水泥窯燒成帶用磚的粘掛窯皮性能
前言
水泥窯燒成帶（包括兩側(cè)的過(guò)渡帶）的耐火磚面上粘掛的窯皮，對(duì)耐火磚的保護(hù)作用非常重要。當(dāng)耐火磚面上粘掛上厚度適當(dāng)?shù)母G皮時(shí)，磚面溫度由于窯皮的隔熱作用大大降低，磚內(nèi)的溫度梯度減緩，熱應(yīng)力減小，并且水泥熟料對(duì)耐火磚的化學(xué)侵蝕速度也會(huì)由于磚面溫度的降低而大大減低。因此粘掛窯皮的性能對(duì)用于水泥窯燒成帶的耐火材料是重要的作業(yè)性能。
水泥窯在正常煅燒水泥的溫度下，水泥熟料中有一定量的以C3A和C4AF為主的熔融液相，在水泥窯轉(zhuǎn)動(dòng)中這些含有一定熔體的松散的窯料在滾動(dòng)中逐步密實(shí)起來(lái)，原來(lái)包含在松散窯料中的熔體便被擠到聚集體的表面，再潤(rùn)濕并粘附新的窯料，逐漸形成熟料顆粒。與此同時(shí)含有熔體的窯料也開(kāi)始在襯磚上粘掛，熟料顆粒表面的熔體在與襯磚的接觸中也會(huì)粘附在磚面上并滲入到耐火磚的表層氣孔中，在熔體的作用下粘附在磚面上的熟料逐漸失去滾動(dòng)能力，粘附逐漸牢固，并且又粘附上新的窯料形成窯皮。窯皮形成后，窯皮的表面粘附的熟料逐漸增厚，即窯皮增長(zhǎng)，窯皮達(dá)到一定厚度時(shí)，窯皮與襯磚組成的總襯里的隔熱功能導(dǎo)致窯皮表面溫度提高了很多，當(dāng)此溫度下熟料的熔體含量增多并且粘度減小至一定值時(shí)，形成了一種所謂的“燒溜”現(xiàn)象，窯皮的增長(zhǎng)得到終止。當(dāng)工藝發(fā)生變動(dòng)時(shí)如窯料變少、成分變得易燒、燃料過(guò)多等造成窯溫變高，就會(huì)燒掉一部分甚至原有窯皮而當(dāng)工藝變動(dòng)使得窯內(nèi)溫度適當(dāng)降低時(shí)窯皮又會(huì)補(bǔ)掛。因此窯皮特別是表層窯皮實(shí)際上是經(jīng)常處于消長(zhǎng)的狀態(tài)，也
即動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。窯皮形成、發(fā)展、增長(zhǎng)、脫落、再次粘掛……的動(dòng)態(tài)過(guò)程見(jiàn)圖l。
耐火磚面上形成較為穩(wěn)定的窯皮后，磚面溫度大大降低（1000℃以下），所承受的熱、機(jī)械及化學(xué)的綜合破壞強(qiáng)度大為減輕，因此穩(wěn)定窯皮的形成對(duì)保護(hù)燒成帶耐火磚至關(guān)重要。反之當(dāng)窯皮不穩(wěn)定時(shí)，一旦窯皮脫落總要連帶“撕”掉一層與窯皮緊密粘附的襯磚，造成襯磚的嚴(yán)重剝落受損，并且當(dāng)窯皮脫落至磚面（或連帶至磚的斷面）時(shí)，磚面直接裸露于火焰中，溫度從700-800℃驟然升至1400℃以上，磚的內(nèi)部在瞬間產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，是造成襯磚進(jìn)一步分層剝落的主導(dǎo)原因。
穩(wěn)定窯皮的形成
穩(wěn)定窯皮的形成主要取決于窯溫和窯料中熔體的含量及粘度，但耐火磚的成分，組織結(jié)構(gòu)及磚內(nèi)的溫度梯度也有很大的影響。
(1)耐火磚的化學(xué)成分
窯皮形成的先決條件是窯料中要產(chǎn)生一定數(shù)量和粘度適當(dāng)?shù)囊合啵腥垠w的窯料往耐火磚面上粘附時(shí)兩者要發(fā)生相互反應(yīng)，在反應(yīng)過(guò)程中耐火磚的成分有部分進(jìn)入到熔體中，而熔體也會(huì)有一部分侵入到磚的反應(yīng)層中，這種化學(xué)反應(yīng)都在不同程度上改變了熔體和襯磚反應(yīng)層的成分。水泥窯料中的熔體主要是C3A-C4AF，且熔有一定量的游離CaO和C2S。熟料中的AI2O3+Fe2O3含量越高，熟料中的熔體含量越多。在粘掛窯皮的過(guò)程中熔體含量過(guò)多和過(guò)少都不利，以24-26%為宜，大型窯應(yīng)適當(dāng)?shù)托┮?2-23%為宜。當(dāng)熔體熔入部分耐火磚的成分后改變了原有的A+F的含量比例，若進(jìn)入的成分造成熔體量顯著變化就會(huì)影響粘掛窯皮的難易。與此同時(shí)熔體成分的變化還會(huì)影響熔體的粘度，因此也會(huì)影響窯皮的粘掛。Al2O3+Fe2O3昀含量在不同溫度下與熔體量的關(guān)系見(jiàn)圖2。
方鎂石一尖晶石磚中通常含有8%以上的AI2O3，在與水泥窯料反應(yīng)時(shí)，磚中的AI2O3首先被侵蝕而進(jìn)入熔體，造成窯料中熔體量增多且粘度下降的結(jié)果，這也是方鎂石一尖晶石磚在水泥窯燒成帶使用效果不佳的原因。
鋁硅質(zhì)耐火材料用于燒成帶時(shí)，在高溫下反應(yīng)層生成的產(chǎn)物與耐火磚含有AI2O3的量有關(guān)，圖3表示了在CaO- AI2O3-SiO2系中波特蘭水泥與鋁硅質(zhì)耐火磚間的反應(yīng)。當(dāng)耐火磚含AI2O3為60-40%時(shí)（即三等高鋁磚一粘土磚），反應(yīng)層生成CAS2（鈣長(zhǎng)石），此時(shí)熔體的粘度小不利于窯皮的形成和粘掛，而當(dāng)磚中AI2O3含量為60%以上時(shí)，反應(yīng)層生成C2AS，熔體粘度大且隨溫度的變化粘度減小的速率小大，利于窯皮的粘掛。
高鋁質(zhì)耐火磚用于燒成帶雖然能夠粘掛窯皮，但是只在1450℃以下，若由于工藝波動(dòng)等原因原來(lái)的窯皮脫落，磚面直接暴露于火焰之下窯溫過(guò)高時(shí)，高鋁磚會(huì)迅速被侵蝕甚至熔融，圖4就是在1490℃時(shí)磚被水泥料迅速侵蝕并形成熔洞的情況。因此高鋁質(zhì)耐火磚用于燒成帶受其高溫與水泥窯料反應(yīng)迅速侵蝕的制約，不能很快的補(bǔ)掛窯皮，不是理想的窯襯材料。
A：波蘭特水泥的組成 B：磚面上窯皮的組成C：AI2O3含量80%耐火磚的反應(yīng)產(chǎn)物
(2) 耐火磚的組織結(jié)構(gòu)
窯皮形成的過(guò)程是當(dāng)窯溫達(dá)到一定值時(shí)，窯料產(chǎn)生熔體，并與耐火磚面發(fā)生反應(yīng)，通過(guò)磚的氣孔向磚內(nèi)滲透，滲入物進(jìn)入磚內(nèi)在低于1200℃的部位固化，產(chǎn)生“機(jī)械錨固”作用，此階段為窯皮初始形成的粘掛固著階段。在此基礎(chǔ)上第一層窯皮再與熟料顆粒粘結(jié)，窯皮逐漸增厚。窯皮增厚至一定值時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡終止增厚，當(dāng)窯的運(yùn)行工藝發(fā)生變化，特別是停窯時(shí)，窯皮的重力大于窯皮在磚上的“錨固力”時(shí)窯皮就會(huì)脫落，造成對(duì)襯磚的損壞。所以窯皮在襯磚上的“錨固力”對(duì)窯皮的穩(wěn)定性有著重要的意義。為了使窯皮與襯磚結(jié)合的牢固，除耐火磚的化學(xué)成分之外，磚的組織結(jié)構(gòu)也很重要，應(yīng)該有一定量的分布均勻的氣孔，以利于窯料熔體的滲入形成“機(jī)械錨固”。
(3)水泥料的成分
窯料中的熔體量和粘度是影響窯皮形成和消長(zhǎng)的主要因素，而熔體又是以C3A-C4AF為主體的液相，所以窯料中的化學(xué)成分對(duì)窯皮的穩(wěn)走具有重要影響。根據(jù)圖2可知水泥熟料中AI2O3+Fe2O3含量愈高即硅酸率 愈低、溫度愈高熔體量愈多。AI2O3和Fe2O3對(duì)熔體形成量和對(duì)熔體粘度的影響不同，圖5表明了不同AI2O3與Fe2O3相對(duì)含量（即鋁氧率）的水泥熟料熔體與溫度的關(guān)系。從圖中可見(jiàn)當(dāng)A/F=1.38時(shí)1280℃就出現(xiàn)液相，并在較低的溫度下( 1300℃)就可形成較多的熔體，且在較寬的溫度范圍內(nèi)（至1450℃）熔體量變化不大，比較有利于窯皮的粘掛，但是此種熟料中由于含AI2O3量較少形成的C3A量不足水泥的早期強(qiáng)度偏低。而當(dāng)A/F值偏大和偏小時(shí)都會(huì)提高液相的初生溫度和熔體量對(duì)溫度的敏感性增大。因此水泥窯料的成分應(yīng)綜合考慮水泥的性能和粘掛窯皮的難易來(lái)確定，也就是要綜合圖2和圖5確定熟料適當(dāng)?shù)墓杷崧? S/A+F)和鋁氧率(A/F)。圖6是SiO2- AI2O3-Fe2O3系統(tǒng)圖，圖中陰影部分是水泥熟料的成分范圍，在此范圍內(nèi)不同的SiO2、AI2O3、Fe2O3相對(duì)含量對(duì)窯皮的穩(wěn)定有不同的影響。
各區(qū)窯皮 區(qū)l極穩(wěn)定 區(qū)2堅(jiān)實(shí) 區(qū)3中等 區(qū)4低劣 區(qū)5板低劣
結(jié)語(yǔ)
根據(jù)以上分析可知燒成帶用耐火材料的粘掛窯皮性能是一個(gè)多種因素的綜合反映，即除了耐火磚的性質(zhì)外，還與水泥熟料成分、水泥窯的操作、工藝參數(shù)的穩(wěn)定等諸多因素有關(guān)。但作為水泥窯關(guān)鍵部位的耐火材料其使用效果和窯皮的穩(wěn)定性密切相關(guān)，應(yīng)給予足夠的重視。
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