大型球团带式焙烧机耐火材料设计与优化

何贯通，郭宏相，李学彦，王立旺

（1.河南省宏达炉业有限公司，河南 郑州 450064；2.浙江锦诚新材料股份有限公司，浙江 长兴 313100）

近年来， 国内大型带式焙烧机球团焙烧工艺快速发展，随着首钢400 万t 及包钢500 万t 带式焙烧机投产，2017 年带式焙烧机球团产量占比达20%左右。 2019 年5 月，首钢京唐钢铁联合有限责任公司二期球团工程3#线400 万t/a 项目工程点火成功。2019 年福建三钢闽光股份有限公司200 万t 球团项目、2020 年防城港400 万t 球团项目、河钢乐亭480万t 球团项目等工程均采用带式焙烧工艺。 我国在大型装备走向国际，积极参与一带一路建设中，为伊朗、 阿尔及利亚等国建设的球团生产线也采用大型球团焙烧机工艺， 取得了良好的经济效果和社会效益。 大型带式焙烧机是近年来刚刚兴起的一种热工设备，带式焙烧球团技术未来会有很好的发展前景。

大型球团带式焙烧机是动态的高温设备，关键设备包括焙烧系统、热风系统、燃烧系统。 设备结构复杂，工况差异大，影响耐火材料应用效果的因素多，对耐火材料性能、 结构设计及施工均有较高的要求，耐火材料的结构设计、材料配置及砌筑施工质量，是确保装备高效运行的关键因素。耐火材料设计需要遵循长寿化、均衡化、节能化及功能化的设计思想，综合解决大型带式焙烧关键部位用耐火材料应用中存在的问题，使各个部位耐火材料内衬使用寿命均衡，减少停机检修次数，有效延长使用寿命，提高生产作业率，降低能源消耗，提高资源综合效率。

1 新型耐火材料的应用

大型球团带式焙烧机焙烧工艺包括干燥、预热、焙烧、均热、冷却等过程，各工艺过程均在带式焙烧机主体设备上完成[1]。主体设备不同部位对耐火材料性能要求差异比较大，必须根据工况条件，开发长寿化、功能化、节能化的新型耐火功能材料以实现设备均衡、长寿、高效、节能、环保运行。

1.1 燃烧室用耐火砖

该装备燃烧系统采用重油、 天然气和高热值煤气，燃烧室内温度高达1 500 ℃，燃烧室内气流冲刷大、温度波动频繁。 目前，燃烧室耐火砖主要采用刚玉莫来石砖，该耐火砖以刚玉和莫来石为主要原料，需要在1 650～1 750 ℃的温度下高温烧成，该工艺生产的刚玉莫来石砖主要适用于高炉陶瓷杯、 熔融气化炉及炭黑炉， 应用在带式烧结机燃烧室在使用过程中存在剥落现象， 对燃烧室使用寿命有很大的影响。而且高温烧成工艺生产周期长、能耗大、成本高，制品抗热振稳定性低，显气孔率高。

针对燃烧室气流速度大、 温度高及温度波动大的工况条件， 该部位耐火材料要求具有较好的热振稳定性、耐磨性及较高的强度，并且是具备抗剥落功能的新型耐火材料。燃烧室用耐火砖采用板状刚玉、电熔莫来石等高纯原料及优质合成原料， 采用高效分散技术和纳米烧结技术， 调控材料相组成和显微结构，优化材料的高温性能，具备抗冲刷、耐侵蚀、不剥落，使用寿命长等特点[2]。

1.2 高性能锚固砖

大型球团带式焙烧机预热段、焙烧段及均热段顶部及侧墙耐火材料内衬均需要高性能锚固砖，以便更好地连接、固定在主体设备上，其性能和质量是耐火材料内衬使用寿命的关键。 主要有炉墙锚固砖、炉顶锚固砖，锚固砖技术要求强度高、热振稳定性好，一般用黏土熟料或三级矾土熟料做原料， 经高温烧制而成[3]。 目前，带式焙烧机朝着大型化、长寿化的趋势发展，对其耐火材料内衬提出了更高的要求，锚固砖做为其重要构成部分，其性能更为关键。 特别是预热段顶部采用整体锚固砖组合炉顶结构， 要求锚固砖必须具备强度高、抗冲刷、抗剥落、低蠕变等特征，能够在1 500 ℃以上的工况温度下长期使用。为提升传统锚固砖性能，改善其应用效果实现长寿化、功能化的目的，锚固砖骨料采用高纯莫来石骨料、精选高铝骨料、红柱石骨料，基质采用硅线石细粉、高纯高铝细粉，并采用高活性黏土细粉经高温陶瓷烧结。 该锚固砖采用机压成型工艺，选用高纯原料，经过高压成型、高温烧结，蠕变率低、抗剥落、耐冲刷性能好，满足了复杂的工况条件，有效地延长了使用寿命。

1.3 高强度、低反弹喷涂料

带式焙烧机大烟道、 干燥段上罩及冷却段上罩由于面积大、 施工难度高及节能化要求一般采用轻质耐火喷涂料喷涂（见图1）。 轻质喷涂料主要原料为黏土熟料、 陶粒和珍珠岩等， 体积密度一般低于1.8 g/cm3，虽然具有良好的隔热性能，但是其强度、耐磨性与重质喷涂料相比仍然较低，限制了其应用范围[3]。 而且轻质喷涂料施工时反弹率比较高，可达30%，损耗较大。 因此需提高轻质喷涂料的强度，降低施工反弹率以适应大型带式球团焙烧机的工况条件。

为提高轻质耐火喷涂料的强度和耐磨性， 降低喷涂料反弹率，预先按照配比配制复合结合剂，该复合结合剂最优用量加入，凝固时间快，强度发展好，粘附性及烧结性好。该结合剂用于喷涂料强度高、施工性能好、反弹率低。 通过对复合结合剂与焦宝石、轻质骨料的配比优化，通过降低骨料临界粒度，通过卧式球磨机、行星搅拌机三步混合提高均匀性、活性等措施进一步提高强度，降低反弹率。 施工时，正确地调整喷涂设备的角度、距离和线速度，也是克服回弹现象、降低反弹率的有效途径[4]。

图1 喷涂施工现场

1.4 抗剥落浇注料

带式焙烧机预热段、 焙烧段及均热段侧墙设计采用轻质保温材料与浇注料整体浇注结构。 由于阶段性停机升降温及工艺温度波动均要求浇注料具备良好的热振稳定性和抗剥落功能。 传统的高铝质浇注料和刚玉质浇注料在高温物料的动态作用下和急冷急热的破坏下，会发生大面积剥落，影响了设备的运行状况，维修频繁，生产成本增加。

抗剥落浇注料基质主晶相为莫来石相， 在使用过程中各温度条件下新的莫来石相仍能不断地原位生成，进一步提高了材料的热振稳定性和高温性能，新形成的针状莫来石穿插于基质的莫来石相中，把骨料和基质紧密结合在一起，使该材料强度高，抗剥落性好[5]。抗剥落浇注料解决了耐火材料剥落的技术难题，延长了内衬的使用寿命，减少了维修次数，降低了生产成本。

2 综合砌筑设计与优化

耐火材料结构设计必须综合考虑材料性能、节能需要、寿命要求、施工可行及结构应力等方面的因素，形成科学、可行的结构设计方案。 综合砌筑结构能够充分发挥材料性能，实现设备节能化、长寿化、均衡化的高效运行，满足运行工况的要求，实现延长使用寿命的目的。

2.1 燃烧室新型砌筑结构

燃烧室内温度高，温度波动大，气流速度高，不仅对耐火材料性能要求高， 而且要求结构设计科学，应力分布均匀，综合隔热性能好，燃烧室设备外壁温度不超过120 ℃。 设计采用多层复合梯度隔热技术，工作层根据热应力分布设计组合砖砌筑结构（见图2），不仅提高了能源利用效率， 同时组合砖砌筑结构消除了燃烧室的结构应力及热应力， 有效提高了燃烧室的整体使用寿命。

图2 燃烧室组合砖砌筑现场图

2.2 顶部吊挂结构

传统的顶部设计一般采用浇注料整体浇注结构，但是由于现场施工质量、烘烤温度等问题，浇注料的性能很难充分发挥。带式焙烧机焙烧段温度高，存在气流冲刷， 顶部设计为吊挂砖整体吊挂组合砌筑炉顶结构（见图3）。 吊挂砖采用低蠕变、抗剥落吊挂砖，耐高温，强度大。该结构安装快捷、方便、安全，能有效消除结构应力， 并能克服传统整体浇注施工质量不佳或烘炉局限导致的耐火材料寿命低的技术问题，解决了顶部开裂、剥落的技术难题，隔热性能好，节约能耗。

2.3 耐火材料锚固结构

图3 组合砌筑炉顶

带式焙烧机全系统各种锚固钉数量大约50 多万个，锚固钉主要起到增强、锚固性作用，必须能够将耐火材料固定在主体设备上，同时抵抗热应力、机械应力的作用，不能引起耐火材料的剥落。通过热力学、应变力学、高温力学多角度研究，设计科学、应力分布合理、制作方便、安装快捷、锚固牢固。带式焙烧机不同部位的温度和气氛不同， 必须根据工况条件和砌筑结构采用不同材质、形状及布置，为保证应用效果锚固钉主要采用Cr25Ni20 和1Cr18Ni9Ti 不锈钢材质，不锈钢锚固钉占比达60%以上。传统设计大部分锚固钉采用焊接组合，须两次焊接施工，焊接T型锚固钉固定保温层， 然后将V 型锚固钉焊接在T型锚固钉上固定工作层。 锚固钉数量多， 制作难度大，现场焊接工作量大，费用高。 本文采用专利技术的耐火材料内衬锚固钉（专利号：201220257571.X），该锚固钉制作简单，现场焊接工作量小，施工快捷，降低50%的现场焊接工作量， 而且固定各种厚度的保温纤维制品效果好， 用于喷涂内衬时并能降低施工反弹率[6]。

2.4 无水冷隔墙结构

带式烧结机为实现高温加工所需要的工艺温度，需要用隔墙对内部空间进行分割，由于内部温度高， 隔墙一般采用耐火浇注料或者耐火砖等耐火材料砌筑， 内部或底部用金属材料制作水冷冷却通道支撑隔墙， 冷却通道在高温和耐火材料重力双重作用下，容易出现变形、漏水及倒塌问题。 而且需要设置水冷系统，水冷系统需要冷却塔、泵送系统及冷却泵等配套设施，增加了投资费用和运行成本。无水冷隔墙用耐火砖及其砌筑结构见图4。 该耐火砖耐高温，能够实现相互锁定，吊装砌筑，不需要水冷、风冷系统，避免了变形、漏水及倒塌问题，降低了投资费用和运行成本。

3 耐火材料施工和烘炉

图4 无水冷隔墙砌筑结构示意图

在大型球团带式焙烧机耐火材料设计时， 一方面要考虑工况条件和耐火材料的性能， 还必须对耐火材料的施工给予充分的重视，合理、科学组织施工，确保施工质量和烘炉质量。 对耐火材料的施工用水、加水量、储存条件、保存期、环境温度、模板安装、搅拌、运输、振动等方面必须制定明确的标准和要求[7]。施工过程中用到搅拌机、喷涂机、空压机及电焊机等设备， 施工设备的类型及性能也是保证施工质量的重要因素， 必须根据选用的耐火材料施工性能和现场环境条件对设备进行选型和配备。 搅拌机要选用强制式搅拌机，空压机要选择螺杆空气压缩机，焊接要配备红外线烘烤设备， 以良好的装备保证施工的质量。 不定形耐火材料设计在大型球团带式焙烧机耐火材料中占比超过70%， 为保证带式焙烧机耐火材料内衬使用寿命， 烘炉工艺及烘炉温度对使用寿命至关重要，必须根据材料性能特点、耐火材料砌筑结构设计、制定科学的烘炉方案。不定形耐火材料是由耐火骨料、 结合剂或外加剂以一定的比例组合的混合料，现场加水搅拌、振捣施工。 施工完毕后未经烘炉，外加剂中的盐会析出，水泥中的氧化钙成分在潮湿环境中与空气中的二氧化碳发生酸碱反应，会在浇注表面析出碳酸盐，外观上会起“白毛”。表面疏松，内在的强度也会降低，严重的会有裂纹产生，直接影响耐火材料的高温性能和使用寿命。因此，耐火材料衬体施工完毕后一般20 d 内对耐火材料衬体及时进行烘烤，冬季7 d 内及时进行烘炉，并采取保温、防冻措施。 烘炉时，严格按照烘炉工艺及烘炉曲线进行烘炉，在600 ℃之前应该缓慢升温和保温，以便衬体中的水分充分排出， 烘炉燃烧器禁止直接对准耐火材料砌体进行烘烤， 要避免局部过热造成耐火材料的开裂、剥落[3]。

4 结语

针对大型球团带式焙烧机不同部位的使用条件，通过高性能耐火砖，高强度、低反弹喷涂料，抗热振、 抗剥落刚玉莫来石浇注料等新型耐火材料的应用，并对燃烧室结构、顶部整体吊挂结构、耐火材料锚固结构及无水冷隔墙结构等耐火材料结构进行设计与优化，加强耐火材料施工设计与烘炉管理，综合解决大型球团带式焙烧机关键部位和易损部位耐火材料应用技术难题，使耐火材料内衬使用寿命均衡、同步，减少停机检修次数，有效延长使用寿命，提高作业率，降低能源消耗，提高资源综合效率，达到良好的技术效果和社会效益。