水泥窯燒成帶用磚的粘掛窯皮性能
前言
水泥窯燒成帶（包括兩側的過渡帶）的耐火磚面上粘掛的窯皮，對耐火磚的保護作用非常重要。當耐火磚面上粘掛上厚度適當?shù)母G皮時，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，熱應力減小，并且水泥熟料對耐火磚的化學侵蝕速度也會由于磚面溫度的降低而大大減低。因此粘掛窯皮的性能對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)動中這些含有一定熔體的松散的窯料在滾動中逐步密實起來，原來包含在松散窯料中的熔體便被擠到聚集體的表面，再潤濕并粘附新的窯料，逐漸形成熟料顆粒。與此同時含有熔體的窯料也開始在襯磚上粘掛，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，窯皮達到一定厚度時，窯皮與襯磚組成的總襯里的隔熱功能導致窯皮表面溫度提高了很多，當此溫度下熟料的熔體含量增多并且粘度減小至一定值時，形成了一種所謂的“燒溜”現(xiàn)象，窯皮的增長得到終止。當工藝發(fā)生變動時如窯料變少、成分變得易燒、燃料過多等造成窯溫變高，就會燒掉一部分甚至原有窯皮而當工藝變動使得窯內(nèi)溫度適當降低時窯皮又會補掛。因此窯皮特別是表層窯皮實際上是經(jīng)常處于消長的狀態(tài)，也
即動態(tài)平衡的狀態(tài)。窯皮形成、發(fā)展、增長、脫落、再次粘掛……的動態(tài)過程見圖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、機械及化學的綜合破壞強度大為減輕，因此穩(wěn)定窯皮的形成對保護燒成帶耐火磚至關重要。反之當窯皮不穩(wěn)定時，一旦窯皮脫落總要連帶“撕”掉一層與窯皮緊密粘附的襯磚，造成襯磚的嚴重剝落受損，并且當窯皮脫落至磚面（或連帶至磚的斷面）時，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)生很大的熱應力，是造成襯磚進一步分層剝落的主導原因。
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，組織結構及磚內(nèi)的溫度梯度也有很大的影響。
(1)耐火磚的化學成分
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?shù)囊合?，含有熔體的窯料往耐火磚面上粘附時兩者要發(fā)生相互反應，在反應過程中耐火磚的成分有部分進入到熔體中，而熔體也會有一部分侵入到磚的反應層中，這種化學反應都在不同程度上改變了熔體和襯磚反應層的成分。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。在粘掛窯皮的過程中熔體含量過多和過少都不利，以24-26%為宜，大型窯應適當?shù)托┮?2-23%為宜。當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，若進入的成分造成熔體量顯著變化就會影響粘掛窯皮的難易。與此同時熔體成分的變化還會影響熔體的粘度，因此也會影響窯皮的粘掛。Al2O3+Fe2O3昀含量在不同溫度下與熔體量的關系見圖2。
方鎂石一尖晶石磚中通常含有8%以上的AI2O3，在與水泥窯料反應時，磚中的AI2O3首先被侵蝕而進入熔體，造成窯料中熔體量增多且粘度下降的結果，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，在高溫下反應層生成的產(chǎn)物與耐火磚含有AI2O3的量有關，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。當耐火磚含AI2O3為60-40%時（即三等高鋁磚一粘土磚），反應層生成CAS2（鈣長石），此時熔體的粘度小不利于窯皮的形成和粘掛，而當磚中AI2O3含量為60%以上時，反應層生成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，若由于工藝波動等原因原來的窯皮脫落，磚面直接暴露于火焰之下窯溫過高時，高鋁磚會迅速被侵蝕甚至熔融，圖4就是在1490℃時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迅速侵蝕的制約，不能很快的補掛窯皮，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%耐火磚的反應產(chǎn)物
(2) 耐火磚的組織結構
窯皮形成的過程是當窯溫達到一定值時，窯料產(chǎn)生熔體，并與耐火磚面發(fā)生反應，通過磚的氣孔向磚內(nèi)滲透，滲入物進入磚內(nèi)在低于1200℃的部位固化，產(chǎn)生“機械錨固”作用，此階段為窯皮初始形成的粘掛固著階段。在此基礎上第一層窯皮再與熟料顆粒粘結，窯皮逐漸增厚。窯皮增厚至一定值時達到動態(tài)平衡終止增厚，當窯的運行工藝發(fā)生變化，特別是停窯時，窯皮的重力大于窯皮在磚上的“錨固力”時窯皮就會脫落，造成對襯磚的損壞。所以窯皮在襯磚上的“錨固力”對窯皮的穩(wěn)定性有著重要的意義。為了使窯皮與襯磚結合的牢固，除耐火磚的化學成分之外，磚的組織結構也很重要，應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，所以窯料中的化學成分對窯皮的穩(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對熔體形成量和對熔體粘度的影響不同，圖5表明了不同AI2O3與Fe2O3相對含量（即鋁氧率）的水泥熟料熔體與溫度的關系。從圖中可見當A/F=1.38時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度偏低。而當A/F值偏大和偏小時都會提高液相的初生溫度和熔體量對溫度的敏感性增大。因此水泥窯料的成分應綜合考慮水泥的性能和粘掛窯皮的難易來確定，也就是要綜合圖2和圖5確定熟料適當?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相對含量對窯皮的穩(wěn)定有不同的影響。
各區(qū)窯皮 區(qū)l極穩(wěn)定 區(qū)2堅實 區(qū)3中等 區(qū)4低劣 區(qū)5板低劣
結語
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。但作為水泥窯關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，應給予足夠的重視。
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