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水泥窑用碱性耐火砖的损坏机理分析

编辑:耐火砖浏览:时间:2018-07-02

  数十年来,中外水泥回转窑的运行实践和对高温带碱性耐火砖损坏机理的研究所形成的共识是:机械应力、热应力和化学损坏是三种基本的损坏因素。绝大多数情况下,它们综合作用于耐火材料,并主要表现为热-机械综合效应和热-化学综合效应。

  有学者对使用后的碱性耐火砖进行实验室研究,观察到四种主要损坏模式。其中碱相充填砖的深部孔隙和熟料硅酸盐渗入砖的热面层,从而分别导致相应砖层致密化和炸裂的模式为重要。如再加上形成碱-铬-硫相的影响,则碱相造成的损坏占全部损坏机会的一半之多,这些模式在预分解窑内更为突出。方镁石晶体长大造成损坏的模式,只在无窑皮有效保护的冷却带内镁铬砖衬中发生。有时耐火砖内几种损坏模式并存,故总和超过100%。

  一、熟料熔体渗入

  熟料熔体主要源自窑料和燃料,其组成主要位于CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3四元体系中。在窑料、耐火砖内浓度梯度和温度梯度驱动下,熔体主要以离子迁移的方式,从耐火砖的热端向冷端迁移。

  二、碱盐渗入

  随着预分解窑的大型化,以煤代油特别是代用燃料的广泛使用,以硫酸碱和氯化碱为主的挥发性组分,在窑气和窑料中含量大增。碱盐深度地渗入砖层,并在7001000℃的砖层内凝聚沉积,使该处高度致密化,并侵蚀砖内除方镁石以外的相邻组成,导致该层的热震稳定性显著减弱,再在热-机械应力综合作用下开裂剥落。碱、硫、氯含量越高,碱对硫(和氯)的摩尔比偏离1越多,砖越容易损坏。

  三、还原和还原-氧化反应

  还原火焰或存在局部不完全燃烧时,镁铬砖内的三价铁还原成二价铁,使MgO·Fe2O3转化成MgO·FeO,体积收缩20%。而且Fe2+在方镁石晶体中迁移扩散的能力比Fe3+强得多,进一步加重了方镁石晶粒边界区的体积收缩效应,并因而产生孔洞,砖的结构被弱化,使其强度降低。

  四、过热

  窑内热负荷过高,使砖面长时间失去窑皮的保护,热面层内基质在高温下熔化并向冷面层方向迁移,即使渗入层致密化,又留下疏松多孔的热面层。而且在温度梯度场的作用下,方镁石晶体都以其(1,0,0)晶面向着热面层,沿着这一方向伸长并长大,可直至几毫米长。疏松多孔的热面层不耐磨刷、冲击、震动和热疲劳,易于损坏。

  五、热震

  窑皮不稳定和窑的转动不正常时,碱性砖特别易受热震而损坏。窑皮的突然垮落而使砖面温度瞬时骤增甚至近2000℃,窑的频繁开停又在砖内频繁产生热应力。砖内吸收热应力的能力有一定限度,一旦超出其结构强度,砖就会开裂,并沿上述种种结构弱化处不断扩大加深,使砖碎裂。窑皮掉落时,带走处于热面层的碎砖片,使砖不断剥落而损坏。

  六、机械应力

  窑转动时,位于托轮处的砖受挤压,位于窑筒顶部的砖受窑皮重量和自重带来的拉伸。窑初开和初停的瞬间,特别是位于传动部位的砖受到扭曲。当衬里砌筑不良时,砖会受剪切作用。实际上,砖受到的是压力、拉力、扭力和剪刀的综合机械应力。其中,窑的转动,窑筒体的椭圆度和窑皮掉落,使砖受到动力学负荷;砖和窑皮的重量以及砖本身的热膨胀,使砖承受静力学负荷,砖开始开裂损坏。

  七、磨刷

  在窑内冷却带和卸料端缺乏窑皮保护的部位,已离烧成带的熟料和大块窑皮的温度较低,因而较硬,可以产生较严重的冲击和磨蚀损坏。

  烧成系统其他设备(如预热器、分解炉和篦式冷却机)内耐火材料的损坏,主要是由高温物料、高速含尘气流对耐火材料的冲刷造成的。其中原料和燃料中的碱、硫和氯等有害成分在预热器和分解炉内造成结皮和堵塞,不仅与耐火材料发生化学反应而改变其表层化学成分、损害其物理强度而降低其寿命,而且在不同的清堵过程中,热震、重度撞击等对耐火材料的损害极大,必须非常重视!

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