yù)分解窯內(nèi)火磚運(yùn)轉(zhuǎn)較好的為一年左右，一般為8～10個(gè)月，在一些尚未正常生產(chǎn)的生產(chǎn)線不超過(guò)6個(gè)月，個(gè)別窯不到2個(gè)月。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)耐火磚因承受高的熱應(yīng)力、熱化學(xué)侵蝕、熱機(jī)械應(yīng)力，所使用的耐火材料質(zhì)量要求嚴(yán)格且價(jià)格昂貴。窯內(nèi)火磚的應(yīng)用是水泥生產(chǎn)廠和耐火材料制造廠關(guān)注的焦點(diǎn)，為減少火磚消耗，現(xiàn)將窯內(nèi)各部位火磚承受的應(yīng)力作一介紹。

2.1分解帶

帶內(nèi)襯磚所承受的熱應(yīng)力不高，一般煙氣溫度＜1 350℃，而窯料溫度＞900℃，已有少量C2S生成，帶內(nèi)耐火磚所承受的化學(xué)應(yīng)力主要包括入窯物料含有少量的堿氯化合物及較多的堿硫化合物的熔體和煙氣對(duì)襯磚產(chǎn)生化學(xué)侵蝕。減緩化學(xué)侵蝕的主要方式是盡量減少生料、燃料中的堿、氯、硫的含量，配用既能承受此工況溫度，又能承受堿侵蝕的襯磚，同時(shí)此部位溫度較高，應(yīng)盡量減少筒體散熱損失，較為合適的品種是抗堿侵蝕且熱導(dǎo)率較低的抗剝落高鋁耐火磚。生料、燃料中堿氯硫化合物的含量嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，可采取放風(fēng)除堿措施減少其含量，相應(yīng)減少結(jié)皮及化學(xué)侵蝕。

近年來(lái)，為減少堿、氯、硫侵蝕襯磚及結(jié)皮堵塞，該部位較多使用含碳化硅高鋁質(zhì)襯磚，該磚熱導(dǎo)率高，易造成襯砌部位筒體溫度偏高，增加筒體的散熱損失，還易使其產(chǎn)生橢圓度，對(duì)襯磚產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。

2.2過(guò)渡帶（上過(guò)渡帶后端）

從分解帶來(lái)的已完全分解的窯料進(jìn)入過(guò)渡帶，此時(shí)物料溫度增加很快，熔體僅有少量出現(xiàn)，C2S大量生成，當(dāng)溫度上升至約1 300℃時(shí)，出現(xiàn)熔融熔體，進(jìn)入熔體燒成帶（上過(guò)渡帶前端）。

進(jìn)入過(guò)渡帶的窯料，仍含有少量堿氯化合物及較多的堿硫化合物，隨著溫度進(jìn)一步升高，堿氯化合物進(jìn)一步分解揮發(fā)。當(dāng)燃燒不完全時(shí)，在高溫部位含有的CO和C窯氣和窯料中的硫酸鹽作用使其分解，生成的SO2隨煙氣后逸，在低溫部位與碳酸鈣分解的CaO或堿的氧化物作用，生成低融熔溫度的堿硫化合物。這些化合物之間形成融熔溫度較低的復(fù)合化合物與已分解且已完成固相反應(yīng)的窯料一起，在過(guò)渡帶后部開始并延伸至分解帶粘結(jié)在襯體上，形成長(zhǎng)厚窯皮（俗稱后窯皮）和結(jié)圈（俗稱后結(jié)圈）。過(guò)渡帶結(jié)圈和結(jié)長(zhǎng)厚窯皮必將縮小窯內(nèi)通風(fēng)截面，增加窯氣風(fēng)速，增大通風(fēng)阻力，減少入窯二次空氣量，進(jìn)一步增加燃料的不完全燃燒和煙氣中C和CO的含量，增加硫酸鹽分解及堿硫循環(huán)，增大堿硫化合物對(duì)襯磚侵蝕。當(dāng)圈形成一定的高度時(shí)，圈后的窯料就難于向前運(yùn)行，在窯的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，窯料翻滾逐步形成大塊（俗稱結(jié)蛋）。圈的高度越高，則大塊越難向前運(yùn)行，在此過(guò)程中窯料越滾越大，在翻動(dòng)的過(guò)程中對(duì)窯產(chǎn)生震動(dòng)。造成窯電流大幅增加，襯體承受的機(jī)械應(yīng)力增大，此時(shí)分解帶內(nèi)的襯磚不僅承受嚴(yán)重的低融熔熔體的窯料的硫堿化學(xué)侵蝕，還承受回轉(zhuǎn)窯在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中窯料和窯氣溫差造成的熱震及氧化還原負(fù)荷，更為嚴(yán)重的是在窯尾出現(xiàn)大塊窯料時(shí)的機(jī)械振動(dòng)和磨蝕。

進(jìn)入過(guò)渡帶（上過(guò)渡帶后端）的煙氣溫度可能超過(guò)1 600℃，窯料溫度一般＜1 300℃，該部位所承受的化學(xué)侵蝕與窯料中的堿硫含量有關(guān)，含量越高，則化學(xué)侵蝕越重。此外，該部位正處在第三檔托輪前，煙氣溫度較高，正常操作時(shí)沒(méi)有窯皮，筒體散熱較大，金屬筒體受熱變形產(chǎn)生橢圓度應(yīng)力。

綜合上述情況，該部位宜選用荷軟溫度超過(guò)1 600℃、抗堿硫侵蝕、熱導(dǎo)率較低且具抗機(jī)械應(yīng)力的耐火磚。

2.3熔體燒成帶（上過(guò)渡帶前端）

當(dāng)窯料溫度逐步上升至1 300℃，窯料熔融，大量熔體進(jìn)入熔體燒成帶（過(guò)渡帶前端）。一些熔體和窯料一起粘結(jié)在窯內(nèi)火磚表面形成窯皮，但因溫度稍低，所形成的熔體粘度難于將窯料大量掛在火磚表面上，形成時(shí)坍時(shí)掛的不穩(wěn)定窯皮。隨著窯料逐步升溫，窯料粘度則越來(lái)越適合掛窯皮，窯皮的厚度也越來(lái)越厚，坍落的次數(shù)也越來(lái)越少。當(dāng)窯皮在火磚表面形成均勻的窯皮時(shí)，則進(jìn)入最高溫度燒成帶。

熔體燒成帶正處在窯的中部，也就是三檔窯中間一檔托輪的部位，該部位煙氣溫度在1 700℃左右，窯料溫度在1 300℃以上，一般配置高的荷軟溫度且抗窯料熔體侵蝕的火磚。一般此類火磚致密且熱導(dǎo)率高，當(dāng)窯升溫時(shí)，筒體升溫也較快，導(dǎo)致筒體膨脹量超過(guò)與輪帶之間設(shè)計(jì)預(yù)留的間隙量，造成輪帶壓迫筒體，產(chǎn)生永久性變形，形成橢圓形，對(duì)襯磚產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械應(yīng)力。

該部位耐火磚處在高溫部位，不僅承受窯運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)窯料和窯氣之間溫差形成的熱震應(yīng)力，還要承受窯皮時(shí)漲時(shí)坍對(duì)火磚造成溫差變化產(chǎn)生的熱震應(yīng)力。

該部位正處在火焰高溫部位的前端，少量未完全燃燒的燃料沉積在該部位的窯料上，隨窯旋轉(zhuǎn)埋在高溫的窯料內(nèi)形成缺氧的狀況下的不完全燃燒，易使硫堿化合物分解，加劇了耐火磚的化學(xué)侵蝕和氧化還原作用。

熔體燒成帶的耐火磚處在高的煙氣、物料溫度下，部分襯體缺少窯皮保護(hù)，此部位襯磚所承受的熱機(jī)械應(yīng)力及熱化學(xué)應(yīng)力均處在高負(fù)荷下，開發(fā)新品種耐火磚及選擇耐火磚時(shí)應(yīng)予注意。

2.4最高溫度燒成帶（燒成帶）

此部位處在窯的最高溫度部位，火焰溫度最高可達(dá)2 000℃，窯料溫度從1 350℃至1 400℃以上的熟料形成溫度，由于物料溫度高，形成厚的窯皮以保護(hù)耐火磚，此外，窯料中97%～99%的堿氯化合物揮發(fā)，堿硫化合物視原燃料中含量、煙氣還原狀況及溫度決定其分解及揮發(fā)量。

襯磚內(nèi)有窯皮保護(hù)，但窯皮是隨原料性能和燃料性能及煅燒情況而變化的，帶內(nèi)襯磚不僅承受窯皮內(nèi)熔體成分的熱化學(xué)侵蝕，還需承受窯皮時(shí)坍時(shí)垮引起的熱震應(yīng)力，燒成帶由于有窯皮保護(hù)，在溫度作用下，窯皮中的熔體成分滲入到耐火磚孔隙內(nèi)，與火磚成分作用，生成新的化合物，這些化合物的熔融溫度低，且體積膨脹，易使火磚損壞，總的來(lái)說(shuō)帶內(nèi)耐火磚所承受的應(yīng)力低于兩端耐火磚所承受的應(yīng)力。但在煅燒時(shí)，為將一些窯料中的不易磨細(xì)且不易煅燒的SiO2與C2S結(jié)合生成C3S，往往增加燒成溫度。此舉易造成該部位高溫，促使襯磚承受的熱機(jī)械、熱化學(xué)應(yīng)力大幅增加，襯磚使用壽命大幅降低。但不論出現(xiàn)何種工況條件，燒成帶部位火磚必須具備強(qiáng)的掛窯皮和抗熱熔融熟料的熱化學(xué)、熱機(jī)械應(yīng)力性能。

2.5冷卻帶（下過(guò)渡帶）

此帶熟料冷卻固化，離窯進(jìn)入冷卻機(jī)。冷卻帶的工況變化較大，尚未完全冷卻的熟料熔體對(duì)襯體產(chǎn)生熱化學(xué)侵蝕。若熟料內(nèi)堿硫成分及氧化鎂含量較高，在合適的溫度下形成的窯皮致密、熱導(dǎo)率高，易使筒體溫度過(guò)高變形，對(duì)襯磚產(chǎn)生較大的橢圓度變形應(yīng)力。若熟料內(nèi)粉塵含量較高且隨二次空氣返回窯內(nèi)，易對(duì)襯體產(chǎn)生磨蝕。若冷卻帶部位沒(méi)有窯皮保護(hù)，則熟料對(duì)襯磚的磨蝕尤為嚴(yán)重。綜上所述，帶內(nèi)襯磚除承受高溫氣流及熟料熱應(yīng)力外，更多地承受高溫含塵氣流和熟料固化后的磨蝕以及熟料中的熔體及硫堿化合物熔體的侵蝕，此處還有高溫筒體變形帶來(lái)的橢圓度應(yīng)力。

在生產(chǎn)時(shí)，若將燃燒器端面設(shè)置在窯口，當(dāng)燃燒器變形向下彎曲時(shí)，未完全燃燒的煤粉易沉積在熟料面上，煤粉燃燒將進(jìn)一步提高熟料表面溫度，使窯口結(jié)圈（俗稱窯口圈），影響通風(fēng)，進(jìn)一步加重窯內(nèi)還原氣氛，影響生產(chǎn)及對(duì)窯內(nèi)襯磚產(chǎn)生化學(xué)侵蝕。

冷卻帶處在窯筒體的最低部位，為防止窯內(nèi)火磚在運(yùn)行中下滑，在前端設(shè)置擋磚圈。預(yù)分解窯轉(zhuǎn)速高，相應(yīng)增大擋磚圈及其部位襯體的機(jī)械應(yīng)力，此外冷卻帶正處在窯口，筒體受熱易變形，對(duì)襯體產(chǎn)生橢圓應(yīng)力。再加上該部位處在第一檔輪帶部位，易形成筒體橢圓應(yīng)力。綜上所述，冷卻帶耐火磚是回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯磚承受熱應(yīng)力、熱化學(xué)侵蝕、熱機(jī)械應(yīng)力最高的部位，也是襯體損壞最為嚴(yán)重的部位。

3　回轉(zhuǎn)窯耐火磚綜合受力情況

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)耐火磚承受的應(yīng)力與入窯生料和燃料的性能有關(guān)，也與生產(chǎn)操作有關(guān)。表1反映了窯內(nèi)各帶耐火磚承受的熱應(yīng)力、熱化學(xué)侵蝕、熱機(jī)械應(yīng)力情況，其程度視各生產(chǎn)線原燃料性能及工藝裝備及操作而定。

必須指出，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)高溫部位所結(jié)窯皮的性能是隨其原燃料性能差別及所在部位溫度高低而不一致。如含MgO、SO2、R2O較高的窯皮，其熔體表面張力、粘度及其所生成窯皮的容重、熱導(dǎo)率也隨原燃料成分及溫度變化而變化。總之，此類窯皮的容重高、熱導(dǎo)率高，所在部位筒體溫度高，易造成筒體橢圓形變，從而增大筒內(nèi)襯磚的機(jī)械應(yīng)力。此外，由于窯料中堿、硫成分易對(duì)襯磚產(chǎn)生化學(xué)侵蝕，此類原燃料襯體所承受的熱化學(xué)、熱機(jī)械應(yīng)力一般較高。

表1　預(yù)分解窯內(nèi)各帶所承受的應(yīng)力大致情況*

4　回轉(zhuǎn)窯耐火磚應(yīng)力變化情況

4.1窯內(nèi)襯體總體受力狀況

國(guó)外某耐火材料公司曾對(duì)所承接的耐火襯料生產(chǎn)線做了調(diào)查，其結(jié)果見(jiàn)圖2。

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)上、下過(guò)渡帶和燒成帶的襯磚是預(yù)分解窯內(nèi)熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)侵蝕最為嚴(yán)重的部位，也是堿性耐火材料砌筑的部位。從調(diào)查的結(jié)果來(lái)看，堿性襯料損壞最嚴(yán)重的部位是冷卻帶（過(guò)渡帶）的窯門部位，占應(yīng)力總量的42%，其次是過(guò)渡帶（上過(guò)渡帶后端）輪帶部位下的襯料，為22%，而該部位筒體橢圓度變形產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力高達(dá)14%，而最高溫度燒成帶襯料有窯皮保護(hù)，應(yīng)力僅占19%，熔體燒成帶上過(guò)渡帶前端約15%。襯料承受應(yīng)力百分?jǐn)?shù)反映出襯料的損壞情況，必須按襯料承受應(yīng)力作用情況來(lái)開發(fā)和選用材質(zhì)，才能在生產(chǎn)中得到較長(zhǎng)的使用壽命。

圖2　水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯磚造成損壞的各種應(yīng)力的調(diào)查統(tǒng)計(jì)值

4.2窯內(nèi)襯體承受應(yīng)力的時(shí)間變化回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯料所受的應(yīng)力主要是熱應(yīng)力、化學(xué)侵蝕、機(jī)械應(yīng)力綜合的結(jié)果，水泥生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展也反應(yīng)出襯磚應(yīng)力損壞的變化（見(jiàn)圖3）。

圖3是西歐1963～1996年預(yù)熱器、預(yù)分解窯內(nèi)襯磚遭受各種應(yīng)力的情況。從圖3來(lái)看，上世紀(jì)60年代預(yù)熱器窯的燃料主要為燃油，窯徑較大，干法均化鏈技術(shù)尚待完善，因而機(jī)械應(yīng)力、過(guò)熱、熱震以及窯料熔體滲透等對(duì)襯磚的損壞是主要因素。上世紀(jì)70年代預(yù)分解窯出現(xiàn)后，窯筒體直徑有較大下降，熱應(yīng)力強(qiáng)度下降更多，均化技術(shù)有所進(jìn)展，因而機(jī)械應(yīng)力、過(guò)熱、熱震均有所下降，鹽的化學(xué)侵蝕和窯料熔體滲透增加。80年代燃煤逐步取代燃油及均化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，燃煤內(nèi)灰分帶來(lái)的硫鉀化合物的化學(xué)侵蝕增加，灰分造成窯料熔體對(duì)襯磚的損壞己成為襯磚損壞的主要因素。90年代鍵槽輪帶技術(shù)、均化鏈技術(shù)的進(jìn)一步完善，工業(yè)廢料作為代用燃料應(yīng)用的增加，鹽蝕和窯料熔體的過(guò)熱損壞已成為襯磚損壞的主要原因。

圖3　西歐1963～1996年水泥回轉(zhuǎn)窯過(guò)渡帶、燒成帶各部位堿性窯襯損壞變化情況

4.3窯內(nèi)襯體損壞的應(yīng)力情況

2008年德國(guó)Refra耐火技術(shù)公司對(duì)公司從1999～2007年期間提供耐火襯料的水泥窯進(jìn)行調(diào)查，對(duì)1000臺(tái)以上的預(yù)分解窯、預(yù)熱器窯的耐火材料損壞情況分析的結(jié)果為：化學(xué)侵蝕、熱化學(xué)侵蝕和鹽蝕對(duì)火磚的損壞為59%、機(jī)械應(yīng)力損壞10%、熱機(jī)械損壞11%、熱損壞13%、其他7%（見(jiàn)圖4）。上述損壞情況表明，大量使用工業(yè)廢物和石油焦作水泥工業(yè)的原燃料，使堿、氯、硫等有害的化合物大量增加，窯內(nèi)火磚的化學(xué)應(yīng)力大量增加，從上世紀(jì)90年代前期的40%左右，提高至21世紀(jì)初的接近60%。這對(duì)窯內(nèi)火磚品種的開發(fā)提出了新的課題。

圖4　窯內(nèi)耐火磚承受應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)數(shù)值

4.4我國(guó)預(yù)分解窯襯體損壞大致情況

國(guó)內(nèi)尚無(wú)大型水泥企業(yè)和耐火材料公司提供有關(guān)我國(guó)預(yù)分解窯耐火材料損壞應(yīng)力情況的綜合分析資料。奧地利奧鎂（RHI）耐火材料公司對(duì)其供應(yīng)中國(guó)（不同時(shí)期的大型預(yù)分解窯生產(chǎn)線，現(xiàn)主要為4000t/d級(jí)以上規(guī)模）的產(chǎn)品進(jìn)行了襯磚損壞的應(yīng)力分析，其中的熱機(jī)械、機(jī)械應(yīng)力造成的損壞量超過(guò)50%，而國(guó)際上統(tǒng)計(jì)的數(shù)值僅為21%，見(jiàn)圖4（若Refra公司將供中國(guó)產(chǎn)品計(jì)算在內(nèi)，則國(guó)際上的機(jī)械應(yīng)力統(tǒng)計(jì)值還得下降）。耐火襯磚的損壞客觀反映了我國(guó)預(yù)分解窯的工藝、裝備技術(shù)、裝備制造質(zhì)量及生產(chǎn)管理中存在的問(wèn)題。只有綜合解決上述問(wèn)題，才能提高耐火材料的使用壽命，減少磚耗。

5　紅外測(cè)試、數(shù)值模擬、3D成像在回轉(zhuǎn)窯上應(yīng)用

上世紀(jì)70年代以來(lái)，紅外測(cè)試在回轉(zhuǎn)窯筒體得以大量應(yīng)用，通過(guò)溫度測(cè)試，提供窯筒體數(shù)據(jù)，從而保護(hù)窯筒體不因溫度過(guò)高變形。此類裝備已在窯上大量應(yīng)用。

上世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)展，此項(xiàng)技術(shù)已大量在回轉(zhuǎn)窯上應(yīng)用，對(duì)一些關(guān)鍵部位的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，從而提出解決措施，如窯頭擋磚圈型式、托輪下應(yīng)力測(cè)試，通過(guò)數(shù)值模擬，現(xiàn)已對(duì)托輪部位筒體變形產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力進(jìn)行生產(chǎn)連續(xù)監(jiān)控，從而進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減緩機(jī)械應(yīng)力。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著3D技術(shù)發(fā)展，對(duì)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過(guò)程中窯皮的厚度可以用圖像表達(dá)，便于生產(chǎn)控制調(diào)節(jié)，十分有利于窯的長(zhǎng)期控制。

6　減緩應(yīng)力的措施

減緩熱機(jī)械應(yīng)力和熱化學(xué)應(yīng)力對(duì)襯磚的損壞應(yīng)從如下方面解決：

（1）提高回轉(zhuǎn)窯筒體、輪帶、托輪及輪帶下墊板等部位的制造及安裝質(zhì)量。盡量保持筒體的縱向直線及減緩?fù)搀w變形產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。

（2）開展鍵槽輪帶的二支承窯的研究，減緩回轉(zhuǎn)窯縱向變形和輪帶下橢圓度變形產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。

（3）開展窯筒體前端的筒體型式及擋磚圈形狀的研究，減緩該部位襯磚承受的機(jī)械應(yīng)力。

（4）正確分析各臺(tái)窯所使用的原燃料對(duì)窯內(nèi)各帶襯磚所承受的熱、熱化學(xué)、熱機(jī)械應(yīng)力，開發(fā)適用上述應(yīng)力的襯料，并進(jìn)行合理配置。

（5）施工時(shí)應(yīng)注意干砌時(shí)合理設(shè)置磚縫，濕砌時(shí)在磚縫內(nèi)充填火泥，減緩襯磚在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的縫隙過(guò)緊或過(guò)寬導(dǎo)致的擠壓和掉磚事故。

（6）生產(chǎn)操作時(shí)做好原燃料均化，配置合適熟料率值的生料，盡量做到入窯燃料的成分及其數(shù)量的均勻，控制好火焰形狀及溫度，盡量減少筒體溫度過(guò)高的紅窯掉磚事故及筒體溫度過(guò)高產(chǎn)生的筒體變形。窯皮坍垮造成對(duì)襯磚的熱震，以及大塊熟料和大晶格粉塵熟料對(duì)襯磚的磨蝕等。

（7）盡量減少有害的堿氯硫化合物隨原燃料帶入窯內(nèi)，生產(chǎn)中盡量避免窯內(nèi)出現(xiàn)還原氣氛，確保燃料的燃燒。

7　結(jié)語(yǔ)

預(yù)分解窯內(nèi)襯磚損壞是熱、熱化學(xué)、熱機(jī)械的綜合應(yīng)力造成的，各條生產(chǎn)線因原燃料性能和生產(chǎn)工藝裝置控制有差別，對(duì)其窯內(nèi)各帶產(chǎn)生的應(yīng)力及其程度也不盡一致。結(jié)合各條生產(chǎn)線的實(shí)踐，開發(fā)適合各種應(yīng)力的耐火材料產(chǎn)品，合理地進(jìn)行配置、施工及設(shè)置紅外測(cè)試、3D成像等裝置來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)控制，必將提高預(yù)分解窯內(nèi)襯料的使用壽命，提高窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率。

參考資料：

［1］陳友德，武曉萍編著.水泥預(yù)分解窯工藝與耐火材料技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［2］GildasChauvel.Ensuringkilnhealth through temperature monitoring［J］.World Cement，2014.5.■

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TQTQ172172..622622..9 9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AA

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2015-02-10；編輯：呂光