浅谈美标熟料生产对窑衬使用寿命的影响

　　窑用耐火材料（以下简称窑衬）镶砌在回转窑筒体内壁，保护着筒体钢板。窑衬的使用寿命对回转窑设备的连续安全运转、熟料产量和质量的提高以及生产成本的控制具有十分重要的意义。本文就回转窑煅烧美标硅酸盐熟料前后窑衬的变化情况进行介绍。

　　1 窑衬被侵蚀的化学机理[1]

　　在熟料烧成过程中，预热器和回转窑之间内循环所富集的碱（钾、钠）、卤族（氯、氟）和硫的化合物等，随烟气和原料侵蚀着窑衬，与窑衬发生热化学反应，生成新的低熔矿物，而新生矿物在体积上出现不同程度的膨胀，致使窑衬剥落或开裂。有些新生低熔矿物会使窑衬结构变得疏松，这样耐火材料就失去了原有的特性，比如强度、热传导及弹性系数等物理性能发生一系列变化，致使窑衬的使用寿命变低。

　　理论认为生熟料中碱硫比（ASR）值的大小反应出碱硫在窑料和窑尾内存在的形式和对窑衬的侵蚀类型，根据碱硫比（ASR）值的大小分为三种情况：碱过量、硫过量和碱硫相对平衡对窑衬侵蚀的情况，一般来说，合适的碱硫比为0.8~1.2，此时对窑衬的侵蚀较弱。

　　2 从生产普通硅酸盐熟料到美标熟料窑衬发生的变化

　　山东山水集团所属某子公司根据市场需要，利用5 000 t/d预分解窑生产线，由生产普通硅酸盐熟料转产美标Ⅴ型熟料，用以制备美标水泥。

　　我公司生产美标Ⅴ型熟料（表1）是从2006年11月19日开机调整配料，即由普通熟料配比转为美标熟料配比，21日开始试生产，25日正式生产，到30日结束，累计生产32 000 t美标熟料。熟料的各项指标合格，但为了达到C3A≤5%的指标，该公司付出了巨大代价。

　　2006年11月1日检修时，窑内前12 m砖厚基本上都在150 mm左右，窑皮厚度100 mm左右。到12月28日8 m处红窑检修，仅仅不到两个月时间，大部分砖厚在50 mm左右，窑皮厚度30 mm～50 mm。砖损耗100 mm以上。这一批砖是同年7月2日更换的，正常使用周期应该是8～12个月。这一次仅仅使用了6个月。据此推算如果长期生产美标熟料，耐火砖的使用周期将缩短为3～5个月，一年内窑烧成带会多换2～3套砖，吨熟料增加直接成本2.27元/t左右 (未考虑检修换砖产量的降低、成本的增加)。

　　表1 美标Ⅴ型熟料质量指标（表1略）

　　3 窑衬严重侵蚀的原因分析

　　3.1 配料方案的选择分析[2]

　　生产当中可供选择的铝质校正原料（页岩）中碱含量很高，为满足碱含量≤0.55%、C3A≤5%的指标，必须控制碱和铝的含量，降铝的办法就是提高铁含量。美标熟料生产过程中正是采取了这种办法，采用“高铁含量、低铝氧率”的配料方案（IM由1.45减小到0.88），直接配备生料入窑煅烧。在停生料磨之前先将生料库几乎空出，然后直接制备美标V型熟料所需生料，出磨生料在1~2 h后入窑，中间无过渡，致使窑况出现较大波动，窑衬侵蚀加剧。

　　3.2 出窑熟料质量

　　出窑熟料质量情况见表2。（表2略）

　　3.3 窑衬侵蚀机理分析

　　由于指标中必须大幅降低碱含量，生产实践采取提高铁的做法，实际上破坏了碱硫的相对平衡，入窑物料由碱硫的相对平衡，变为硫含量对碱相对增多的情况（见表3），这时侵蚀类型向硫过量为主导的情形转变，侵蚀机理发生了明显变化。同时在氧化气氛下，烟气内的SOx与C2S中的CaO反应，生成无水石膏CaSO4（体积增加27.5%）。游离的SO3与窑内C2S及镁铬砖内的MgO等成分起化学反应，生成熔融化合物，主要有C2S、C3S、MgS2、CMS，上述反应所生成的低熔融化合物，渗透耐火衬砖内，既破坏了耐火砖的耐火度，又损坏了窑衬的致密结构，降低窑衬的使用寿命。同时，镁铁尖晶石砖在CaO作用下，Mg＋被取代，生成Ca2Fe2O5，在此过程中，由于新相的成立，镁铁尖晶砖失去原有的陶瓷结构，降低了材料的强度。

　　表3  生产美标熟料及其前后碱硫含量情况对比（表3略）

　　另外经验公式告诉我们：

　　结皮值＝熟料液相量＋0.2C2S+2F[3]

　　对这一公式可解释为：熟料液相是形成窑皮的主体，C2S的聚集结晶可促进窑皮长度增长，Fe2O3能显着降低烧结温度和液相粘度，三者都可促进窑皮的形成。结皮值达33时，挂窑皮无困难，超过40时，就会形成大块熟料、结圈，或者挂不住窑皮的严重后果。为了保证恒定结皮值，必须降低铁含量，因而提高铝氧率势在必行。按照上述公式计算可知：普通熟料结皮值为37.626，处在合理范围内，美标熟料结皮值为41.846，超出保持恒定结皮值的合理范围，导致熟料液相粘度降低，窑内高温聚集，一方面烧成带耐火砖烧蚀严重，另外形不成牢固窑皮，疏松窑皮易粘挂剥蚀耐火砖，耐火砖使用寿命大大缩短。这样的计算所得结果与生产实践相吻合。

　　在生产美标熟料期间，窑皮剥落较快，基本上挂不住窑皮，虽然采取了调整喷煤管和降低窑前喂煤，进而降低产量（5 300 t/d）等措施，但是效果不大。

　　随后恢复以前的配料方案，提高Al2O3，降低 Fe2O3（见表2）。从窑皮和筒体温度检测来看，窑皮粘挂有很大改善。大修停窑时检测，前12 m窑皮在100 mm左右，12 m以后窑皮厚200 mm左右。

　　3.4  生产实践中应采取的对策

　　3.4.1 遵循原则

　　配料方案的确定和煅烧工艺参数的调整优化宜采取循序渐进的方法。尽管5 000 t/d预分解窑对原燃材料的适应性强，若采取一步到位的方法必会对回转窑热工制度的稳定产生不利的影响，从前面实例可知，对窑衬的破坏是灾难性的，同时熟料质量稳定性变差。

　　3.4.2 煅烧参数的调整

　　从熟料烧成理论可知，“高铁含量、低铝氧率”的配料方案会显着降低液相生成温度，导致液相提前出现，易出现窑尾结皮、堵塞。因此对分解炉出口温度的控制应在一定范围内，建议控制在880～860 ℃范围内，严禁分解炉烧大火，温度不能超过880 ℃，生料分解率90%为宜，对尾温控制在1 050 ℃左右。根据熟料结粒、结大块、窑皮脱落的情况，及火焰形状、窑速控制、入炉风温风量进行同步适应性的调整，使窑逐步适应物料的变动情况。中控人员应准确判断，及时调整，把物料变化的不利影响降到最低，使新产生的窑皮牢固、致密地附着在旧窑皮上。

　　4  结束语

　　事实证明，5 000 t/d预分解窑能够生产美标熟料[4]等一些特殊品种水泥熟料，但切忌无过渡一步到位改变熟料配比，否则会对回转窑热工的稳定和安全运行产生不利影响，引起窑况、质量大的波动，加速窑衬侵蚀速度，严重缩短窑衬等保温材料的使用寿命，最终影响回转窑的安全运转。

　　参考文献

　　[1] 陶贵华，范泳.提高水泥窑用耐火材料使用寿命的技术要求[EB/OL].[2007-08-01].http://www.chinabmn.com/html/14/183/2007/8/ch53835105011870022205-o.htm.

　　[2] 汪澜，崔素萍.再论预分解窑水泥生产配料方案的选择[J].水泥工程，1997（4）.

　　[3] 姚立红.悬浮预热器窑防后圈的措施[J].水泥 .2005（1）：36.

　　[4] 池金果.ASTMC150美标V型波特兰水泥热料的生产[J].新世纪水泥导报，2007（3）：14～15.