200萬t球團迴轉窯中耐火材料的作用、失效原因以及長壽化改進措施

本文分析了200萬t球團鏈篦機-迴轉窯中耐火材料的作用及重要性，同時分析了耐火材料失效的主要原因。根據耐火材料的失效機理，總結了改進迴轉窯耐火材料長壽化的幾種方法。

1耐火材料作用

在追求鋼鐵高產量的同時，對提高原材料利用率和減排也提出了更嚴格的要求。相比於傳統的高爐煉鐵，200萬t球團鏈篦機-迴轉密工藝製造的氧化球團有更高的品味和強度、以及更均勻的粒度，因此，在我國的現代鋼鐵生產中，百萬噸級的球團鏈篦機-迴轉窯設備逐漸受到學者與工作人員的重視。由於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-迴轉窯生產線上生產球團成為未來發展趨勢。赤鐵礦的主要成分是Fe2O3，赤鐵礦球團在迴轉窯中焙燒時，需要溫度升至1300℃左右時，Fe2O3晶粒會發生長大與再結晶。赤鐵礦不同於磁鐵礦的一顯著特點在於使用赤鐵礦作為原材料進行加工時，考慮其冶金性能，需要更高的工作溫度。

200萬t球團鏈篦機-迴轉窯的工作環境處在從常溫到高溫的不同溫度下，其中，迴轉窯作為焙燒氧化球團礦的主要場所，處在最高的工作溫度下，迴轉窯內工作溫度需要高於1400℃，普通的鋼無法承受這種高溫，所以一般在鋼的內部增加一層耐火材料。因此，設計其內襯時，必須選用合適的耐火材料。耐火材料可以安全有效地提高迴轉窯中工作溫度，在冶金反應中，得到更高的反應溫度，進而提高氧化球團礦的質量。

2耐火材料失效原因分析

鏈篦機-迴轉窯工藝中的迴轉窯通常由筒體、迴轉窯內襯、滾圈、窯頭與窯尾罩、燃燒裝置、傳動裝置、支撐裝置、下料設備組成。據報導，2017年迴轉窯停產原因的統計分析中，迴轉窯停產大約一半是由於迴轉窯的內襯破損。迴轉窯是物料加熱的主要場所，內襯使用耐火材料。在反應過程中，物料會頻繁地與內襯發生機械摩擦，同時，迴轉窯在使用過程中頻繁急冷或急熱，造成內應力集中，易出現脫落、還原等損壞。

迴轉窯在使用過程中處在1400℃以上的高溫，由於設計工藝缺陷或操作不當，出現的急冷或急熱會使內襯耐火材料出現應力集中。迴轉窯內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生失效的原因。抗熱震性指的是耐火材料(迴轉窯內襯)的在急冷急熱的溫度驟變情況下而不發生破壞的性能，屬於工程參數。

關於物料氧化球團與迴轉窯的內襯發生機械摩擦，主要原因是氧化球團礦在還原過程中發生的體積膨脹。國內外對球團膨脹機理的描述，已經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，碳單質在球團礦的縫隙中發生沉積導致球團開裂體積膨脹。

2)鹼金屬膨脹理論，認為鐵礦或添加物中的鹼金屬在反應過程中使鐵的還原反應加快，導致反應迅速發生球團膨脹。

3)鐵晶須膨脹理論，認為微觀組織中纖維狀的金屬鐵會使晶粒間產生應力場，最終導致球團體積膨脹。

4)埃德斯特累姆理論，認為球團的膨脹是還原產物二氧化碳與水蒸氣的產生速度大於擴散速度，導致球團礦的開裂膨脹。

3耐火材料長壽化改進

3.1改進耐火材料實現長壽化

迴轉窯的內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。由於氧化球團物料硬度較高，還原反應過程中很容易與內壁摩擦，所以不在內襯上黏附熟料當作保護層(窯皮)。這對耐火材料的耐熱耐磨性能提出了更高的要求。當氧化鋁耐火材料在快速地受熱或受冷中，會發生膨脹或收縮，各部分之間會因變形互相制約並產生熱應力。當熱應力超過耐火材料的內部結合力時，材料就產生崩裂或剝落。因此，對耐火材料的改進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係數、傳熱係數、彈性模量、材料的強度、斷裂韌性。傳熱係數提高，熱導率越大，材料內部溫差就越小，材料不同位置的應力差就越小，抗熱震性也越好；材料的固有強度越高，承受熱應力發生破壞的臨界應力越大，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；熱膨脹係數小，材料溫度變化引起體積變化小，由於體積變化帶來的應力也越小，抗熱震性好；彈性模量越高，材料由於溫差產生的應力難以通過彈性變形抵消，抗熱震性越差。材料的內部組織結構和幾何形狀等也會對抗熱震性有影響。一般地講，材料組織相對疏鬆，有一定氣孔率，有適當的微裂紋存在，都可以提高斷裂能，使材料在熱衝擊下不致被破壞。另外，形狀相對簡單、外形相對均勻的構件抗熱震性能要好於形狀複雜、結構不均勻的構件。

氧化鋁作為內襯材料，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迴轉窯內襯的改進，可以從組織出發。使用造孔劑方法和等靜壓成型可以製備多孔的氧化鋁，製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鬆帶有氣孔的氧化鋁材料。據報導，製備的多孔氧化鋁在大約800℃熱震後的殘餘強度相比380℃熱震後殘餘強度，從31MPa減小到6MPa，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，在迴轉窯結構設計上，可以通過對危險部位加固以防止過早失效。對受熱膨脹導致脫落的部位增加保護措施，可以用焊接的方法防止螺栓受熱鬆動後部件發生移動，耐火材料不會因此發生鬆動。也可以改善迴轉窯整體結構，使用對稱砌築法，計算膨脹應力並保留膨脹縫。根據已有的報導，使用這些方法都可以有效地提高迴轉窯應力集中部位的使用壽命。

如果氧化球團含有鹼金屬，又不得不進入迴轉窯煅燒，可以考慮更換耐火材料放止鹼金屬腐蝕。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，為弱鹼性化合物，所以相比氧化鋁耐火材料，鎂鉻耐火材料對鹼金屬的腐蝕具有較好的抵抗作用。鎂鉻耐火材料目前多用於煉銅產業，主要原因是鎂鉻對銅行業的鹼性爐渣具有抗蝕作用。隨著高溫工藝的發展，鎂鉻耐火材料在煉鐵中也有一定的應用前景，如熔融還原煉鐵法等。隨著我國科研實力的進步，研究人員共同努力會推動更多的耐火材料的發展。

鎂鉻耐火材料

3.2改進氧化球團實現耐火材料長壽化

氧化球團在迴轉窯中發生高溫還原反應，由於反應溫度高、反應迅速，鐵的氧化物被還原成鐵單質和CO、CO2、水蒸氣的混合氣體。反應伴隨的體積膨脹是由於相變、混合氣體或二者共同作用造成的，據報導體積膨脹最大可達20%左右。由於反應過程中的體積膨脹，物料會對迴轉窯內襯施加較大的摩擦力，導致磨損。而且，不同成分的物料對迴轉窯也會材料也會有不同的侵蝕，其中，含有二氧化矽與鐵的化合物反應生產鐵橄欖石使爐渣黏結，也與氧化鋁耐火材料中的Al2O3形成二次莫來石，導致耐火材料結構疏鬆。鹼金屬會明顯腐蝕耐火材料，隨著鹼金屬的增加，耐火材料裂紋數量也增加了。

從氧化球團對耐火材料造成的影響可以判斷，在鏈篦機-迴轉窯法中，使用高質量的氧化球團可以有效提高迴轉窯耐火材料使用壽命。為此，可以對氧化球團增加預處理工藝提高球團礦品質。

3.3改進工藝實現耐火材料長壽化

為了減少急熱和急冷對耐火材料的熱應力而使耐火材料失效，需要從工藝角度出發。加熱時，根據材料特性與迴轉窯結構設定升溫曲線，冷卻時，按照提前停止下料、不打開觀察孔等標準停窯程序進行以防止突然停窯降溫過快。迴轉窯應定期檢修，檢查技術參數、尺寸等，更換失效部件，保證設備各部分有效穩定運行。

4結論

隨著國家對冶金行業環保的重視，200萬t鏈篦機-迴轉窯由於能源利用率高等優勢受到眾多冶金生產廠家的重視。而迴轉窯內襯耐火材料壽命較短、需要頻繁的更換處理，使設備運轉率低，提高了冶金過程的生產成本，降低了經濟效益。因此，分析了耐火材料失效的原因主要是物料對內襯的機械作用力和設備急冷急熱產生的熱應力共同導致的。並有針對性地提出了耐火材料長壽化改進的幾個方法：

1)改進內襯耐火材料，對現用的特級高鋁進行改性或選用新材料。

2)預處理氧化球團，以降低其在煅燒過程中的體積膨脹，從而降低其與內襯的機械作用力。

3)合理化生產工藝，儘量避免速率過快的加熱和冷卻。