活性石灰回转窑整体配套耐火材料研发与应用

摘 要：介绍了活性石灰回转窑生产系统用耐火材料应用现状、功能耐火材料新产品研发及应用。通过功能型新材料研发和整体结构设计，优化该系统耐火材料内衬配置，解决活性石灰系统关键部位和易损部位耐火材料现有问题，使之各个部位耐火材料内衬使用寿命基本同步，减少停窑检修次数，有效延长窑炉使用寿命，提高生产作业率，降低能源消耗，提高资源综合效率。

活性石灰回转窑主要应用于钢铁、铁合金、氧化铝及电石行业用活性石灰和轻烧白云石。活性石灰回转窑煅烧系统主要设备包括预热器、转运溜槽、回转窑、燃烧装置、冷却器等设备，整套系统设备操作可靠，自动化程度和劳动生产率高，产品质量好。

活性石灰生产线耐火材料使用过程中存在着高温段侵蚀严重，容易发生掉砖，塌窑等现象，回转窑高温段、窑口、转运溜槽等关键部位内衬使用寿命短、寿命不均衡、作业率低及能耗高，制约了该设备优势的发挥，严重影响活性石灰的质量和产量。根据活性石灰回转窑耐火材料损坏机理，从新材料研发、砌筑结构优化、节能降耗等方面对耐火材料进行集成优化设计和全面研究，突破行业界限、关键技术，先后研发了系列配套功能耐火材料及整体解决方案，该整体解决方案长寿、高效、稳定、安全运行，节能降耗。

1 耐火材料应用现状

回转窑、预热器和冷却器耐火材料内衬对设备运行起着关键作用，耐火材料的损坏直接影响整个生产线的正常运行和设备寿命。目前，活性石灰回转窑耐火材料应用主要存在高温段侵蚀严重的问题，容易发生掉砖、塌窑，且窑口、分仓隔墙、转运溜槽等关键部位内衬使用寿命短，寿命不均衡。

1.1 回转窑用耐火材料

传统石灰回转窑砌筑常采用镁铝质烧成砖或不烧砖砌筑结构，该材料及砌筑结构导热系数高，回转窑筒体外表温度在300℃以上，能耗极高。该砌筑结构不稳定，常出现抽签、剥落、掉砖甚至坍塌现象，具有极大的安全隐患。国内不少石灰生产线投产不到3个月即发生塌窑事故。回转窑窑口部位冷热交替频繁，物料持续撞击与冲刷，使该部位耐火材料经常出现剥落现象，进而破坏钢构件，需要经常进行停窑检修。

1.2 转运溜槽用耐火材料

传统转运溜槽及下料漏斗部位采用低水泥浇注料整体浇注或小砖砌筑结构，难以达到烘烤条件，强度低、耐磨性差。该部位物料持续撞击与冲刷，使该部位耐火材料经常出现剥落现象。

1.3 预热器用耐火材料

大部分预热器料仓、分仓隔墙采用浇注料现场浇注施工，预热器内部结构较为复杂，空间狭小，现场支模施工困难，浇注料流动不到位，容易造成的空洞现象。因此，施工时常通过增加加水量来提高浇注料的流动性，但是加水量的增加会大大降低材料的耐磨性，直接影响到浇注料的使用性能，造成该部位耐火材料的使用寿命较短，满足不了使用要求，影响生产率。

2 生产工艺对耐火材料的影响

活性石灰回转窑生产工艺操作的稳定性、科学性是保证耐火材料使用寿命的重要因素，火焰燃烧、煤粉质量及烧嘴、转子称等设备因素均会产生重大影响，甚至能成为耐火材料损坏的直接因素。

2.1 火焰燃烧

回转窑活性石灰煅烧工艺需要的热量大部分是通过火焰辐射进行传递，火焰的温度和形状极为重要，火焰燃烧形状对耐火材料使用寿命有重大影响。正常的火焰形态应该在窑内呈柳叶形，均匀对物料进行煅烧。如果燃烧呈现团状，直接在耐火材料表面燃烧，会形成局部温度过高，造成回转窑耐火内衬局部坑状熔蚀（见图1）。

2.2 煤粉质量

煤粉粒度较大，未能在规定的部位充分燃烧，未充分燃烧的煤核在重力和烧嘴旋风的作用下落至耐火材料表面继续燃烧，造成材料局部高温，高温状态下煤核中的杂质低融物与材料发生反应，进而损坏耐火材料。

图1 局部坑状熔蚀形貌图

煤粉水分大，水分是燃烧过程中的有害物质之一，它在燃烧过程中吸收大量的热量，造成燃烧波动大，产生大量气体，回转窑内压力波动大，是产生正压原因之一，影响回转窑内部温度分布及稳定性，造成耐火材料剥落或者熔蚀。

挥发分对燃烧的影响，挥发分小，火焰燃烧速度慢，火焰长度就会变长，高温段就会向后移动，挥发分大，燃烧速度快，高温段就会集中在回转窑前段，造成耐火材料熔蚀。

长时间煤粉粒度、水分、挥发分等质量波动，煤粉爆燃产生局部高温，在回转窑高温段造成坑状连续熔蚀（见图2）。

图2 坑状连续熔蚀形貌图

2.3 频繁停窑

频繁停窑和快速升降温使窑内耐火材料承受较大的剪切应力，导致材料内部产生裂纹，对材料造成隐性伤害，叠加回转窑旋转产生的周期性应力，在频繁的内部应力作用下，材料强度逐步衰减。窑体在运行时成椭圆形，窑体转动时耐火材料制品与窑体钢构之间、耐火材料制品之间产生应力，当材料本身强度受热震破坏后不足以抵抗应力时，便会产生材料成块剥落的现象。

2.4 设备因素

(1）烧嘴

由于火焰长度较长，如烧嘴位置发生稍许偏移就会使火焰末端产生较大偏移，有可能造成火焰直接喷向窑体材料的情况，导致局部耐火材料持续受到火焰的烘烤，造成局部温度过高，产生回转窑耐火内衬环状熔蚀（见图3）。烧嘴长时间没有维护或者结构不合理，燃烧不稳定，造成温度波动窑内压力波动，影响耐火材料的使用寿命。

图3 耐火内衬环状熔蚀形貌图

(2）转子秤

转子秤计量不准确，造成煤粉单位时间供应量波动比较大，从而影响燃烧的稳定性，造成温度波动窑内压力波动，影响耐火材料的使用寿命。

3 功能耐火材料的研发与应用

根据耐火材料损坏机理及活性石灰生产工艺状况，通过研发功能耐火材料，优化耐火材料材料内衬配置，解决活性石灰系统关键部位和易损部位耐火材料现有问题，使之各个部位耐火材料内衬使用寿命基本同步，减少停窑检修次数，有效延长窑炉使用寿命，提高窑炉生产作业率。

通过对用后耐火材料进行电镜扫描分析，研究回转窑高温段有关耐火材料损坏情况及机理，根据不同损坏机理结合工况条件，先后研发镁铝尖晶石浇注料、铬刚玉尖晶石复合浇注料、钢纤维增强刚玉莫来石复合浇注料等使其具有耐高温、抗碱侵蚀及物料冲刷功能，解决耐火材料侵蚀严重、内衬寿命短的问题。镁铝尖晶石浇注料及预制砖，具有抗剥落功能，解决普遍存在的回转窑剥落影响生产顺行问题。并对低硫石灰、低生烧石灰煅烧工艺及对耐火材料侵蚀机理进行研究，提高耐火材料对低硫石灰煅烧工艺的适应性，进一步延长低硫石灰、低生烧石灰回转窑内衬使用寿命。

3.2 转运溜槽、窑口等关键部位耐火材料

转运溜槽、窑口部位耐火材料物料冲刷严重，通过研究损坏情况及机理，采用超微粉技术、凝聚结合技术、断裂增韧技术、钢纤维增强技术以及原位反应技术,充分发挥了莫来石相的耐急冷急热性和刚玉相的高温耐磨性，具有体积稳定性好、热震稳定性强、耐侵蚀、耐冲刷、强度大等特点。开发的窑口专用料具有强度大、耐磨损、耐侵蚀等特点，使用寿命2年以上（见图4）。

图4 窑口部位耐火材料形貌图

3.3 高耐磨耐火材料

采用耐磨性极好、热震性良好的高纯原料，通过合理搭配，利用流变学原理、最紧密堆积理论、凝聚复合技术、增韧技术和超细粉技术，主要研究结合剂的选择与加入量对高强耐磨材料的性能及组织结构及耐磨性能的影响，特殊添加剂、颗粒级配对流动性能的影响，助烧剂的选择及对耐火材料耐磨性能的影响，研究开发高耐磨浇注料，在预热段上使用寿命延长2～3倍。

3.4 高强度喷涂料料及喷涂修复技术

关于高强度喷涂料及喷涂修复技术，针对活性石灰回转窑的特点，通过材料选型及颗粒级配优化，研制开发高强度喷涂料及喷涂修复技术（见图5），对耐火材料内衬进行修复，延长耐火材料使用周期。在多家石灰生产系统回转窑应用，可延长使用寿命2～4个月。

图5 回转窑内衬喷涂现场图

3.5 快速烘烤防爆技术

优化材料结合系统，使材料具有可快速烘烤的特点，同时在使用过程中，各个温度段均保持高强度，高耐磨性。该材料适合于短时间临时检修，比常规浇注料烘炉时间节约一半以上。

4 综合砌筑结构优化与改进

通过对活性石灰回转窑生产线耐火材料内衬整体设计，对砌筑结构进行优化与改进，大幅提高了易损部位的使用寿命，耐火材料内衬寿命均衡，提高了耐火材料内衬的整体使用寿命，提高设备作业率，降低设备能耗。

4.1 回转窑

通过和客户技术人员充分交流及实地考察，针对活性石灰工程耐火材料进行详细分析，对新型耐火材料品种进行推广应用，同时积极进行砌筑结构改进。回转窑窑衬砌筑采用预制砖和浇注料的综合砌筑（图6），根据回转窑直径及工况条件，沿圆周方向等分为若干等份，每一份砌筑预制砖和浇注料各一条，保温层采用陶瓷纤维，整体解决方案长寿、节能、安全、高效。

图6 回转窑综合砌筑现场图

(1）长寿：正常使用条件下，高温段质量寿命2年以上，低温段寿命3年以上。在中天钢铁1 000 t/d白灰回转窑上使用3年后高温段仍有220 mm,低温段原砖厚度。 (2）节能：正常使用条件下，窑皮温度在220℃以下，有效节约能源10%以上。 (3）安全：整体性好、不剥落、不坍塌。 (4）高效：20 d即可完成整条窑砌筑。 (5）生烧率低，石灰产量、质量高：该砌筑结构设置扬料砖，起到翻料、杨料和推料作用，促使石灰的充分、均匀干燥和预热，降低了石灰的生烧率，提高了石灰的质量和产量。

4.2 推料平台

推料平面采用隔热砖、黏土砖、铬刚玉耐磨砖分层综合砌筑结构，隔热砖紧贴炉体砌筑，然后砌筑一层黏土砖，最上层的工作层采用铬刚玉耐磨砖，推料平面不能砌砖部位焊接锚固钉采用铬刚玉耐磨浇注料浇注。使用该方法砌筑推料平台的耐磨性好，维修更换方便、快捷。

4.3 下料漏斗

下料漏斗采用专利技术（一种竖式预热器砌筑式下料漏斗及其竖式预热器，专利号：CN202020755541.6），该技术方案采用下料漏斗预制砖、铬刚玉耐磨砖混合砌筑的方式。预制砖焊接于设备上，可有效防止因振动和变形造成耐火材料脱落的发生，根据设备形状特征，设计组合预制砖，能够有效释放热应力和机械应力，预制本身经过预制成型、烘烤，耐磨损、耐冲刷、耐侵蚀，使用寿命有较大提高。

4.4 转运溜槽体

溜槽体采用砖料混砌的结构形式，溜槽体斜平面、两侧斜面用溜槽预制砖焊接砌筑在钢板上。溜槽预制砖之间的空隙采用铬刚玉耐磨砖填充。溜槽体上不能焊砖也不能填充铬刚玉耐磨砖的部位及舌头部位焊接锚固钉，然后浇注铬刚玉耐磨浇注料。

推料平台、下料圆锥、转运溜槽新型砌筑结构、烧嘴保护技术等解决该部位寿命短的技术难题，寿命提高到24个月以上。

5 节能降耗

采用轻质和重质耐火材料复合砌筑结构，预制砖及浇注带设有隔热性能优异的陶瓷纤维材料做为保温层，且窑衬材料内的没有缝隙，杜绝了窑内热量向筒体的对流和辐射传热，有效地降低了窑皮温度，节约能源。通过研发导热系数低的功能耐火材料新产品，进一步有效的降低设备外壁温度，节约了能源的消耗；另一方面，通过长寿化、均衡化设计及新材料开发减少停窑次数，节约了每次停窑浪费的能源，节能降耗。窑体外部温度有明显降低，节能效果明显，节能效果达10%以上。

6 结语

针对活性石灰回转窑生产工艺条件，采用功能耐火材料新产品，通过功能耐火材料和综合砌筑结构优化，优化耐火材料内衬配置，解决了活性石灰系统关键部位和易损部位耐火材料现有问题，使之各个部位耐火材料内衬使用寿命基本同步，减少停窑检修次数，有效延长窑炉使用寿命，提高窑炉生产作业率，降低能源消耗，提高资源综合效率。