大面積風(fēng)口區(qū)流態(tài)化焙燒爐組合爐襯研究

洛陽市洛華粉體工程特種耐火材料李朝俠洛陽洛華窯業(yè)黃河1、制酸用流態(tài)化焙燒爐襯的開展我國是一個硫酸生產(chǎn)大國，流態(tài)化焙燒爐是最常用的制酸設(shè)備。各種型號的流態(tài)化焙燒爐的爐襯一般在鋼殼內(nèi)依次用保溫磚加高鋁磚分兩層磚錯縫砌筑，爐襯厚度400~500mm。力學(xué)結(jié)構(gòu)為連體多層砌塊結(jié)構(gòu)，構(gòu)造比較簡單，抗損毀能力差，環(huán)保品質(zhì)不高。一般使用1~2年后便開始向大氣中泄漏含SO2的煙氣并侵蝕鋼殼，最后以爐子變形、泄漏煙氣嚴(yán)重，爐襯和爐體鋼殼強(qiáng)度急劇下降，無法修補(bǔ)而報(bào)廢。在設(shè)備運(yùn)行過程中，大量的煙氣外泄對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。從國外引進(jìn)的大型流態(tài)化焙燒爐也采用磚砌爐襯結(jié)構(gòu)，大于100m2流態(tài)化焙燒爐直徑約17米，設(shè)備長徑比大大壓縮?？墒菭t墻結(jié)構(gòu)變化不大，厚度也在500mm左右，內(nèi)砌310mm厚的高鋁磚，貼鋼殼再砌一層185mm厚的粘土保溫磚；球冠拱頂用帶有凸凹槽、厚380mm的異形磚砌成，異形磚上部再砌一層粘土保溫磚，保溫磚上面留有一定爐蓋膨脹空間，再覆蓋爐頂鋼殼。用這種結(jié)構(gòu)砌筑的爐襯，由于受制磚工藝和砌筑工藝特點(diǎn)的限制，整個砌體的抗彎曲強(qiáng)度只有砌塊強(qiáng)度的幾十分之一；由于標(biāo)準(zhǔn)允許的磚體外形尺寸誤差超出砌筑標(biāo)準(zhǔn)所允許誤差范圍，假設(shè)想到達(dá)國家規(guī)定的一類砌體標(biāo)準(zhǔn)，在砌筑中幾乎每一塊磚都需要挑選和磨磚后才能使用。這在現(xiàn)實(shí)砌筑中幾乎是不可能的。所以磚砌爐墻中的磚縫變形非常普遍。按照國家制磚生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，在爐膛上部磚體砌塊的弧線方向，允許的同向疊加誤差可以到達(dá)300mm-700mm以上；按照國家的砌筑標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，在爐膛上部磚體砌塊的弧長方向，砌縫的同向疊加誤差在200-400mm為合格砌體。如果再加上爐體外鋼殼的橢圓變形造成的砌體變形和砌筑工人技能低的因素，在爐膛上部每環(huán)砌體和設(shè)計(jì)計(jì)算相差幾塊磚是普遍現(xiàn)象。這類砌體在設(shè)備運(yùn)行初期依靠吸收設(shè)備運(yùn)行中的熱震動能量，先行在砌體內(nèi)部進(jìn)行自應(yīng)力均衡變形，引發(fā)了磚縫疏松、爐襯各層間別離，也造成砌體與外鋼殼的局部空腔和夾層。尤其在爐頂平坦區(qū)域擴(kuò)大，砌體受力發(fā)生重大轉(zhuǎn)折，又沒有鋼外殼的持護(hù)，砌體在自重力與生產(chǎn)運(yùn)行中熱膨脹力長期相互作用，加之受煙道牽引，爐蓋力學(xué)結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)定性和均勻性更加脆弱；爐蓋外表積加大使磚縫變形更為嚴(yán)重，磚縫的變形直接導(dǎo)致了爐蓋砌體疏松強(qiáng)度下降頂磚剝落掉塊，也造成大量硫外泄，使設(shè)備的平安、環(huán)保生產(chǎn)受到極大影響。2、新型焙燒爐組合爐襯我公司在1993年就開始對此課題開展了研究。致力于開發(fā)使用新型的爐襯材料和砌筑技術(shù)，在保證流態(tài)化焙燒爐的各項(xiàng)工藝參數(shù)、不改變用戶操作方法的條件下，以新型環(huán)保型流態(tài)化焙燒爐組合襯結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的單一磚砌爐襯，用現(xiàn)代化的筑(修)爐工藝?yán)砟罡脑靷鹘y(tǒng)筑爐方法，在加強(qiáng)爐襯自身的整體性和密閉性、躲避和控制磚縫變形，加強(qiáng)爐襯變構(gòu)區(qū)的強(qiáng)度，增強(qiáng)和延長設(shè)備壽命，減少和杜絕杜絕硫的外泄作為開發(fā)研究的方向。經(jīng)過近20年的開發(fā)和應(yīng)用，以及從5-109平方米十幾種爐型、70余座新建或大修爐襯的實(shí)例使用結(jié)果說明，此項(xiàng)技術(shù)已完全成熟，應(yīng)該向所有制酸焙焙燒進(jìn)行推廣。這項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，是我國自行研發(fā)和創(chuàng)新，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)備建造技術(shù)之一。它在使用過程中表現(xiàn)出來的穩(wěn)定、平安、環(huán)保、抗災(zāi)害強(qiáng)、長壽命、操作簡便、維修率低等諸多優(yōu)點(diǎn)，使它必將在焙燒爐制酸設(shè)備的大型化的工藝進(jìn)程中，使它在我國以節(jié)能環(huán)保為目標(biāo)的產(chǎn)業(yè)化的更新改造過程中，使我國從傳統(tǒng)單一的磚砌爐襯建造技術(shù)迅速與現(xiàn)代化的熱鋼筋混凝土框架爐襯組合建造技術(shù)轉(zhuǎn)變和接軌，成為不可替代的一項(xiàng)重要的設(shè)備建造技術(shù)。新型焙燒爐組合爐襯簡介：將磚砌結(jié)構(gòu)改變?yōu)楦邷劁摻钅突鸹炷恋目蚣芙Y(jié)構(gòu)。爐頂采用耐火澆注料整體澆注爐頂，爐身各層變構(gòu)區(qū)的鋼托圈改造成高溫鋼構(gòu)混凝土抱箍梁，在煙氣出口加裝澆注料和鋼構(gòu)骨架有效相連形成高溫鋼構(gòu)耐火混凝土門柱，控制煙氣出口變形，杜絕煙氣出口掉磚現(xiàn)象。至此，傳統(tǒng)砌塊爐襯大量向外泄漏硫被得到有效抑制，爐頂砌塊剝落給工人進(jìn)爐操作帶來的平安隱患被消除。在傳統(tǒng)的磚砌爐襯中，爐襯靠自重穩(wěn)定，既依附于鋼外殼但又和鋼外殼別離，鋼外殼與砌塊爐襯之間有大量的空腔和夾層，一旦爐襯損壞局部修復(fù)困難而且還要冒爐襯垮塌傷人的危險。而新型的組合爐襯在結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)上設(shè)置了高溫鋼構(gòu)混凝土梁將爐襯各局部已分隔開來，可以方便而又平安的隨意變造和維修爐襯的某一局部。新型組合爐襯改變和簡化了砌筑工藝，減少了隱蔽工程，使工程質(zhì)量更加得到保證。大量的民建施工隊(duì)伍被加以適當(dāng)培訓(xùn)就可以很好的承擔(dān)筑爐工程，有效的解決了專業(yè)砌筑工人短缺的問題。新型的組合爐襯使?fàn)t頂?shù)恼w強(qiáng)度成倍增加，爐頂拱腳作成高溫鋼筋耐火混凝土抱箍梁掛在爐殼上，使?fàn)t頂?shù)闹亓亢驼w強(qiáng)度可以有效地控制爐墻上部變形，增強(qiáng)整個爐體的穩(wěn)定性。新型的組合爐襯使傳統(tǒng)簡單的砌筑工藝直接被現(xiàn)代工業(yè)化建造技術(shù)工法所取代。使用新型的組合爐襯，爐子大修期可以提高到20年以上，爐子壽命可達(dá)30年以上。在使用中可以平安、根本無泄漏，長期穩(wěn)定滿負(fù)荷運(yùn)行。可以長時間不用檢修爐襯。真正做到環(huán)保、節(jié)能、延長設(shè)備使用壽命，提高設(shè)備使用率和抗災(zāi)害能力，提高硫酸產(chǎn)量和質(zhì)量，降低設(shè)備維修率的效果。3.公司獨(dú)創(chuàng)的耐火澆注料的研發(fā)表1沸騰爐不同部位的溫度及損毀速度使用部位水套上方檢修孔爐頂排煙口溫度（℃）40080010001100損毀速度0.52.73.54.2為了進(jìn)一步研究SO2煙氣對耐火材料造成的侵蝕，我們在實(shí)驗(yàn)室對耐火材料的抗SO2煙氣侵蝕性能進(jìn)行了模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。圖1硫酸溶液對耐火材料的侵蝕注：系列2代表實(shí)驗(yàn)室中用1/10硫酸溶液做的抗侵蝕情況系列1代表實(shí)驗(yàn)室中用1/10硫酸溶液外加2g焦碳粉做的抗侵蝕情況

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論：1〕爐襯損毀和溫度、荷重及爐襯之間的強(qiáng)度搭配有關(guān)；2〕10-15%的含硫煙氣在400℃-800℃之間對爐襯損壞最大；3〕10-15%的含硫煙氣在C的參加下將使?fàn)t體損毀更加嚴(yán)重，尤其在1000℃后更強(qiáng)烈。3.1.耐火材料的性能要求材料的研究方向：1〕材料應(yīng)具有長期穩(wěn)定抵抗8-15%SO2含量、溫度從常溫~1300℃含硫煙氣而不剝落也很少侵蝕的優(yōu)良品質(zhì)。2〕材料能耐受反復(fù)屢次急冷急熱的工作環(huán)境，以適應(yīng)流態(tài)化焙燒爐使用壽命長，要經(jīng)歷屢次開停爐的工藝特點(diǎn)。3〕材料的組分應(yīng)能使SO2煙氣侵蝕最嚴(yán)重的工作段400℃~1200℃之間產(chǎn)生1--2cm的掛渣變質(zhì)層，保護(hù)使其不再向爐襯材料縱深開展造成爐襯損毀。材料的價格本錢要低，要與中、低檔耐火材料澆注料相當(dāng)，要根本等同于磚砌爐襯。4〕解決各種爐體各部位施工工法，合理設(shè)置爐襯膨脹縫。經(jīng)研究和試用，洛華特耐公司已成功地對流態(tài)化焙燒爐各部位用耐火澆注料進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果見表2。表2流態(tài)化焙燒爐各部位用耐火澆注料序號材料名稱規(guī)格使用部位1輕質(zhì)澆注料LH-807爐頂輕質(zhì)保溫層2流態(tài)化焙燒爐專用澆注料LH-903沸騰床工作層LH-902-2沸騰床以上的工作層3鋼纖維增強(qiáng)澆注料LH-1103-2大型流態(tài)化焙燒爐拱腳圈梁及爐頂3.2.耐火材料的研發(fā)及性能檢測為了詳細(xì)了解所研制的耐火材料的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，將試樣制成光片，并對其進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)分析。1、LH-902試樣的顯微結(jié)構(gòu)圖2LH-902試樣低倍顯微結(jié)構(gòu)圖2為LH-902試樣低倍時的顯微結(jié)構(gòu)照片。圖中，淺灰色的物質(zhì)是澆注料中的顆粒，細(xì)小的圓形亮色物質(zhì)為基質(zhì)中的Cr2O3微粉；從圖2中可以看出，Cr2O3微粉的分布均勻。此外，從圖中還可以看出，基質(zhì)的結(jié)構(gòu)十分致密，氣孔分布均勻，且多為微米級的封閉氣孔。

2、LH-1103試樣的顯微結(jié)構(gòu)圖3LH-1103試樣的顯微結(jié)構(gòu)

圖3為LH-1103試樣中鋼纖維的顯微結(jié)構(gòu)以及鋼纖維與基質(zhì)之間的結(jié)合狀態(tài)。圖中，亮白色月牙形的物質(zhì)是試樣中的鋼纖維，放大后發(fā)現(xiàn)，鋼纖維與基質(zhì)之間的結(jié)合較為緊密。圖4LH-1103試樣中Cr2O3顯微結(jié)構(gòu)圖4為LH-1103試樣中基質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)以及基質(zhì)中Cr2O3的分布狀態(tài)。從圖中可以看出，基質(zhì)的結(jié)構(gòu)較為致密，氣孔分布均勻，且多為微米級的封閉氣孔。圖中，細(xì)小的圓形亮色物質(zhì)為基質(zhì)中的Cr2O3微粉，可以看出，Cr2O3微粉的分布均勻。4、爐襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4·1爐頂耐火爐襯設(shè)計(jì)及施工工法研究傳統(tǒng)爐爐襯設(shè)置被分割成爐頂鋼殼、爐頂保溫層和爐頂磚襯三個力學(xué)結(jié)構(gòu)，分別各自膨脹相互別離，強(qiáng)度差變形大漏煙嚴(yán)重，是最容易損壞維修的部位。從環(huán)保和設(shè)備改善角度出發(fā)，我公司優(yōu)先解決爐頂結(jié)構(gòu)和施工工法問題。1〕把傳統(tǒng)的磚爐頂用整體澆注爐頂代替。找出爐頂對稱中心位置，使?fàn)t頂對稱中心和重心落在一條線上成中軸線，以中軸線為根底，根據(jù)爐頂橢圓變形狀況計(jì)算和設(shè)置爐頂厚度和膨脹縫，用不均同厚度和沒有通縫的膨脹以保證爐頂?shù)姆€(wěn)定和高強(qiáng)度，阻斷爐頂?shù)穆熗ǖ?，同時也可以對爐體的傾斜有抑制作用。2〕將原來爐頂鋼殼、爐頂保溫磚層、爐頂高鋁磚層三個獨(dú)立結(jié)構(gòu)合三而一，將爐蓋外部鋼殼與澆注爐頂之間填充輕質(zhì)保溫層靠緊壓實(shí)，爐頂工作層也能借力于外鋼殼的強(qiáng)度，將爐頂造成一個整體部件。〔結(jié)構(gòu)見圖1〕圖1爐頂結(jié)構(gòu)示意圖4·2排煙口結(jié)構(gòu)及施工工藝的研究在流態(tài)化焙燒爐煙氣泄漏中，除爐頂外，排煙口是最容易損壞和泄漏煙氣的位置，直接影響到爐頂乃至整個爐體上部的結(jié)構(gòu)損壞而且修復(fù)困難。我公司研制開發(fā)了排煙口煙氣泄漏的外部柔性連接結(jié)構(gòu)〔見圖2〕，并對排煙口周圍的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)維護(hù)，取得了較好的效果。圖2排煙口外部柔性連接結(jié)構(gòu)示意圖4·3爐墻結(jié)構(gòu)設(shè)置及施工工法研究流態(tài)化焙燒爐爐襯分50平米以下和50平米以上兩種情況分別設(shè)置爐身的爐襯。1〕50平米以下的焙燒爐一般采用靠鋼殼設(shè)置保溫層后，工作層用不同型號的耐火澆注料整體澆注而成。這樣的好處是：避開了傳統(tǒng)爐襯結(jié)構(gòu)存在的多種異形磚的采購和復(fù)雜的砌筑，使整個爐襯渾然一體，徹底解決了爐襯漏煙問題?！惨娊Y(jié)構(gòu)示意圖2〕圖3側(cè)墻結(jié)構(gòu)示意圖2〕50平米以上焙燒爐一般采用組合爐襯。在下部沸騰床局部孔洞比較多，磨損相對嚴(yán)重，要在每個孔洞周圍制作高溫鋼筋混凝土的門柱，將沸騰床爐襯以各孔洞為界進(jìn)行分割，以便將來方便檢修。中部擴(kuò)大段和上部直段之間有高溫鋼筋混凝土抱箍梁包裹鋼托圈對各局部磚襯進(jìn)行分隔，既保護(hù)了鋼托圈，又把各局部磚襯重量通過抱箍梁掛在相對應(yīng)的鋼殼上，使將來假設(shè)需要檢修或變造爐襯變得簡單而又平安?！惨娊Y(jié)構(gòu)示意圖3〕上述組合爐襯從1997年起，陸續(xù)在有色、黑色、化工、化肥多行業(yè)的焙燒爐上推廣實(shí)施，逐漸從5至47平米焙燒爐推廣到50平米以上，近幾年更推廣到多座109平米的大型焙燒爐上，共有50幾座，均取得非常好的使用效果。

圖4孔洞圈梁抱箍示意圖5、應(yīng)用效果總結(jié)：

1〕可以常年滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷生產(chǎn)。

2〕爐頂不再泄露含硫煙氣，爐身煙氣泄露得到很好控制。

3)整體爐頂強(qiáng)度好。

4〕檢修率非常低。

5〕整體強(qiáng)度好，壽命長，抗災(zāi)害能力強(qiáng)，生產(chǎn)運(yùn)行平安。附件：1.主要參考文獻(xiàn)：1.齊焉，2005年全國硫酸生產(chǎn)情況，硫酸工業(yè)，2006〔2〕，1-42.周濤，葉紅齊；國內(nèi)粉末冶金中流態(tài)化技術(shù)的研究與應(yīng)用，第五屆海峽兩岸粉末冶金技術(shù)研討會論文集，59-633.?有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊?編委會，有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊[M]，北京：冶金工業(yè)出版社，2000，434-4734.陸志方，109m2流態(tài)化焙燒爐設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)踐，有色設(shè)備，2002(3)：1-45.黃江，50m2鋅精礦沸騰焙燒爐設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)體會，有色金屬設(shè)計(jì)，Vol.30，，2003，37-40附件2：洛華公司有關(guān)沸騰爐的成果和專利列表1、鑒定成果1.1中色協(xié)科〔鑒〕字【2001】第033號?流態(tài)化焙燒爐新型爐襯結(jié)構(gòu)及采用不定形耐火材料全整澆技術(shù)?1.2中色協(xié)科〔鑒〕字【2007】第074號?硫化礦流態(tài)化焙燒爐〔爐蓋〕整體澆注材料及應(yīng)用技術(shù)?2、獲獎資料1、二項(xiàng)并列中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎一等獎中色協(xié)科