預(yù)分解窯窯頭擋磚圈的技術(shù)發(fā)展

預(yù)分解窯回轉(zhuǎn)時(shí)，窯內(nèi)襯磚因窯體傾斜向下滑動(dòng)，產(chǎn)生的推力會(huì)使窯前端襯磚造成損壞，因此窯出口部位必須設(shè)置擋磚圈。該部位襯磚位于窯口燃燒器附近，承受1 800℃以上火焰輻射，1 000℃以上熱空氣對(duì)流傳熱，1 400℃以上熔融熟料內(nèi)堿、硫等化合物的化學(xué)侵蝕，以及窯筒體變形產(chǎn)生的橢圓應(yīng)力等，是預(yù)分解窯內(nèi)使用周期最短的襯磚（表1）。

表1表明，預(yù)分解窯出口部位襯磚和耐火澆注料使用壽命為10個(gè)月，較燒成帶、過(guò)渡帶內(nèi)襯料少2個(gè)月。從實(shí)際運(yùn)行來(lái)看，相當(dāng)多的生產(chǎn)線窯口耐火襯料壽命僅為8個(gè)月，甚至更低。窯口耐火襯料維修停窯耗時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)熟料產(chǎn)量、質(zhì)量、熱耗均有負(fù)面影響，還增加了維修費(fèi)用，因此延長(zhǎng)窯口耐火襯料的使用壽命是預(yù)分解窯發(fā)展目標(biāo)，而其中一個(gè)關(guān)鍵因素是如何減緩窯頭擋磚圈所承受的應(yīng)力，相應(yīng)減緩窯口襯體所承受的壓應(yīng)力。

表1 預(yù)分解窯不同部位耐火材料的使用壽命

1 擋磚圈的型式

窯頭擋磚圈的型式與回轉(zhuǎn)窯的技術(shù)發(fā)展有關(guān)，傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速較低，通常約1r/min，而后出現(xiàn)的立波爾窯，轉(zhuǎn)速提高至1.2～1.5r/min，設(shè)置的窯頭擋磚圈一般為寬50mm、高100mm的矩形擋磚圈。而預(yù)熱器窯的窯速為1.5～2.0r/min，預(yù)分解窯的窯速增至3r/min，則窯內(nèi)耐火磚的向下推力相應(yīng)增加，擋磚圈的高度相應(yīng)降低至寬50mm、高50mm的正方體。為減緩擋磚圈所承受的推力，擋磚圈由一道增加至二道。此外，窯頭筒體產(chǎn)生變形，襯磚砌筑困難，窯的最前端通常采用耐火澆注料整體澆注（圖1）。

圖1 窯頭擋磚圈型式

隨著窯產(chǎn)量的增大，窯徑和窯轉(zhuǎn)速相應(yīng)增加，目前窯的產(chǎn)量已超過(guò)12 000t/d，窯徑增至?6.2m，窯速為5.0～5.5r/min。部分窯的斜度也相應(yīng)增大，窯頭擋磚圈所承受的熱機(jī)械壓應(yīng)力大幅增加。為減緩擋磚圈所承受的應(yīng)力，出現(xiàn)了一些不同結(jié)構(gòu)型式的擋磚圈（圖2）。

2 不同結(jié)構(gòu)型式擋磚圈受力比較

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外投產(chǎn)的一些大型預(yù)分解窯窯口正方體擋磚圈配置的耐火磚或耐火澆注料因受力過(guò)大而損壞，個(gè)別10 000t/d級(jí)窯頭襯體的使用周期低于1～2個(gè)月，成為生產(chǎn)的大問(wèn)題。

圖2 大型預(yù)分解窯擋磚圈結(jié)構(gòu)型式

2010年，RHI公司通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬（CFD）技術(shù)對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)型式的擋磚圈及其所配置的耐火磚所承受的熱機(jī)械應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算。其結(jié)論是，目前廣泛采用的雙道正方形擋磚圈所承受的熱機(jī)械應(yīng)力最大，為260N/mm2；三角形擋磚圈所承受的應(yīng)力最小，為120N/mm2；而采用前端縮小筒體，錐體部位及襯磚所承受的熱機(jī)械應(yīng)力為144N/mm2。我國(guó)投入生產(chǎn)的多條10 000t/d級(jí)生產(chǎn)線也證實(shí)了上述計(jì)算結(jié)果。窯出口使用前端縮小筒體，其襯磚使用周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雙排正方體擋磚圈襯磚使用周期（圖3、圖4）。

從模擬計(jì)算結(jié)果看：三角形擋磚圈承受的熱機(jī)械壓應(yīng)力最低，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)大型窯上使用不多。國(guó)內(nèi)相當(dāng)多的大型預(yù)分解窯為直筒窯，為緩解窯頭擋磚圈所承受的熱機(jī)械壓應(yīng)力，將出口端筒體縮小不太現(xiàn)實(shí)。為提高窯頭襯體的使用周期，減少停窯造成的生產(chǎn)損失和維修費(fèi)用，采用三角形擋磚圈結(jié)構(gòu)是可能的。

圖4 大型預(yù)分解窯上不同型式擋磚圈耐火磚承受的應(yīng)力數(shù)值模擬量

3 三角形擋磚圈的技術(shù)進(jìn)展

早期使用的三角形擋磚圈通常為4級(jí)，結(jié)構(gòu)件多且復(fù)雜（圖5），生產(chǎn)運(yùn)行周期難與燒成帶、過(guò)渡帶襯磚使用周期一致。為提高使用效果，RHI公司將其原20°傾角結(jié)構(gòu)優(yōu)化為40°（圖6），優(yōu)點(diǎn)是擋磚圈和配置的耐火磚之間的接觸面增大，壓應(yīng)力減少。此外，軸向襯體推力部分被轉(zhuǎn)移到徑向和圓周上，相應(yīng)減少襯體承受的機(jī)械應(yīng)力。40°擋磚圈系統(tǒng)是由抗高溫的耐熱鋼擋磚圈裝置和配置的抗熱機(jī)械應(yīng)力的耐火磚以及合理尺寸的膨脹縫組成。

公司對(duì)20°三角形傾角和改進(jìn)的40°三角形傾角擋磚圈以及常規(guī)的矩形結(jié)構(gòu)擋磚圈所承受的熱機(jī)械應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算（圖7），其結(jié)果是常規(guī)的矩形擋磚圈及其配置的襯磚所承受的熱機(jī)械應(yīng)力遠(yuǎn)高于三角形擋磚圈，襯磚受力過(guò)大極易損壞。而40°三角形傾角擋磚圈及其配置的襯磚所承受的熱機(jī)械應(yīng)力在耐火磚和擋磚圈之間的接觸面分布均勻，數(shù)值至少降低30%。此外，傾角度數(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中可適當(dāng)調(diào)整，以將所承受的熱機(jī)械應(yīng)力降至合適的數(shù)值。擋磚圈通常為一級(jí)，特殊需求可增加級(jí)數(shù)。

為了提高窯口耐火材料的使用周期，除了增強(qiáng)擋磚圈結(jié)構(gòu)以減緩熱機(jī)械推力，還需合適的抗高溫的金屬材料。此外，耐火磚必須在高溫下具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)彈性，且具有高的機(jī)械強(qiáng)度、抗腐蝕和熟料熔相侵蝕的性能；還需結(jié)合各生產(chǎn)線因原燃料性能的不同，窯口所承受的熱機(jī)械、化學(xué)應(yīng)力的不一致，合理地選用鎂質(zhì)、碳化硅質(zhì)及特種高鋁質(zhì)耐火磚和耐火混凝土，以滿足合理的使用周期的需求。

40°三角形擋磚圈裝置經(jīng)少許修改后，可用于窯中部位（圖8）。

4 結(jié)語(yǔ)

回轉(zhuǎn)窯在運(yùn)行過(guò)程中，為阻止窯內(nèi)耐火磚向下運(yùn)行產(chǎn)生壓應(yīng)力，必須設(shè)置擋磚圈。擋磚圈的型式隨窯的技術(shù)發(fā)展而逐步優(yōu)化。目前，國(guó)內(nèi)預(yù)分解窯上大量使用正方體擋磚圈，因承受的壓應(yīng)力較大，使用周期短，難于滿足生產(chǎn)需求。

通過(guò)對(duì)當(dāng)前大量使用的不同型式的擋磚圈所承受的壓應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，三角形結(jié)構(gòu)擋磚圈、窯口收縮耐火磚所承受的熱機(jī)械應(yīng)力遠(yuǎn)低于正方體擋磚圈。但國(guó)內(nèi)大型預(yù)分解窯大多為直筒窯，窯筒體改造有一定難度。而傳統(tǒng)的20°三角形擋磚圈級(jí)數(shù)多且運(yùn)行周期難于提高，難與燒成帶耐火磚運(yùn)行周期一致，在推廣運(yùn)用中有一定困難。

通過(guò)優(yōu)化，新出現(xiàn)的40°三角形結(jié)構(gòu)擋磚圈系統(tǒng)正應(yīng)力大幅降低，可用一級(jí)，簡(jiǎn)化了裝置，提高了運(yùn)行周期，且可在各種工況條件下應(yīng)用，這個(gè)動(dòng)向值得關(guān)注。

陳友德編譯自

No.7/2014 World Cement

圖54 級(jí)20°傾角擋磚系統(tǒng)

圖640 °傾角擋磚系統(tǒng)（圖中棕色為特殊設(shè)計(jì)的傾角擋磚圈、白色為膨脹縫）

圖7 計(jì)算機(jī)模擬三種擋磚圈承受的壓應(yīng)力

圖8 窯中部位三角型擋磚圈系統(tǒng)