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技術(shù)專欄

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淺析不定型耐磨材料在水泥燒成系統(tǒng)中的應(yīng)用

發(fā)布時間:2019-04-18

為了延長這些部位耐火材料的使用壽命,科研工作者付出了艱辛的勞動,研制了各種耐磨材料,有效解決了水泥窯設(shè)備易磨損、壽命短、熱利用率低等難題,為水泥窯磨損嚴(yán)重的部位高效長壽命運(yùn)行提供了可靠的保障。本文重點(diǎn)就不定型耐磨材料在水泥廠燒成系統(tǒng)具體部位的使用情況加以介紹。 ......
  今新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)迅猛發(fā)展,隨著窯徑加大、窯速提高,對服役的耐火材料提出了更高的要求,尤其在有高溫含塵氣流輸送的管道及設(shè)備中,由于長期受高濃度氣體的沖刷,如三次風(fēng)管彎頭、閘板、篦冷機(jī)矮墻、余熱發(fā)電風(fēng)管等部位,耐火材料損毀很嚴(yán)重,個別部位兩三個月就要檢修一次,嚴(yán)重影響了水泥窯的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了延長這些部位耐火材料的使用壽命,科研工作者付出了艱辛的勞動,研制了各種耐磨材料,有效解決了水泥窯設(shè)備易磨損、壽命短、熱利用率低等難題,為水泥窯磨損嚴(yán)重的部位高效長壽命運(yùn)行提供了可靠的保障。本文重點(diǎn)就不定型耐磨材料在水泥廠燒成系統(tǒng)具體部位的使用情況加以介紹。
 
  1  非金屬耐磨材料的發(fā)展?fàn)顩r
 
  非金屬耐磨材料的主要原料有高鋁礬土、剛玉、SiC。剛玉具有硬度大(硬度9)、熔點(diǎn)高(熔點(diǎn)2 050 ℃)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,對酸、堿都有良好的抵抗性的性能。碳化硅也具有硬度大(硬度9.5)、熔點(diǎn)高(分解溫度3 400 ℃)、即使在氫氟酸中也完全不溶解的特點(diǎn)。所以,以剛玉、碳化硅作基體骨架的材料,有助于使產(chǎn)品獲得體積密度高、熱態(tài)強(qiáng)度大、耐腐蝕和耐磨等性能的材料。耐磨定形制品主要有剛玉磚、碳化硅磚、高鋁磚等,其顯著特點(diǎn)是既耐高溫又耐磨。按圖紙要求加工耐火磚,用耐熱不銹鋼螺栓進(jìn)行安裝,優(yōu)點(diǎn)是安裝、維修更換方便,缺點(diǎn)是價格高,尤其當(dāng)殘磚存在質(zhì)量問題和不銹鋼螺栓磨損后, 殘磚掉落時,將使設(shè)備堵塞,如不能及時停爐將造成安全事故。不定型耐磨材料包括水泥結(jié)合系統(tǒng)和磷酸鹽結(jié)合系統(tǒng),前者制作時除了采用上述提到的耐磨原料外,還要添加電熔或燒結(jié)的優(yōu)質(zhì)原料細(xì)粉與超微粉、水泥、外加劑等,通過調(diào)整基質(zhì)各成分比例,保證其結(jié)合相在高溫下充分發(fā)揮連接、膠結(jié)骨料的作用,超細(xì)粉有效地充填骨料孔隙,改善材料的高溫性能,從而顯著提高材料強(qiáng)度,整個材料以“剛性”方式來實(shí)現(xiàn)主動抗磨。磷酸鹽結(jié)合材料是指以上述高鋁礬土、剛玉、SiC為原料,添加結(jié)合粘土、增塑劑,以磷酸或磷酸二氫鋁為結(jié)合相的耐磨材料。這種材料的特點(diǎn)是強(qiáng)度不高,但材料耐侵蝕,塑性及韌性好,不易剝落,通過“柔性”方式來實(shí)現(xiàn)被動耐磨。這種材料應(yīng)用比較廣泛,除了具備良好的材料性能,而且可以采用多種施工方式。
 
  2  不定型耐磨材料在水泥廠燒成系統(tǒng)的應(yīng)用情況
 
  2.1  三次風(fēng)管彎頭
 
  水泥窯三次風(fēng)管彎頭內(nèi)襯需要承受800~1 100 ℃工作溫度,抵抗風(fēng)速大約為25 m/s的氣流以及熟料細(xì)顆粒沖刷,而且還要遭受堿蒸氣的腐蝕。所以,工況惡劣,損壞嚴(yán)重,常常因?yàn)閺濐^部位的磨損影響生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。三次風(fēng)管彎頭內(nèi)襯所用的耐火材料經(jīng)過多次演變:最早設(shè)計(jì)為高鋁澆注料,使用時間僅有一個月;之后,改為莫來石剛玉澆注料,使用時間只有二個月;再后,采用HMS高耐磨磚與莫來石剛玉澆注料組合框架結(jié)構(gòu),也勉強(qiáng)僅能維持四個月的運(yùn)行。為保證生產(chǎn)正常運(yùn)轉(zhuǎn),需要通過選用合適的材質(zhì),設(shè)計(jì)正確的結(jié)構(gòu),提高彎頭部位的耐磨性,延長襯料的使用壽命。目前市場上牌號為JP-85超高強(qiáng)耐磨澆注料在三次風(fēng)管彎頭處的使用效果良好,這種材料的主材為剛玉和SiC,還要添加一定量的鋼纖維、水泥為結(jié)合相的耐磨材料,通過提高材料的強(qiáng)度來提高耐磨性;另一方面這種材料在施工過程中采用了帶有梯形凸塊的形狀。凸塊的作用有二:其一,凸塊產(chǎn)生渦流,從而緩沖了氣流及其挾帶顆粒的沖刷;其二,凸塊阻止了固體粒子的運(yùn)動,制止了上述粒子沿襯體表面的滑行,從而減緩了氣流及其挾帶顆粒的磨損。JP-85超高強(qiáng)耐磨澆注料在寧國水泥廠的三次風(fēng)管中使用,至今為止已達(dá)三年之久,沒有出現(xiàn)破損現(xiàn)象。目前這種材料在海螺集團(tuán)、冀東集團(tuán)、華潤等多個水泥集團(tuán)得到了廣泛的應(yīng)用。
 
  2.2  風(fēng)閥、閘板
 
  凡是在高溫管道中有含塵氣流輸送的地方,都會設(shè)有調(diào)節(jié)風(fēng)速的風(fēng)閥或閘板。由于普通鋼板在高溫下剛度及強(qiáng)度都有不同程度的下降,金屬材料很難滿足耐磨要求,不做耐磨處理的風(fēng)閥和閘板在使用一、兩個月后就破損了;對風(fēng)閥和閘板做耐磨處理后,其使用壽命提高到1年。為了保證正常開啟和關(guān)閉,只在它們的迎風(fēng)面做耐磨處理,側(cè)面不做耐磨處理,施工時先將六邊形龜甲網(wǎng)焊接在閘板上,四周支起模板,然后再涂抹一層耐磨材料即可,風(fēng)閥的施工厚度一般為20 mm。閘板施工應(yīng)先支模,再焊接錨固件,采用澆注施工,厚度一般為200 mm。目前市場提供的材料主要為磷酸鹽結(jié)合的耐磨可塑搗打料以及水泥結(jié)合的剛玉質(zhì)耐磨材料,處理風(fēng)閥的材料對粒度有一定的要求,臨界顆粒<3 mm。耐磨處理后的實(shí)物如圖2,該處的耐磨處理施工方便,既可先施工后安裝,也可先安裝后施工。
 
  2.3  余熱發(fā)電設(shè)備
 
  近年來,利用水泥窯余熱進(jìn)行發(fā)電是水泥工業(yè)節(jié)能降耗的重要措施,已被國家發(fā)改委等部門列入“十一五”十大重點(diǎn)節(jié)能工程。但由于余熱發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)管、沉降室等的工況惡劣,其磨損問題不容忽視。據(jù)統(tǒng)計(jì),帶余熱發(fā)電的水泥企業(yè)因余熱發(fā)電系統(tǒng)磨損而引起的停機(jī)時間占總停機(jī)時間的50%~55%。目前余熱發(fā)電設(shè)備的耐磨節(jié)能襯里主要為磷酸鹽結(jié)合的耐磨材料,為了使耐磨材料附著在施工體上,采用海鷗形錨固件或龜甲網(wǎng)做固定橋梁,然后將耐磨材料用涂抹或搗打方式固定在施工體上,使材料較好地附著在被施工體上,整體性能好。沉降室部位一般采用錨固件固定方式施工,錨固件以梅花狀分布在施工體上,規(guī)格及具體的施工要求見圖3。沉降室部位空間大,溫度稍低,安裝方式?jīng)Q定其不用考慮負(fù)荷的影響,施工厚度35 mm~40 mm。風(fēng)管部分一般采用龜甲網(wǎng)固定方式施工,由于風(fēng)管懸浮在半空中,因此必須考慮其負(fù)荷不易過大,否則易變形,再則要保證余熱發(fā)電系統(tǒng)的氣流通暢,施工厚度不易過厚,一般為20 mm~22 mm。施工時先用160 mm×160 mm的銷釘將龜甲網(wǎng)焊接在施工體上,如圖4所示,然后再將耐磨材料固定在風(fēng)管內(nèi)壁。這兩種施工工藝的使用使耐磨材料很好地附著在施工體上,對施工體起到了良好的保護(hù)作用,延長了耐磨襯體的使用壽命。
 
  隨著耐磨材料及施工工藝不斷進(jìn)步,在余熱發(fā)電系統(tǒng)以及水泥窯生產(chǎn)系統(tǒng)的風(fēng)管使用壽命不斷加長,由原來的1年發(fā)展到今天的2~3年,有一種牌號為JP-80材料使用壽命可以長達(dá)4年之久。
 
  2.4  篦冷機(jī)矮墻
 
  篦冷機(jī)矮墻要長期承受300~1 450 ℃的高溫熟料顆粒的沖刷,同時跟冷熱空氣交替接觸,使矮墻損壞較快,磨損后的矮墻會露出錨固件,如圖5。由最初使用的耐堿澆注料、高鋁澆注料,發(fā)展到今天的莫來石質(zhì)澆注料、鋼纖維增強(qiáng)澆注料,制作方法一般以高鋁莫來石為耐磨骨料,添加超微粉、純鋁酸鈣水泥、耐熱鋼纖維等成分。使用中由于溫度或體積上的變化容易造成應(yīng)力集中在澆注料實(shí)體上,在工藝上引入鋼纖維是可以起到增韌補(bǔ)強(qiáng)、提高斷裂韌度的有力措施。加有鋼纖維的耐火材料中, 如果擴(kuò)展裂紋面對的是纖維,一旦初始微裂紋有發(fā)展的趨勢,由于纖維拉拔效應(yīng), 其方向就可能改變或某些能量可能被消耗, 使裂紋不再或少量擴(kuò)展;另外, 將鋼纖維加入到耐火材料中, 使材料產(chǎn)生的應(yīng)力能夠被吸收,阻止微裂紋的擴(kuò)展,增強(qiáng)材料的整體性,從而改善材料的抗熱沖擊能力和抗結(jié)構(gòu)剝落性能,延長矮墻部位使用周期。
 

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