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。
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
钢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
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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
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2. 3次风管
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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
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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
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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
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4. 窑门罩
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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
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5. 冷却机
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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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