水泥窑的发展趋势.doc

水泥窑的发展趋势 姓名：罗涛 学号：20110231 专业班级：材料1104摘 要：耐火材料是高温工业窑炉的建筑材料和结构材料。由于水泥窑各部位物料的理化性能、气体温度、所处环境的不同,对耐火材料的性能、成分、镶砌位里、砌筑方法也不同。我国水泥窑用耐火材料主要是铝硅质耐火材料，如高铝砖、黏土砖及水泥砖等。20世纪70年代后期，我国出现了新型干法水泥窑，对窑衬材料提出了更高的要求。为了适应水泥工业的变化与发展，经过数十年的科研、设计及开发应用，使我国水泥窑用耐火材料水平有了显著的变化和提高。在品种和性能上均达到了国际先进水平，但不足之处是耐火砖外观尺寸及质量稳定性还有一定的差距。当前，水泥行业主要的耐火材料是碱性耐火材料、不定形耐火材料和隔热耐火材料。文章通过对水泥窑用耐火材料的损毁及预防进行探讨, 叙述了水泥窑用耐火材料损坏的形式及原因，提出了预防耐火材料损坏的若干措施。 关键词：水泥窑；耐火材料；损坏；预防 水泥工业窑系统发展趋势 近年，水泥工业窑系统发展趋势是：标准化、大型化和技术经济指标优化。窑系统发展第一个趋势是标准化日益增加，这主要是目前水泥厂能力有限和建筑业蓬勃发展的缘故。另一原因是由于预热器、分解炉、回转窑和冷却机模块化问题的解决，系统的标准化使成本大大降低。窑系统发展第二个趋势是大型化。窑系统发展第三个趋势是技术经济指标优化。自采用预分解窑技术以来，窑系统的工艺发展主要是产量提高、能耗降低、后期维修费减少、耐火材料消耗量降低和备件降低。由于工艺的改善，即使用大量替代燃料也能燃烧完全。同时降低熟料烧成温度和空气需要量并达到非常低的排放量。且设置还原区和用多级燃烧系统，减少有害气体的排放。更重要的是，控制参数相当少，主动参数有窑和分解炉用燃料的比例、喂料生量、窑尾排风机转速、冷却机风量。被动控制参数有窑的废气温度、热器温度和压预力、窑尾温度、成带温度、三次风温、料出冷却机温度和篦床下的风压等。 新型干法窑通过控制分解炉产生还原性气氛。目前，我国拥有水泥企业近几千家，产量已削减氮氧化物排放外,基本未采取任何控制措施。水泥生产过程中会产生大量的粉（烟）尘、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和氟化物等污染物，排放的SO2和NOx是会引起酸雨的主要成分；）改变配料方案，掺用矿化剂以求降低熟料烧除会引起酸雨外，还会造成光化学反应污染。 水泥窑的运转率是水泥企业的工作重心，是企业效益的重要来源，而造成预分解水泥窑运转率低的原因除了设备故障因素外，更多的是预分解水泥窑各部位的耐火材料不能满足使用要求，导致经常停窑来进行更换和维修。 碱性耐火材料具有耐高温煅烧和耐化学侵蚀能力较强的特点，广泛用于水泥企业预分解窑，主要有碱性的镁砖、白云石砖及镁铝、镁铬砖等耐火材料。镁基耐火材料具有抗热冲击和化学腐蚀性强，但热稳定性较差的特性；掺加铬矿石的耐火砖具有耐火度和荷重软化点高，抗碱性熔渣、熔灰性强，热震稳定性好等特点，但使用中会产生对人体有害的六价铬，造成环境污染；白云石具有耐火度高、耐碱性熔渣性强，能够形成保护涂层，已有不少水泥企业用于烧成带，以减少对环境的污染。因此，了解预分解窑预热带、分解带、烧成带及冷却带对耐火材料性能的不同要求以及耐火材料损坏的原因，采取积极的预防措施，合理配套使用不同性能的耐火材料，才能提高水泥窑的运转率，充分发挥预分解窑高效、低耗的优越性。 水泥窑用耐火材料 传统回转窑为料浆煅烧的湿法窑和粉料煅烧的干法长窑、余热锅炉。一般配用单筒或多筒冷却机。窑的热耗均在6500kJ/kg熟料以上,熟料煅烧温度一般低于1350,所用耐火材料烧成带用普通高铝砖,其余部分用粘土砖。随着利用窑尾的立波尔加热机以及配套的篦冷机的出现,热耗降至500kJ/kg熟料左右,熟料煅烧温度超过1350。而耐火材料开始采用特种高铝砖、磷酸盐结合高铝砖和普通 镁质碱性砖。 预热器窑用耐火材料,除回转窑窑内衬外,预热器系统形状复杂的设备管道高温部位仍需使用大量的耐火材料,且材质和砖型及砌筑方法与回转窑有很大的区别,不定型制品逐步推广使用。预热器窑内熟料煅烧温度高,预热器系统在高温下碱、氯硫、等化合物组分挥发凝聚、反复循环导致出料口这些组分的富集,使系统下部的预热器、进料室、上升烟道等温度较高的区域易产生结皮阻塞,同时,内衬耐火材料受碱、氯化合物等气体和结皮物的侵蚀,形成膨胀性碱性损毁。因此,在这些部位多采用耐碱侵蚀的耐碱砖或浇注料,其中形状复杂的不动设备用耐火材料以浇注料为主。在回转窑内,部分富集的碱、氯化合物随窑内物料从预热器进入窑内,在熟料煅烧过程中,部分化合物挥发、侵蚀窑内未结皮的内衬,而高温熟料内的化合物,因熔融温度较低,在高温煅烧部位将以液相形式存在于熟料内,侵蚀烧成带和上、下过渡带衬砖。另外,预热器窑的窑速一般为2r/min,比传统窑的窑速1r/min速度高,窑内火焰和窑料之间的温差对内衬砖造成的热振震破坏影响大,且承受的轴向挤压和向下的推力增强。因此,为适应温度高、回转中承受的机械应力及碱、氯化合物的侵蚀等使用条件,常使用耐火硫、性能好、抗熟料和碱、氯等化学侵蚀、硫、抗热振性好、机械强度高、挂窑皮性优良的白云石砖、半直接结合铝镁砖、直接结合铝镁砖等碱性材料。同时,为了减少散热,实现节能,特别是维持系统内的温度,提高入窑物料分解率、保持窑内热工制度稳定,还常使用导热系数低、容量小且具有一定强度和使用温度较高的硬质硅酸钙板隔热材料和优质隔热保温砖或其它制品。窑外分解窑是20世纪70年代中期在预热器窑的基础上发展起来的。是目前水泥生产技术发展的主流,在世界各国广为发展。对耐火材料的要求与预热器窑相近。其特点是入窑物料的分解温度更高,窑体内衬特别是烧成带对耐火材料的要求更高,窑尾物料分解率提高,使内衬材料所承受的碱、氯侵蚀更加严重,窑速加快至3r/min对窑内衬砖的机械应力和热震破坏增大。热效率和单机生产能力大幅度提高,促进了水泥工业走向大型化、现代化发展。对于新型干法水泥生产用耐火材料,随着我国新干法水泥的发展其材质在不断改进,但消耗也随着水泥产量的提高呈现上升的趋势。按照水泥行业统计数据推算,水泥工业中所用耐火材料的比率大约为每1000t熟料消耗085kg耐火材料,2007年.全国水泥行业消耗耐火材料950万,2008年消耗耐火材料近1000万,有约1500家耐火材料企业与水泥行业有业务合作。中、小型窑用全套耐火材料国内产品可完全满足使用要求,并已向国外成套出口,而4000t/d以上的大型或特大型窑的烧成带用碱性砖仍有部分进口。高端品种被国外奥地利RHI耐火材料公司、德国雷法技术公司、巴西Mag-nsita公司、LMB耐火材料公司及美国ANB耐火材料公司等占据绝对优势。耐火材料的损毁形成水泥生产以窑为中心运转,窑系统的好坏与耐火材料寿命由直接关系。而生产工艺稳定与砌筑施工质量也影响耐火材料的使用寿命和窑体的正常运转周期。作为窑衬用耐火材料具有保护窑壳、减少窑体热损失、稳定热工制度及改善窑内煅烧状况等作用。根据使用部位不同,对耐火材料的性能要求略有不同,一般应具有如下特点:长期在高温下使用不镕化并具有一定的强度。热振稳定性好,温度急剧变化或停窑与开窑及施工维护等运转状况不稳定时,不发生龟裂、剥落等损坏。抗化学侵蚀性强,对烧成过程中产生的灰分、熔渣、蒸气等均有较好的耐蚀性。耐磨性与机械强度高,对物料滑动及气流中粉尘的磨损,尤其是在开窑初期没挂窑皮保护时对磨损与侵蚀具有良好的抵抗性。良好的挂窑皮性,减少物料对砖的磨损和侵蚀,以对砖形成保护。密度大、气孔率小且孔径小并均匀分布。以降低腐蚀性窑气特别是碱性气体向砖内渗入凝结而损毁。体积稳定性好。尽管窑壳热膨胀系数大于耐火衬转,但因窑壳温度较低(一般280450),而砖衬温度至少在800以上,尤其是烧成带在1400以上,如砖衬膨胀系数大,砌筑膨胀缝不合理,易造成砖衬因受压不剥落,甚至损坏窑壳。保温材料具有低的导热系数和较好的强度。即起保温隔热作用,又不至于长期承受较高温度和衬转的膨胀挤压而损坏。对于浇注料等不定型耐火材料,还要考虑应具有较好的施工性能和高温使用过程中不出现因体积收缩而影响整体性,降低抗侵蚀性和耐磨性等高温性能。影响耐火材料使用效果的因素较多,新型干法水泥窑易损部位耐火材料的主要损毁形式概述如下。烧成带碱性衬转的损毁.烧成带内衬承受温度最高,是整个窑体的关键。热、机械和化学等因素构成了窑衬内的应力并导致其损毁。随窑型、操作及窑衬在窑内位置不同,其损毁机理略有不同。其中火焰温度、窑内物料成分和窑体变形状况起决定作用。因此,大型窑常选用以镁铬质为主的高温性能优良的碱性耐火材料。但因高价铬的有害,也开始采用其它镁基碱性材料。而特大型窑甚至选用国外进口性能优异的碱性耐火材料。其损坏形式很多人做过研究,损毁机理主要是以下几个方面。(1)熟料熔体的渗透-侵蚀与化学剥落。熟料与炉料熔体的渗入相主要是C2SC4AF。其中渗入、变质层中的C2S和C4AF会强烈的熔蚀镁铬砖中的方镁石和铬铁矿,析出次生的CMS和C3MS2等硅酸盐矿物。甚至出现霞石,而熔体则会充填在砖衬内气孔,使该部分砖层致密化和脆化。加之热应力和机械应力的双重作用,导致砖极易开裂剥落。因预分解窑物料入窑温度高于C2SC4AF开始形成温度,因此,熟料熔体渗入贯穿于整个预分解窑内。即熟料熔体对预分解窑各带窑砖均有一定的渗透侵蚀作用。(2)挥发性组分的凝聚、蚀和碱裂损毁。预侵分解窑内碱性硫酸盐和氯化物等组分挥发凝聚、反复循环,导致生料中这些组分的富集。在生产中窑尾最热极预热器中生料的R2O等含量比原生SO料增加几倍甚至几十倍。当热物料进入筒体后部1/3部位(8001200区段后),物料中的挥发性组分将会在所有砖表面及砖层内凝聚沉积,使该处高度致密化,并侵蚀除方镁石之外的相邻组分,导致砖渗入层的热震性显著减弱,形成膨胀性的钾霞石、白榴石,使砖碱裂损毁,并在热-机械应力综合作用下开裂剥落。因预分解窑从窑尾至烧成带开始整个无窑皮带,越靠近高温带窑衬受碱性盐侵蚀深度越深,窑衬损毁越严重。(3)局部高温过热。在点火区域,当窑热负荷过高使砖面长时间失去窑皮保护时,热面层基质在高温下熔融并向冷面层方向迁移,使砖衬冷面层致密化,热面层则疏松多孔,从而产生热疲劳,并降低耐磨性、抗冲刷性和热振稳定性而损坏。(4)温度急剧变化或频繁停窑,应力的产生使热震稳定性下降。窑运转不正常或窑皮不稳时,碱性砖易受热震而损坏。窑皮突然垮落,致使砖面温度瞬间骤增在砖内产生较大热应力。另外,窑的频繁开停使砖内频繁产生热应力。当热应力超过砖衬的结构强度时,砖便突然开裂,并沿其结构弱化处不断加大加深使其碎裂。窑皮掉落时带走处于热面层的碎砖片,也使砖不断损坏。尤其是在靠窑尾方向的过渡带更易出现这种损坏。(5)热疲劳损伤。窑体运转中,当砖衬被物料覆盖时,其表面温度降低,而当砖衬暴露在火焰中,则其表面温度升高。窑每转一周,砖衬表面温度升降幅度一般可达150230,影响深度为1520mm。按预分解窑转速为3r/min,这种周期性温度升降每月可达130000次之多。这种温度升降反复循环导致碱性砖的表面发生疲劳1,加速了砖的剥落损坏。(6)机械应力造成的损坏。运转时受到压力、拉力、扭力和剪切等机械应力的综合作用。其中窑的转动、窑筒体的椭圆程度和窑皮垮落,使砖受到动力学负荷,砖和窑皮重量及砖自身的热膨胀,使砖承受静力学负荷。此外,砖与窑筒体间的相对运动,以及挡料圈和窑体的焊缝等,均会使砖衬承受各种机械应力的作用。当所有这些应力之和超过砖的结构强度时,便形成开裂损坏。且预分解窑的整个窑衬均存在这种损坏。(7)物料的冲击磨损。在无窑皮保护时,熟料和大块掉落的坚硬窑皮会对砖衬产生较重的冲击和磨损,尤其是在窑口卸料区无窑皮保护这种现象更为严重。窑口浇注料的损毁.窑口用耐火材料以前窑口使用条件较为苛刻。除受高温外,还承受机械应力、热应力和化学侵蚀,其寿命对整条生产线的运转周期有着至关重要的影响,其损毁机理主要是3个方面。动态运行中,前窑口浇注料内衬承受着沿窑体的径向剪切应力和沿窑体的轴向挤压应力。长期运转形成的机械变形,随窑径加大,窑速加快,窑前口周期性的受压和非受压作用加剧。浇注料承受的径向剪切应力的破坏也加大。窑体与水平线一般为3540的倾斜,窑内物料在窑体运转时,从窑尾向窑头方向运动,前窑口浇注料内衬受运动物料的推力和窑体内衬轴向分力的作用,有向窑头移动的趋势,形成机械损坏。大型窑外分解窑前窑口熟料出口温度约1400,入窑二次空气温度约1200,窑体在运转中,窑皮时挂时落,温度变化频繁。内部产生热应力形成剥落损毁并降低了耐磨性,且随窑径加大窑口出料量也增加,使机械应力增大的同时窑内的热应力强度也大幅度提高。浇注料内衬单位面积所受的热负荷也相应的增大,热应力的破坏程度也更加明显。各种原燃料中有害成分在高温下的挥发,窑内碱、氯等气体随物料一并进入窑内,在窑内13501450的温度下,窑料中的有害成分和碱性气体与前窑口浇注料内衬产生强烈的化学侵蚀体,形成膨胀性矿物使其开裂剥落。发生碱裂破坏。燃烧器、.窑头罩、篦冷机燃烧器(喷煤管)温度一般在1450左右,其火焰温度最高可达2000左右,且长期处于碱性气氛中,比前窑口温度变化更频繁、温差更大。且前端在窑内始终受气流的冲刷,尤其是前端下部气流中含有熟料粉尘,冲刷更为严重。内衬材料以熔融、磨损和剥落为主,并伴随燃料成分的化学侵蚀。 窑头罩下部受窑口下来高温熟料的反弹热冲击,窑头顶部靠三次风管及三次风管拐弯处受粉尘气流冲刷严重,内衬材料以冲击磨损损坏为主。 篦冷机前端顶部受熟料的反弹冲击,温度较高且波动大,前段两侧长期承受熟料的磨损,以冲击磨损和应力损毁为主。 推导，未来通过应用新技术，可能采用!5260m 的二档回转窑就能实现，这样一来从设备制作、运输、安装、系统造价、运转率、能耗、电耗等方面都会带来十分有利的一面。（1）回转窑长度进一步缩短，向较高转速较低斜度方向发展。缩短后的窑为二档支撑，转速进一步提高，斜度进一步降低，当然上述工艺的实现还需要设备专业设计人员的大力配合。另外，由于窑衬每转一周所受到的周期性热冲击频率的增加，也需要耐火材料科研人员开发出具有更高整体稳定性和抗热震稳定性的窑内衬。计算可知，高转速、低斜度与低转速、高斜度均可以实现窑内物料具有相同的停留时间，但高转速、低斜度的回转窑内物料带起的高度和翻滚的次数均高于后者，对于煅烧是有利的，尤其是对二档短窑来说更为有利。我们认为未来回转窑的转速可望达到5rmin 甚至更高，斜度（正切值）不超过30甚至更低；（2）回转窑的直径进一步减小，用相对较小直径的窑获得高产量。进一步挖掘回转窑的烧煤能力，提高截面热负荷，小直径窑获得高产量已被实践证明是可行的。而且回转窑提产后还对生产和环保带来益处：a对提高熟料质量有利，原因是窑头煤粉绝对用量的增加，延长了窑内燃烧带的长度，使熟料在燃烧带内的停留时间延长；b对延长耐火材料的寿命有利。原因是窑径缩小后，保护性窑皮的稳定性好；c有利于NOX 的减排。窑径缩小、截面热负荷提高后，窑内风速提高（不高于上限），高温气体在窑内停留时间短，且窑长度缩短后，高温气体在窑内停留时间也减短，可以减少窑内生成的NOX 数量。（3）窑头和窑尾采用复合式密封。这是我公司的专利技术，并且由我们做组长单位起草了国家行业标准。这种柔性密封能够适应窑头、窑尾复杂的三维运动，紧紧地贴到筒体上，减少了漏风和漏灰的现象。曾经遇到一些工厂认为密封还应该解决漏料现象，特借此文澄清这个误区，实际上漏料和漏风、漏灰是两码事，窑尾的回料勺和下料舌头才是解决窑尾漏料问题的关键，应根据不同工厂的产量、窑径、转速进行针对性设计，保证回料勺的斗容、隔板倾角等设计参数满足要求，正常生产时能够把生料抛到下料舌头中心附近；下料舌头两侧可以设挡料墙，但不宜过高，有些工厂出现过挡料墙过高挡住了生料抛入舌头路径的现象，造成漏料；我们在设计密封的时候都将原有的回料勺和下料舌头的尺寸进行校核，提出改进措施或更换方案，因此工厂在决定对密封系统是否改造时，也应对回料勺和下料舌头的改进或更换有个思想准备。3窑尾预热分解系统预分解系统是热工系统，是高温烟气与物料完成“三传一反”的装备，因此应根据各个工厂不同的海拔、气候等自然条件，以及不同的原燃料条件，对系统进行个性化设计。.研制新材料减少损耗 耐火材料作为高温工业窑炉的基础材料,主要用于钢铁冶金、建材、化工、电力、有色金属和轻工业行业。其中钢铁冶金消耗占耐火材料总量的60%以上,而以水泥为主的建材行业仅次于钢铁冶金,其消耗约占耐火材料的20%。因此,在工业产业结构调整,淘汰落后产能保护环境进程中,把握水泥工业发展动态,研制生产适应新型干法水泥窑用的耐火材料,以延长水泥窑的使用周期,对耐火材料和水泥从业人员都有重要意义。耐火材料是水泥工业的基础性消耗材料，按每吨熟料消耗085kg耐火材料计算，每个新型干法水泥生产企业每年都要消耗大量的耐火材料。了解耐火材料损坏的原因，针对各种耐火材料的不同性能，在预分解窑的各带合理配套使用性价比高且无铬环保的耐火材料，减少因耐火材料损坏造成的停窑频次，是提高预分解窑运转率的有效途径，也是水泥企业保护环境应尽的责任。展望 在未来的数年中，水泥生产技术无疑会一如既往的向前发展。水泥工业面临的主要挑战是:降低生产成本，在质量、性能和对混凝土耐久性的影响方面保持高度关注。总之，在区域和全球气候协商框架的背景下，水泥工业将制定自己的碳排放路径，将碳排放与生产工艺以及全社会在现在和将来的巨大利益考虑在内。目前，我国水泥窑用耐火材料在生产工艺和加工技术方而均取得了巨大的进展，同时