浅析不定型耐磨材料在水泥烧成系统中的应用

　　今新型干法水泥生产技术迅猛发展，随着窑径加大、窑速提高，对服役的耐火材料提出了更高的要求，尤其在有高温含尘气流输送的管道及设备中，由于长期受高浓度气体的冲刷，如三次风管弯头、闸板、篦冷机矮墙、余热发电风管等部位，耐火材料损毁很严重，个别部位两三个月就要检修一次，严重影响了水泥窑的正常运转。为了延长这些部位耐火材料的使用寿命，科研工作者付出了艰辛的劳动，研制了各种耐磨材料，有效解决了水泥窑设备易磨损、寿命短、热利用率低等难题，为水泥窑磨损严重的部位高效长寿命运行提供了可靠的保障。本文重点就不定型耐磨材料在水泥厂烧成系统具体部位的使用情况加以介绍。

　　1  非金属耐磨材料的发展状况

　　非金属耐磨材料的主要原料有高铝矾土、刚玉、SiC。刚玉具有硬度大（硬度9）、熔点高（熔点2 050 ℃）、化学性质稳定，对酸、碱都有良好的抵抗性的性能。碳化硅也具有硬度大（硬度9.5）、熔点高（分解温度3 400 ℃）、即使在氢氟酸中也完全不溶解的特点。所以，以刚玉、碳化硅作基体骨架的材料，有助于使产品获得体积密度高、热态强度大、耐腐蚀和耐磨等性能的材料。耐磨定形制品主要有刚玉砖、碳化硅砖、高铝砖等，其显着特点是既耐高温又耐磨。按图纸要求加工耐火砖，用耐热不锈钢螺栓进行安装，优点是安装、维修更换方便，缺点是价格高，尤其当残砖存在质量问题和不锈钢螺栓磨损后， 残砖掉落时，将使设备堵塞，如不能及时停炉将造成安全事故。不定型耐磨材料包括水泥结合系统和磷酸盐结合系统，前者制作时除了采用上述提到的耐磨原料外，还要添加电熔或烧结的优质原料细粉与超微粉、水泥、外加剂等，通过调整基质各成分比例，保证其结合相在高温下充分发挥连接、胶结骨料的作用，超细粉有效地充填骨料孔隙，改善材料的高温性能，从而显着提高材料强度，整个材料以“刚性”方式来实现主动抗磨。磷酸盐结合材料是指以上述高铝矾土、刚玉、SiC为原料，添加结合粘土、增塑剂，以磷酸或磷酸二氢铝为结合相的耐磨材料。这种材料的特点是强度不高，但材料耐侵蚀，塑性及韧性好，不易剥落，通过“柔性”方式来实现被动耐磨。这种材料应用比较广泛，除了具备良好的材料性能，而且可以采用多种施工方式。

　　2  不定型耐磨材料在水泥厂烧成系统的应用情况

　　2.1  三次风管弯头

　　水泥窑三次风管弯头内衬需要承受800～1 100 ℃工作温度，抵抗风速大约为25 m/s的气流以及熟料细颗粒冲刷，而且还要遭受碱蒸气的腐蚀。所以，工况恶劣，损坏严重，常常因为弯头部位的磨损影响生产的正常运转。三次风管弯头内衬所用的耐火材料经过多次演变：最早设计为高铝浇注料，使用时间仅有一个月；之后，改为莫来石刚玉浇注料，使用时间只有二个月；再后，采用HMS高耐磨砖与莫来石刚玉浇注料组合框架结构，也勉强仅能维持四个月的运行。为保证生产正常运转，需要通过选用合适的材质，设计正确的结构，提高弯头部位的耐磨性，延长衬料的使用寿命。目前市场上牌号为JP-85超高强耐磨浇注料在三次风管弯头处的使用效果良好，这种材料的主材为刚玉和SiC，还要添加一定量的钢纤维、水泥为结合相的耐磨材料，通过提高材料的强度来提高耐磨性；另一方面这种材料在施工过程中采用了带有梯形凸块的形状。凸块的作用有二：其一，凸块产生涡流，从而缓冲了气流及其挟带颗粒的冲刷；其二，凸块阻止了固体粒子的运动，制止了上述粒子沿衬体表面的滑行，从而减缓了气流及其挟带颗粒的磨损。JP-85超高强耐磨浇注料在宁国水泥厂的三次风管中使用，至今为止已达三年之久，没有出现破损现象。目前这种材料在海螺集团、冀东集团、华润等多个水泥集团得到了广泛的应用。

　　2.2  风阀、闸板

　　凡是在高温管道中有含尘气流输送的地方，都会设有调节风速的风阀或闸板。由于普通钢板在高温下刚度及强度都有不同程度的下降，金属材料很难满足耐磨要求，不做耐磨处理的风阀和闸板在使用一、两个月后就破损了；对风阀和闸板做耐磨处理后，其使用寿命提高到1年。为了保证正常开启和关闭，只在它们的迎风面做耐磨处理，侧面不做耐磨处理，施工时先将六边形龟甲网焊接在闸板上，四周支起模板，然后再涂抹一层耐磨材料即可，风阀的施工厚度一般为20 mm。闸板施工应先支模，再焊接锚固件，采用浇注施工，厚度一般为200 mm。目前市场提供的材料主要为磷酸盐结合的耐磨可塑捣打料以及水泥结合的刚玉质耐磨材料，处理风阀的材料对粒度有一定的要求，临界颗粒＜3 mm。耐磨处理后的实物如图2，该处的耐磨处理施工方便，既可先施工后安装，也可先安装后施工。

　　2.3  余热发电设备

　　近年来，利用水泥窑余热进行发电是水泥工业节能降耗的重要措施，已被国家发改委等部门列入“十一五”十大重点节能工程。但由于余热发电系统风管、沉降室等的工况恶劣，其磨损问题不容忽视。据统计，带余热发电的水泥企业因余热发电系统磨损而引起的停机时间占总停机时间的50%～55%。目前余热发电设备的耐磨节能衬里主要为磷酸盐结合的耐磨材料，为了使耐磨材料附着在施工体上，采用海鸥形锚固件或龟甲网做固定桥梁，然后将耐磨材料用涂抹或捣打方式固定在施工体上，使材料较好地附着在被施工体上，整体性能好。沉降室部位一般采用锚固件固定方式施工，锚固件以梅花状分布在施工体上，规格及具体的施工要求见图3。沉降室部位空间大，温度稍低，安装方式决定其不用考虑负荷的影响，施工厚度35 mm～40 mm。风管部分一般采用龟甲网固定方式施工，由于风管悬浮在半空中，因此必须考虑其负荷不易过大，否则易变形，再则要保证余热发电系统的气流通畅，施工厚度不易过厚，一般为20 mm～22 mm。施工时先用160 mm×160 mm的销钉将龟甲网焊接在施工体上，如图4所示，然后再将耐磨材料固定在风管内壁。这两种施工工艺的使用使耐磨材料很好地附着在施工体上，对施工体起到了良好的保护作用，延长了耐磨衬体的使用寿命。

　　随着耐磨材料及施工工艺不断进步，在余热发电系统以及水泥窑生产系统的风管使用寿命不断加长，由原来的1年发展到今天的2～3年，有一种牌号为JP-80材料使用寿命可以长达4年之久。

　　2.4  篦冷机矮墙

　　篦冷机矮墙要长期承受300～1 450 ℃的高温熟料颗粒的冲刷，同时跟冷热空气交替接触，使矮墙损坏较快，磨损后的矮墙会露出锚固件，如图5。由最初使用的耐碱浇注料、高铝浇注料，发展到今天的莫来石质浇注料、钢纤维增强浇注料，制作方法一般以高铝莫来石为耐磨骨料，添加超微粉、纯铝酸钙水泥、耐热钢纤维等成分。使用中由于温度或体积上的变化容易造成应力集中在浇注料实体上，在工艺上引入钢纤维是可以起到增韧补强、提高断裂韧度的有力措施。加有钢纤维的耐火材料中， 如果扩展裂纹面对的是纤维，一旦初始微裂纹有发展的趋势，由于纤维拉拔效应， 其方向就可能改变或某些能量可能被消耗， 使裂纹不再或少量扩展；另外， 将钢纤维加入到耐火材料中， 使材料产生的应力能够被吸收，阻止微裂纹的扩展，增强材料的整体性，从而改善材料的抗热冲击能力和抗结构剥落性能，延长矮墙部位使用周期。