回轉(zhuǎn)窯各部位耐火磚承受的應(yīng)力分析
回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的工況是：燃料燃燒火焰溫度高達(dá)1800-2000℃，窯內(nèi)高溫?zé)煔馀c窯料進(jìn)行熱交換，出窯煙氣溫度降至1200℃左右，入窯物料溫度約900℃，逐步加熱至1400℃以上，窯料中的不同成分在此過程中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成熟料。近年來，隨著窯的產(chǎn)量增加，窯速逐步增高，國外新投產(chǎn)的窯有的高達(dá)5-5.5r/min。在此過程中易造成高溫金屬筒體變形而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。
回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度高，化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，且窯料以較快速度運行，因此回轉(zhuǎn)窯內(nèi)火磚的使用壽命受到影響，成為燒成系統(tǒng)更換最為頻繁的部位。國內(nèi)大型預(yù)分解窯內(nèi)火磚運轉(zhuǎn)較好的為一年左右，一般為8-10個月，在一些尚未正常的生產(chǎn)線不超過6個月，個別窯不到2個月?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)耐火磚因承受高的熱應(yīng)力、熱化學(xué)侵蝕、熱機(jī)械應(yīng)力，質(zhì)量要求嚴(yán)格且價格昂貴，窯內(nèi)耐火磚的應(yīng)用是水泥生產(chǎn)廠和耐火磚廠家關(guān)注的焦點，為減少耐火磚的消耗，以下將窯內(nèi)各部位耐火磚承受的應(yīng)力作一介紹。
1.分解帶
近年來，預(yù)熱器系統(tǒng)分解爐的功能越來越完善，入窯物料的分解率越來越高，窯內(nèi)分解帶的功能越來越少，分解帶的長度呈現(xiàn)縮短的趨勢。帶內(nèi)襯磚所承受的熱應(yīng)力不高，一般煙氣溫度小于1350℃，而窯料溫度高于900℃，此帶已有少量C2S生成，帶內(nèi)耐火磚所承受的化學(xué)應(yīng)力主要有：入窯物料含有少量的堿氯化合物及堿硫化合物的熔體和煙氣對襯磚產(chǎn)生化學(xué)侵蝕。減緩化學(xué)侵蝕的主要方式是盡量減少生料、燃料中的堿、氯、硫的含量，配用既能承受此工況溫度，又能承受堿侵蝕的襯磚，同時還需考慮此部位溫度較高，應(yīng)盡量減少筒體散熱損失，較為合適的品種是既抗堿侵蝕，且熱導(dǎo)率較低的抗剝落高鋁耐火磚。若生料、燃料中堿氯硫化合物的含量嚴(yán)重超標(biāo)時，可采取放風(fēng)除堿，減少其含量，相應(yīng)減少結(jié)皮及化學(xué)侵蝕。
2.過渡帶（上過渡帶后端）
從分解帶來的已完全分解的窯料進(jìn)入過渡帶，此時物料溫度增加很快，熔體僅有少量出現(xiàn)，C2S大量生成，當(dāng)溫度上升至約1300℃時，出現(xiàn)熔融熔體，進(jìn)入熔體燒成帶（上過渡帶前端）。
進(jìn)入過渡帶的窯料，仍含有少量堿氯化合物及部分堿硫化合物，隨著溫度進(jìn)一步升高，堿氯化合物進(jìn)一步分解揮發(fā)。當(dāng)燃燒出現(xiàn)不完全時，窯氣和窯料中含有的CO和C易使熟料中的硫酸鹽分解，生成的SO2隨煙氣后逸，與碳酸鈣分解的CaO或堿的氧化物作用，生成低熔融溫度的化合物。這些化合物之間形成熔融溫度較低的復(fù)合化合物與已分解且已完成固相反應(yīng)的窯料一起，在過渡帶后部開始并延伸至分解帶，黏結(jié)在襯體上，形成長厚窯皮（俗稱后窯皮）和結(jié)圈（俗稱后結(jié)圈）。后結(jié)圈形成一定的高度時，圈后的窯料就難于向前進(jìn)行，在窯的運轉(zhuǎn)過程中，窯料翻滾逐步形成大塊。后結(jié)圈的高度越高，則大塊越難先前運行，
在此過程中越滾越大，在翻動的過程中對窯產(chǎn)生震動。此時分解帶內(nèi)的襯磚不僅承受嚴(yán)重的低熔融體的窯料的硫堿化學(xué)侵蝕，還承受回轉(zhuǎn)窯在運轉(zhuǎn)過程中窯料和窯氣溫差造成的熱震及氧化還原負(fù)荷，更為嚴(yán)重的是在窯尾出現(xiàn)大塊窯料時的機(jī)械震動和磨蝕。進(jìn)入過渡帶的煙氣溫度可能超過1600℃，窯料溫度一般低于1300℃，該部位所承受的化學(xué)侵蝕與窯料中的堿硫含量有關(guān)，含量越高，則化學(xué)侵蝕越嚴(yán)重。此外，該部位正處在第三擋拖輪前，煙氣溫度較高，正常操作時沒有窯皮，筒體散熱較大，金屬筒體受熱變性產(chǎn)生橢圓度應(yīng)力。 綜合上述情況，該部位選用荷軟溫度超過1600℃、抗堿硫侵蝕且熱導(dǎo)率較低的耐火磚為宜。
3.熔體燒成帶
當(dāng)窯料溫度逐步上升至1300℃時，窯料熔融，大量熔體進(jìn)入熔體燒成帶。一些熔體和窯料一起，黏結(jié)在窯內(nèi)耐火磚表面形成窯皮，但因溫度稍低，所形成的熔體黏度難于將窯料大量掛在火磚表面上，形成時坍時掛的不穩(wěn)定窯皮。隨著窯料逐步升溫，窯料黏度則越來越適合掛窯皮，窯皮的厚度也越來越厚，坍落的次數(shù)也越來越少，當(dāng)窯皮在耐火磚表面形成均勻的窯皮時，則進(jìn)入最高溫度燒成帶。
熔體燒成帶處在窯的中部，也就是三擋窯中間一擋托輪的部位，該部位煙氣溫度在1700℃左右，窯料溫度在1300℃以上，一般配置高的荷軟溫度且抗窯料熔體侵蝕的火磚。此類火磚一般致密，且熱導(dǎo)率高，當(dāng)窯升溫時，筒體升溫較快，以至于筒體膨脹量超過與輪帶之間設(shè)計預(yù)留的間隙量，造成輪帶壓迫筒體，產(chǎn)生永久性變形，形成橢圓形，對襯磚產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)械應(yīng)力。
該部位耐火磚處在高溫部位，不僅承受窯運轉(zhuǎn)時形成的窯料和窯氣之間溫差形成的熱震應(yīng)力，還要承受窯皮時漲時坍對耐火磚造成溫差變化產(chǎn)生的熱震應(yīng)力。該部位處在火焰高溫部位的前端，少量未完全燃燒的燃料沉積在該部位的窯料上，隨窯旋轉(zhuǎn)埋在高溫的窯料內(nèi)在缺氧的狀況下不完全燃燒，易使硫堿化和物分解，加劇了耐火磚的化學(xué)侵蝕和氧化還原作用。熔體燒成帶的耐火磚處在高的煙氣、物料溫度下，缺少窯皮保護(hù)，此部位襯磚所承受的熱機(jī)械應(yīng)力及熱化學(xué)應(yīng)力均處在高負(fù)荷下，選擇耐火磚時應(yīng)予注意。
4.最高溫度燒成帶
此部位處在窯的最高溫度部位，火焰溫度最高可達(dá)2000℃，窯料溫度從1350-1400℃以上的熟料形成溫度，由于物料溫度高，形成厚的窯皮以保護(hù)耐火磚，此外，窯料中97%的堿氯化合物揮發(fā)，堿硫化合物視煙氣還原狀況及溫度決定其分解及揮發(fā)量。
襯磚內(nèi)有窯皮保護(hù)，但窯皮是隨原料性能和燃料性能及煅燒情況而變化的，帶內(nèi)襯磚不僅承受窯皮內(nèi)熔體成分的熱化學(xué)侵蝕，還需承受窯皮時坍時垮引起的熱震應(yīng)力。燒成帶由于有窯皮保護(hù)，在溫度作用下，窯皮中的熔體成分滲入耐火磚空隙內(nèi)，與耐火磚成分作用，生成新的化合物，這些化合物的熔融溫度低，且體積膨脹，易使耐火磚損壞，總體來說帶內(nèi)耐火磚所承受的應(yīng)力低于兩端耐火磚所承受的應(yīng)力。但是一些窯料中的不易磨細(xì)且不易煅燒的SiO2，易造成該部位高溫，促使襯磚承受的熱化學(xué)應(yīng)力大幅增加，使用壽命大幅降低。但不論出現(xiàn)何種工況條件，燒成帶部位的耐火磚必須具備較強(qiáng)的掛窯皮性能。
5.冷卻帶
此帶熟料冷卻固化，離窯進(jìn)入冷卻機(jī)。冷卻帶的工況變化較大；若熟料內(nèi)堿硫成分及氧化鎂含量較高，在合適的溫度下，所形成的窯皮致密，熱導(dǎo)率高，易使筒體溫度過高而變形，對襯磚產(chǎn)生較大的橢圓度變形應(yīng)力。若熟料內(nèi)粉塵含量較高且隨二次空氣返回窯內(nèi)，易對襯體產(chǎn)生磨蝕。若冷卻帶部位沒有窯皮保護(hù)，則熟料對襯磚的磨蝕尤為嚴(yán)重。綜合上述，帶內(nèi)襯磚除承受高溫氣流及熟料熱應(yīng)力外，更多地要承受高溫含塵氣流和熟料固化后的磨蝕，以及熟料中的熔體與硫堿化和物熔體的侵蝕，此處還有高溫筒體變形帶來的橢圓度應(yīng)力。
在生產(chǎn)時，若將燃料器端面設(shè)置在窯口，當(dāng)燃燒器變形向下彎曲時，易出現(xiàn)未完全燃燒的煤粉沉積在熟料面上，煤粉燃燒將進(jìn)一步提高熟料表面溫度，而使窯口結(jié)圈，影響通風(fēng)，進(jìn)一步加重窯內(nèi)還原氣氛，影響生產(chǎn)及對窯內(nèi)襯磚產(chǎn)生化學(xué)侵蝕。冷卻帶處在窯筒體的最低部位，為防止窯內(nèi)耐火磚在運行中下滑，在前段設(shè)置擋磚圈。預(yù)分解窯轉(zhuǎn)速高，相應(yīng)增大擋磚圈部位的機(jī)械應(yīng)力，此外冷卻帶處在窯口，筒體受熱易變形，再加上該部位處在第一擋輪帶部位，易形成筒體橢圓應(yīng)力。綜合上述，冷卻帶耐火磚是回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯磚承受熱應(yīng)力、熱化學(xué)侵蝕、熱機(jī)械應(yīng)力最高的部位。
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