200 萬t 球團(tuán)回轉(zhuǎn)窯耐火材料長壽化改進(jìn)

李宗勝

（鞍鋼礦業(yè)公司大孤山球團(tuán)廠，遼寧 鞍山 114046）

1 耐火材料作用

在追求鋼鐵高產(chǎn)量的同時，對提高原材料利用率和減排也提出了更嚴(yán)格的要求。相比于傳統(tǒng)的高爐煉鐵，200 萬t 球團(tuán)鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)密工藝制造的氧化球團(tuán)有更高的品味和強(qiáng)度、以及更均勻的粒度，因此，在我國的現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)中，百萬噸級的球團(tuán)鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯設(shè)備逐漸受到學(xué)者與工作人員的重視。由于我國磁鐵礦存量逐漸減少，使用赤鐵礦作為原材料在鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線上生產(chǎn)球團(tuán)成為未來發(fā)展趨勢。赤鐵礦的主要成分是Fe2O3，赤鐵礦球團(tuán)在回轉(zhuǎn)窯中焙燒時，需要溫度升至1300 ℃左右時，F(xiàn)e2O3晶粒會發(fā)生長大與再結(jié)晶。赤鐵礦不同于磁鐵礦的一顯著特點(diǎn)在于使用赤鐵礦作為原材料進(jìn)行加工時，考慮其冶金性能，需要更高的工作溫度。

200 萬t 球團(tuán)鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯的工作環(huán)境處在從常溫到高溫的不同溫度下，其中，回轉(zhuǎn)窯作為焙燒氧化球團(tuán)礦的主要場所，處在最高的工作溫度下，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)工作溫度需要高于1400 ℃，普通的鋼無法承受這種高溫，所以一般在鋼的內(nèi)部增加一層耐火材料。因此，設(shè)計其內(nèi)襯時，必須選用合適的耐火材料。耐火材料可以安全有效地提高回轉(zhuǎn)窯中工作溫度，在冶金反應(yīng)中，得到更高的反應(yīng)溫度，進(jìn)而提高氧化球團(tuán)礦的質(zhì)量。

2 耐火材料失效原因分析

鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯工藝中的回轉(zhuǎn)窯通常由筒體、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯、滾圈、窯頭與窯尾罩、燃燒裝置、傳動裝置、支撐裝置、下料設(shè)備組成。據(jù)報道，2017年回轉(zhuǎn)窯停產(chǎn)原因的統(tǒng)計分析中，回轉(zhuǎn)窯停產(chǎn)大約一半是由于回轉(zhuǎn)窯的內(nèi)襯破損。回轉(zhuǎn)窯是物料加熱的主要場所，內(nèi)襯使用耐火材料。在反應(yīng)過程中，物料會頻繁地與內(nèi)襯發(fā)生機(jī)械摩擦，同時，回轉(zhuǎn)窯在使用過程中頻繁急冷或急熱，造成內(nèi)應(yīng)力集中，易出現(xiàn)脫落、還原等損壞。

回轉(zhuǎn)窯在使用過程中處在1400 ℃以上的高溫，由于設(shè)計工藝缺陷或操作不當(dāng)，出現(xiàn)的急冷或急熱會使內(nèi)襯耐火材料出現(xiàn)應(yīng)力集中。回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的主要成分一般為氧化鋁。材料的抗熱震性不足是過早發(fā)生失效的原因。抗熱震性指的是耐火材料（回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯）的在急冷急熱的溫度驟變情況下而不發(fā)生破壞的性能，屬于工程參數(shù)。

關(guān)于物料氧化球團(tuán)與回轉(zhuǎn)窯的內(nèi)襯發(fā)生機(jī)械摩擦，主要原因是氧化球團(tuán)礦在還原過程中發(fā)生的體積膨脹。國內(nèi)外對球團(tuán)膨脹機(jī)理的描述，已經(jīng)成型的理論體系主要有四種：

1）碳沉積膨脹理論，低溫還原特性，一氧化碳被還原為碳單質(zhì)，碳單質(zhì)在球團(tuán)礦的縫隙中發(fā)生沉積導(dǎo)致球團(tuán)開裂體積膨脹。

2）堿金屬膨脹理論，認(rèn)為鐵礦或添加物中的堿金屬在反應(yīng)過程中使鐵的還原反應(yīng)加快，導(dǎo)致反應(yīng)迅速發(fā)生球團(tuán)膨脹。

3）鐵晶須膨脹理論，認(rèn)為微觀組織中纖維狀的金屬鐵會使晶粒間產(chǎn)生應(yīng)力場，最終導(dǎo)致球團(tuán)體積膨脹。

4）埃德斯特累姆理論，認(rèn)為球團(tuán)的膨脹是還原產(chǎn)物二氧化碳與水蒸氣的產(chǎn)生速度大于擴(kuò)散速度，導(dǎo)致球團(tuán)礦的開裂膨脹。

3 耐火材料長壽化改進(jìn)

3.1 改進(jìn)耐火材料實(shí)現(xiàn)長壽化

回轉(zhuǎn)窯的內(nèi)襯大部分使用耐熱耐磨的特級高鋁，主要成分為氧化鋁，原料為剛玉。由于氧化球團(tuán)物料硬度較高，還原反應(yīng)過程中很容易與內(nèi)壁摩擦，所以不在內(nèi)襯上黏附熟料當(dāng)作保護(hù)層（窯皮）。這對耐火材料的耐熱耐磨性能提出了更高的要求。當(dāng)氧化鋁耐火材料在快速地受熱或受冷中，會發(fā)生膨脹或收縮，各部分之間會因變形互相制約并產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過耐火材料的內(nèi)部結(jié)合力時，材料就產(chǎn)生崩裂或剝落。因此，對耐火材料的改進(jìn)可以從抗熱震性考慮。

影響抗熱震性的因素有材料的熱膨脹系數(shù)、傳熱系數(shù)、彈性模量、材料的強(qiáng)度、斷裂韌性。傳熱系數(shù)提高，熱導(dǎo)率越大，材料內(nèi)部溫差就越小，材料不同位置的應(yīng)力差就越小，抗熱震性也越好；材料的固有強(qiáng)度越高，承受熱應(yīng)力發(fā)生破壞的臨界應(yīng)力越大，抗熱震性越好；斷裂韌性越高，斷裂前吸收的能量越高，抗熱震性越好；熱膨脹系數(shù)小，材料溫度變化引起體積變化小，由于體積變化帶來的應(yīng)力也越小，抗熱震性好；彈性模量越高，材料由于溫差產(chǎn)生的應(yīng)力難以通過彈性變形抵消，抗熱震性越差。材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和幾何形狀等也會對抗熱震性有影響。一般地講，材料組織相對疏松，有一定氣孔率，有適當(dāng)?shù)奈⒘鸭y存在，都可以提高斷裂能，使材料在熱沖擊下不致被破壞。另外，形狀相對簡單、外形相對均勻的構(gòu)件抗熱震性能要好于形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不均勻的構(gòu)件。

氧化鋁作為內(nèi)襯材料，就其材料特性而言具有較好的抗熱震性。對氧化鋁耐火材料作為回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯的改進(jìn)，可以從組織出發(fā)。使用造孔劑方法和等靜壓成型可以制備多孔的氧化鋁，制得的氧化鋁可以測量密度與氣孔率，或使用掃描電子顯微鏡觀察表面形貌來判斷是否得到疏松帶有氣孔的氧化鋁材料。據(jù)報道，制備的多孔氧化鋁在大約800 ℃熱震后的殘余強(qiáng)度相比380 ℃熱震后殘余強(qiáng)度，從31 MPa減小到6 MPa，掃描電子顯微鏡觀察到較少的裂紋和缺陷，多孔的氧化鋁抗熱震性較好。

同時，在回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)設(shè)計上，可以通過對危險部位加固以防止過早失效。對受熱膨脹導(dǎo)致脫落的部位增加保護(hù)措施，可以用焊接的方法防止螺栓受熱松動后部件發(fā)生移動，耐火材料不會因此發(fā)生松動。也可以改善回轉(zhuǎn)窯整體結(jié)構(gòu)，使用對稱砌筑法，計算膨脹應(yīng)力并保留膨脹縫。根據(jù)已有的報道，使用這些方法都可以有效地提高回轉(zhuǎn)窯應(yīng)力集中部位的使用壽命。

如果氧化球團(tuán)含有堿金屬，又不得不進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯煅燒，可以考慮更換耐火材料放止堿金屬腐蝕。鎂鉻耐火材料是鎂砂、鎂鉻砂等作為主要材料高溫煅燒的來，為弱堿性化合物，所以相比氧化鋁耐火材料，鎂鉻耐火材料對堿金屬的腐蝕具有較好的抵抗作用。鎂鉻耐火材料目前多用于煉銅產(chǎn)業(yè)，主要原因是鎂鉻對銅行業(yè)的堿性爐渣具有抗蝕作用。隨著高溫工藝的發(fā)展，鎂鉻耐火材料在煉鐵中也有一定的應(yīng)用前景，如熔融還原煉鐵法等。隨著我國科研實(shí)力的進(jìn)步，研究人員共同努力會推動更多的耐火材料的發(fā)展。

3.2 改進(jìn)氧化球團(tuán)實(shí)現(xiàn)耐火材料長壽化

氧化球團(tuán)在回轉(zhuǎn)窯中發(fā)生高溫還原反應(yīng)，由于反應(yīng)溫度高、反應(yīng)迅速，鐵的氧化物被還原成鐵單質(zhì)和CO、CO2、水蒸氣的混合氣體。反應(yīng)伴隨的體積膨脹是由于相變、混合氣體或二者共同作用造成的，據(jù)報道體積膨脹最大可達(dá)20%左右。由于反應(yīng)過程中的體積膨脹，物料會對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯施加較大的摩擦力，導(dǎo)致磨損。而且，不同成分的物料對回轉(zhuǎn)窯也會材料也會有不同的侵蝕，其中，含有二氧化硅與鐵的化合物反應(yīng)生產(chǎn)鐵橄欖石使?fàn)t渣黏結(jié)，也與氧化鋁耐火材料中的Al2O3形成二次莫來石，導(dǎo)致耐火材料結(jié)構(gòu)疏松。堿金屬會明顯腐蝕耐火材料，隨著堿金屬的增加，耐火材料裂紋數(shù)量也增加了。

從氧化球團(tuán)對耐火材料造成的影響可以判斷，在鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯法中，使用高質(zhì)量的氧化球團(tuán)可以有效提高回轉(zhuǎn)窯耐火材料使用壽命。為此，可以對氧化球團(tuán)增加預(yù)處理工藝提高球團(tuán)礦品質(zhì)。

3.3 改進(jìn)工藝實(shí)現(xiàn)耐火材料長壽化

為了減少急熱和急冷對耐火材料的熱應(yīng)力而使耐火材料失效，需要從工藝角度出發(fā)。加熱時，根據(jù)材料特性與回轉(zhuǎn)窯結(jié)構(gòu)設(shè)定升溫曲線，冷卻時，按照提前停止下料、不打開觀察孔等標(biāo)準(zhǔn)停窯程序進(jìn)行以防止突然停窯降溫過快。回轉(zhuǎn)窯應(yīng)定期檢修，檢查技術(shù)參數(shù)、尺寸等，更換失效部件，保證設(shè)備各部分有效穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

隨著國家對冶金行業(yè)環(huán)保的重視，200 萬t 鏈篦機(jī)-回轉(zhuǎn)窯由于能源利用率高等優(yōu)勢受到眾多冶金生產(chǎn)廠家的重視。而回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯耐火材料壽命較短、需要頻繁的更換處理，使設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率低，提高了冶金過程的生產(chǎn)成本，降低了經(jīng)濟(jì)效益。因此，分析了耐火材料失效的原因主要是物料對內(nèi)襯的機(jī)械作用力和設(shè)備急冷急熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力共同導(dǎo)致的。并有針對性地提出了耐火材料長壽化改進(jìn)的幾個方法：

1）改進(jìn)內(nèi)襯耐火材料，對現(xiàn)用的特級高鋁進(jìn)行改性或選用新材料。

2）預(yù)處理氧化球團(tuán)，以降低其在煅燒過程中的體積膨脹，從而降低其與內(nèi)襯的機(jī)械作用力。

3）合理化生產(chǎn)工藝，盡量避免速率過快的加熱和冷卻。