复合节能结构件在水泥窑上的应用

  前言  

  据中国耐火材料行业协会统计，2019年全国耐火材料产量2430.75万吨，同比增长3.65%。其中，致密定形耐火制品1341.36万吨，同比增长1.05%；特种耐火制品增长3.44%。保温隔热耐火制品58.90万吨，同比增长8.87%；不定形耐火制品1030.49万吨，同比增长6.93%。从耐火材料品种的增长趋势上看，不定形耐火制品和保温节能耐火制品增长最快。但是就目前用于水泥窑预分解系统中的耐火材料，因生产规模和装备规格大幅增加，造成系统内耐火衬体所承受的应力出现了诸多变化，窑温更高，窑速加快，更多碱等挥发性组分的侵蚀和高磨蚀。近年来，水泥窑协同处置工业和城市废物取得长足进展，不同行业的工业废物和低品位原燃料，大量地用作水泥原燃料，一些有害元素和重金属元素也随之带入系统内，使系统内耐火材料经常损坏[1]。中国某水泥有限公司5000t/d新型干法水泥熟料生产线，其窑尾烟室及分解炉锥体、三次风闸阀、篦冷机喉部、篦冷机矮墙等部位原来均使用传统的耐火浇注料，但这些易损部位受到水泥窑恶劣工艺条件和窑内风速、烟气成分及含尘量、颗粒硬度、温度波动等诸多因素的影响，加上相应的化学侵蚀、冲刷磨损、机械应力及热剥落，使用寿命一般不长[2]。耐火浇注料过早损坏的情形经常出现，大大降低了水泥窑的运转率及熟料产量，增加了停窑检修次数和检修费用，并连锁反应影响到其他部位耐火材料的使用寿命。在这种情况下，郑州瑞泰节能复合结构件方案的提出引起了广泛的关注。  

  1.综述  

  水泥窑很多部位使用不定形耐火材料，特别是在结构复杂的预分解系统内。但新型干法水泥窑温较高、转速较快、结构复杂，水泥厂为了提高产量和生产效率，多采用强化煅烧工艺、提高窑体转速、加大喷煤量等措施，使窑内火焰温度升高、温度波动较大、热应力增加，加上窑载荷增大，碱、氯、硫等有害物质富集，给水泥窑用耐火材料的正常使用带来了严重的挑战。尤其是篦冷机、窑头罩、三次风管弯头、烟室等部位采用的浇注料经常受到损毁，需要停窑检修，严重影响水泥窑运行效率。按照每吨水泥熟料平均消耗300g浇注料（平均价格4000元计），2019年，我国水泥企业共消耗浇注料超60万吨，需要投入24亿元。因此，开发长寿、高效、节能的耐火材料制品，解决水泥窑运行因为浇注料损毁修炉而制约运行效率，成为水泥行业迫切需要的解决的共性难题，它不仅对我国水泥窑的运行效率具有重大意义，也对水泥窑的节能减排具有重大意义。  

  目前造成水泥窑预分解系统损坏的两大原因[3]是：一、气体的侵蚀。预分解窑充分利用了余热预热，使得碱、硫酸盐和氯化物在窑内挥发、凝聚，在窑中大量富集并反复循环，与原始生料相比在最热组预热器的窑料中R2O增加了5倍，SO3增加了3～5倍，与耐火材料长时间接触，引起化学变化，造成耐火材料的侵蚀和破坏。二、耐火材料的剥落。大型预分解窑多采用多风道喷煤嘴，一次风量较大，因此火焰温度提高很多，加上窑头又加强了密闭，窑内火焰温度约为1700~1800℃，使得窑口、冷却带、烧成带、过渡带、分解带甚至窑门罩、冷却机的温度水平远高于传统窑的相应部位。当与加热面接触的熔渣、粉尘、气体等侵入耐火材料，由于这些熔媒以及热的作用，在加热面附近产生变质层，这种变质部分因液相过多收缩而剥落。日产2000t的预分解窑直径为4m，日产4000的预分解窑直径为4.7米，转速达到3~4转/分。窑径加大、窑温提高、转速加快，而耐火砖是在高温下随筒体一起转动的，加上托轮的支撑,窑体重力以及窑内物料的冲击作用，机械振动和变形加剧,耐火材料的破坏也同时加剧，造成耐火材料剥裂。  

  郑州瑞泰司为了解决该难题，研发使用复合节能结构件，通过工艺优化解决材料间的热失配及界面结合的问题，提高产品的整体强度；复合结构件在成型过程中直接成型出锁扣状结构，使结构件可适用于水泥窑系统各种复杂形状部位，便于现场快速安装。  

  这种复合结构方案具有节能、长寿、高效等特点，可替代浇注料施工方案，解决浇注料寿命不稳定、维修、烘窑工期长等缺点，为水泥行业提高运行效率和节能减排的整体技术进步提供物质支撑。针对复合节能结构件使用部位不同，对结构件材料性能要求也有些许不同，主要分为三大类：高耐磨材料、抗结皮材料和耐碱材料。  

  2.复合节能结构件的制备  

  原料有细度为5-3、3-1、＜1mm的公司自制预合成M70矾土基莫来石细粉，细度均＜0.074mm的红柱石粉、80均化料、碳化硅和广西白泥等，木质硫磺钙为作为结合剂，制备出实验所需的试样。各原料配比如表2-1。  

  待干料混合均匀，加入经水调和的木质硫酸钙作结合剂，添加量为0.3%。物料在搅拌机中搅拌15min后，将混合均匀的泥料采用万能压力机以30MPa压力压制成φ50mm×50mm的圆柱试样，同时使用630t摩擦压力机制成65mm×114mm×230mm的标砖。坯体试样经风干后，放置干燥箱中（110±5℃）保温24h烘干，然后在电炉中于1490℃煅烧3h。自然冷却备用。用于试验检测各项理化指标。  

  3.复合节能结构件的性能检测  

  根据GB/T5988-2004、GB/T2997-2000、GB/T5072.2-2004、YB/T370-1995分别测试试样烧后的线变化率、耐压强度、体积密度、气孔率、荷重软化温度（T0.6），按YB/T376.1-1995测标砖的康热震稳定性（1100℃，水极冷法）；经检测，各项性能指标都达到可用于实际水泥窑生产。  

  4.复合节能结构件的性能优势  

  4.1高耐磨性  

  复合节能结构件中的M70矾土基莫来石和碳化硅。碳化硅作为人们早已知晓的一种优质耐火材料。具有强度高、导热系数大、抗震性好、抗氧化、耐磨损、抗侵蚀等优良的高温性能[4]。在冶金、能源、化工等行业有许多用途。随着生产技术的进步，SiC制品按照不同工艺制成如图2多种用途的耐火材料[5]，其高温性能也因此更加优良。  

  水泥窑由于固体物料对耐火材料的冲刷而造成耐火炉衬的破坏，因此选择抗热震性能好、高导热率、低膨胀系数的碳化硅质材料较为合适。  

  4.2耐碱性  

  氧化铝含量＜25%的耐火材料，具有较好的抗碱侵蚀性能，但只能承受1200℃的温度，而氧化铝含量较高的耐火材料，其耐火度高，但抗碱侵蚀能力较差[5]。由于碳化硅具有较强的抗碱性能，与碱反应后，生成一层粘性极高、又无裂纹的保护层；同时，由于碳化硅具有极高的导热性和耐磨性，所以氧化铝和碳化硅的高耐碱性耐火材料相继出现，能满足烧成系统分解炉、回转窑、窑门、篦冷机、三次风管、前窑口等不同部位工况和需求。经检测，该复合节能结构件热震稳定性、强度也高于碱性砖，对机械应力、热应力、化学反应和过热、热疲劳等综合损坏作用的抵抗能力也比较强。  

  4.3抗结皮性  

  现如今，低品位原燃料被越来越多地应用于水泥生产当中，甚至含有害组分较高的城市生活垃圾也开始应用于新型干法窑的水泥生产。如垃圾焚烧灰用作水泥生产原料，可燃废弃物用作生产用燃料，这更加剧了碱、硫、氯等挥发性有害组分及重金属离子在窑系统的循环和富集[6]，导致结皮问题更加突出甚至引起系统堵塞，严重影响窑系统的正常生产。本公司生产的复合节能结构件以M70矾土基莫来石为主要原料，红柱石细粉，碳化硅和广西白泥为基质，制备出高密致耐火砖，其显气孔率明显降低热震稳定性明显提高，各项指标都相对较好。因其显气孔率较低可抑制有害物质的渗入从而具有良好的抗结皮性。  

  5.节能复合结构件的应用  

  从2010年开始，郑州瑞泰耐火科技有限公司生产的复合节能结构件已广泛应用于国内外近百家水泥企业，数百条生产线，特别是在云水集团下属峨山公司、大关嘉华公司、沧源公司、盈江公司、香格里拉公司等，在窑门罩斜顶、窑门罩直墙、篦冷机顶、篦冷机喉部、分解炉窑尾烟室、窑尾烟室缩口和三次风管弯头部位均取得了较好的使用效果。  

窑门罩斜顶使用案例如图3  

  6.参考文献  

  [1]李思源，陈友德，汪海滨.水泥预分解窑用[J]建材发展导向，2016,14（1）：45-54.  

  [2]张金莹.耐火预制件在烧成系统改造中的应用[J].新世纪水泥导报，2012，（2）：45-47.  

  [3]尹春明.水泥窑用耐火材料损坏的原因及预防措施[J].建材发展导向，2012,12（5）：61-62.  

  [4]魏明坤，张丽鹏等.碳化硅耐火材料的发展与性能[J].硅酸盐通报，2001,3（6）：36-40.  

  [5]杨笛，李纯等.新型碳化硅耐火材料的研制[J].电力建设，2001,22（2）：42-45.  

  [6]张军杰，马淑龙，王治峰等.水泥窑抗结皮结圈用高致密砖的研制[J].耐火材料，20157（4）：1