回转窑耐火材料分析

回转窑耐火材料分析

摘要：耐火材料的性质直接影响到了回转窑的生产能力以及生产质量，简要介绍了耐火材料的作用，受损原因，提出了对耐火砖设计上的改进方法。

关键字：耐火材料;耐火砖；膨胀系数；横向剪切力

1.前言

回转窑时指旋转煅烧窑，是对散状物料进行加热处理的热工设备，问世已经超过了一百年。回转窑广泛用于有色冶金，黑色冶金，耐火材料，水泥，化工等行业。对回转窑质量的影响因素很多，其中窑体内部的耐火材料对回转窑有重要影响。

耐火材料是耐火度不低于1580℃的一类无机非金属材料。耐火材料广泛用冶金、化工、石油、机械制造、硅酸盐、动力等工业领域，在冶金工业中用量最大，占总产量的50%～60%。

2正文

一．耐火材料的作用

1.防止高温火焰或气流对窑体的直接损伤，保护胴体

2.防止有害物质对窑体的侵蚀

3.防止物料，气流对窑体的腐蚀

4.降低窑体温度，防止高温时窑体被空气中的氧气腐蚀

5.具有蓄热，保温作用。

二．耐火材料的选用【1】：

1.耐高温，能偶长期在800度以上的高温环境运行

2.高强度和良好的耐磨性。回转窑内的耐火材料必须具有一定的机械强度，以承受高温时膨胀应

力以及回转窑壳体变形所造成的应力。同时因炉料及烟气对耐火材料的磨损，因而耐火料需具有较好的耐磨性。

3.良好的化学稳定性，以抵抗烟气中的化学物质的侵蚀。

4.良好的热稳定性，能够承受焚烧状态下的交变热应力。在停炉、起炉以及旋转运转状况不稳定的

情况下，窑内的温度变化都比较大，不能有龟裂或是剥落的情况

5.受热膨胀稳定性好，回转窑壳体的热膨胀系数虽然大于回转窑耐火材料的膨胀系数，但壳体温度

一般都在150~300度左右，而耐火材料承受的温度一般都在800度以上，这样可能会导致耐火材料比回转窑壳体热膨胀要打，而容易脱落。

6.气孔率要低，如果气孔路高，烟气会通过渗透进入耐火材料中，如实耐火料。

三．耐火材料受损分析

德国耐火技术公司对使用后的镁铬砖进行大量实验研究得出：机械应力（37%），热应力（27%），化学侵蚀（36%）是三种最基本的损坏因素。

热应力对耐火材料的影响：热应力是指当温度变化时，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，使其不能完全自由膨胀而产生的应力，是炉内耐火材料剥落的重要原因。

机械应力对耐火材料影响：窑体在自重以及料重的作用力下产生变形。窑体的椭圆变形，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，使材料受损。

四．耐火砖膨胀性分析以及解决措施

回转窑中的耐火砖两平面由于温度不同，导致膨胀程度不同，从而产生剪切应力。

由于耐火材料有一定厚度（大约十厘米左右），温度分布式从里至外依次降低，在此不考虑热膨胀系数a随温度变化，认为a是定值。只考虑耐热材料的横向伸展，即认为耐热材料只在以为坐标中变化。

则有伸展长度△L=L*a*T

L:耐火材料横向长度。

建立数学模型：

取炉窑的一截耐热材料分析，如右图所示。假设

（1）长度L1=L2.即不考虑曲率半径的影响。

（2）耐火材料的导热率为定值，忽略导热率随温度的变化。

（3）耐热材料的热膨胀系数为定值，忽略膨胀系数随温度

的变化。

如右图所示：

公式△L=L*a*T

T=k*h+ T0

K=(T M- T0 )/H

得耐火材料的横向形变△L与厚度之间的关系如右图所示.

炉窑A处的伸展长度度明显大于B处的伸展长度，从而导

致耐火材料的变形，朝B方向弯曲。当伸展受限制时，会产生

横向的切应力，加速耐火材料的老化损坏。

对耐火材料进行如下改进：

改变耐火砖的制造工艺，用两种膨胀系数不同的材料制作。以下是对耐火砖的数学分析。

建立数学模型：

假设耐火材料为长方体（宽度为一个单位），厚度为h，上表面温度为T M=K*H,下表面温度为T0 =0K.耐火材料A与B的导热系数相同。如右图所示。材料A的长度为L1，材料B长度为L2.

耐火砖总长度 L= L1+L2.

在h处材料A的变形长度为△L1= L1*a1*T

材料B的变形长度为△L2= L2*a2*T

为了减少横向剪切应力，使整个耐火砖的膨胀变形长度相同。

x=H处变形量为△L= L*a2* T M

任意x=h处:△L=△L1+△L2.

解得

L2=L* a1*h/( a2H+ a1h- a2h)

L1=L- L* a1*h/( a2H+ a1h- a2h)

即：L1,L2 与h成线性关系。

耐火砖的下表面温度为T0不为零K，所以对耐火砖而言：

当温度为T0时，h=H* T0/T M。

以上分析可得，用不同材料进行配比来制作耐火砖在理论上是可以达到减小横向剪切力的。

3.结语

回转窑中的耐热材料对其有重要影响，耐火材料的质量直接影响了回转窑能否稳定运行。根据运行程序选用合适的耐火材料是对回转窑耐火材料质量的保证。耐火砖得膨胀特性的改进对减少热应力起着非常重要的作用。

参考文献：

[1] 张绍坤。危废处理回转窑的砌筑与烘炉技术探讨[J].工业炉，2012第二期