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水泥窑用碱性耐火材料的性能

编辑:耐火砖厂家   分类:行业资讯  发布:2018-01-03   浏览:

一、碱性耐火材料的生产用原料

1、镁砂原料:镁砂是指具有一定颗粒组成的烧结镁石,它是由烧结镁石破碎而成的。

(1)烧结镁砂:

烧结镁砂是采用菱镁石为原料经不同工艺高温煅烧而成的,它分为普通镁砂、中档镁砂、高纯镁砂。

镁砂的理化性能指标

 

 

 

(2)电熔镁砂:

电熔镁砂是菱镁石或轻烧镁砂在电弧炉中熔炼而成的。电熔镁砂的主要成份如下:

电熔镁砂的理化指标

 

 

 

(3)海水镁砂:

海水中金属元素除钠以外,镁是最富有的,每吨海水中含有2克氧化镁。

海水镁砂的化学成份

 

 

 

2、铬铁矿

我国是一个铬铁矿藏比较贫乏的国家,铬铁矿主要分布在我国新疆、西藏地区,且品位较低。目前,我国耐火级铬铁矿主要从印度、菲律宾、巴基斯坦和南非进口,下表是国内外常用铬铁矿的化学性能:

 

 

 

从上述铬矿的化学成份中可以看出,国产矿的杂质含量(尤其是SiO2含量)比国外进口矿高,国外进口矿分两个类型:一是低铁铬矿,二是高铁铬矿。不同铁含量的铬矿可以根据不同行业。不同窑炉的使用条件选用,水泥行业用镁铬砖就可以同时选用两种铬矿来搭配生产。

3、镁铝尖晶石料

镁铝尖晶石料是生产镁铝尖晶石砖的主要原料,它的合成 一般是采用与合成的办法来解决。与合成的办法有两种:一是采用轻烧MgO粉(或菱镁石原矿)与工业AL2O3(或特级铝矾土)共磨→压球(或打成荒坯)→高温烧成而产生;另一种是采用轻烧MgO粉(或菱镁石原矿)与工业AL2O3(或特级铝矾土)掺和均匀→电炉溶化→冷却→拣选而生产。

上述两种方法合成的镁铝尖晶石料的化学成份偏差不大,最大差别是合成料的体积密度不同,烧结法合成的尖晶石料体积密度只能达到3.15~3.25 g/cm3,而电熔法合成的尖晶石料的体积密度可以达到3.40 g/cm3。

三、碱性耐火材料的生产工艺

碱性耐火材料一般采用多级配料、高压成型、高温烧成的方法来生产。根据不同档次产品的要求不同,相应所选用原料、成型密度、煅烧温度也会不一样,下面就水泥窑用普通镁铬砖、半直接结合镁铬砖、直接结合镁铬砖、特种镁铬砖、低铬镁铬砖、镁铁尖晶石砖、镁铝尖晶石砖分别加以介绍。

1、普通镁铬砖

普通镁铬砖是采用普通烧结镁砂和普通铬矿(新疆产)为主要原料经过高压成型、高温烧成(1580~1600℃)而成的以硅酸盐相结合的一种碱性耐火材料,该产品杂质含量较高,强度比较低,高温荷重软化温度比较低,一般适合于湿法或1000t/d以下干法水泥窑。

普通镁铬砖理化性能

 

 

 

2、半直接结合镁铬砖

半直接结合镁铬砖采用中档镁砂、普通铬矿为主要原料,经过配料成型和高温(1600~1650℃)烧成而产生的一种碱性耐火材料,半直接结合镁铬砖的矿物组成以方镁石为主,少量生成MgO. Cr2O3尖晶石、MgO. AL2O3尖晶石和MgO.Fe2O3尖晶石,方镁石和镁尖晶石之间被较多硅酸盐相连接在一起,该产品是介于普通镁铬砖和直接结合镁铬砖之间的一种碱性产品,该产品主要在2000t/d以下干法窑上使用。

半直接结合镁铬砖的典型理化性能指标

 

 

 

3、直接结合镁铬砖

(1)常规直接结合镁铬砖

常规直接结合镁铬砖是采用中档镁砂、高纯镁砂、铬精矿为主要原料、经高压成型、高温烧成(1700~1780℃)而生产的一种碱性制品,该产品直接结合程度较高,硅酸盐相呈孤岛状分布其中,该产品性能比较优良,如荷重软化温度大于1700℃,强度较高(40MPa以上),显气孔率比较低(小于18%),热震较好(一般5~7次)。但该产品也存在一些问题,如高温下韧性较差,在使用中易产生剥落损坏,一般在2500t/d及以下干法窑烧成带上使用,效果比较理想。

直接结合镁铬砖理化指标

 

 

 

(2)特种直接结合镁铬砖:

目前,在国内4000t/d以上大型窑烧成带使用的碱性耐火材料主要有镁铁尖晶石砖、低铬镁铬砖和镁铝铬砖、以及特种镁铬砖。

下面是几种砖的理化指标:

 

 

 

我公司特种镁铬砖采用镁铁尖晶石合成料和铬精矿为主要原料,经高压成型、高温烧成的一种碱性材料,该产品的主要特点:一是Cr2O3含量低,Cr6+产生成量少,对环境影响相对较小;二是产品强度高,可以满足机械化砌筑要求;三是产品热震好,高温条件下韧性好,在使用中不易炸裂;四是产品尺寸稳定,尺寸偏差较小,外观规整。

4、镁铝尖晶石砖

镁铝尖晶石砖是采用高纯镁砂和合成尖晶石为原料,经高压成型、高温烧成而制成的一种碱性产品。

镁铝尖晶石砖的发展经历了几个阶段,第一个阶段是采用高纯镁砂和a-AL2O3为原料生产的,该产品利用MgO和从AL2O3在高温烧成过程中生成部分镁铝尖晶石,该产品被称为第一代尖晶石,但因为产品的强度低,热震不太好而被第二代尖晶石取代,第二代尖晶石是采用高纯MgO、电熔MgO和预合成镁铝尖晶石为主原料生产的,该代产品不仅强度高,而且气孔率低,热震稳定性比较好,但缺点是导热系数比较大,易造成回转窑简体温度过高,不仅热损失大,而且简体易变形。因此,现在国内外都在研究和推广低导热系数的镁铝尖晶石砖,国外普遍采用第一代尖晶石和第二代尖晶石复合的办法来增加产品中微裂纹的量,从而形成多渠道热传递“屏障”以达到降低镁铝尖晶石砖导热系数的目的。我们公司采用的是与国外不同的方法来实现镁铝尖晶石产品的低导热性,具体做法是将靠近大头部位1/4面积做成复合层,使其导热系数大幅度降低,而且通过特殊方法使复合层与工作层很好的融为一体,从而达到降低导热系数的目的,现该产品已研制成功。资料中不断有第四代尖晶石报道,第四代尖晶石采用电熔镁砂、电熔尖晶石为主要原料研制而成,据介绍可以提高抗侵蚀性,且热震稳定性也不错,但该产品到目前为止还未听说在国内使用。

国内外镁铝尖晶石的理化性能

 

 

 

四、影响水泥窑使用寿命的因素

1、开停是关键,每小时升温D30℃,保温控制300℃以上。

由于碱性砖的热膨胀系数大,1000℃的膨胀率大约为1-1.2%,文献指出:“升温至1000℃且砖衬中应力松驰尚未出现前,可导致300N/mm2压应力,这相当于十倍普通镁铬砖的结构程度,六倍直接结合镁铬砖、白云石砖和尖晶石砖的结构强度,因此,任何种碱性砖都承受不了”,该文献同时指出,“窑体受热膨胀率可部分补偿衬内的膨胀率达0.2%-0.4%,为1000℃下普通镁铬砖热膨胀率的1/3。但这是在热平衡条件下发生的作用,故特别在点窑时烘窑速度要慢,使窑体温度缓慢上升,才能发挥窑体的补偿作用。”这是使用碱性砖的关键所在,因此《水泥回转窑用耐火材料使用规程》(试行)专门于第五章第一节对窑衬的烘烤和冷却作了明确的规定。在烘窑升温过程中,尤其在砖面温度300—1000℃区域内,升温速度一定要小于60℃/h。这在理论上是很清楚的,在执行中确有一定的难度。

对于以煤粉作燃料且采用火把点火的窑来讲,难点之一是温度不易控制,因为在窑内煤粉能被火把点燃且形成火焰需要一定的浓度,尤其是检修后冷窑点火烘窑时,由于窑内和二次风温度都很低,煤粉燃烧速度和火焰传播速度都较慢,因此着火浓度下限较高,当达到了着火浓度能够点着并形成火焰时,所发出的热量就大大的超过了所需的热量。温度无法控制,一个小时之内砖面温度就会升到500℃以上,使碱性砖受到了一定的挤压操作。为此,我建议采用双油流油枪,小时喷油量在100—1000kg之间可任意调节,喷咀前压力在1.0-2.OMP之间即可得到满意的雾化,开始时用油烘窑,到一定温度后采用煤油混烧以节约用油。砖面温度超过1000℃后(在有火焰的情况下砖面暗红色)改为烧煤,可较好控制升温过程。

难点之二是每次用10—20几个小时烘窑,生产管理部门在观念上不易接受,有时连推行8—12小时烘窑都有困难。

难点之三是不准备换碱性砖时的停窑保温问题,尤其是在事故状态下,都想尽快冷却(包括冷却机,预热系统事故)进去检修,由于急冷使碱性砖受到操作,如上述三方面问题都存在,新换的砖第一次停窑后常发现窑皮带着30—60mm的砖脱落,剩下的砖还可见着明显的横向裂纹。经过几次这种过程的反复,新换的砖可能在几十天内导致发生红窑事故。

2、设备是基础

要想避免开停车期间急骤升温和急冷对碱性砖的损害,除需要适用的燃烧装置外,更重要的是要认真地执行点火升温和冷窑制度,而设备的长期安全运转则是严格执行点火制度和停窑冷窑制度的基础,如果每次点火升温后都能正常运行一个月以上甚至几个月的时间,那么用于点火升温花费的时间和费用就会变得无足轻重,但如果设备状态不好,每月都要有几次甚至十几次的停窑,就不可能严格地执行点火升温和停车冷窑制度,因为频繁的停窑每次都用二十几个小时左右的时间来烘窑,从时间上,到费用上都花不起,而急骤的升温和快速冷窑必然导致砖的损伤破坏,因此事故频繁的回转窑上,碱性砖的使用寿命不会太长,由此可见,在使用碱性砖的问题上,设备也处于基础地位。

3、窑皮是屏障

回转窑的窑皮对碱性砖的保护作用是明显的,性砖从以下几个方面进行保护。

(1)减少砖内因温差造成的内应力

文献指出:“大型窑内火焰温度达到1700℃以上,如无窑皮保护,耐火砖极易因砖内温差应力太大而炸裂剥落。窑皮的导热系数为1.163w/mk。而碱性砖为2.67-2.97w/mk。如能经常维持有150mm左右的窑皮,碱性砖的热面温度可维持在600—700℃,热面层的膨胀率只有0.6-0.7%,而无窑皮保护时耐火砖热面层的膨胀率可达1.5%,后者造成窑内温差压力可达60—70MPa,超过砖的强度,导致砖的开裂和随窑皮的剥落”。

(2)减少受化学侵蚀的机率,若用无烟煤可适当放大膨胀缝

如果没有窑皮保护,熟料中的液相、熔融盐、燃气中的碱、氯、硫等挥发物质和一氧化碳都会对碱性砖进行侵蚀,使砖结构发生恶化而易遭到损坏。

(3)减缓热震的幅度

窑皮既然是屏障,自然也是窑内温度波动的缓层,窑温在一定范围内的波动,通过窑皮传到砖面影响甚微,即使是停车冷窑和开车点火升温期间,由于窑皮的存在,一个是减缓了砖热面的升温速度,二是大幅度降低了当窑温达到正常时砖面的温度,降低了膨胀率,因此,窑皮较完好时点火升温可适当加快速度,同时由于窑皮的保护,砖面的热疲劳程度也会明显减轻。

(4)窑皮的存在还可减少高温对碱性砖的烧蚀和高温状态下对耐火砖的磨损。

(5)窑体表面温度不应超过370℃,超过了这一温度,应及早采取降温措施。

此时窑温可在正常煅烧温度范围内偏低控制,并适当减喂生产、加紧补挂窑皮。

4、稳定是前提

由上述,可见挂好和保持好窑皮对延长碱性砖的使用寿命至关重要,文献指出:“一旦窑皮脱落,耐火砖就会暴露在高温中迅速被加热,燃气中的K20、C1、S02就会渗入砖内发生侵蚀,窑皮频繁更替会使砖的结构发生恶化,降低其抗热疲劳的性能”。

而保护好窑皮的前提是热工制度的稳定,因为窑内每次较大的温度波动都会对窑皮造成不同程度的伤害。

热工制度的稳定是各个工艺环节均衡合理控制的综合效果,其中首要的是燃烧过程,只有在煤粉质量,通风设备、控制仪表及喂煤计量系统等各环节都能满足工艺要求的条件下,采用性能优良的燃烧器以求得合理的火焰形状,才能建立起稳定的热工制度,有利于窑皮的保护。由于窑内温度分布合理,不仅可改善窑皮的新陈代谢过程,使窑皮保护厚度均匀平整,还可取得降f—Ca0的效果。较高的燃烧效率不仅可以减少还原——氧化气氛的交替对碱性砖的侵蚀,还可减少碱、硫的二次挥发,减少对碱性砖的化学侵蚀,同时对于杜绝传统回转窑结圈,防止新型干法窑的结皮堵塞和窑内起大蛋也有重要意义。

追求成份合理,质量均衡的生料是稳定热工制度的另一个重要方面。对于新型干法窑,入窑物料分解率的稳定也是保持热工制度稳定的重要环节。

操作人员具有正确的操作指导思想和较高的技术水平也是保持热工制度稳定的条件之一。

5、管理是保证

在明确了碱性砖的特性,使用方法和条件之后,怎样遵循技术规律,抓好使用过程的各个环节的管理则是用好碱性砖,延长使用寿命的保证。

第一要选好供货厂家以确保碱性砖的质量。也应重视产品的包装、倒运、储存过程的管理以防止砖在保管中淋湿,受潮水化和倒运过程中损坏。

第二,是作好碱性砖的砌筑环节的管理,这在“水泥回转窑用耐火材料使用规程”中已有明确的要求。这里强调一点,即回转窑本身已检修试车完毕后才能砌碱性砖,砌完砖到点火升温前再不允许有较多的翻窑。因为火砖表面并不规整,窑一转动砖面之间就要磨合使砖松动,如有较长时间的转窑会使缝隙增大,每环上方的砖就要下沉,这不仅需要处理(处理作业还比较危险),而且不论是加铁板处理还是加砖处理都是减少了用于烘窑期间膨胀补偿的缝隙,增大了烘窑期间火砖热面的膨胀挤压应力,会明显影响使用寿命。

第三要依据《水泥回转窑用耐火材料使用规程》和每台窑的具体情况制定使用制度的细则,例如,用于点火升温的时间和各段升温速度,新砌砖和剩余砖厚分别为150mm、l00mm、80mm的砖,由于热面所承受的挤压力不同应有所区别:有窑皮和无窑皮,窑皮好与不好时,升温速度亦应有所区别,作到既保证升温过程的安全,又尽可能的节省时间。

总之,对于碱性耐火材料来讲,不断地开发、研制新品种、不断地改善性能,制造出优质的砖是全过程的一半;合理的使用,不断地改良使用方法,延长使用寿命是全过程的一半,对于用户来讲,后一半的效益更直接,因此显得更重要。但只有在充分了解碱性砖的各种性能,了解使用过程的条件要求,并努力创造条件满足要求,掌握使用方法,认真加强使用过程的管理,才能取得满意的效果。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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