水泥窑用耐火材料的损坏因素

2013-12-11 09:06 来源: 我的钢铁网
水泥窑是将生料烧成熟料,窑衬耐火材料受到的综合影响因素如下:
(1)温度因素;
(2)化学侵蚀;
(3)机械磨损。
上述诸因素的影响,在窑内各部分尚有差异。因此,水泥窑用耐火材料的选择,要与各部位工作条件相适应,即采用多品种合理配套的材料。
对窑衬影响的因素如下:
(1)温度因素。水泥窑各部位的温度不同,对窑的材料要求不一。水泥窑各部位温度和对窑衬材料的要求见下表。 
水泥窑各部位温度和对材料的要求
部  位
温度/℃
要  求
1.预热装置旋风预热器箅式加热器
800~900
耐磨耐碱的硫酸盐和氯化物侵蚀
2.窑筒
  后窑口
  预热带
  分解带
  过渡带
  烧成带
  冷却带
  前窑口
 
<900
900
900~1200
1200~1400
1450
1300~1400
约1200
 
耐磨
耐磨
耐粉料侵蚀
耐热变化、耐高温、耐化学侵蚀和机械破坏
耐高温耐化学侵蚀
耐化学侵蚀、耐磨
耐温度变化,耐冲刷
3.冷却机
  箅式冷却机
  单筒冷却机
  多筒冷却机
 
约1200
约1000
约900
 
耐磨耐温度变化
耐磨耐温度变化
耐磨耐温度变化
 
大型预分解窑(PC窑)使用高效冷却机和多风道烧嘴,窑头又加强了密闭。在河北某水泥厂,日产熟料4000t的Φ4.7m×74m窑上,二次空气温度约1150℃,窑尾气流温度1050~1100℃,最高1200℃,且离窑筒熟料温度达1400℃。在过渡带、烧成带、冷却带、窑门罩、冷却机、喉部和烧嘴等处温度差异明显,必须相应采用系列的新型材料。
温度波动,砖内部产生热应力,造成砖的破坏。水泥窑内火焰温度约1700~1800℃,热量主要通过辐射传给窑衬材料,而窑衬材料的表面温度随窑的转动而发生周期性的变化,温度达200℃以上。窑的转速为1~3r/min,即窑衬材料每天经受1400~4300次温度茶、差为200℃以上的热应力作用。无疑,宜选择耐温度变化的窑衬材料,即抗热震性优良的材料。
(2)化学侵蚀。在悬浮预热器窑(SP窑)、窑外分解窑(PC窑)和立波尔窑系统内,由原料和燃料中带来碱、硫酸盐和氯化物等挥发性组分挥发激素,反复循环,导致窑中这些组分富集。与原始生料相比,最热级预热器窑中K2O+Na2O,SO2和Cl-的含量分别增达3~5倍和80~100倍。相应部位窑气中这些组分的含量也增加,渗入砖内,使砖破裂损坏。在最热两极预热器、预分解炉、上升烟道、喂料斜坡和窑筒后部1/3部位中,易形成膨胀性的钠霞石(Na2·Al2O3·2SiO2)、钾霞石(K2·Al2O3·2SiO2)、自榴石(K2·Al2O3·4SiO2)等矿物,窑料与粘土砖(Al2O3≥40%)反应形成2C2S·CaCO3、2C2S·CaSO4和2CaSO4·K2SO4等结皮的特征矿物。
在熟料中挥发组分含量过高时,连冷却机热端、窑门罩和3, 次风管道中的普通高铝砖和粘土砖也会发生碱裂。
所以在工作温度为800~1200℃所有部位都应采用一系列能耐碱的半酸性粘土砖和浇注料。
(3)机械破坏。回转窑内衬材料在高温下随筒体一起转动,长期处于震动状态,同时承受炉料的磨损和冲击作用,导致砖损坏,此是一方面;其次,窑体长期使用变形、内衬材料碱性砖热膨胀性大,导致砖损坏。
综观新型干法窑,其窑速较快,窑温较高,并且温差大(2次空气温度达1200℃),碱侵蚀严重,因此对耐火材料提出更高的要求,宜选用耐碱砖、耐剥落砖、耐火浇注料及隔热材料配套使用。
(三)水泥窑用耐火材料
水泥窑用耐火材料是多品种材料,应配套综合使用。主要有以下几类:
 
(1)            铝硅系耐火材料
(2)            隔热耐火材料
(3)                 浇注料
1. 碱性耐火材料
碱性耐火材料主要品种有:镁铬砖、镁砖、尖晶石砖、白云石砖等。镁铬砖又分有普通镁铬砖、直接结合镁铬砖、半直接结合镁铬砖。
碱性耐火材料主要用于水泥窑烧成带、过渡带和窑口部位。特别指出,尖晶石砖已成为大型水泥窑主要窑衬材料之一,它应用在过渡带,逐步在冷却带、窑口上使用,甚至用于烧成带内。正逐渐取代镁铬砖
 
 
普通镁铬砖、半直接结合镁铬砖和直接结合镁铬砖理化性能
 
名  称
普通镁铬砖
半直接结合镁铬砖
直接结合镁铬砖
MgO    %
55~60
≥65
≥70
≥70
≥75
≥80
Cr2O3    %
8~12
8~13
≥9
≥9
≥6
≥4
SiO2    %
≤5.5
≤4.0
≤3.0
≤2.8
≤2.8
≤2.5
体积密度    Kg·m-3
2850
2900
≥2980
≥2980
≥2950
≥2930
显气孔率    %
23~24
20~22
≤19
≤19
≤18
≤18
耐压强度     MPa
≥20
≥35
≥40
≥40
≥40
≥40
荷重软化温度   ℃
T0.6
T2
 
 
≥1550
≥1650
 
≥1580
≥1700
 
≥1600
≥1700
 
≥1600
≥1700
 
≥1600
≥1700
≥1530
线膨胀率   %(1000℃)
1.0
1.1
1.01
1.03
1.05
1.05
抗热震性  次
(1100℃,水冷)
≥3
≥4
≥4
≥4
≥4
≥4
 尖 晶 石 砖 
名   称
电熔合成尖晶石砖
烧结合成尖晶石砖
MgO     %
>78
>80
Al2O3         %
10~13
8~12
Fe2O3    %
<1
<1
SiO2     %
<1.8
<1.5
体积密度    Kg·m-3
≥2920
2920~2950
显气孔率    %
≤19
17~19
耐压强度     MPa
≥40
≥40
荷重软化温度   ℃
T0.6
T2
 
≥1650
≥1700
 
≥1650
≥1700
线膨胀率   %(1000℃)
0.96
0.99
导热率  W·(m·K)-1      800℃
3.00
3.00
抗热震性  次  (1100℃,水冷)
≥8
≥8
 白 云 石 砖
名    称
白云石砖
化学成分   %
CaO
30
MgO
65
物 理 性 能
体积密度    Kg·m-3
2.8~2.9
显气孔率    %
13~15
冷压强度  MPa
50
荷重软化温度   ℃
T0.6
 
≥1600
抗热震性  次
(1100℃,风冷)
≥3
从以上表中可见,碱性耐火材料,抗热较差,仅数次。在使用时,关键是能挂窑皮。只要保持有适当厚的窑皮(200~300mm),就能弥补碱性耐火材料抗热震性较差的不足。尖晶石砖要在烧成带推广使用,亦需解决好挂窑皮的问题。
白云石砖的推广使用,关键是防止氧化钙(CaO)水化。
2.水泥窑用硅系耐火材料(Al2O3—SiO2系)
   水泥窑用硅系耐火材料,除一般粘土砖、高铝砖外,尚有其特殊要求。主要是耐磨、耐碱、耐温度的变化,为此已开发出系列的特种高铝砖、如磷酸盐结合高铝砖、磷酸盐结合高铝质耐磨砖、抗剥落高铝砖及耐碱半酸性粘土砖等。特种高铝砖理化性能见下表。
 
特种高铝砖理化性能
 
名   称
磷酸盐结合高铝质砖
磷酸盐结合高铝质耐磨砖
抗剥落高铝砖(1)
化学结合高铝砖
抗剥落高铝砖(2)
Al2O3     %
≥75
≥77
>70
≥75
≥55~60
Fe2O3      %
≤3.0
≤3.0
≤2.0
 
1.1~1.4
CaO     %
≤0.6
≤0.6
 
 
 
耐火度   ℃
>1770
>1770
>1780
>1770
>1770
体积密度    Kg·m-3
≥2650
≥2700
2500~2600
≥2600
2.2~2.3
显气孔率    %
18~20
17~19
20~25
18~20
19~26
耐压强度     MPa
≥60
≥64
≥45
≥60
30~50
荷重软化温度   ℃
T0.6
 
≥1350
 
≥1300
 
≥1470
 
≥1450
 
1420~1480
抗热震性  次 
(1100℃,水冷)
≥30
≥30
≥30
≥20
8~20
   3.耐碱砖
   在预热器窑、窑外分解窑和立波尔窑等碱侵蚀严重部位,必须采用耐碱砖。耐碱砖中Al2O3的含量,控制在30%左右。在大型水泥窑窑筒的入料区段,表面散热损失大,而且对衬砖的要求具有良好的耐碱性,可选用耐碱隔热砖。此砖的原料是半硅质。
 
水泥窑用耐碱砖技术要求
 
项    目
指   标
NJ-30
Al2O3     %
SiO2        %
Fe2O3       %                     不大于
25~30
60~70
2.0
显气孔率     %                  不大于
25
常温耐压强度     MPa            不小于
20
重烧线变化   % (1350℃,2h)
+0.1~-1.0
抗热震性    次  (1100℃,水冷)  不小于
10
耐碱性          (1100℃,24h)
合格
 
系列耐碱砖理化性能
 
名  称
普通型
高强型
隔热型
拱顶型
Al2O3     %
25~30
25~30
25~30
30~35
Fe2O3       %
≤2
≤2
≤2
≤2
SiO2        %
65~70
65~70
60~67
60~65
耐火度   ℃
≥1650
≥1550
≥1650
≥1700
体积密度    Kg·cm-3
2100
2200
1650
2200
显气孔率     %
≤25
≤20
≥30
≤25
耐压强度     Mpa
≥25
≥60
≥15
≥30
荷重软化温度   ℃
T0.6
T4
 
≥1350
 
 
≥1300
 
≥1250
 
≥1400
线膨胀率   %
(900℃)
 
0.7
 
0.7
 
0.6
 
0.6
导热率  W·(m·K)-1      350℃
 
1.28
 
1.28
 
0.7
 
1.20
抗热震性    次 
(1100℃,水冷)
 
≥10
 
≥25
 
≥5
 
≥10
应用部位
预热器等碱侵蚀严重部位
水泥窑窑筒的入料区段
4.隔热耐火材料
水泥窑使用隔热耐火材料的作用如下:
(1)       降低筒体表面温度和散热损失;
(2)       防止筒体过热;
(3)       减轻窑衬材料的重量;
(4)       降低工程造价。
水泥窑用隔热耐火材料有以下几种:
(1)硅酸钙板,是一种高效节能材料。原料为硅质原料和石灰。该制品主要由硬硅钙石(6CaO·6SiO2·H2O)   和纤维组成。CaO/ SiO2的摩尔比在0.92~1.0之间。
近年来,水泥窑中使用超轻质硅酸钙板的容重100~150kg/m3,可使水泥窑窑衬材料进一步轻质化,并取得更好节能效果。
 
硅酸钙板理化性能
 
牌   号
I-230
I-200
Ⅱ-250
CaO   %
SiO2   %
44
47
44
47
32
44
体积密度    Kg·cm-3
≤230
≤200
250
抗折强度  Mpa
≥0.50
≥0.40
≥0.29
重烧线变化     不大于
2%的试验温度
 
1050
 
1050
 
650
热导率  W·(m·K)-1
20℃
<0.067
<0.058
75±5℃
<0.065
最高使用温度 ℃
1050
1050
650
注:硅酸钙板原料:硅质材料和石灰,制品中由硬硅钙石
(2) 隔热耐火材料
5.耐火浇注料
耐火浇注料是不定型耐火材料中的一个主要品种,国外先进国家已大力推广和应用,我国十分重视,正在加速发展。
耐火浇注料品种繁多,如轻质、超轻质、高强、耐碱等,视使用条件不同而有不同选择。
水泥窑用配套耐火材料,水泥窑型很多,有立窑(土立窑、机立窑)、中空干法窑、新型干法窑、湿法窑等,而各种窑窑径大小差别显著,尽管如此,为了减少砖耗、节能和延长窑的运转周期,提高经济效益,应规范水泥窑用配套耐火材料。根据不同水泥窑型或同一窑型不同部位合理选择。
耐火浇注料理化指标

分  类
水泥耐火浇注料
无机耐火浇注料
高铝水泥耐火浇注料
硅酸盐水泥耐火浇注料
磷酸盐耐火浇注料
水玻璃耐火浇注料
牌  号
NL2
NL1
NN
G3L
G2L
G2L
G1L
G1 N2
G1 N1
G N
LL2
LL1
LN
BN
Al2O3  %
不小于
65
55
45
85
60
42
60
42
30
30
75
60
45
40
耐火度 ℃
不低于
1730
1710
1690
1790
1690
1650
1690
1650
1610
 
1770
1730
1710
 
烧后先变化,保温3h,不大于1%的试验温度  ℃
1450
1350
1300
1500
1400
1350
1400
1350
1300
1200
1450
1450
1450
1000
105~110 ℃烘干后
耐压强度 Mpa
不小于
3
3
3
25
20
20
10
10
10
20
15
15
15
20
抗折强度Mpa
不小于
0.5
0.5
0.5
5
4
4
3.5
3.5
3.5
 
3.5
3.5
3.5
 
最高使用温度  ℃
1450
1350
1300
1650
1400
1350
1400
1350
1300
1200
1600
1500
1450
1000

 
水泥窑用耐火浇注料

浇注料品种
高强型
钢纤维增强型
低水泥窑
普通型
耐碱型
所用集料
刚玉
刚玉
矾土
矾土
矾土
粘土
粘土
化学成分,%
Al2O3
CaO
SiO2
 
≥93
≤5.5
≤0.5
 
≥87
 
≤2
 
≥74
 
≤12
 
75~78
1.5~2.0
12~15
 
≥70
 
≥45
 
≤40
≤9
≥55
体积密度,g/cm-3
110℃
1100℃
 
≥2.88
≥2.70
 
2.89~2.96
2.80~2.88
 
2.50~2.62
2.42~2.51
 
≥2.70
≥2.70
 
2.60
 
2.20
 
2.0
耐压强度,Mpa
110℃
1100℃
1400℃
 
≥80
≥80
≥80
 
70~100
40~60
 
70~100
40~50
 
100
110
130
 
≥40
≥25
(1000℃)
 
≥40
≥25
(1000℃)
 
≥40
≥20
(1000℃)
抗折强度,Mpa
110℃
1100℃
1400℃
 
≥8
≥8
≥8
 
 
9~12
6.5~11
 
 
9~12
5.5~9
 
14.3
15.7
15.8
 
 
 
≥5
≥2.5
(1000℃)
热态抗折强度,Mpa
110℃
1100℃
1400℃
 
≥9
≥9
≥9
 
 
 
16.7
16.0
 
 
 
线膨胀率,%
(1000℃)
抗热震性,次
(1100℃,水冷)
 
0.8
 
≥15
 
0.72~0.77
 
0.60~0.66
 
 
 
>15
 
0.50
 
0.40
 
0.40
重烧线变化,%
110℃
 
400℃
 
 
 
<1
 
 
 
 
-0.1~-0.2
 
-0.40
 
-0.77
 
<0.4
(1000℃)
 
 
<0.5
(1000℃)
 
<0.5
(1000℃)

 
大型预分解窑用耐火材料
 
部   位
砖   种
备   注
烧成带
中心部位
中心部位的两侧
直接结合镁铬砖
直接结合镁铬砖、普通镁铬砖
荷重软化温度≥1700℃,烧成带亦采用尖晶石砖
过渡带
尖晶石砖
 
卸料口
碳化硅砖、尖晶石砖、直接结合镁铬砖
窑口温度较低的窑拱用抗热震性好的优质高铝砖,磷酸盐高铝砖;窑口窑体变形或微裂用刚玉质浇注料
窑门罩或箅式冷却机喉部
高铝砖粘土质隔热砖、硅酸钙板
  隔热砖使用温度可达1250℃,硅酸钙板使用温度为800~1000℃
部   位
砖   种
备   注
烧嘴外侧及冷端下半侧
刚玉质浇注料
 
冷却带
耐碱的半酸性粘土和浇注料
温度在800~1200℃的所有部位
 
中空干法窑、湿法窑、立波尔窑和带余热锅炉配套窑衬材料
 

部   位
窑 衬 材 料
1. 回转窑
  后窑口
  链条带
分解带
过渡带1
过度带2
烧成带
冷却带
前窑口
 
高铝质浇注料、粘土砖
纤维增强高铝质浇注料、高铝质浇注料、粘土砖
高强隔热砖、粘土砖、粘土砖和隔热砖(双层窑衬)
磷酸盐结合高铝砖
特种高铝砖、磷酸盐结合高铝砖
镁铬砖、半直接结合镁铬砖
特种高铝砖、磷酸盐结合高铝砖
钢纤维增强高铝质浇注料、高铝质浇注料
2. 冷却机
  单筒冷却机
  多筒冷却机
  箅冷机
 
磷酸盐结合高铝质耐磨砖
磷酸盐结合高铝质耐磨砖
磷酸盐结合高铝质耐磨砖(工作层)
隔热砖或硬钙硅石型硅酸钙板(隔热层)

 
新型干法窑配套窑衬材料
 

部   位
窑 衬 材 料
1. 预热器、分解炉
工作层:耐碱粘土砖、耐碱浇注料、高铝质耐碱浇注料
隔热层:CB隔热砖、硅藻土砖、硬硅钙石型硅酸钙板
2. 3次风管
工作层:高强耐碱砖、耐碱浇注料
隔热层:CB隔热砖、硅藻土砖、硬硅钙石型硅酸钙板、隔热浇注料
3. 回转窑
  后窑口
分解带
过渡带1
过度带2
烧成带
冷却带
前窑口
 
钢纤维增强高铝质浇注料、高铝质耐碱浇注料
耐碱隔热砖,CB20、CB30隔热砖
抗剥落高铝砖、化学结合高铝砖、磷酸盐结合高铝砖
尖晶石砖、半直接结合镁铬砖、普通镁铬砖
直接结合镁铬砖
抗剥落高铝砖、化学结合高铝砖、半直接结合镁铬砖、普通镁铬砖
钢纤维增强刚玉质耐火浇注料刚玉质耐火浇注料、高铝质耐火浇注料、钢纤维增强高铝质耐火浇注料
4. 窑门罩
工作层:抗剥落高铝砖、高铝砖、高铝质耐碱浇注料
隔热层:耐高温隔热砖、硬硅钙石型硅酸钙板、轻质隔热浇注料
5. 冷却机
工作层:抗剥落高铝砖、碳化硅复合板、磷酸盐结合高铝质耐磨砖、耐碱浇注料、高铝质耐碱浇注料
隔热层:耐高温隔热砖、硅藻土砖、硬硅钙石型硅酸钙板、隔热浇注料


 


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