双膛窑耐火砖烧损原因分析及解决办法|双膛窑|喷枪|烧损|煤粉|窑炉|耐火砖|莫来石

双膛窑以其良好的优点，诸如热耗低、自动化程度高、易调节产量、并流蓄热、耐材使用少、占地面积少、产品质量稳定等而广泛应用于冶金石灰的生产。某熔剂项目主要供应轻烧白云石。该项目设计产能为240万t/年，建设12座，日产设计600t/d,分2期完成。第一期工程设计4座双膛窑，从2020年12月开始开工建设，1号窑于2022年7月成功生产出轻烧白云石。生产一段时间后发现炉壳表面出现2个高温点，被迫排空检查。结果发现窑炉喷枪底部约700mm处工作层耐火砖烧损，保温层耐火砖呈现熔融状态(见图1)。为避免此种现象重复出现，需对耐火砖烧损原因进行分析。项目组从设计、工艺操作、原燃料结构、设备安装结构等方面进行了全面综合分析，查找产生的原因，并予以优化整改。

图1 高温点处窑壳耐火材料烧损状况

双膛窑耐材内衬结构

项目建设采用国产双膛窑，窑型为“双C结构”,其内部耐火材料砌筑结构如图2所示。双膛窑内衬结构自下而上分为冷却带、煅烧带、预热带，它们是由耐高温、耐磨、保温性能良好的耐火材料砌筑而成。两个窑膛构筑有中间通道、8根冷却支柱。窑炉外环砖层依次从窑膛底部计数起总共194层。

图 2 双膛窑内部耐火材料砌筑结构

冷却带与钢结构底部采用低水泥浇注料找平，之后开始冷却带的砌筑。从1～40层，从钢壳结构往外，依次采用涂抹料、两层纤维板、保温砖、高强黏土砖砌筑而成，纤维板厚度为30mm,保温砖厚度为230mm,高强黏土砖厚度为260mm。在砌筑每层砖时，每隔一定距离，窑炉砖层圆环内预留有膨胀缝。

从41层～82层，由于窑炉高度逐渐向煅烧带区域靠近，工作温度相应升高，砖衬工作层改为高铝质耐火砖。

中间通道设置有拨火门，用于停窑期间观察积灰情况，在砌筑时需要设置模板。

煅烧带温度最高，可达1100℃,从煅烧特性和温度考虑，在窑炉外环第83层～161层砖，其工作层采用莫来石耐火砖进行砌筑。从钢壳结构往外，依次采用涂抹料、两层纤维板、保温砖、莫来石砖砌筑而成。

在窑炉内侧钢结构底部和支柱结构上，焊接有锚固件，采用浇注料砌筑。同时在每个窑膛煅烧内外环区域均匀设置有热电偶，用于检测窑炉的煅烧情况。

第162层～194层砖衬工作层采用高强度黏土砖砌筑，作为预热带的一部分。

整个窑炉结构应该严格对称，为保证工期，两窑膛的砌筑可同时进行。在砌筑过程中，应该避免砖缝重叠，同时灰浆要涂抹足量均匀。

窑炉生产过程中出现的问题

窑炉外壳高温点位于煤粉分配器平台附近，在A膛拐角点1号喷枪垂直向下方向约700mm处，部分工作层砖(莫来石砖)已经缺失，周围部分工作层砖(莫来石砖)表面呈低熔物状态，有冲刷痕迹。窑内耐火材料烧损情况如图3所示。A膛另一端C拐角点处炉墙表面部分出现冲刷痕迹，整个窑炉A膛耐火材料烧损面积共约8m²。

对A膛拐角点1号喷枪进行检查发现，1号喷枪出现明显倾斜(见图4),且在喷枪头距烧损耐火材料表面距离仅为290mm(原设计390mm,现场距离比原设计小100mm);1号喷枪表面存在高温氧化现象，且距喷枪头约700mm处，氧化厚度变薄，说明该处温度较高，存在剧烈的高温反应。2号喷枪距离喷枪盒下方约600m处往下也倾斜，喷枪头距窑炉耐火材料约340mm，低于设计要求。检查其他喷枪，喷枪距耐火材料外缘距离基本正常。

图3　窑内耐火材料烧损情况

图4　双膛窑1号喷枪图

拆开1号喷枪和2号喷枪，发现1号喷枪盒导轨不水平(左边导轨比右边导轨高约8mm)，喷枪呈明显晃动状态，见图5(a);还发现喷枪的煤粉导向管有磨损穿洞现象，见图5(b)。

图5 1号喷枪盒内导轨情况

双膛窑耐火砖烧损原因分析

对图6中的莫来石质原砖层和残砖层(侵蚀层)进行理化指标检测，其结果列于表1。

图6　窑内耐火材料烧损情况

表1 莫来石质原砖层和残砖层的检测数据

由表1可知，莫来石质原砖层的耐火度达1780℃,荷重软化温度为1531℃,化学成分也符合相应技术标准的要求，在正常使用情况下，完全能满足使用要求。而莫来石质残砖层的耐火度仅为1390℃,说明砖层中存在较多的低熔点物质。通过对莫来石质残砖样品的研究分析(见表2),认为碱金属(如K₂O、Na₂O等)形成的低熔物是莫来石砖高温熔损的主要原因。而原料白云石内K₂O、Na₂O成分仅为0.01%。混合煤灰分约为12%,对灰分进行了检测分析(见表3)

表2 保温层莫来石砖背面渣理化检测数据

表3 保温层莫来石砖背面渣理化检测数据

表3列出了为柳钢武宣双膛窑所用喷吹煤粉经灼烧后对剩余灰分进行化学分析的结果。由此可知，灰分内K₂O含量为2.25%,Na₂O含量为2.08%。因此，煤粉灰分是引入碱金属元素的主要源头。根据现场检查，推测喷枪使用过程中存在倾斜，导致煤粉完全燃烧后的灰分附着到莫来石砖的表层。灰分中的低熔点相在高温下熔融软化，不断通过莫来石砖表层的气孔向内部侵蚀渗透，最终导致莫来石砖的损毁以及炉壳的发红。

对剩余莫来石耐火砖进行检查，未发现荷重软化温度、线变化率、化学成分等指标出现异常。

现场发现1号、2号喷枪倾斜，说明喷枪偏歪，火焰直接冲刷耐火材料，致使耐火材料烧损。调查发现，柳钢其他熔剂基地也曾出现过因喷枪安装距离过近而造成的窑炉耐火材料出现“凹坑”形状，说明耐火材料受到侵蚀。

煤粉输送风机不为变频风机，风压相比柳钢其他熔剂基地石灰窑偏高，加剧对喷枪煤粉导向管的磨损，造成该部位发生烧损。

由上述情况可知，喷吹煤粉喷枪安装不正，火焰直接冲刷炉墙是造成耐火材料烧损的直接原因。而煤粉输送风机不为变频风机，风压偏高，流速过快，造成煤粉导向管不到1个月就出现磨损，并使喷枪煤粉输送增多，这是加剧耐火材料烧损的又一原因。

整改效果

要求施工方严格按图施工，确保喷枪垂直平行向下，保证喷枪与炉墙的距离，这样减少了对耐火材料的烧损。

同时，通过对煤粉输送风机实施加装变频改造，且对风机运行程序进行更新，即在换向期间降低风机运行频率，在燃烧期间根据窑况调节风机转速，这样在保证煤粉输送的同时降低了电耗。整改后的双膛窑运行效果良好，未发生相应的耐火材料烧损现象。

结语

通过对双C结构窑耐火砖检修和输送风机变频改造后，整个窑炉再未出现耐火材料烧损的现象，充分证明整改效果较好。

(1)石灰窑高温段炉墙异常损毁导致炉壳发红，其主要原因是生产过程中工作层莫来石砖发生高温侵蚀熔损。

(2)K₂O、Na₂O等碱金属在高温下与莫来石砖反应形成长石等低熔物，持续地对莫来石砖进行侵蚀，炉墙发生熔损后变薄，因而导致炉壳高温发红。

(3)石灰窑内碱金属氧化物的来源主要是混合煤的灰分，由于窑型呈双C结构的特点，喷枪安H⁷H¹H1装异常也将导致灰分在端墙附近附着，对炉墙进行侵蚀。