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浅谈回转窑复合内衬预制件的研制与应用

作者:admin    发布日期:2018-08-25 11:09    文章来源:http://www.xue66.cn/cjwt/300.html   点击次数:

 

  回转窑具有煅烧均匀、生产连续性强、产量大、产品杂质少等特点,已广泛应用于活性石灰和水泥等生产行业。但是,回转窑运行方式具有特殊性(内部烧成温度高,炉体处于连续滚动状态),其内衬耐火材料普遍存在使用寿命短、炉衬散热严重等问题。因此,如何延长回转窑内衬材料的使用寿命,增强其保温性能,并降低运行、维护的成本和能耗,是亟待解决的问题。研究者通过对回转窑的破损调查、炉衬结构的改进和炉衬耐火材料的配方研究,对回转窑炉衬的长寿和节能降耗技术进行了探索。


 

  回转窑炉衬破损调查

  武钢600t/d燃煤型活性石灰回转窑,工作温度达到1300℃,是国内同类型窑的第一条生产线。投产以来,其炉衬材料曾采用过高铝砖、镁铬砖、镁尖晶石砖等。窑内工作温度最高的烧成带部位炉衬平均使用寿命不到12个月,耐材成本消耗较大,检修频繁,影响了生产的正常组织,也造成了产品质量的波动。运行时其炉壳表面温度可达到350℃,超过了设计安全范围(≤280℃),不仅使运行的能耗增加,造成了能源浪费,增加了温室气体的排放量,而且导致接触窑体外壳的齿圈、托轮等传动机械设备存在较大的安全隐患。

  研究者在停炉后进行的破损调查中发现,烧成带部位炉衬破坏最为严重,出现大量的砖体剥落、脱落的情况,残砖也出现较多的径向与轴向裂纹,局部炉衬厚度侵蚀掉一半以上,结圈物也主要在该部位积聚。研究者对结圈物进行了形貌及化学分析,发现其成分主要为硅酸二钙、硅酸三钙、黏结相铁铝酸四钙,这与石灰原料中的CaO和燃料煤粉中的氧化硅发生反应的结果有关。这样的结圈物强度低,结构松散,对炉衬不能起到保护作用,只会增加回转窑运行的负荷。从带有结圈物的炉衬工作面成分分布看,氧化钙由结圈物向炉衬逐步渗透,成分近似Al2O3·CaO和Al2O3·2CaO。结圈物对炉衬的基质会造成一定的侵蚀。

  为了减小炉衬散热过多对炉窑机械的影响,减少能源的浪费,业界普遍采用保温材料来保证炉衬的隔热保温性能。该回转窑曾采用过“耐火砖+保温棉”的内衬结构,因为保温棉没有结构强度支撑,且厚度大,耐高温性能较差,需要与耐火砖分层砌筑,对耐火砖外形有特殊要求,施工周期长,砌筑质量不容易控制,所以该炉衬的使用效果不理想。研究者在破损调查中取出炉衬用后残余保温棉,发现其纤维已部分发生晶化,粉化严重,部分形成空洞,致使炉衬的隔热性能显著变差,也造成了炉衬整体结构的破坏。回转窑的运行状态是窑体整体处于滚动运动中,为了减少机械运转的负荷以及保证窑内的有效容积,回转窑炉衬的厚度和总重量都受到限制。炉衬耐火材料体积密度偏大,造成内衬重量过大,除增加了回转窑旋转的机械载荷以外,也是炉衬在滚动状态下挤压应力大,造成强度较低的保温材料损坏的原因之一。

  通过对多种保温材料和炉衬结构的对比分析,以及计算机模拟传热计算,综合考虑回转窑炉衬的强度要求和保温性能要求,研究者认为,在大型回转窑采用重质耐高温耐磨工作层与轻质高强度保温层一体成型的免烧型复合预制件,可以满足较为均衡的性能与成本要求。市场上现有的部分复合砖,存在着轻质保温层结构强度过低、工作层与保温层结合强度不够的问题,不能满足回转窑等动态窑炉使用的要求。

  复合炉衬预制件的研制

  国内在回转窑上使用较多的耐材是镁铬砖和镁尖晶石砖。镁铬砖由于存在六价铬污染问题,在环保上属于应淘汰产品。镁尖晶石砖导热系数大,不利于炉衬的隔热保温,而且成本较高。研究者根据武钢活性石灰回转窑的炉况及原燃料的实际情况,进行了磷酸盐结合复合预制件的开发。研制的预制件的工作层采用均化矾土为主要骨料,能满足材料耐磨损性能的要求,成型后无需烧成,成本比传统镁铬砖、镁尖晶石砖降低了30%,而且杜绝了铬污染。工作层与保温层采用了基本相同的基质与结合剂体系,提高了两者的化学结合强度。工作层与保温层以锯齿形或齿轮形形成相互咬合的结构,可有效提高两者结合界面的抗剪切性能,使炉衬在动态下具有更高的整体结构强度。

  预制件体积膨胀性能的研究。回转窑炉体在滚动运行中需要保持炉衬与窑壳之间贴合紧密,防止炉衬与炉壳之间的空隙产生相对滑移造成炉衬的内应力破坏。因此,整体内衬体积在运行下应该具有适当的膨胀量,这需要在配方中加入膨胀剂。研究者选用了优质红柱石作为膨胀剂,利用红柱石在加热中晶体转化成莫来石结构产生的体积膨胀,而且耐热震性好,机械强度大,荷重软化点高,并具有较高的化学稳定性和抗化学腐蚀性,可以增强炉衬的高温性能。

  试验时,研究者将膨胀剂分别以1a%~5a%(a为常量)的加入量加入到预制件配方,按照GB/T 5072.2-2008、GB/T 5988-2007,分别对成型后预制件工作层试样的耐压强度和重烧线变化率进行了检测,结果分析如下:

  随着配方中膨胀剂加入量的增加,试样的耐压强度随之提高,但加入超过2a%后强度有下降的趋势;试样的重烧线变化率随着膨胀剂加入量的增加而显著增大。膨胀剂的加入量,需要根据炉衬的工作环境来综合考虑。加入量过少,炉衬会有残余收缩,影响整体强度和使用寿命;加入量过多,则会造成炉衬在使用中的过量膨胀,更易造成结构的损坏。从实验结果来看,配方中膨胀剂加入量在2a%左右时,复合炉衬的性能较好。

  预制件保温层保温性能的研究。为达到较好的保温隔热效果,研究者在预制件保温层配方中采用密度较低的轻质骨料,同时加入一定量的多孔材料,并分别比较了膨胀珍珠岩、蛭石、氧化铝空心球的使用效果。试验结果显示:加入氧化铝空心球,材料有较高的强度和较小的体积变化率;选用珍珠岩和蛭石对提高材料的隔热保温性能效果更好。

  在综合考虑强度、耐高温性能和隔热性能后,研究者采用了氧化铝空心球、珍珠岩按一定配比加入的配方,试验时,他们将氧化铝空心球、珍珠岩分别按质量以1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1的比例复合加入到预制件保温层配方中,进行强度与导热性能的检测。结果分析如下:随着氧化铝空心球加入比例的增大,试样的烘干及烧后强度逐步增高;加入比例超过2∶1后,试样强度提高的幅度不是太大。试样的导热系数随着氧化铝空心球加入比例的增大而显著增大,材料的隔热保温性能随之降低。氧化铝空心球高温下的强度较高,体积变化稳定。珍珠岩在高温下体积膨胀率较大,可以提高保温隔热的效果,但强度低。基于结合强度、导热性能和成本等方面的综合考虑,当氧化铝空心球、珍珠岩按2∶1的配比添加时,预制件保温层的强度与保温性能指标较为均衡,可以满足回转窑内衬使用的要求。

  复合炉衬预制件的应用

  工业化生产的复合炉衬预制件的理化性能见附表。研究者研制的复合炉衬预制件在武钢活性石灰回转窑进行了应用,最先用于烧成温度最高的烧成带部位。由于不需要耐火砖与保温材料分层砌筑,施工周期大大缩短,施工质量也得到了保证。采用复合预制件后,回转窑烧成带炉壳外表面温度由之前的350℃降为260℃~270℃,回转窑运行能耗降低了5.03%。该回转窑已连续运行超过36个月,炉壳表面温度稳定在280℃以下,炉衬工作面情况良好,没有出现明显破损。



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