水泥回转窑.docx
- 文档编号:28603212
- 上传时间:2023-07-19
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:294.07KB
水泥回转窑.docx
《水泥回转窑.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《水泥回转窑.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
水泥回转窑
1.文献综述
1.1研究背景
水泥是我们日常见到的建筑中使用到的主要材料,具有许多其他材料没有的优良性能,例如,与普通塑料相比,水泥不易老化;与钢铁材料相比,水泥不易生锈。
因此,水泥生产工艺和设备的发展进步对于我国建筑行业的发展具有重要意义[1]。
改革开放以来,我国水泥工业迅速发展,水泥产量已连续二十余年居于世界第一。
就水泥生产工艺而言,水泥生产是一种连续性的复杂生产,整个生产过程简单的说是两磨一烧过程,包括破碎、均化、烘干、原料配料、粉磨、煅烧、熟料冷却、熟料配料、水泥粉磨、水泥输送等多道工序,每道工序都有其独特而严格的工艺技术要求。
虽然水泥产量很高,但产品生产方法的构成不尽如人意,造成水泥窑运转率低,其主要原因除了设备故障因素外,各部位的耐火材料不能满足使用要求,经常由于耐火材料更换维修被迫停窑是造成运转率低的另一主要原因。
为了满足水泥工业发展的需求,在我国耐火材料工作者对水泥窑用耐火材料进行了大量系统的开发研究工作,研制了一系列新型耐火材料并且已经成功地应用于各种类型的水泥窑。
我国有大量的水泥回转窑和水泥立窑,其数量之多,居世界之冠。
1.2水泥回转窑
水泥回转窑是将水泥生料煅烧为水泥熟料的主体设备,水泥生料经过脱水、干燥、预热、分解、烧成、冷却几个主要阶段形成水泥熟料。
水泥窑目前主要有两大类:
一类是窑筒体卧置,略带斜度并能作回转运动的称为回转窑也称旋窑,另一类窑筒体是立置不转动的称为立窑。
1.2.1水泥回转窑的发展历史
回转窑最早就是运用在水泥的制作,起初的水泥回转窑十分的简单,其安全性能不够稳定,虽然说它的性能在当时确实不可靠,但是毕竟他的运用比较早发展的速度也比较快到现在已经运用于多个行业了,给国际工业带来巨大的变化,最早的的水泥回转窑是在1824年英国水泥工J阿斯普发明了间歇操作的土立窑。
1883年德国狄茨世发明了连续操作的多层立窑。
这些都是不同回转窑的经常使用方法,回转窑另类使用也可以让回转窑变废为宝利用水泥窑焚烧危险废物、垃圾,这不仅使废物减量化、无害化,而且将废物作为燃料利用节省煤粉,做到废物的资源化。
1885英国人兰萨姆(Ransome)发明了回转窑,在英、美取得专利后将它投入生产,很快获得可观的经济效益。
回转窑的发明,使得水泥工业迅速发展,同时也促进了人们对回转窑应用的研究,很快回转窑被广泛应用到许多工业领域,并在这些生产中越来越重要,成为相应企业生产的核心设备。
它的技术性能和运转情况,在很大程度上决定着企业产品的质量、产量和成本。
“只要大窑转,就有千千万”这句民谣就是对生产中回转窑重要程度的生动描述。
在回转窑的应用领域,水泥工业中的数量最多。
1.2.2回转窑窑衬用耐火材料的配置
所有热工设备都是在高于1000℃下操作,包括水泥工业用设备,因此需要耐火材料内衬保温,并保持温度以抵抗必要的工艺温度的升高。
钢铁工业是耐火材料的主要用户,随后第二位的是水泥工业。
耐火材料内衬要承受水泥回转窑的机械动力、水泥烧结工艺的化学过程及使用的燃料的大范围的破坏性作用,这些作用包括:
(1)由于窑壳变形和温度变化导致的机械负荷;
(2)由于烧结熔融物、碱盐的渗透及局部还原条件所导致的化学负荷;
(3)由于过热所导致的热负荷。
这些应力的强度根据操作条件和窑断面而变化,所以需要选用一定范围的有不同性能的耐火材料以确保适宜的内衬[2]。
一般回转窑各部位内衬用耐火材料如下:
预热带:
该带一般采用磷酸盐结合高铝砖、抗剥落高铝砖、也有采用耐碱砖,窑尾进料口宜采用抗结皮的碳化硅浇注料。
下过渡带:
该带温度相对低,要求砖衬的导热系数小、耐磨;一般都采用抗剥落高铝砖,硅莫砖在性能上也优于抗剥落高铝砖,寿命比抗剥落高铝砖高约1倍,价格是高铝砖的1.5倍左右。
上过渡带:
该带窑皮不稳,要求窑衬抵抗气氛变化能力好、热震稳定性好、导热系数小、耐磨;国外推荐采用镁铝尖晶石砖,但该砖的导热系数大,国内的硅莫砖导热系数小、抗磨,性能一定程度上与进口材料相媲美。
烧成带:
该带温度高,化学反应激烈,要求砖衬抗熟料侵蚀、抗SO3、CO2能力强,环保要求无铬公害,镁铬产品抗SO3、CO2的能力不佳,与熟料反应生成CrO3,造成使用寿命较短,国外一般采用镁铝尖晶石砖,但该砖挂窑皮比较困难,而白云石砖热震稳定性不好,易水化;国外的镁铁尖晶石砖在挂窑皮上效果较好,但造价太高,国内新采用低铬的方镁石复合尖晶石砖使用效果较好。
冷却带:
该带窑皮不稳,温度波动较大,要求砖衬的导热系数小、耐磨、抗热震;国外一般推荐使用尖晶石砖,但尖晶石砖的导热系数大且耐磨性不好,国内近年来多采用抗剥落耐磨砖;窑口部位采用抗热震的浇注料[3]。
1.3烧成带窑衬的损毁机理及对耐火材料的要求:
对众多水泥窑耐火砖的研究表明,在取自下过渡带和烧成带中部的样品中,大约有一半样品存在液相侵蚀的迹象,而且碱盐渗透日益严重,烧成带窑衬的其它磨损机理包括与热机械和隔热有关的问题。
1.3.1液相侵蚀
液相侵蚀,存在于烧成带温度下的液相熟料,随温度梯度迁移时会渗透入耐火砖,接着,熟料液相与耐火砖基体中的硅酸盐相反应,降低了其粘结性。
这样,与渗透砖面较高的密度结合起来,导致耐火砖对机械散裂更加敏感。
水泥窑中较高的热负荷会导致区域过热以及因与含石灰液相反应而导致的镁铝尖晶石的分解。
这种熟料液相腐蚀导致形成低熔融铝酸三钙,并进一步导致耐火砖结构的破坏。
1.3.2碱盐侵蚀
碱盐侵蚀在煅烧过程中,通过所喂的原料或燃料而带入的挥发性碱盐会在烧成带挥发,并随窑内废气到达窑尾。
它们也会随温度梯度径向迁移并渗透入耐火砖结构中,直到它们互相反应生成在750℃~1100℃之间会固化的碱盐。
碱盐沉淀后趋向于填充孔隙并使耐火砖更加易碎和易于热冲击。
1.3.3热机械磨损
热机械磨损机理,在大直径高产量水泥窑中,如窑筒体扭曲和熟料腐蚀等热机械磨损机理增加,烧成带筒体直径大于4m的窑称为大直径窑,这种窑因热机械磨损而降低了窑衬性能[4]。
因此,烧成带和过渡带用砖必须满足以下要求[7]:
(1)具有挂窑皮的优良性能,易于挂好并维护好稳定的窑皮;大型回转窑内火焰温度达1700℃以上,即使在小型窑内火焰温度也高达1600℃。
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/m·K,而碱性砖的导热系数为2.67~2.79W/m·K,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℃,热面层的热膨胀率只有0.6%~0.7%,而无窑皮保护时耐火砖热面层的热膨胀率可达1.5%,后者造成窑衬内温度差应力可达60~70MPa,超过耐火砖的强度,导致耐火砖的开裂和窑皮的剥落。
(2)具有良好的热震稳定性能;耐火材料的热震稳定性随它的导热系数(λ)和力学强度(σ)的增加而增加,随它的热膨胀系数(α),弹性模量(E),比热(c)和体积密度(γ)的增加而降低,即:
K=λσ/(cγaE)。
耐火砖的热膨胀系数和弹性模量是其本身所决定的,因此必须设法适当地提高耐火砖的强度来提高砖的热震稳定性。
(3)具有良好的抗化学侵蚀能力;
(4)常温力学强度和高温结构强度高;
(5)具有正确的砖型,砖外观规整,尺寸公差小;
(6)产品质量稳定;
(7)导热系数和热膨胀系数低;
(8)低铬或无铬,减小铬公害;
(9)良好的抗水化性能。
1.4水泥窑中所使用的硅莫砖
1.4.1硅莫砖的由来
硅莫砖是以莫来石(3A1203.2Si02)和碳化硅(SIC)为主要矿物组成的烧成砖。
其特点是既有莫来石的抗高温性能又具备碳化硅的耐磨耐腐蚀、导热性能好等优点。
上世纪80年代兴建宝钢时,从新日铁引进的外型像鱼雷罐的容器内所砌的耐火材料就类似现在的硅莫砖。
实际上是硅酸铝制品的改性材料,铁水罐原用材料是以高铝为主的耐火砖,在钢铁行业的技术进步中,为TN快炼钢速度,事先在铁水罐中加入一定量的氧化钙(Ca0)进行所谓预处理。
这样罐内的耐火材料既要承受铁水的高温侵蚀又要抵抗强碱性腐蚀,显然高铝材质顶不住了,于是在高铝材质中加上适量的碳化硅就形成了一个新的品种,冶金行业把它称为硅酸铝结合碳化硅的烧成砖。
上世纪九十年代开始,新型干法炉外分解水泥窑炉在国内得到迅速推广,这种先进的生产方式给耐火材料带来了极为苛刻的要求,大型水泥回转窑的热力强度和转速提高后,在过度带承受的温度也达到1400"C,而且温度变化频繁,后过渡带又处在轮带附近,承受较强的机械应力,很不容易挂好窑皮,而且从工艺角度看该段带也不宜挂窑皮,但由于热应力和机械应力的作用,造成该部位的耐火材料的使用寿命往往比烧成带还短,成为全窑的薄弱环节,所以原来在该段带配置的高铝砖不符合使用要求。
因此上世纪九十年代起中国建材研究院对提高高铝材质的热力强度、耐磨性、抗腐蚀和提高热震稳定性进行深入研究。
主攻方向还是在高铝材质中加入碳化硅等外加剂和添加物。
通过新的T艺,生产出适应该段带使用要求的新品种,在逐步推广应用中,硅莫砖作为一个商品名称应用于水泥回转窑。
随着研究的深入和产业化的迅速发展,现在已有多家耐火材料厂生产各种牌号的硅莫砖。
1.4.2硅莫砖的技术性能
随着硅莫砖工艺技术的进步,其制品的质量得到显著提高,技术性能也有大幅度提高。
为了适应水泥回转窑不同部位的使用条件,硅莫砖也由过去的单一品牌发展为多个品牌,具有代表性的理化指标。
(1)制品结构致密,耐磨性好。
硅莫砖主晶相由硬度高的矿物刚玉(莫氏硬度9.0~9.2)、碳化硅(莫氏硬度9.0~9.5)、莫来石(莫氏硬度7.0~7.5)组成。
制品结构致密度高,体积密度普遍在2.7~3.0g/cm3根据文献[8],耐火材料的常温耐磨性能取决于其强度和结构的致密性,强度和致密度高的材料,耐磨性能较好。
水泥回转窑内衬长期受物料的滚动磨擦,磨损是耐火材料内衬损毁的主要原因之一。
硅莫砖的致密度、强度及耐磨性显著优于抗剥落高铝砖及镁铝尖晶石砖。
硅莫砖在水泥回转窑次烧成带、过滤带等部位使用效果好,可以说耐磨性好起了很重要的作用。
(2)荷重软化温度高,高温性能好。
硅莫砖的荷重软化温度都在1450℃以上,最高1650℃以上。
不同品牌的制品荷重软化温度有一定差异(见表2)。
水泥回转窑内衬的不同部位砖面温度不同,次烧成带、前过渡带温度达1400℃左右,高于烧成带砖面温度(因烧成带有窑皮保护,砖面温度为900~1000℃)。
因此次烧成带、前过渡带可选择HMS-1680牌号,而后过渡带、冷却带等温度较低部位可选择HMS-1650、HMS-1550等牌号。
就这些砖的荷重软化温度指标也都超过经常使用的抗剥落高铝砖和磷酸盐高铝砖(荷重软化温度为1300~1520℃)。
与烧成带相比,过渡带由于没有窑皮保护,容易受到还原气氛和热负荷等的影响,其使用寿命一直是水泥回转窑的瓶颈问题,因此一些水泥厂在过渡带采用镁铝尖晶石制品。
根据某厂5000t/d大型水泥回转窑过渡带用镁铝尖晶石砖研究得出[5]:
前过渡带用镁铝尖晶石砖基本无侵蚀,可是由于碱沉积在开口气孔中,使结构致密化,造成同一块砖形成不同段带,而使砖热面剥落和产生裂隙,造成内衬损毁。
而硅莫砖由于本身结构致密,特别砖面形成连续的SiO2致密层,阻止熔融物质渗透,加之Al2O3、SiC、SiO2化学性质稳定,不与窑内产生的SO2、O2、CO2等气体发生剧烈反应,不与水泥物料产生化学反应,因此抗侵蚀能力较强。
其次是硅莫砖的热震稳定性好。
由于硅莫砖中含有一定量的SiC,众所周知,SiC热导率高,热膨胀系数比较小,使制品的热震稳定性显著提高,1100℃水冷试验都在10次以上,最高达46次,因此水泥回转窑用硅莫砖不剥落、不断裂,能显著提高使用寿命。
(3)降低窑体温度,隔热性能好。
硅莫砖的热导率〔2.3~2.5W/(m·K)〕较碱性制品〔2.69~2.74W/(m·K)〕低[6],硅莫砖的隔热效果比较好。
在大型回转窑的次烧成带、过渡带、预热带、窑尾、三次风管、分解炉等部位用硅莫砖,与碱性砖相比,筒体表面温度降低100℃以上。
1.4.3硅莫砖在水泥回转窑的应用
我国生产的硅莫砖,在国内自行设计的2000~10000t/d大型水泥回转窑上得到了广泛应用。
据了解,有的窑筒体除了长约20m的烧成带用直接结合镁络砖、前后窑口各0.8m左右用浇注料外,全部采用硅莫砖(图3)。
图3水泥回转窑
烧成带的后部,所谓的次烧成带,一般与烧成带一样,用直接结合镁络砖,但窑皮很难稳定。
由于镁络砖热震稳定性差,抗磨强度低,砖与窑皮结合部分易随窑皮剥落,影响该段的使用寿命,而硅莫砖由于热震稳定性好,使用过程不断裂,不剥落,抗侵蚀,使用寿命明显延长。
例如:
浙江余姚舜江水泥公司2500t/d水泥回转窑21.55m~24.955m原用直接结合镁铬砖,使用寿命310d,改用硅莫(AZM1650),使用寿命达410d;安徽淮北矿业集团2500t/d水泥回转窑次烧带原用镁铝尖晶石砖,过渡带原用抗剥落高铝砖,在一年内抢修换砖多达3次,最短的在三个月就出现红窑。
而重新配置窑衬,次烧成带改用硅莫砖1680,过渡带为硅莫砖1650,窑的使用寿命长达15个月。
水泥回转窑过渡带的砖面温度在1400℃左右,预热带、冷却带等部位的温度比过渡带要低,就是烧成带受窑皮保护,砖面的温度也不高,硅莫砖的荷重软化开始温度在1500℃以上,特别是制品结构致密,由硬度高的矿物、刚玉、碳化硅、莫来石组成,耐磨性特别好,是过渡带的理想砖种。
耐压强度和荷度软化温度明显高于抗剥落高铝砖,其热震稳定性、抗腐蚀性、耐磨性好、热导率不高,正是后过渡带工艺特性所要求的,使用寿命是抗剥落砖的1.5~2倍[7]。
耐磨性好更适合冷却带,使用寿命可达两年以上,是高铝砖寿命的3~5倍。
现在已经按回转窑不同段带的使用条件,应用不同牌号性能不同的硅莫砖。
此外,高铝碳化硅砖在钢铁、有色金属、化工等部
门也广泛应用。
2.实验方案设计
2.1实验原料
试验中所用原料有特级矾土骨料、细粉,α-Al2O3,SiC,广西白泥,硅微粉,磷酸铝粉。
磷酸二氢铝,具体配方如下表:
表2实验样品配方及分组
原料
粒度/mm
百分含量(%)及实验分组
1
2
3
4
5
6
特级矾土骨料
5-3
20
20
20
20
20
20
3-1
30
30
30
30
30
30
1-0
5
5
5
5
5
5
特级矾土细粉
200目
23
23
23
18
18
18
α-Al2O3
-
4
4
4
4
4
4
SiC
1-0-
10
10
10
10
10
10
广西白泥
8
8
8
8
8
8
硅微粉
0
0
0
5
5
5
磷酸铝粉(外加剂)
1
2
3
1
2
3
磷酸二氢铝(结合剂)
3
3
3
3
3
3
2.2实验过程
2.2.1试样制备
(1)配料。
按照实验配方,各混料2000g。
在配料过程中注意骨料和细料分别放在两个袋子中。
按不同的配方,做好标记。
(2)混料。
在搅拌之前可以先预混。
再按加料顺序:
骨料→结合剂→细粉,加到搅拌机中,搅拌180s。
(3)压样。
将混合料在150Mpa条件成型为50mm×50mm样6个(每个样称重285g左右)。
(4)烧成。
试样经埋炭(焦炭)处理后,在1400℃条件下烧结3h。
(即在还原气氛下烧成)
2.2.2式样检测
试样烧结后,测量其体积密度、显气孔率、后切成粒状样测量其孔径分布
2.2.3测试与表征
(1)容重、体积密度、显气孔率的测试
本实验采用XQK-2A直接测量试样的的容重,采用阿基米德法测试试样的体积密度、显气孔率。
(2孔径分布采用压汞法测得试料(将试样切成2mm粒状样)中的孔径分布。
3.结果与讨论
实验结果数据处理图如下:
图3各组实验样品的孔径分布折线图
图4随着磷酸铝加入量的改变,试验样品小于10μm孔隙体积的变化折线图
图5随着磷酸铝加入量的改变,试验样品显气孔率的变化折线图
图6随着磷酸铝粉加入量的改变,试验样品平均孔径的变化折线图
体积密度
气孔率/%
透气度*10-16m2
平均孔径
<10um/%
S0P1
2.7116768
19.5
3300
13087.5
46
S0P2
2.7013968
19.1
2200
15264.7
43.3
S0P3
2.6831474
19.2
2285
13355
45.7
S5P1
2.6674139
18.4
2510
11476.2
49.5
S5P2
2.6746475
18.3
2170
10491.5
52.7
S5P3
2.69387
18
1835
10771.5
51.8
3.1体积密度与孔径的关系
如图3所示为六组硅微粉和磷酸铝微粉加入量不同的试验小组,空隙量与孔径大小的关系,孔径很小不大于1um时,6组实验的空隙量都很小,而且相互之间差别不大,孔径在10um以下时,6组实验都是随着孔径的增大,空隙量也随之增大,孔径在13um左右时空隙量最大。
3.2孔径与硅微粉关系
如图4,在未加入硅微粉时,孔径随磷酸铝粉含量的增加呈现先变大后变小的变化趋势,而且孔径大小都保持在13um以上,在磷酸铝粉含量为2%时达到最大;加入5%的硅微粉后,孔径值相比未加入硅微粉时明显变小,而且孔径和磷酸铝粉含量的关系与未加入硅微粉时表现出相反的变化趋势,在2%时孔径最小约为10um,由此可知,硅微粉的加入能够大大改善制品的显微结构,降低微孔孔径,提高制品的强度等性能。
3.3气孔率与硅微粉的关系
如图5,在未加入硅微粉时,气孔率很大在19%以上,而在加入5%的硅微粉后,气孔率明显降低而且是随着磷酸铝微粉含量的增加而降低在磷酸铝粉含量为3%是达到最低接近18%,由此可知硅微粉的加入能明显降低制品的气孔率。
3,4孔径分布与硅微粉的关系
如图6,未加入硅微粉时,孔径在10um以下的气孔所占比例小,随着磷酸铝微粉的增加而先减小在增大在磷酸铝粉含量为2%时最小约43%,而在加入硅微粉之后,孔径分布变化与未加入硅微粉时相反,随磷酸铝粉的增加小于10um的气孔含量先增加后降低,但相比未加入硅微粉时还是增加了很多,其中在磷酸铝粉含量为2%时最大接近53%,而我们知道,孔径小的比例越大制品性能越好越稳定。
4结论
硅微粉加入莫来石制品中能降低气孔孔径,降低气孔率,还能提高孔径<10um的气孔含量,使制品内裂纹变成微裂纹提高制品的强度和热震稳定性,大大改善制品的性能,对水泥回转窑的生产有重大意义。
参考文献
[1]高成辉著.非晶态合金镀及其镀层性能.北京科学出版社2004253-257页
[2]李皙萍编译.水泥回转窑及其耐火材料内衬.国外耐火材料,2005,30(4):
22~23页
[3]孙成林.水泥回转窑耐火材料的配置.中国水泥,2004:
49
[4]孙华琦等编译.水泥窑烧成带窑衬的革新.国外建材科,1998,9(3):
42~43
[5]师素环,王宝玉,蒋明学,等.大型干法回转窑过渡带用镁铝尖晶石砖损毁机理[J].耐火材料,2006(6):
419-422.
[6]徐平坤,等.耐火材料新工艺技术[M].北京:
冶金工业出版社,2005.
[7]李成元,何文明,等.预分解窑烧成系统耐火材料的选
用[J].新世纪水泥导报,2005
(2):
34-37.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 水泥 回转