煅燒石灰石麥爾茲窯耐材應(yīng)用實踐

崔新華

（河北鑫達鋼鐵集團有限公司技術(shù)部，河北 遷安064400）

麥爾茲窯（簡稱麥窯）煅燒活性石灰工藝在國內(nèi)已經(jīng)比較成熟，主要應(yīng)用于各礦山和鋼廠生產(chǎn)活性石灰，又稱“雙膛窯”。兩個窯膛對稱布置，并通過窯體下部的連接通道相連。煅燒工藝有兩大特點：并流和蓄熱。所謂并流就是在石灰石煅燒時，燃燒產(chǎn)物和石灰石一起向下流動，這樣利于煅燒出高質(zhì)量的活性石灰；所謂蓄熱就是窯膛l的燃燒產(chǎn)物——高溫廢氣通過兩窯膛下部的連接通道進入窯膛2，在窯膛2隨高溫廢氣向上流動，將預(yù)熱帶的石灰石預(yù)熱到較高溫度，把熱量積蓄起來，同時高溫廢氣下降到一個很低的溫度后排出窯膛。圖1為麥爾茲窯的工作原理圖。

圖1 麥爾茲窯工作原理圖

冷卻空氣和熱的石灰發(fā)生熱交換后將熱量儲存起來參與和冷的石灰石熱交換。這種工作原理充分地利用了廢氣和石灰余熱，保證了很高的熱效率。

麥爾茲雙膛豎窯兩個窯膛的功能（煅燒和蓄熱）交替互換。即一個窯膛煅燒，另一個窯膛蓄熱，12～15 min后開始換向，兩個窯膛的功能隨之互換。氣體運動如圖2所示。

圖2 麥爾茲窯內(nèi)部氣流運動示意圖

操作時兩個窯膛交替裝入礦石，經(jīng)振動給料機及可逆皮帶機分別送至兩個旋轉(zhuǎn)底開式料斗，經(jīng)過裝料閥門進入石灰窯窯膛內(nèi)煅燒。燃料分別由兩個窯膛的上部送入，通過設(shè)在預(yù)熱帶底部的多支噴槍使燃料均勻地分布在整個窯膛的斷面上均勻煅燒。每個窯膛都有各自的預(yù)熱帶、煅燒帶和冷卻帶。

煅燒產(chǎn)品在整個燃燒循環(huán)期間不斷地從兩個筒內(nèi)卸出，通過卸料臺進入壓力料斗。冷卻空氣不斷地從兩窯筒底部引入，使石灰在被排至石灰儲存料斗前溫度降低。在換向期，當窯體解壓后，石灰從儲存料斗中排入到出料皮帶機上。

1 窯內(nèi)耐材配置使用現(xiàn)狀

1.1 連接通道耐材配置及受損情況

窯體砌筑是保證雙膛窯熱工性能的基礎(chǔ)，根據(jù)窯體外表溫度≤70℃配置，以降低窯表面溫度，減少表面散熱損失為原則，采用耐溫、耐磨、隔熱性能良好的耐火材料砌筑而成。兩個窯膛在煅燒帶與冷卻帶的交接處設(shè)有連接通道，這是麥爾茲窯的咽喉要道，耐材配置如圖3所示。

圖3 麥爾茲窯連接通道處的耐材配置示意圖

為了保證窯襯的嚴密性和隔熱性，窯體砌磚使用了44種磚型和多種耐火材料，由內(nèi)到外主要是由鎂磚(煅燒帶和通道支撐拄為特殊鎂磚、冷卻段下部為高鋁磚）、陶瓷纖維毯、輕質(zhì)保溫磚（密度1.0 g/cm3）、輕質(zhì)保溫磚（密度0.6 g/cm3）、硅鈣板和硅鈣板鋼殼組成。

雙膛之間的連接通道為薄弱環(huán)節(jié)，在此處的耐材容易受損脫落，主要由以下原因引起：

（1）高溫氣流循環(huán)，處于正壓狀態(tài)；

（2）澆注料和耐材共同施工，膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生熱應(yīng)力或縮孔；

（3）澆注料與鋼結(jié)構(gòu)沒有采取錨固結(jié)構(gòu)，澆注料固定不住，澆注料脫落后，高鋁磚無擠力依靠，隨之脫落；

（4）最上部的保溫材料——礦渣棉受到高溫容易熔化和收縮，形成上部空洞，高溫氣流在此處燒壞鋼結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致耐材進一步脫落，形成惡性循環(huán)。

預(yù)熱帶襯為耐磨內(nèi)襯，由內(nèi)到外分別配有專用硬質(zhì)黏土磚（下部幾環(huán)為鎂磚）、輕質(zhì)黏土磚、陶瓷纖維墊、輕質(zhì)黏土磚及硅鈣板。

煅燒帶的耐磨內(nèi)襯為優(yōu)質(zhì)鎂磚制成，有兩層保溫襯，由內(nèi)到外依次為鎂磚、陶瓷纖維墊、兩層輕質(zhì)黏土磚及硅鈣板。

冷卻帶的耐磨內(nèi)襯為高鋁磚和專用硬質(zhì)黏土磚，由內(nèi)到外依次為專用硬質(zhì)黏土磚（上部幾環(huán)為高鋁磚）、陶瓷纖維墊、兩層輕質(zhì)磚及硅鈣板。

窯體砌磚是上下兩段結(jié)構(gòu)。兩段重量分別由窯殼承受并傳遞到窯基礎(chǔ)，由此可減少下部砌體所承受的壓力，有利于延長窯內(nèi)襯的使用壽命。兩段分界位置在窯連接通道上面幾百毫米處，分界處留有環(huán)形膨脹縫，用來吸收窯襯加熱時產(chǎn)生的膨脹量，防止窯殼受力上升。

1.2 撥灰孔處耐材受損情況

麥爾茲雙膛豎窯屬于正壓操作，在正常生產(chǎn)情況下，連接通道處壓力保持在15～35 kPa之間，并且始終是煅燒的窯膛壓力高于非煅燒的窯膛壓力，從而保證了氣體在窯體內(nèi)的正常流動。高壓氣流的不斷沖刷和冷熱氣流的交替進行，使得連接通道處的耐材溫度梯度增大，很容易造成耐材剝落和坍塌。同時在窯體四周設(shè)置有撥灰孔。撥灰孔主要用于日常窯內(nèi)部側(cè)壁的檢查和處理積灰和石灰石結(jié)瘤，在處理時，必須進行停窯處理，窯內(nèi)的壓力處于負壓狀態(tài)，主要是考慮到人工處理安全，如果是正壓，熱氣溢出容易燙傷現(xiàn)場檢修人員。

在人工使用鐵釬子進行處理作業(yè)時，窯外的冷風就會吸到窯內(nèi)，撥灰孔處的鋼結(jié)構(gòu)和耐材在溫差1 000℃的條件下出現(xiàn)熱應(yīng)力，鋼結(jié)構(gòu)容易變形、裂紋和開焊，耐材容易產(chǎn)生裂紋和脫落，從而導(dǎo)致?lián)芑铱滋幝?、溢氣，燒壞周邊鋼結(jié)構(gòu)，形成惡性循環(huán)（如圖4所示）。

圖4 麥爾茲窯撥灰孔周邊鋼結(jié)構(gòu)、耐材燒損圖

在現(xiàn)場檢修時通過撥灰孔處理外窯膛內(nèi)壁積灰結(jié)瘤時，由于冷風通過撥灰孔洞吸入到窯內(nèi)，造成此處窯內(nèi)壁的耐材出現(xiàn)收縮裂縫，如圖5所示。這樣的裂縫寬度如果大于10 mm，在開窯時由于熱膨脹不能完全愈合，造成窯內(nèi)高壓熱氣通過縫隙直達保溫層和鋼構(gòu)處，使窯皮溫度升高，甚至發(fā)紅、氧化、燒穿及變形，如圖6所示。

圖5 窯內(nèi)撥灰孔下部的耐材裂紋圖

圖6 撥灰孔上部的鋼構(gòu)燒損圖

1.3 撥灰孔下部牛腿處耐材受損

撥灰孔正下方屬于麥爾茲窯外腔，內(nèi)部無石灰石原料，這個腔體主要處理石灰石在窯壁的結(jié)瘤。在靠近爐膛側(cè)有一個內(nèi)膛，盛裝石灰石原料，主要進行原料的運行、加熱、煅燒和分解，屬于石灰石堆積區(qū)域。支撐麥爾茲窯內(nèi)腔的是鑲嵌在外膛側(cè)壁內(nèi)部的牛腿耐材，總計12個，牛腿和牛腿之間依靠拱腳進行連接。牛腿結(jié)構(gòu)設(shè)計及耐材配置如圖7、圖8所示。

圖7 牛腿耐材施工現(xiàn)場圖

圖8 牛腿耐材配置示意圖

在使用過程中，部分拱腳處的耐材出現(xiàn)裂紋、結(jié)瘤、下沉、脫落和坍塌，如圖9、圖10所示。

圖9 撥灰孔下部，牛腿上部的耐材裂紋圖

圖10 牛腿處耐材結(jié)石灰瘤圖

分析其主要原因：

（1）撥灰孔下部牛腿處耐材受損，主要是拱腳角度設(shè)計偏大，承重力小，容易下沉。

（2）耐材設(shè)計配置的材質(zhì)是M90，屬于鎂磚，容易與石灰石中的雜石、粉面等低熔點物質(zhì)發(fā)生結(jié)瘤、結(jié)塊。

（3）鎂磚的熱震穩(wěn)定性弱，在麥爾茲窯不斷的換向過程中，冷熱氣流交替沖擊，鎂磚容易受到溫度梯度的變化而出現(xiàn)裂紋、剝落甚至坍塌。

（4）在窯內(nèi)牛腿通道處與耐材結(jié)瘤、引發(fā)窯內(nèi)氣壓不均，高溫高壓氣流致使撥灰孔及通道處鋼構(gòu)燒損、導(dǎo)致部分耐材開裂、脫落。

（5）石灰石質(zhì)量差，其中的雜質(zhì)（紅色、褐色和黑色的雜石）和粉面（＜10 mm以下）多時，導(dǎo)致窯內(nèi)透氣性不好，局部會產(chǎn)生高溫，而石灰石中的雜質(zhì)軟化點溫度低，在900℃左右會熔融、結(jié)瘤，粘附在石灰石上面形成瘤塊，掛在牛腿通道的耐材上，對耐材表面產(chǎn)生拉墜力，當窯內(nèi)物料出料或加料時對瘤塊處形成沖擊，瘤塊將沖擊力傳至耐材，形成對耐材的拉力，導(dǎo)致耐材開裂脫落。

（6）當牛腿通道處物料結(jié)瘤時堵塞通道，造成透氣性差。氣流流動不暢將導(dǎo)致雙膛之間的連接通道處長期處于高溫高壓狀態(tài)，加劇牛腿通道處瘤塊的形成，加劇耐材的腐蝕和脫落。

1.4 耐材受損其它原因

（1）現(xiàn)場操作人員技術(shù)水平低，責任心不強，日常對撥灰孔處漏風情況檢查不到位，盤根損壞未及時更換，高溫氣流損壞撥灰孔處鋼構(gòu)。

（2）在檢修處理環(huán)形通道時窯壓調(diào)整不合適，冷風灌進撥灰孔，鋼構(gòu)在急速冷卻時產(chǎn)生熱收縮裂紋，耐材產(chǎn)生熱收縮裂紋。

（3）工人在操作中風、煤氣配比不合理，煤粉燃燒不完全，導(dǎo)致煤粉下行至牛腿通道處、窯底出灰處，未燃盡的煤粉與石灰石中的粉面、雜石結(jié)合，形成低熔點物質(zhì)，加劇了結(jié)瘤的產(chǎn)生。人工在處理結(jié)瘤時，對環(huán)形通道處的耐材結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體性產(chǎn)生一定的破壞，耐材表面結(jié)瘤越多，處理難度越大?，F(xiàn)場停窯使用風鎬對窯內(nèi)的瘤塊進行清理，風鎬的機械沖擊會對窯內(nèi)的耐材造成二次破壞，耐材受力越大，損壞也越嚴重。

2 窯內(nèi)耐材檢修、改造主要施工內(nèi)容

針對麥爾茲窯的現(xiàn)狀，對麥爾茲窯的檢修改造內(nèi)容如下：

（1）現(xiàn)場主要部位使用的鎂磚改為使用鎂鋁尖晶石，主要有以下優(yōu)勢：

①鎂鋁尖晶石線膨脹系數(shù)較小，沿各個晶軸方向的熱膨脹大小都相同，在溫度波動時膨脹和收縮都比較均勻，產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小，有很好的均勻熱震穩(wěn)定性；

②鎂鋁尖晶石的主要性能——荷重軟化溫度比鎂磚高；

③鎂鋁尖晶石的抵抗堿性熔渣、氧化鐵熔渣、酸性熔渣的能力強于鎂磚，不易于與石灰石中的雜質(zhì)融為一體，不容易形成結(jié)瘤。

（2）對撥灰孔處的封蓋（堵板）進行改造，由設(shè)計中的整體式改為分體式，兩者優(yōu)缺點及對比如圖11所示。

圖11 兩種撥灰孔封蓋優(yōu)缺點對比圖

（3）對撥火孔平臺變形、開焊的鋼結(jié)構(gòu)進行修復(fù)，更換變形無法修正的撥火孔。

（4）對耐材受損部位進行重新施工砌筑，要求用泥漿飽滿度≥95%，灰縫厚度（2±1）mm，砌筑時必須注意不同部位的耐火磚及澆注料材質(zhì)不同。

（5）為保證磚襯工作的氣密性，對兩窯膛連接通道位置耐材和鋼結(jié)構(gòu)不貼合的部分進行灌漿處理，如圖12所示。

圖12 連接通道耐材施工現(xiàn)場圖

3 麥爾茲窯原料控制

在麥爾茲窯生產(chǎn)時，如果石灰石粒度小、雜質(zhì)多，氣體通過的阻力就越大。當窯膛內(nèi)的石灰石粒度分布不均勻時，氣體通過窯膛橫截面也是不均勻的。因此將導(dǎo)致燃料的燃燒不均勻分布，形成高溫處結(jié)瘤，進而損壞耐材。

各種石灰堅窯都提倡精料入爐，麥爾茲窯顯得尤為重要。所謂精料包括石灰石的化學成分穩(wěn)定、低熔物較少、塊度均勻（塊度比<2）以及泥沙雜質(zhì)少等方面，現(xiàn)場使用立方形或球形狀的石灰石為最佳，應(yīng)盡量避免使用層狀或片狀石灰石，避免石灰石雜石和雜質(zhì)入窯。

4 麥爾茲窯后續(xù)維護措施

針對麥爾茲窯的后續(xù)維護措施，制定了維護標準（見表1）。

5 結(jié)語

經(jīng)過一段時間的檢修和改造，撥灰孔周邊以及連接通道處的耐材、鋼構(gòu)使用較好，麥爾茲窯的使用狀況得到了很大的改善，窯況穩(wěn)定，生產(chǎn)順行，產(chǎn)量穩(wěn)定。