节能型长寿命大型回转窑组合炉衬技术研究

节能型长寿命大型回转窑组合炉衬技术研究
高红;李朝霞;李大庆;刘尹
【摘要】对大型回转窑组合炉衬的研究,改变传统炉衬耗能较大,易损坏,炉体经常大修,效率低下现象.采用组合炉衬新技术,增加回转窑内的档料圈、止推梁,对回转窑炉衬的扭曲力进行消解,采用了金字塔式金属锚固系统和金属锚固件与锚固砖矩阵系统和长条形连续施工工法.炉衬不产生“滑差移位”的现象,形成了耐冲击、抗击打、高强度的特性.新的高强浇注料炉衬回转窑,具有节能经济,寿命显著延长的优势,技术可靠性非常高.%The research on the lining of large rotary kiln has changed the energy consumption of traditional furnace lining,which can be easily damaged,and the furnace body is often overhauled and bined lining technology,increase in the rotary kiln circle of gear material,thrust beam,twisting force of rotary kiln lining,using the pyramid metal and metal anchor and anchor anchoring system brick matrix system and strip continuous construction methods.The lining does not produce the phenomenon of "slip and shift",forming the characteristics of impact resistance,fighting and high strength.The new high-strength casting furnace lining rotary kiln has the advantages of energy saving economy,remarkable life extension and high technical reliability.
【期刊名称】《节能技术》
【年(卷),期】2017(035)006
【总页数】4页(P561-563,574)
【关键词】回转窑;组合炉衬;浇注料;长寿命;节能型
【作者】高红;李朝霞;李大庆;刘尹
【作者单位】国家节能中心,北京 100045;洛华粉体工程特种耐火材料有限公司,河南洛阳471003;国家节能中心,北京 100045;中国高科技产业研究会,北京100863【正文语种】中文
【中图分类】TK018
大型回转窑是建材、有色、冶金等行业重要的加热、加工设备。

生产运行中，窑体在做回转运行，窑体内的窑砖也进行相互摩擦、对撞。

当窑砖的边角在对撞中产生位移，或者某一处窑砖不足以克服炉衬的向心力时，炉衬出现不可逆的凸凹变形，产生“滑差移位”的物理现象。

造成窑砖脱离炉衬，继而引发大面积的炉衬变形和坍塌现象，一旦发生这种现象，回转窑的运转效率下降，严重影响熟料产品的质量，窑体使用寿命缩短。

由此，必须停窑，对炉衬进行大面积更换修理。

据国内外相关资料表明，回转窑停窑维修，75%以上的是由于内衬损坏造成的。

经对回转窑体的内衬大量研究得出，炉衬耐火材料受损一般由三种基本因素造成：一是机械应力占37%，二是热应力占27%，三是化学侵蚀占36%。

热应力的影响，是指当温度变化时，物体由于外在约束的影响，以及内部各部分之间的相互约束，使其不能自由膨胀而产生应力，造成炉内耐火材料隆起、剥落的重要原因。

机械应力的影响是由窑体在自重以及料重的作用力下，窑体产生椭圆变形，导致内部的耐火砖之间互相挤压，产生挤压应力。

化学腐蚀对耐火材料影响：碱性耐火材料含有氧化镁、氧化钙，当料渣为碱性(以
二氧化硅，氧化钙为主)对耐火料影响不大，当料渣为酸性时，料渣与耐火材料发
生反应，使炉衬受损。

因此，回转窑内衬耐火材料的质量、砌筑、使用状况的研究，使炉衬的选择和使用向合理性、经济性和适用性方向发展，成为回转窑提高运转周期，延长运行寿命，增加企业经济效益的必由之路。

也是大型回转窑炉衬技术研究的重要意义。

组合炉衬是采用高铝系列、复合莫来石系列和复合刚玉等原料，加工成炉衬浇注料，并经过特殊工艺加工成新型的整体复合炉衬。

这种浇筑料整体复合炉衬，取代过去由数万块耐火窑砖堆砌的砖砌炉衬。

具有强度高、稳定性好、耐火性能强的特点，有效解决回转窑的耐用性和运行寿命，节能效果获得较大提高。

主要技术特点如下：
(1)组合炉衬结构由多层炉衬组成，在炉衬贴近外钢壳部位，设置了有一定弹性的
复合隔离层。

复合隔离层紧贴外钢壳，运行中钢外壳与炉衬之间形成的空气夹层，具有保温层作用。

炉衬锚挂在窑体钢外壳上，随着窑体的转动，不会与外钢壳相互挤压对撞，不产生相互作用的应力，也不会出现“滑差移位”现象，运行寿命大大增加。

(2)回转窑在运行时，炉衬的中部形成较大离心力、向心力。

为了防止在应力集中
部位发生共振现象，炉衬开裂，破坏炉衬的整体强度。

因此，采用了系列组合的方法，采用带折角的金属锚固件、斜三角形金属锚固件和带凸凹槽的耐火砌块，将金属锚固件的折角和耐火砌块的凸凹槽啮合，加强炉衬稳定性。

采用金属锚固件的折角角度方向，缓解对冲、向心引起反弹力矩。

采用斜三角形金属锚固件，不同的三角截面，增大高温区的锚固力，阻止回转窑炉衬中部松动。

采用带凸凹槽的耐火砌块，对炉衬进行多方向全高度的锚挂固定。

(3)组合炉衬的锚固件是全锚挂模式。

在炉衬的低、中温区段用金字塔式金属锚固件，起到以牵拉力为特征的区域锚挂；在中高温区采用三角截面金属锚固件，平衡
牵拉力的锚挂。

止推梁用高强耐火砌块，固定锚挂和凸凹啮合，成为混搭式锚挂。

再以高稳定性耐火浇注料，填充于刚性固定骨架网络之中，炉内的锚挂结构形成弹性的矩阵式，具有相互牵拉、平衡内力、固定内衬作用。

这种组合技术使炉衬具有耐冲击、抗击打、高强度的特性。

使高温出料区域可以承受高温和震动。

(4)在回转窑组合炉衬中，设计了不同形状的挡料圈，这些挡料圈承担了分隔不同
区域、不同功能的作用，为相邻的二个炉衬区域设置定位边界；控制窑内物料的焙烧形状；增加物料的翻滚次数，控制物料的停留时间，加强回转窑传热功能，提高热效率，起到很好的节能作用。

回转窑组合炉衬的建造采用了安全、可靠、简便的“长条式建造工法”。

这种建造工艺取消了笨重的钢构顶杠，也取消了造价昂贵的筑炉机。

只是采用了防裂炉衬专用，会呼吸的钢模板，把钢模板直接挂在窑体钢外壳上，中间直接充填浇注料即可。

浇筑前，可以沿长度一次性支护模板，连续施工。

经过一段施工后，在已经浇注好的工作面上重叠支护第二层模板，为第二次浇注做好准备。

施工中配合转窑，使施工周而复始、不间断进行，直至完成整个炉衬建造工作。

如图1所示。

组合炉衬回转窑在长期运行中，炉衬一直保持着稳定的高强度运行和很低的膨胀变形，呈现出组合炉衬耐受冶化侵蚀，耐受长期物料磨损，耐受高温波动等优越性能。

组合炉衬技术增加回转窑内的档料圈、止推梁，对回转窑炉衬的扭曲力进行消解，采用了金字塔式金属锚固系统和金属锚固件与锚固砖矩阵系统，使不同温度下不同区段的回转窑炉衬有均匀的锚固强度，减少在长期运行中炉衬的变形和损坏。

传统砖砌炉衬由于炉衬损坏，每年至少更换炉衬耐火砖一次，更换量占整个炉衬总重的50%以上。

每二年必须更换全部炉衬耐火砖。

组合炉衬高温区炉衬更换时间
一般三年更换一次，中、低温区炉衬五年更换一次。

按照五年使用期测算，组合炉衬的使用寿命相当于传统砖砌炉衬的3～5倍，耐火材料消耗量是传统炉衬的1/4
至1/6。

组合炉衬使用寿命明显高于传统炉衬。

根据相关资料统计，在耐火材料制作环节，每t窑砖比高强浇注料炉衬材料多能耗15.5 kWh，若按一般大型回转窑每条炉衬用耐火材料1 000 t计算，使用高强浇
注料建造的组合炉衬，一次耐火材料制作，仅能源消耗节约这一块就节省用电1.5万kWh。

炉衬每次停窑检修后都需要重新烘烤至高温才能正常投运，正常情况每次投运前需要烘烤5～7 d，用天然气8 130 m3。

传统耐火材料砖砌炉衬在三年内，大约需
要区域更换检修5次，临修12次，共需要烘烤17次。

组合炉衬和常规炉衬相比，停窑检修次数是常规炉衬的7%，即1.19次，我们按照最大值两次计算，一条炉
衬三年的运行时期，烘炉节省天然气大约12万m3。

显著提高回转窑的运行效率。

组合窑炉的技术节能效果明显。

回转窑炉散热损耗可以按照窑体散热节能、回转窑窑体烘炉耗能节能量、耐火材料节能量三个部分的累计计算。

(1)对回转窑炉壳散热损耗节能的计算可按下列公式
式中 Q1——改造前回转窑炉壳散热热量;
Q2——改造后回转窑炉壳散热热量;
T1——改造前回转窑炉壳表面温度;
T2——改造后回转窑炉壳表面温度;
α——回转窑炉壳表面换热系数;
S——回转窑炉壳高温区表面积;
t——回转窑工作时间;
ΔQ——回转窑窑体的散热损耗降低热量值。

砖砌回转窑炉壳外表面实测温度为340℃，组合式炉衬回转窑炉壳外表面实测温
度为230℃，回转窑炉壳表面换热系数取20 W/m2·℃，回转窑高温区长度35 m，高温区表面积505.54 m2。

目前该回转窑可每年无休连续工作365 d(3.153
6×107s)。

在使用回转窑炉体组合式炉衬后，由公式(3)计算可得其窑体的散热损耗降低热量值为3.507×1013 J：
由于每千克标准煤的热量为2.926×107 J；所以回转窑的窑体散热节能为：
3.507×1013÷(2.926×107)÷1 000=1 198.6 tce
在回转窑炉壳散热损耗方面，每年可节能1 198.6 tce。

(2)耐火材料节能量:以Φ4.6 m×100 m规格回转窑为例，在三年内，耐火材料浇注料只需建造时一次用料1 060 t，每t浇注料耗能50 kWh,耗能总计50 kWh×1 060 t=53 000 kWh。

折合标煤320 gce/kWh×53 000 kWh=16.96 tce
而传统耐火砖回转窑在三年的运行期内，区域检修4次，用砖1 670 t，12次临修用砖为912 t，因此，传统耐火砖回转窑在三年周期内共需要用砖3 642 t。

每t 耐火砖耗电量142 kWh,总计耗能
142 kWh×3 642 t=517 164 kWh
折合标煤320 gce/kWh×517 164 kWh=165.56 tce
故：耐火材料节能量为：165.56 tce-16.96 tce=148.6 tce
折合每年耐火材料节能量： 44.58 tce。

(3)回转窑窑体烘炉耗能节能量：在三年周期内，炉衬每次停窑检修后都需要重新烘烤至高温才能正常投运，正常情况每次投运前需要烘烤5～7 d，每次烘烤需用天然气8 130 m3。

按照传统耐火材料砖砌炉衬三年周期内，区域更换检修5次，临修12次，共需要烘烤17次计算，因此传统耐火砖回转窑烘炉的耗能折合标煤为
8 130 m3×1.33 kgce/m3×17=183.8 tce。

组合炉衬和传统炉衬相比，停窑检修次数是常规炉衬的7%，即1.19次，我们按照最大值2次计算，一条炉衬节省检修烘烤天然气浇注料回转窑一次点火烘炉需
要天然气8 130 m3，因此组合炉衬烘炉2次耗能折合标煤为
8 130 m3×1.33 kgce/m3×2=21.6 tce
故：回转窑检修点火节能量为：183.8 tce-21.6 tce=162.2 tce回转窑窑体点火耗能折合每年节能量:48.66 tce。

因此，三项综合节能为1 291.84 tce，减排二氧化碳3 410.45 t。

(1)对传统窑炉炉衬“滑差移位”的物理现象进行研究分析，重新设计采用浇注料筑砌浇注组合炉衬，彻底解决窑炉运行中砌筑炉衬“滑差移位”对回转窑炉衬的损坏。

(2)改进回转窑炉衬的施工工艺，使不同温度下不同区段的回转窑炉衬有均匀的锚固强度，减少在长期运行中炉衬的变形和损坏。

延长了回转窑的使用寿命。

正常运行寿命是砖砌炉衬的4倍以上。

(3)采用长条形连续施工工法及相应的模具，便于该成果能快速向全社会各行业各种浇注料回转窑推广。

(4)通过计算体现出组合炉衬回转窑节能效率大大提高。

组合炉衬技术能够推广运用于100余种不同行业、不同的炉窑内衬改造。

替代价格昂贵的进口耐火材料，可以为各种窑炉设计新型的炉衬，灵活制定窑炉的烘烤、投运的方案。

运行证明，高强浇注料炉衬具有节能经济，寿命显著延长的优势，技术可靠性非常高。

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