大中型预分解窑衬料承受的应力和提高使用周期的措施-陈友德.doc

大中型预分解窑衬料承受的应力和提高使用周期的措施陈友德 天津水泥工业设计研究院进入21世纪以来，我国水泥产量迅速增长，总产量从2000年的5.97亿吨增至2006年的12.4亿吨。而大中型预分解窑的生产总量增加尤为迅速。从2000年的0.55亿吨，增至约6.2亿吨，窑的规格迅速扩大，2500t/d级以上规模生产线已投产超过500台，5000t/d级生产线投产已百台，10000t/d级生产线已有多台投入生产，由于生产线急剧的扩大，再加上煤质的变化，以及环保要求等一系列因素的影响，一些大中型预分解窑在生产过程中，耐火衬料受到不同程度损坏，影响了窑的运转周期，成为制约窑运转率提高的主要因素，现就大中型预分解窑在生产过程中耐火衬料的影响因素，受力情况及缓和措施作一介绍（图1）：图1 烧成系统装备1 提高大型预分解窑耐火衬料使用周期的意义 我国新型干法水泥的产量高居世界首位，不足之处是总体生产的热耗偏高，我们曾对国内新型干法生产线的生产状况进行批量统计，其结果是平均生产热耗与日测试热耗的比值为1.13，而国外发表的资料为1.078，二者相差0.052，现将我国最为先进的5000t/d级生产线来比较，日测试热耗为2970kJ（710kcal/kg）年平均生产热耗为3354kJ（802kcal）/kg，而同一级别国外的5级预分解窑，日测试热耗2928kJ（700kcal）/kg，年平均生产热耗为3156kJ（775kcal）/kg，二者相差196kJ（47kcal）/kg，至于其他级别的生产线，差别就更大了，这个差别意味着每公斤熟料多消耗 6.7kg标煤，多排放了16.8kg CO2，按2006年新型干法熟料5.2亿吨计算年多消耗348.4万吨标煤，多排放871万吨CO2。 年平均生产热耗与日测试热耗的比值愈高，意味着窑的运转率愈低，停窑时间长，设备事故多，生产操作中生料、燃料不稳定造成生产波动大，从窑的运转率来看，生产线在试运转阶段，装备的机械事故是造成运转率低的主要原因，而生产线运转正常后，因耐火衬料事故造成的停窑检修则逐步提高，占有相当大的比例，此外日测试热耗稍高也有耐火衬料造成散热损失偏高的影响，若能在较短的时间内通过耐火材料性能的提高，将我国预分解窑生产线年平均生产热耗与国外差距缩小25%，也就是意味着节约49kJ（12kcal）/kg，则每公斤熟料少消耗1.68kg标煤，少排放4.2kg CO2，按年5.2亿吨计算，则节约87万吨标煤，少排放2.8万吨CO2。这还不包括运转率提高带来产量增加巨大的经济效益。此外运转率提高，则年生产时间增加，若年运转率提高2%，意味着增加7.3天的生产量，对于一台5000t/d的生产线，年增产3.6万吨熟料，而对全国来说，意味着年增加1000万吨熟料，相当于兴建6条5000t/d级生产线，由此带来的经济效益应十分可观。为了提高耐火衬料的使用周期，首先分析烧成系统的衬料所承受的应力，然后从选材、设计、应用上分别采取措施，使耐火衬料在使用过程中发挥其性能优势，减少生产过程中耐火衬料的检修时间，从而提高烧成系统运转率，达到增产、降耗、减排的效果。2 烧成系统内衬料所承受的应力情况 水泥生产过程中，烧成系统内衬料主要承受热应力、机械应力、窑料和窑气中的一些化合物的化学侵蚀。这些应力之间在一定程度上有联系，加速了衬料的损坏。2.1 化学侵蚀2.1.1 窑料和窑气中化合物对耐火衬料的侵蚀过程 水泥熟料在煅烧过程中，物料从预热器顶部喂入后，从常温逐步加热至1400左右的熟料烧成温度，而窑气温度从燃烧器前端的18002000逐步降至预热器顶部的300400左右，在此过程中，一些化合物挥发在随窑气后逸的过程中温度逐步下降，此时气体与衬料表面接触并经衬料孔隙渗入内部损坏衬料。当化合物降至其熔融温度时，气相转为熔融液相，沉积在窑料内，随窑料逐步加热，当温度加热到合适的温度时，一些低熔的液相物料与逐步加热的生料一起，附着在烧成系统耐火衬料的表面，此时液相中的各种化合物渗入衬料内的孔隙中，其量逐步增加，最终将孔隙充填，此时衬料容重、孔隙率、冷破碎强度、热膨胀率、热传递系数、弹性系数等物理性能均将改变，耐火衬料的使用周期缩短，但是渗入到衬料内的碱、氯硫等有害化合物则不仅产生上述物理性能的变化，而且与衬料成份作用，生成低熔融温度的新化合物，这些化合物不仅熔融温度低，而且体积较衬料原有体积增大，造成衬料剥落损坏。2.1.2 碱等挥发性组分的侵蚀及其影响硫、氯、硫化合物的挥发和融熔温度均在熟料煅烧过程温度的范围内，在生产过程中，富集的程度和入窑原燃料的成份相比，碱（R2O）、硫（Cl-），分别为5、35和80100倍。当R2O和Cl-富集超过窑料的1%和0.01%，不仅影响生产，还对不同种类的耐火衬料产生较重的腐蚀。2.1.3 碱、氯、硫等有害成份对耐火材料的作用2.1.3.1 碱、氯、硫等有害成份内的熔融和挥发温度常见的碱、氯、硫等化合物的熔融温度和挥发温度见表1。表1 碱、氯、硫等化合物的熔融温度和挥发温度化合物K2ONa2ONa2SO4K2SO4CaSO4KClNaClCaCl2K2CO3Na2CO3熔融温度35040088410691050776801772871891挥发温度1275158915001403碱氯硫化合物与耐火衬料起化学反应后，熔融温度普遍下降，体积增加致使衬料剥落。主要的复合化合物的熔融温度见表2。表2 碱、氯、硫化合物的熔融温度复合化合物NAS2KAS2KAS6K2SO42CaSO4熔融温度，1223159415008762.1.3.2 碱、氯、硫的化合物与耐火衬料的主要作用和反应生成物见表3。表3 碱、氯、硫与耐火衬料的主要作用和生成物硫酸盐（硫化物）氯碱碱性砖反应C2S、C2MS2、CMS、KFeS2渗透反应、渗透、KFeS2高铝质反应、CaA3SO3渗透反应、KAS4、KSS6金属反应Cr2S3催化反应反应、与铬反应2.1.3.3 碱硫比（ASR）碱硫比的大小，反应出碱硫在窑料和窑气内存的型式和对耐火衬料的侵蚀类型。硫碱比的计算公式：碱硫比的侵蚀类型ASR1 KCl+K2SO4 KCl+K2SO4 KCl+K2SO4 SO3游离 K2O游离2.1.4 碱硫氯对不同类型的耐火衬料的作用2.1.4.1 碱过剩侵蚀 ASR1高铝质衬料碱对30% Al2O3碱与粘土制品中的Al2O3SiO2作用，生成KAS4或NaAS2碱、铝、硅等矿物，体积膨胀超过20%以上，此外-Al2O3与碱作用后，生成-Al2O3体积膨胀损坏衬料。近年来的一些研究资料表明，当30%Al2O380% Al2O3当温度超过1200时，Al2O3与碱作用，生成少量的KAS4（石榴石）和KAS2体积增加17-20%，衬砖损坏。与镁质制品氧化气氛碱盐气体存在氧化气氛的窑气内，则侵蚀镁铬砖，使CrO3挥发，在镁铬砖的热面，砖体结构发脆损坏，而在9761071的冷面，黄色的碱铬盐沉积使砖体的物理性能发生变化，损坏制品。一般说来，MA尖晶石抗碱侵蚀远远高于铬，但在高含量的过剩碱作用下，碱与MA尖晶石也起作用，生成碱铝化合物和MgO，损坏衬砖。还原气氛在还原气氛下，烧结镁颗粒和铬矿石内的氧化铁（MgFe2O4和Ca2FeO5）还原成二价的氧化铁，嵌入MgO晶格内，生成混合体使火砖颜色漂白和发亮，其结果使方镁石晶格出现空穴，使其连接变弱，此时，晶格极易遭受化学侵蚀。连续还原称之为碳剥落，其过程是当碳微粉沉积在氧化铁颗粒面上，和砖内的氧化铁产生还原作用，生成新的矿物使结构损坏，造成砖体剥落。合成烧结氧化镁制成的高等级的尖晶石镁砖，对还原气氛特别敏感。在煅烧工业废弃物燃料时，因燃料及颗粒大小不一致的影响，在煅烧过程中，很易出现氧化还原（REDOX）状况，使耐火衬料内的成份频繁变化，其体积也频繁地膨胀和收缩，最终使砖体剥落损坏。2.1.4.2 硫过剩侵蚀 ASR1400，国外个别工业化国家的平均熟料煅烧温度超过1440。熟料煅烧温度提高，意味着C3S含量增加，熟料强度增加，对衬砖的热应力相应增加。2.2.2 易烧性易烧性是指生料转变为所企望的熟料相成份难易的程度，通过原料的化学成份、矿物性能和细度来确定，现将多次优化的F.L.Smidth公司的易烧性公式表述如下：fCaO 1400=0.343(LSF-93)+2.74(n-2.3)+0.83Q45+0.10C125+0.39R45式中 fCaO 1400：1400时煅烧30分钟后的游离氧化钙。LSF：% CaO/(2.8%SiO2+1.18%Al2O3+0.65Fe2O3)n：% SiO2/% Al2O3+%Fe2O3Q45：45m的粗颗粒石英C125：45m的粗颗粒石灰石R45：45m的其他酸性不溶矿物（长石等） 方程式前半部分表示生料化学性能所起的作用，后半部分则表示生料中不同矿物的细度肘易烧性所起的作用，fCaO 1400的数值愈低，则烧成带火焰温度相应低些，fCaO 1400的数值愈高，为降低熟料中CaO 的含量，除了增加烧成带的火焰温度。还增加烧成带高温部位的长度，此时，熟料内的一些低熔点矿物液相量进一步增加，通过窑皮渗入到衬砖内，造成液相渗透对衬砖的损坏。国内有些生产厂的SiO2易磨性差，大于45m的粗颗粒多，在生产过程中，为降低fCaO。相应提高煅烧温度，易使液渗入衬砖内影响了衬砖的使用寿命。2.2.3 液相 在熟料煅烧的过程中，熔剂矿物在熟料内生成液相，液相对熟料及窑皮的形成和衬料的损坏，有着密切的关系，影响液相性质的有液相量、液相表面张力、液相粘度及液相温度。2.2.3.1 液相量 液相量计算公式为：L1450=3Al2O3+2.2Fe2O3+MgO+R2O+SO3熟料矿物中，液相的数量不仅影响到熟料的结粒，也影响着窑皮的生成和液相对衬料的侵蚀。总的说来，液相量过多，易挂厚窑皮，且较致密，熟料易结球，易磨性差，对生产不利，液相量过少，不易挂窑皮，易造成火焰对衬砖的损坏，合适的液相量为2328。2.2.3.2 液相表面张力 液相表面张力影响着窑料挂窑皮，窑料的液相表面张力高，不易和砖面粘结，降低挂窑皮的附着力，不易挂窑皮。 液相表面张力与元素外层电子的负电性有关，K、Cl、S的表面张力值较低，不利于结粒，但有利于粘挂在衬砖表面上，形成窑皮和结皮。此类矿物，渗入到衬砖内、与砖内成份作用，生成低融熔化合物而损坏衬砖，而Mg、Al等元素的表面张力值较高有利于结粒，但不利于挂窑皮。液相表面张力与温度有关，随着温度的升高。液相表面张力值有所下降。2.2.3.3 液相粘度不同成份熟料的液相粘度值是不同的，一般说来，液相粘度值减少易结粒，C2S和fCaO易在液相内移动通过液相桥形成C3S。粘度值低。不易挂窑皮、易损坏耐火砖。液相粘度与温度有关，随温度上升而下降。资料所示，在生产普通硅酸盐熟料时，若液相温度增加93，液相粘度降低70%，此时对生成C3S有利，而对耐火砖易造成熔融凹槽侵蚀。 液相粘度随铝氧率增加而增加，提高铝氧率，相应增加液相粘度，不易结粒，易损坏耐火砖。反之，增加Fe2O3含量，降低铝氧率，有利于结粒，但易出现对耐火砖的熟料液相侵蚀。2.2.3.4 液相温度 液相形成的温度，与物料成份有关，液相温度影响液相表面张力和粘度等性能。 液相温度与液相对衬料的扩散有直接的关系，液相温度愈高，则对衬料扩散愈快，对衬料侵蚀加剧（图6）。 图6表明，窑料形成的液相温度1400较液相温度30窑皮难以形成，Aw33挂窑皮无困难，Aw40易形成大块熟料和结圈。2.2.5 烧成带热负荷 水泥熟料在生产过程中，烧成带内衬砖长时间的承受火焰和高温熟料的热负荷而损坏，热负荷一般用烧成带单位截面产量（t/d.m3）每小时所承受的热最来表达。烧成带热负荷愈高，相应衬砖受熔融凹槽侵蚀和液相侵蚀增加，每一种衬砖都有其最大的单位热负荷值，现有耐火衬料所承受的最大烧成带热负荷为5.8106kcaI/m2.h，此值随着技术进展，相应有所提高。 水泥窑的产量随直径的三次方增加，而烧成带截面是直径平方增加，随着窑产量的增加，烧成带的截面热负荷已成为一个关键参数：烧成带热负荷=现将不同产量的预分解窑烧成带热负荷计算值列表如下（表4）：表4 不同产量的预分解窑烧成带单位截面热负荷单位1234窑产量t/d12002500500010000窑径m3.24.04.86.0火砖厚度mm180200220220有效截面m26.33410.17914.93024.279单位热耗kcal/kg800750720700单位热负荷106kcal/kg2.5263.1114.0194.805产量增加10%，热耗增加5%106kcal/m2h2.9593.5934.6425.550从计算结果来看，烧成带单位截面热负荷，随产量增加而增加，大型窑烧成带选用衬砖时，必须选择抗热负荷较高的衬砖。2.2.6 热震窑运转时，在不稳定窑皮的过渡带，烟气温度约1800，窑料温度在1300以上，二者温差约500600，窑每转一圈，衬砖就受温差造成的热震应力的作用，并随窑的回转而积累，最终导致衬砖损坏，频繁停窑及窑皮坍跨造成衬砖直接暴露在热烟气中，则温差更大，对衬砖造成的热震损坏更严重。2.3 机械应力水泥熟料的生产过程中，衬料与衬料之间，衬料与窑料之间，衬料与金属筒体及衬砌设置的金属件受热膨胀相互之间作用产生应力，造成衬砖损坏，称之为机械应力。回转窑内机械应力主要有：回转窑筒体在回转时，筒体椭园度变形对衬砖产生的应力（图7）、金属档砖圈对衬砖产生的应力（图8）、衬砖受热膨胀相互之间作用产生的应力（图9）、衬砖在回转过程中、衬砖运转错位产生的应力（图10）、衬砖插缝铁板体积产生膨胀对衬砖产生的应力（图11）。而不动设备系统内，主要有金属筒体受热变形对衬砖应生的应力。金属托架受热变形对衬砖产生的应力、衬砖受热膨胀相互作用产生的应力、衬体锚固件、锚固钉受热膨胀变形对衬料产生的应力以及熟料和熟料粉尘对衬料的磨蚀等。图7 椭园度应力造成的衬砖损坏图8 档砖圈对衬砖产生的压应力图9 衬砖之间热膨胀应力图10 衬砖错位产生的应力图11 插缝铁板膨胀应力机械应力主要是金属和衬砖受热膨胀变形产生的，减缓机械应力主要途径是：降低金属温度，减少其膨胀变形，相应减少其对衬体的作用力。衬体砌筑时，预留合适的缝隙以消纳金属和衬体受热膨胀量，进而消除或减少对衬体的作用力。砌筑时在砖缝之间填塞胶泥，避免含尘热气流接触金属筒体受热变形。生产过程中严格防止衬体坍落和磨蚀后热气流直接接触金属筒体等措施。提高衬砖或衬体的抗折强度和抗压强度及弹性模量，增加其抗机械应力的能力。机械应力的种类较多，应结合具体情况来解决，可通过设计、施工、生产操作来减缓热机械应力，另一方面则提高耐火衬砖的质量，增加抗机械应力的功能，但是一些长时间生产的水泥生产装备，都会出现一些金属筒体及衬砌设置的金属件变形而造成机械应力增大的状况，为使生产正常运转，只有进一步提高衬砖的质量和砌筑质量或改变衬料材质来增强抗机械应力的作用。常见的机械应力及减缓机械应力的措施介绍如下：2.3.1 回转窑2.3.1.1 窑筒体椭园度应力窑筒体变形是由窑内衬砖的重量、窑料荷重和筒体自身重量的综合因素造成的，在上述重量作用下，筒体的园形截面变成椭园形。当窑运转时，椭园对耐火砖造成机械应力，椭园度愈大所产生的机械应力也愈大，从生产经验来看，椭园度值应小于窑径%的十分之一，当超过上式数值后，易引起耐火砖破损（图7）。即：1/10 D% 式中 ：椭圆度D：窑筒体内径。椭园度变形在轮带部位最为严重，我国现有回转窑轮带设计均采用常规的浮动轮带，此类结构轮带的筒体直接受力，其间隙最大允许为0.20 D%，此数值允许筒体和轮带温差不超过180，预分解窑的第二档轮带，正处在上过渡带，该部位一般设置镁质耐火砖，砖面上没有窑皮，即使有也是时坍时涨的付窑皮。由于镁砖导热系数高，筒体的温度相应也高，在冷窑点火时，当温升时间较短，易造成筒体温升过快，而此时轮带因有空气隔热而上升温度较慢，当筒体温度超过轮带温度180以上时，筒体受热膨胀受轮带挤压造成永久性形变，从已投产的窑操作情况来看，浮动轮带筒体变形后椭园度一般为0.30.5D %，该部位衬砖所受的机械应力较大，经常出现掉砖红窑事故，解决此类事故的根本措施是保持较为稳定的衬砖升温速度，适当延长升温时间尽量减少筒体与轮带的温差，减少筒体变形。椭园度计算方程式如下： ：筒体测示仪测得的最大偏差值D：筒体直径：椭园度为减少筒体椭园度变形，生产厂家在更新轮带垫板后，应经常对垫板与轮带之间的间隙进行测示，并按测示数据对间隙进行控制调整，以避免椭园度偏大产生的应力造成衬砖破损。在实际生产时，很多生产厂家没有筒体测示仪，现将REFRA耐火技术公司的经验措施介绍如下： 窑直径=4.80m1/10 D(%)0.48%最大允许相对滑动的经验值UU1/2 D % 24mm 通过相对滑动和间隙，对椭园度进行控制S理论=U/ 7.40mm S实际=U/2.6 9.23mm 式中 S：间隙间隙S（mm）和椭园度之间的相关式为：=(0.0396S实际+0.0865)%=0.45% 上述方程所可供窑的操作人员使用，在生产时，通过测示相对滑动U和间隙S实际来计算椭园度，在生产测示时，发现U超过1/2D%时，应考虑使用筒体测示仪对窑筒体进行监控。椭园度最大允许值随着技术进展也在逐步增大，在衬砌时，使用弹性极高的耐火砖和火泥，衬砖抗椭园度应力最大可增至1.2max。为提高该部位衬砖的使用周期，尽量选用抗机械应力高的衬砖。回转窑筒体变形另一个部位是窑前端的高温部位，主要是碱性砖砌筑部位，碱性砖的导热系数高，在高温部位虽有窑皮保护，但在生产过程中，经常出现窑皮时厚时薄的情况，当筒体温度超过370，金属强度开始大幅度下降，见表5，很易造成筒体变形产生椭园度，窑体断面椭圆度对砖衬引起的压应力，按MeedomH公式计算： 式中：p为压应力，Nmm-2；Ws为窑体的椭园度，mm；R0为筒体半径，mm；h为砖衬厚度，mm；ED为砖的压缩弹性模量，MPa。可见，窑体断面椭圆度对衬砖的压应力随窑筒体椭圆度、衬砖厚度、砖的压缩弹性模量而增大，随窑径增大而减少。为防止筒体温度过高，在设计时设置红外测示仪，在生产时连续监测筒体温度，当发现筒体温度偏高，生产控制人员设法调节火焰，补挂窑皮，此外还可启动供窑筒体冷却用的冷风风机，对筒体进行冷却。表5 国产普通钢板的许用压力温度，316371400427450460普通钢板许用应力（N/mm2）81.580.170.064.74942.02.3.1.2 窑头档砖圈预分解窑出口部位一般均设置档砖圈，以堵止窑在运转时，衬砖因窑具有斜度而下滑动。窑头部位正处在窑的最高温度部位，衬砖承受包括窑筒体变形、衬砖相对向下运动、过热和热震等热、机械应力以及其他形式的热化学应力，是窑内衬砖损坏最为严重的部位（图8）。档砖圈对衬砖的热机械应力一直引起人们的关注。RHI公司通过计算机C.F.D技术对档砖圈的热机械应力进行模拟计算，发现目前大量采用的矩形档砖圈所承受的应力为260N/mm2，三角形档圈砖所承受的应力为120N/mm2，而采用前端缩小，锥体部位承受的应力为144N/mm2，（图12）为了提高该部位衬砖的使用周期，除了选用抗折和耐压强度较高和弹性较高的衬砖外，还需设计应力低的档转圈，以减缓档砖圈对衬砖的机械应力。2.3.1.3 耐火砖热膨胀应力生产过程中，耐火砖受热膨胀，当砖体膨胀量超过所预留的缝隙时，砖和砖之间相互挤压破损。窑内衬砖因热膨胀导致的压应力可按Hooke定律作近似计算：p=TED 式中：p为压实力，Nmm-2；为热膨胀系数；K-1：T为温度差，；ED为压缩弹性模量，MPa；可见，砖的热膨胀压应力正比于砖的热膨胀系数、压缩弹性模量及温度差。预分解窑烧成带内碱性砖的热膨胀系数较高铝砖约高一倍，且烧成带温度高，造成砖体内的温差大，因而所承受的压应力高，易使衬砖受热损坏（图9）。解决的途径是根据砖的热膨胀系数的大小确定砖的大小，热膨胀系数愈大则衬砖尺寸愈小，此外在衬体设计时，必须根据窑内衬砖所承受的温度，衬砖和窑筒体金属的热膨胀系数及衬砖尺寸，通过计算来确定砖缝尺寸，用砖缝来消纳衬砖的热膨胀量，从而减缓和消除耐火砖所承受的热膨胀应力。砖缝预留过大，窑在运转中，易造成衬砖错位产生的应力（图10）。2.3.1.4 插缝铁板应力碱性砖在砌筑时，通常在环向砖缝内插入铁板，数量不尽相等。在高温时，铁板氧化与耐火砖内氧化镁反应生成镁铁相化合物，体积膨胀使衬砖热面约3050mm的深度范围内形成园形应力破损（图11），解决的途径是在衬砌碱性砖时，尽量减少铁板的插入数量，此外铁板的厚度尽量减薄，一些资料介绍铁板厚度为0.250.50mm为宜。图12 不同形式档砖圈对衬砖产生的应力图13 金属托砖板受热变形应力图14 顶盖荷重下垂应力2.3.2 不动设备2.3.2.1 金属托砖板变形应力大型不动设备内砌筑衬砖时，为减缓衬砖所受的压力过大及便于检修，在垂直段均设置金属托砖板，托砖板的间距视砖的外形尺寸和温度而定，一般在1.5-3M之间，为减缓托砖板受热变形，设计时采用托砖保护托砖板的方式（图13），在生产时，不动设备内气流风速较高，气流内粉尘浓度大，易损坏衬垫在托砖板下的隔热纤维毡（棉），当纤维毡（棉）损坏后，金属托砖板与热气流接触受热变形，且易受含有碱氯硫粉尘侵蚀损坏，减缓托砖板受热变形的方法是采用耐火浇注料将金属托砖板封闭，防止金属托砖板受含尘热气流的直接接触而变形和损坏。2.3.2.2 直墙金属筒体变形应力不动设备内直墙金属筒体衬砌衬砖时，在生产过程中，高温含尘的热烟气通过砖缝和隔热层缝隙与金属筒体接触，金属筒体温度增加膨胀，由于筒体内有隔热层和衬砖，膨胀时一般向外，在筒体和衬砖之间产生空隙，烟气内粉尘沉积在此空隙内，当停窑冷却时，金属筒体温度下降，膨胀量相应减少，此时金属筒体向内收缩，在收缩时对衬体产生应力，衬体受力则向内凸出，缝隙相应增大，再次加热时，筒体再次膨胀，粉尘沉积再次增多，停窑冷却时再次向衬体产生应力，反覆循环，最终在停窑时，形成筒体向外膨胀凸出，而衬体向内凸坍跨，此情况随气流温度的增加而逐步加重，减缓的办法是在筒体上设置锚固钉，衬体上设置锚固砖，以使衬墙牢固，锚固钉与锚固砖的外形尺寸要求严格，近年来，为简化施工要求，在直墙部份大量采用耐热浇注料墙体，使其牢固，但在施工时，必须考虑墙体热膨胀缝，以防衬体受热膨胀损坏。2.3.2.3 熟料对衬体的磨蚀应力生产过程中，高浓度的熟料细颗粒尘气流对风管和料管内的衬料，产生磨蚀，在风管和料管的拐弯处尤为严重，通常在做法是在该部位设置耐磨蚀的衬砖或耐热浇注料。但是在长期的生产过程中，很难找寻到合适的衬料来抗熟料的磨蚀，一般的做法是在拐弯处适当扩大，在该部位少量积存些熟料，做到熟料与熟料磨擦，减少热料对衬体的磨蚀。2.3.2.4 大跨距装备顶盖荷重下垂对衬体产生的应力近年来，随着生产线产量的增加，装备也愈来愈大，尤其是在高温部位的大窑门罩、篦冷机以及预热器，均出现装备顶盖跨距过大，顶部壳体和衬体自重下垂，使衬体之间产生裂缝，高温热气流通过裂缝与金属壳体接触，致使壳体受热膨胀变形，对衬体产生机械应力，最终使衬体损坏（图14）。减缓应力的办法是在金属壳体上端，增加钢梁，设置螺杆对壳体顶端提拉，保持顶盖平整。避免衬体下垂产生裂纹。此外在设计时，可采取措施，减少装备跨距，如窑门罩抽取三次风，原来是从窑门罩上抽取，为减少熟料粉尘经窑门罩返回分解炉，窑门罩内气流风速设计低于3M/sec，此风速布置的窑门罩必然跨距较大，现改为冷却机和窑门罩组合抽风，窑门罩跨距减少，减缓衬体下垂产生裂纹的现象。3生产线装备衬料应力承受情况3.1 不动设备3.1.1 预热器分解炉系统系统内衬料在600以上部位承受碱硫氯侵蚀、8001200的部位则侵蚀较强、分解炉及上升烟道等装备内局部范围的衬料承受12001500的热应力和氧化还原负荷，系统内直墙部位及顶部衬料承受金属机壳变形产生的机械应力，并随系统内温度增加而增大。3.1.2 三次风管系统系统内气流温度低于900950，但温度高达1300以上的细颗粒熟料随气流带入系统内，部份在系统内沉积，系统内靠近窑门部位的衬料承受高温细颗粒熟料的磨蚀和热应力以及碱侵蚀，靠近分解炉部位的衬料承受的温度低于1000，熟料磨蚀及碱侵蚀相应低些，但管内阀板和风管拐角处受磨蚀严重，一方面选用优质抗磨衬料，另一方面从设计上采取措施如加大风速，减小阀板截面，及尽量减少直角弯管。3.1.3 窑门窑门处在火焰附近，该部位熟料温度超过1350，入窑二次空气温度超过1000，窑门后墙及二侧熟料易堆积（俗称雪人），窑门内衬料承受严重的高温热应力、碱硫氯的化学侵蚀以及金属机壳变形的机械应力。3.1.4 燃烧器 燃烧器前端衬料承受最为严重的高温热应力、高温熟料细颗粒堆积和结“雪人”的化学侵蚀和气流内熟料尘的磨蚀，以及燃烧器和锚钉高温变形产生的热机械应力。3.1.5 篦冷机进料口部位承受熟料结“雪人”的化学侵蚀和高温热应力，机身内与熟料接触部位承受熟料的热、磨蚀应力、顶和直墙部位承受金属机壳变形产生的机械应力，上述应力随机内温度降低而减弱。3.2 回转窑预分解窑内各带的划分没有统一标准，名称也不一致，目前国内外用得较多的是将预分解窑划分为分解带、上过渡带、烧成带（又分为上烧成带和中心烧成带）下过渡带（包括熟料冷却带和窑口）。各带之间没有明确的界定，随入窑原燃料和窑内煅烧情况而变化，各带内衬料所承受的应力大致如下：3.2.1 分解带分解带内物料温度低于900，在正常生产时，分解带内没有窑皮，带内衬料受较强的碱氯硫侵蚀、热震、氧化还原负荷、筒体椭园度产生的机械负荷，总体说来，分解带衬砖所承受的应力和过渡带及烧成带相比低些。3.2.2 过渡带和烧成带上过渡带内物料逐步上升至1300左右，随后进入烧成带生成熟料，在下过渡带熟料冷却，从窑口卸料至篦冷机。回转窑内上、下过渡带，烧成带所承受的应力见（图15）。图15 回转窑内烧成带、过渡耐火砖所承受的各种类型的应力西欧水泥回转窑内碱性衬料损坏的各种应力的调查统计值见（图16）图16 水泥回转窑内衬砖造成损坏的各种应力的调查统计值回转窑内上、下过渡带和烧成带是预分解窑内热、机械应力和化学侵蚀最为严重的部位，也是碱性耐火材料砌筑的部位，从调查的结果来看，碱性衬料损坏最严重的部位是下过渡带的窑口部位，占应力总量的42%，其次是上过渡带轮带下的衬料，为22%，而该部位筒体椭园度变形产生的机械应力高达14%，而烧成带衬料有窑皮保护，中心烧成带的应力仅占19%，上烧成带约15%。衬料的应力百分数反映出衬料的损坏情况，必须按衬料承受应力作用情况来选用材质，才能在生产中得到较长的使用寿命。4耐火衬料的进展 上世纪80年代以来，水泥工业面临着预分解窑规模急剧增大，燃煤性能愈来愈差，工业废弃物大量的用作原燃料，以及对熟料质量和环保的严格要求，致使耐火材料所承受的热、机械应力和化学侵蚀大幅度增加，使用周期缩短，砖耗增加，一些耐火材料公司针对上述市场需求情况，推出了一批新品种耐水衬料，新的设计技术和施工技术，延长使用周期和降低砖耗。取得了明显的效果，现将应用较为广泛的新品种衬料及有关设计技术介绍如下。4.1 镁质碱性砖4.1.1 镁铬砖直接结合镁铬砖具有较高的抗高温性能，抗SiO2侵蚀和抗氧化还原作用。同时具有较高的抗高温强度和抗机械应力，较好的挂窑皮性能，大量用在烧成带。镁铬砖在水泥窑内使用时，在碱（或硫）的作用下，稳定的3价铬转化为氧化能力极强的6价铬，在气体内铬化物含量超过10mg/m3，水溶液含铬量超过0.5mg/l时，将对人体产生极为严重的危害，从80年代中期起工业化国家纷纷制定一系列环保、卫生等方面的规范，对水泥窑的废气粉尘及镁铬砖的残砖和水泥厂排水进行全面监控，镁铬砖的使用受到一定的限制。镁铬砖优良的性能和低廉的价格，在世界上相当多的地区和国家仍在使用，进入90年代，性能更为优良的超直接结合镁铬砖已用在工况条件较为苛刻的大型预分解窑上。4.1.2 第三代尖晶石镁砖80年代发展的第二代尖晶石镁砖的基础上，90年代出现了第三代尖晶石镁砖，不但消除了铬公害和具有较强的挂窑皮能力，而且在抗碱、硫熔融物和熟料液相侵蚀，抗热震和窑体变形产生的机械应力，以及在抗热负荷等方面，具有一系列的优点，性能优于镁铬砖，已成为当今世界碱性砖技术发展的主流，第三代尖晶石主要有镁铝尖晶石、镁铁尖晶石、镁锰尖晶石等。4.1.2.1 镁铝尖晶石砖改善镁铝尖晶石砖性能的主要技术措施如下：1）采用一次晶粒尺寸大的镁砂和氧化铁含量低的镁铝尖晶石，提高砖的抗化学侵蚀性能和抗氧化还原能力，用于水泥窑的下过渡带；2）采用特殊弹性技术制造的高弹性镁铝尖晶石砖，具有极强的抗筒体变形能力，适用于轮带部位和筒体易变形的上过渡带；3）采用特殊弹性技术及尖晶石封闭结构和低氧化铁含量等有关技术制成的易挂窑皮的镁铝尖晶石砖，具有耐火度高，弹性结构良好，抗热化学侵蚀性能好的优点，适用于烧成带和上过渡带，甚至整个碱性带。此类衬砖已全面取代镁铬砖和一般碱性砖的使用部位，成为当今镁铝尖晶石砖技术进展的主流；4）氧化镁颗粒内加入氧化铝和氧化锆，在耐火砖烧制的过程中，氧化镁与氧化铝生成镁铝尖晶石，氧化锆微粒在水泥熟料生产过程中，与熟料中的CaO反应生成熔融温度较高的共熔体，阻止了氧化钙侵蚀镁铝尖晶石，减少了砖体的剥落，提高了耐火砖抗高温熟料的性能。近年来，在镁铝尖晶石砖制造过程中，除了保持耐火度高，弹性结构良好，抗氧化还原性能强，以及抗热化学侵蚀性能好的优点外，又进一步作出优化，以适应代用燃料带来的碱、氯、硫等有害元素对耐火材料的侵蚀，主要措施为：在原料中进一步减少易产生氧化还原的Fe2O3、Mn2O3、Cr2O3等氧化物的含量，以增加抗氧化还原（REDOX）的作用，同时减少碱硫化合物与氧化物作用，生成对砖体结构有害的KFeS2等化合物。减少原料中Al2O3的含量，增加不易氧化的高熔点金属氧化物，相应提高耐火度。适当减少孔隙率，以减缓碱氯硫熔融体侵蚀砖体。由上述技术生产的新型尖晶石镁砖，具