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，窯內(nèi)襯磚因窯體傾斜向下滑動，產(chǎn)生的推力會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個月，較燒成帶、過渡帶內(nèi)襯料少2個月。從實際運行來看，相當(dāng)多的生產(chǎn)線窯口耐火襯料壽命僅為8個月，甚至更低。窯口耐火襯料維修停窯耗時較長，對熟料產(chǎn)量、質(zhì)量、熱耗均有負(fù)面影響，還增加了維修費用，因此延長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，國內(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大而損壞，個別10 000t/d級窯頭襯體的使用周期低于1～2個月，成為生產(chǎn)的大問題。

圖2 大型預(yù)分解窯擋磚圈結(jié)構(gòu)型式

2010年，RHI公司通過計算機(jī)模擬（CFD）技術(shù)對三種不同結(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。我國投入生產(chǎn)的多條10 000t/d級生產(chǎn)線也證實了上述計算結(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，國內(nèi)大型窯上使用不多。國內(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。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，結(jié)構(gòu)件多且復(fù)雜（圖5），生產(chǎn)運行周期難與燒成帶、過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)行了計算機(jī)模擬計算（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，特殊需求可增加級數(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

回轉(zhuǎn)窯在運行過程中，為阻止窯內(nèi)耐火磚向下運行產(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。

通過對當(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)行計算機(jī)模擬計算，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°三角形擋磚圈級數(shù)多且運行周期難于提高，難與燒成帶耐火磚運行周期一致，在推廣運用中有一定困難。

通過優(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，簡化了裝置，提高了運行周期，且可在各種工況條件下應(yīng)用，這個動向值得關(guān)注。

陳友德編譯自

No.7/2014 World Cement

圖54 級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)計的傾角擋磚圈、白色為膨脹縫）

圖7 計算機(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)