預分解窯窯頭擋磚圈的技術發展

預分解窯窯頭擋磚圈的技術發展

預分解窯回轉時，窯內襯磚因窯體傾斜向下滑動，產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℃以上熔融熟料內堿、硫等化合物的化學侵蝕，以及窯筒體變形產生的橢圓應力等，是預分解窯內使用周期最短的襯磚（表1）。

表1表明，預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、過渡帶內襯料少2個月。從實際運行來看，相當多的生產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，對熟料產量、質量、熱耗均有負面影響，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分解窯發展目標，而其中一個關鍵因素是如何減緩窯頭擋磚圈所承受的應力，相應減緩窯口襯體所承受的壓應力。

表1 預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窯的技術發展有關，傳統的回轉窯轉速較低，通常約1r/min，而后出現的立波爾窯，轉速提高至1.2～1.5r/min，設置的窯頭擋磚圈一般為寬50mm、高100mm的矩形擋磚圈。而預熱器窯的窯速為1.5～2.0r/min，預分解窯的窯速增至3r/min，則窯內耐火磚的向下推力相應增加，擋磚圈的高度相應降低至寬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

隨著窯產量的增大，窯徑和窯轉速相應增加，目前窯的產量已超過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增大，窯頭擋磚圈所承受的熱機械壓應力大幅增加。為減緩擋磚圈所承受的應力，出現了一些不同結構型式的擋磚圈（圖2）。

2 不同結構型式擋磚圈受力比較

近年來，國內外投產的一些大型預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，成為生產的大問題。

圖2 大型預分解窯擋磚圈結構型式

2010年，RHI公司通過計算機模擬（CFD）技術對三種不同結構型式的擋磚圈及其所配置的耐火磚所承受的熱機械應力進行模擬計算。其結論是，目前廣泛采用的雙道正方形擋磚圈所承受的熱機械應力最大，為260N/mm2；三角形擋磚圈所承受的應力最小，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械應力為144N/mm2。我國投入生產的多條10 000t/d級生產線也證實了上述計算結果。窯出口使用前端縮小筒體，其襯磚使用周期遠遠高于雙排正方體擋磚圈襯磚使用周期（圖3、圖4）。

從模擬計算結果看：三角形擋磚圈承受的熱機械壓應力最低，但結構較復雜，國內大型窯上使用不多。國內相當多的大型預分解窯為直筒窯，為緩解窯頭擋磚圈所承受的熱機械壓應力，將出口端筒體縮小不太現實。為提高窯頭襯體的使用周期，減少停窯造成的生產損失和維修費用，采用三角形擋磚圈結構是可能的。

圖4 大型預分解窯上不同型式擋磚圈耐火磚承受的應力數值模擬量

3 三角形擋磚圈的技術進展

早期使用的三角形擋磚圈通常為4級，結構件多且復雜（圖5），生產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°傾角結構優化為40°（圖6），優點是擋磚圈和配置的耐火磚之間的接觸面增大，壓應力減少。此外，軸向襯體推力部分被轉移到徑向和圓周上，相應減少襯體承受的機械應力。40°擋磚圈系統是由抗高溫的耐熱鋼擋磚圈裝置和配置的抗熱機械應力的耐火磚以及合理尺寸的膨脹縫組成。

公司對20°三角形傾角和改進的40°三角形傾角擋磚圈以及常規的矩形結構擋磚圈所承受的熱機械應力進行了計算機模擬計算（圖7），其結果是常規的矩形擋磚圈及其配置的襯磚所承受的熱機械應力遠高于三角形擋磚圈，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械應力在耐火磚和擋磚圈之間的接觸面分布均勻，數值至少降低30%。此外，傾角度數在實踐應用中可適當調整，以將所承受的熱機械應力降至合適的數值。擋磚圈通常為一級，特殊需求可增加級數。

為了提高窯口耐火材料的使用周期，除了增強擋磚圈結構以減緩熱機械推力，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良的結構彈性，且具有高的機械強度、抗腐蝕和熟料熔相侵蝕的性能；還需結合各生產線因原燃料性能的不同，窯口所承受的熱機械、化學應力的不一致，合理地選用鎂質、碳化硅質及特種高鋁質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少許修改后，可用于窯中部位（圖8）。

4 結語

回轉窯在運行過程中，為阻止窯內耐火磚向下運行產生壓應力，必須設置擋磚圈。擋磚圈的型式隨窯的技術發展而逐步優化。目前，國內預分解窯上大量使用正方體擋磚圈，因承受的壓應力較大，使用周期短，難于滿足生產需求。

通過對當前大量使用的不同型式的擋磚圈所承受的壓應力進行計算機模擬計算，三角形結構擋磚圈、窯口收縮耐火磚所承受的熱機械應力遠低于正方體擋磚圈。但國內大型預分解窯大多為直筒窯，窯筒體改造有一定難度。而傳統的20°三角形擋磚圈級數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。

通過優化，新出現的40°三角形結構擋磚圈系統正應力大幅降低，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用，這個動向值得關注。

陳友德編譯自

No.7/2014 World Cement

圖54 級20°傾角擋磚系統

圖640 °傾角擋磚系統（圖中棕色為特殊設計的傾角擋磚圈、白色為膨脹縫）

圖7 計算機模擬三種擋磚圈承受的壓應力

圖8 窯中部位三角型擋磚圈系統