大型球團(tuán)帶式焙燒機(jī)耐火材料設(shè)計(jì)與優(yōu)化

何貫通，郭宏相，李學(xué)彥，王立旺

（1.河南省宏達(dá)爐業(yè)有限公司，河南 鄭州 450064；2.浙江錦誠新材料股份有限公司，浙江 長(zhǎng)興 313100）

近年來， 國內(nèi)大型帶式焙燒機(jī)球團(tuán)焙燒工藝快速發(fā)展，隨著首鋼400 萬t 及包鋼500 萬t 帶式焙燒機(jī)投產(chǎn)，2017 年帶式焙燒機(jī)球團(tuán)產(chǎn)量占比達(dá)20%左右。 2019 年5 月，首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司二期球團(tuán)工程3#線400 萬t/a 項(xiàng)目工程點(diǎn)火成功。2019 年福建三鋼閩光股份有限公司200 萬t 球團(tuán)項(xiàng)目、2020 年防城港400 萬t 球團(tuán)項(xiàng)目、河鋼樂亭480萬t 球團(tuán)項(xiàng)目等工程均采用帶式焙燒工藝。 我國在大型裝備走向國際，積極參與一帶一路建設(shè)中，為伊朗、 阿爾及利亞等國建設(shè)的球團(tuán)生產(chǎn)線也采用大型球團(tuán)焙燒機(jī)工藝， 取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果和社會(huì)效益。 大型帶式焙燒機(jī)是近年來剛剛興起的一種熱工設(shè)備，帶式焙燒球團(tuán)技術(shù)未來會(huì)有很好的發(fā)展前景。

大型球團(tuán)帶式焙燒機(jī)是動(dòng)態(tài)的高溫設(shè)備，關(guān)鍵設(shè)備包括焙燒系統(tǒng)、熱風(fēng)系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)。 設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況差異大，影響耐火材料應(yīng)用效果的因素多，對(duì)耐火材料性能、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工均有較高的要求，耐火材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料配置及砌筑施工質(zhì)量，是確保裝備高效運(yùn)行的關(guān)鍵因素。耐火材料設(shè)計(jì)需要遵循長(zhǎng)壽化、均衡化、節(jié)能化及功能化的設(shè)計(jì)思想，綜合解決大型帶式焙燒關(guān)鍵部位用耐火材料應(yīng)用中存在的問題，使各個(gè)部位耐火材料內(nèi)襯使用壽命均衡，減少停機(jī)檢修次數(shù)，有效延長(zhǎng)使用壽命，提高生產(chǎn)作業(yè)率，降低能源消耗，提高資源綜合效率。

1 新型耐火材料的應(yīng)用

大型球團(tuán)帶式焙燒機(jī)焙燒工藝包括干燥、預(yù)熱、焙燒、均熱、冷卻等過程，各工藝過程均在帶式焙燒機(jī)主體設(shè)備上完成[1]。主體設(shè)備不同部位對(duì)耐火材料性能要求差異比較大，必須根據(jù)工況條件，開發(fā)長(zhǎng)壽化、功能化、節(jié)能化的新型耐火功能材料以實(shí)現(xiàn)設(shè)備均衡、長(zhǎng)壽、高效、節(jié)能、環(huán)保運(yùn)行。

1.1 燃燒室用耐火磚

該裝備燃燒系統(tǒng)采用重油、 天然氣和高熱值煤氣，燃燒室內(nèi)溫度高達(dá)1 500 ℃，燃燒室內(nèi)氣流沖刷大、溫度波動(dòng)頻繁。 目前，燃燒室耐火磚主要采用剛玉莫來石磚，該耐火磚以剛玉和莫來石為主要原料，需要在1 650～1 750 ℃的溫度下高溫?zé)?，該工藝生產(chǎn)的剛玉莫來石磚主要適用于高爐陶瓷杯、 熔融氣化爐及炭黑爐， 應(yīng)用在帶式燒結(jié)機(jī)燃燒室在使用過程中存在剝落現(xiàn)象， 對(duì)燃燒室使用壽命有很大的影響。而且高溫?zé)晒に嚿a(chǎn)周期長(zhǎng)、能耗大、成本高，制品抗熱振穩(wěn)定性低，顯氣孔率高。

針對(duì)燃燒室氣流速度大、 溫度高及溫度波動(dòng)大的工況條件， 該部位耐火材料要求具有較好的熱振穩(wěn)定性、耐磨性及較高的強(qiáng)度，并且是具備抗剝落功能的新型耐火材料。燃燒室用耐火磚采用板狀剛玉、電熔莫來石等高純?cè)霞皟?yōu)質(zhì)合成原料， 采用高效分散技術(shù)和納米燒結(jié)技術(shù)， 調(diào)控材料相組成和顯微結(jié)構(gòu)，優(yōu)化材料的高溫性能，具備抗沖刷、耐侵蝕、不剝落，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[2]。

1.2 高性能錨固磚

大型球團(tuán)帶式焙燒機(jī)預(yù)熱段、焙燒段及均熱段頂部及側(cè)墻耐火材料內(nèi)襯均需要高性能錨固磚，以便更好地連接、固定在主體設(shè)備上，其性能和質(zhì)量是耐火材料內(nèi)襯使用壽命的關(guān)鍵。 主要有爐墻錨固磚、爐頂錨固磚，錨固磚技術(shù)要求強(qiáng)度高、熱振穩(wěn)定性好，一般用黏土熟料或三級(jí)礬土熟料做原料， 經(jīng)高溫?zé)贫蒣3]。 目前，帶式焙燒機(jī)朝著大型化、長(zhǎng)壽化的趨勢(shì)發(fā)展，對(duì)其耐火材料內(nèi)襯提出了更高的要求，錨固磚做為其重要構(gòu)成部分，其性能更為關(guān)鍵。 特別是預(yù)熱段頂部采用整體錨固磚組合爐頂結(jié)構(gòu)， 要求錨固磚必須具備強(qiáng)度高、抗沖刷、抗剝落、低蠕變等特征，能夠在1 500 ℃以上的工況溫度下長(zhǎng)期使用。為提升傳統(tǒng)錨固磚性能，改善其應(yīng)用效果實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽化、功能化的目的，錨固磚骨料采用高純莫來石骨料、精選高鋁骨料、紅柱石骨料，基質(zhì)采用硅線石細(xì)粉、高純高鋁細(xì)粉，并采用高活性黏土細(xì)粉經(jīng)高溫陶瓷燒結(jié)。 該錨固磚采用機(jī)壓成型工藝，選用高純?cè)?，?jīng)過高壓成型、高溫?zé)Y(jié)，蠕變率低、抗剝落、耐沖刷性能好，滿足了復(fù)雜的工況條件，有效地延長(zhǎng)了使用壽命。

1.3 高強(qiáng)度、低反彈噴涂料

帶式焙燒機(jī)大煙道、 干燥段上罩及冷卻段上罩由于面積大、 施工難度高及節(jié)能化要求一般采用輕質(zhì)耐火噴涂料噴涂（見圖1）。 輕質(zhì)噴涂料主要原料為黏土熟料、 陶粒和珍珠巖等， 體積密度一般低于1.8 g/cm3，雖然具有良好的隔熱性能，但是其強(qiáng)度、耐磨性與重質(zhì)噴涂料相比仍然較低，限制了其應(yīng)用范圍[3]。 而且輕質(zhì)噴涂料施工時(shí)反彈率比較高，可達(dá)30%，損耗較大。 因此需提高輕質(zhì)噴涂料的強(qiáng)度，降低施工反彈率以適應(yīng)大型帶式球團(tuán)焙燒機(jī)的工況條件。

為提高輕質(zhì)耐火噴涂料的強(qiáng)度和耐磨性， 降低噴涂料反彈率，預(yù)先按照配比配制復(fù)合結(jié)合劑，該復(fù)合結(jié)合劑最優(yōu)用量加入，凝固時(shí)間快，強(qiáng)度發(fā)展好，粘附性及燒結(jié)性好。該結(jié)合劑用于噴涂料強(qiáng)度高、施工性能好、反彈率低。 通過對(duì)復(fù)合結(jié)合劑與焦寶石、輕質(zhì)骨料的配比優(yōu)化，通過降低骨料臨界粒度，通過臥式球磨機(jī)、行星攪拌機(jī)三步混合提高均勻性、活性等措施進(jìn)一步提高強(qiáng)度，降低反彈率。 施工時(shí)，正確地調(diào)整噴涂設(shè)備的角度、距離和線速度，也是克服回彈現(xiàn)象、降低反彈率的有效途徑[4]。

圖1 噴涂施工現(xiàn)場(chǎng)

1.4 抗剝落澆注料

帶式焙燒機(jī)預(yù)熱段、 焙燒段及均熱段側(cè)墻設(shè)計(jì)采用輕質(zhì)保溫材料與澆注料整體澆注結(jié)構(gòu)。 由于階段性停機(jī)升降溫及工藝溫度波動(dòng)均要求澆注料具備良好的熱振穩(wěn)定性和抗剝落功能。 傳統(tǒng)的高鋁質(zhì)澆注料和剛玉質(zhì)澆注料在高溫物料的動(dòng)態(tài)作用下和急冷急熱的破壞下，會(huì)發(fā)生大面積剝落，影響了設(shè)備的運(yùn)行狀況，維修頻繁，生產(chǎn)成本增加。

抗剝落澆注料基質(zhì)主晶相為莫來石相， 在使用過程中各溫度條件下新的莫來石相仍能不斷地原位生成，進(jìn)一步提高了材料的熱振穩(wěn)定性和高溫性能，新形成的針狀莫來石穿插于基質(zhì)的莫來石相中，把骨料和基質(zhì)緊密結(jié)合在一起，使該材料強(qiáng)度高，抗剝落性好[5]?？箘兟錆沧⒘辖鉀Q了耐火材料剝落的技術(shù)難題，延長(zhǎng)了內(nèi)襯的使用壽命，減少了維修次數(shù)，降低了生產(chǎn)成本。

2 綜合砌筑設(shè)計(jì)與優(yōu)化

耐火材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須綜合考慮材料性能、節(jié)能需要、壽命要求、施工可行及結(jié)構(gòu)應(yīng)力等方面的因素，形成科學(xué)、可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。 綜合砌筑結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮材料性能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備節(jié)能化、長(zhǎng)壽化、均衡化的高效運(yùn)行，滿足運(yùn)行工況的要求，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)使用壽命的目的。

2.1 燃燒室新型砌筑結(jié)構(gòu)

燃燒室內(nèi)溫度高，溫度波動(dòng)大，氣流速度高，不僅對(duì)耐火材料性能要求高， 而且要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)，應(yīng)力分布均勻，綜合隔熱性能好，燃燒室設(shè)備外壁溫度不超過120 ℃。 設(shè)計(jì)采用多層復(fù)合梯度隔熱技術(shù)，工作層根據(jù)熱應(yīng)力分布設(shè)計(jì)組合磚砌筑結(jié)構(gòu)（見圖2），不僅提高了能源利用效率， 同時(shí)組合磚砌筑結(jié)構(gòu)消除了燃燒室的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及熱應(yīng)力， 有效提高了燃燒室的整體使用壽命。

圖2 燃燒室組合磚砌筑現(xiàn)場(chǎng)圖

2.2 頂部吊掛結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的頂部設(shè)計(jì)一般采用澆注料整體澆注結(jié)構(gòu)，但是由于現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量、烘烤溫度等問題，澆注料的性能很難充分發(fā)揮。帶式焙燒機(jī)焙燒段溫度高，存在氣流沖刷， 頂部設(shè)計(jì)為吊掛磚整體吊掛組合砌筑爐頂結(jié)構(gòu)（見圖3）。 吊掛磚采用低蠕變、抗剝落吊掛磚，耐高溫，強(qiáng)度大。該結(jié)構(gòu)安裝快捷、方便、安全，能有效消除結(jié)構(gòu)應(yīng)力， 并能克服傳統(tǒng)整體澆注施工質(zhì)量不佳或烘爐局限導(dǎo)致的耐火材料壽命低的技術(shù)問題，解決了頂部開裂、剝落的技術(shù)難題，隔熱性能好，節(jié)約能耗。

2.3 耐火材料錨固結(jié)構(gòu)

圖3 組合砌筑爐頂

帶式焙燒機(jī)全系統(tǒng)各種錨固釘數(shù)量大約50 多萬個(gè)，錨固釘主要起到增強(qiáng)、錨固性作用，必須能夠?qū)⒛突鸩牧瞎潭ㄔ谥黧w設(shè)備上，同時(shí)抵抗熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的作用，不能引起耐火材料的剝落。通過熱力學(xué)、應(yīng)變力學(xué)、高溫力學(xué)多角度研究，設(shè)計(jì)科學(xué)、應(yīng)力分布合理、制作方便、安裝快捷、錨固牢固。帶式焙燒機(jī)不同部位的溫度和氣氛不同， 必須根據(jù)工況條件和砌筑結(jié)構(gòu)采用不同材質(zhì)、形狀及布置，為保證應(yīng)用效果錨固釘主要采用Cr25Ni20 和1Cr18Ni9Ti 不銹鋼材質(zhì)，不銹鋼錨固釘占比達(dá)60%以上。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)大部分錨固釘采用焊接組合，須兩次焊接施工，焊接T型錨固釘固定保溫層， 然后將V 型錨固釘焊接在T型錨固釘上固定工作層。 錨固釘數(shù)量多， 制作難度大，現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量大，費(fèi)用高。 本文采用專利技術(shù)的耐火材料內(nèi)襯錨固釘（專利號(hào)：201220257571.X），該錨固釘制作簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量小，施工快捷，降低50%的現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量， 而且固定各種厚度的保溫纖維制品效果好， 用于噴涂?jī)?nèi)襯時(shí)并能降低施工反彈率[6]。

2.4 無水冷隔墻結(jié)構(gòu)

帶式燒結(jié)機(jī)為實(shí)現(xiàn)高溫加工所需要的工藝溫度，需要用隔墻對(duì)內(nèi)部空間進(jìn)行分割，由于內(nèi)部溫度高， 隔墻一般采用耐火澆注料或者耐火磚等耐火材料砌筑， 內(nèi)部或底部用金屬材料制作水冷冷卻通道支撐隔墻， 冷卻通道在高溫和耐火材料重力雙重作用下，容易出現(xiàn)變形、漏水及倒塌問題。 而且需要設(shè)置水冷系統(tǒng)，水冷系統(tǒng)需要冷卻塔、泵送系統(tǒng)及冷卻泵等配套設(shè)施，增加了投資費(fèi)用和運(yùn)行成本。無水冷隔墻用耐火磚及其砌筑結(jié)構(gòu)見圖4。 該耐火磚耐高溫，能夠?qū)崿F(xiàn)相互鎖定，吊裝砌筑，不需要水冷、風(fēng)冷系統(tǒng)，避免了變形、漏水及倒塌問題，降低了投資費(fèi)用和運(yùn)行成本。

3 耐火材料施工和烘爐

圖4 無水冷隔墻砌筑結(jié)構(gòu)示意圖

在大型球團(tuán)帶式焙燒機(jī)耐火材料設(shè)計(jì)時(shí)， 一方面要考慮工況條件和耐火材料的性能， 還必須對(duì)耐火材料的施工給予充分的重視，合理、科學(xué)組織施工，確保施工質(zhì)量和烘爐質(zhì)量。 對(duì)耐火材料的施工用水、加水量、儲(chǔ)存條件、保存期、環(huán)境溫度、模板安裝、攪拌、運(yùn)輸、振動(dòng)等方面必須制定明確的標(biāo)準(zhǔn)和要求[7]。施工過程中用到攪拌機(jī)、噴涂機(jī)、空壓機(jī)及電焊機(jī)等設(shè)備， 施工設(shè)備的類型及性能也是保證施工質(zhì)量的重要因素， 必須根據(jù)選用的耐火材料施工性能和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件對(duì)設(shè)備進(jìn)行選型和配備。 攪拌機(jī)要選用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，空壓機(jī)要選擇螺桿空氣壓縮機(jī)，焊接要配備紅外線烘烤設(shè)備， 以良好的裝備保證施工的質(zhì)量。 不定形耐火材料設(shè)計(jì)在大型球團(tuán)帶式焙燒機(jī)耐火材料中占比超過70%， 為保證帶式焙燒機(jī)耐火材料內(nèi)襯使用壽命， 烘爐工藝及烘爐溫度對(duì)使用壽命至關(guān)重要，必須根據(jù)材料性能特點(diǎn)、耐火材料砌筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制定科學(xué)的烘爐方案。不定形耐火材料是由耐火骨料、 結(jié)合劑或外加劑以一定的比例組合的混合料，現(xiàn)場(chǎng)加水?dāng)嚢?、振搗施工。 施工完畢后未經(jīng)烘爐，外加劑中的鹽會(huì)析出，水泥中的氧化鈣成分在潮濕環(huán)境中與空氣中的二氧化碳發(fā)生酸堿反應(yīng)，會(huì)在澆注表面析出碳酸鹽，外觀上會(huì)起“白毛”。表面疏松，內(nèi)在的強(qiáng)度也會(huì)降低，嚴(yán)重的會(huì)有裂紋產(chǎn)生，直接影響耐火材料的高溫性能和使用壽命。因此，耐火材料襯體施工完畢后一般20 d 內(nèi)對(duì)耐火材料襯體及時(shí)進(jìn)行烘烤，冬季7 d 內(nèi)及時(shí)進(jìn)行烘爐，并采取保溫、防凍措施。 烘爐時(shí)，嚴(yán)格按照烘爐工藝及烘爐曲線進(jìn)行烘爐，在600 ℃之前應(yīng)該緩慢升溫和保溫，以便襯體中的水分充分排出， 烘爐燃燒器禁止直接對(duì)準(zhǔn)耐火材料砌體進(jìn)行烘烤， 要避免局部過熱造成耐火材料的開裂、剝落[3]。

4 結(jié)語

針對(duì)大型球團(tuán)帶式焙燒機(jī)不同部位的使用條件，通過高性能耐火磚，高強(qiáng)度、低反彈噴涂料，抗熱振、 抗剝落剛玉莫來石澆注料等新型耐火材料的應(yīng)用，并對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)、頂部整體吊掛結(jié)構(gòu)、耐火材料錨固結(jié)構(gòu)及無水冷隔墻結(jié)構(gòu)等耐火材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，加強(qiáng)耐火材料施工設(shè)計(jì)與烘爐管理，綜合解決大型球團(tuán)帶式焙燒機(jī)關(guān)鍵部位和易損部位耐火材料應(yīng)用技術(shù)難題，使耐火材料內(nèi)襯使用壽命均衡、同步，減少停機(jī)檢修次數(shù)，有效延長(zhǎng)使用壽命，提高作業(yè)率，降低能源消耗，提高資源綜合效率，達(dá)到良好的技術(shù)效果和社會(huì)效益。