硅溶胶结合刚玉莫来石浇注料在石灰回转窑炉衬修复中的应用

李少华，薛海涛，袁 顺，丛培源

（中冶武汉冶金建筑研究院有限公司，湖北 武汉 430081）

石灰产品在钢铁冶炼中起着重要作用，可以加快造渣速度、缩短冶炼时间、提高钢水质量等。活性石灰一般采用石灰回转窑作为煅烧设备，回转窑内环境复杂，耐火内衬受到高温高压、机械冲击、温度变化带来的热应力等作用而经常导致开裂、剥落等情况发生，影响了正常使用，并带来了一定的安全隐患。

国内某能源公司的活性石灰煅烧设备为日产1 000 t的回转窑，窑体直径为4.8 m。石灰窑运行过程中，筒体进料端头部位耐火材料出现大量开裂现象，局部材料剥落严重，筒体外壳温度升高，严重影响了窑炉的正常生产，本文对此回转窑破损情况进行了分析，并详细介绍了修复的过程。

1 回转窑内衬破损分析

停窑后对窑体进料端损坏部位进行查看分析，该部位原有材料使用的是掺加了钢纤维的水泥结合高铝浇注料。在回转窑运行过程中，进料端承受了卸落石灰原料的机械冲刷，浇注料磨损严重。另外，水泥作为材料结合剂[1]，引入了大量低熔物，随温度变化造成材料体积稳定性差，因温差造成的内应力（膨胀、收缩应力）极大损伤了衬体结构，当温差反复循环时，衬体强度不能有效抵御该内应力时，结构开裂损毁。水泥结合材料在中温下体积会产生一定的收缩，气孔率增加，结构变得疏松，而石灰窑使用的条件下，材料并未烧结形成陶瓷结合，导致浇注料的中、高温物理性能和热震稳定性能差，中、高温强度低，材料中温强度下降约40%，耐磨性大幅下降，材料开裂。破损部位情况如图1所示。

图1 进料端破损情况实物图

2 修复用材料的选择

针对窑体该部位使用环境情况，该项目工期较短，选择水泥结合材料不能满足工期要求且使用效果不佳，因此选择硅溶胶结合刚玉莫来石浇注料代替传统掺加钢纤维的水泥结合高铝浇注料[2]。

硅溶胶结合刚玉莫来石浇注料的体积稳定性和热震稳定性好[3]，能以网架结构快速固化，快速烘烤，节省工期，中高温强度高，施工性能好，耐磨性好，耐化学侵蚀性优良，适用于该部位的使用环境要求，是一种适应性强的优质检修耐材。该硅溶胶结合刚玉莫来石浇注料主要性能指标见表1。

表1 硅溶胶结合刚玉莫来石浇注料性能指标

3 破损部位修复过程

3.1 旧料清除、模板及锚固件制作安装

将该破损部位内衬材料清除，补焊长约150 mm的V型锚固钉后吹扫干净，如图2所示。根据窑体直径及浇注厚度制作相应尺寸的木模，浇注模板制备成圆弧形，按照设计预留出浇注料衬体的厚度，左右对齐后将模板固定，如图3所示。

图2 锚固件焊接施工图

图3 模板安装施工图

3.2 浇注施工

将硅溶胶结合刚玉莫来石浇注料粉料与结合剂混合搅拌均匀，严格控制结合剂加入量，不得过稀，在保证材料可以正常浇注施工的前提下尽量减少结合剂加入量，使材料具有更好的理化性能。将搅拌好的材料进行浇注施工，并使用振动棒充分振动密实。材料搅拌如图4所示。

图4 材料搅拌施工图

因回转窑为圆形横卧筒体，不能一次支模浇注成型，需分两次进行，即先安装下半部模板后进行浇注施工，待浇注料硬化产生强度后拆除半边模具，将筒体旋转后再安装未浇注部分模具，然后进行浇注施工及养护。两次浇注材料的接触面做凿毛处理，使材料能更好地形成一个整体料层。

3.3 烘烤

材料浇注完成4 h内硬化，产生强度后拆除模具，成型体无需低温下缓慢升温及保温，直接置于点燃高温炭火中烘烤加热至600～800℃保温3 h，转动筒体逐步均匀加热整个浇注层，烘烤完成后即修复完成。材料烘烤如图5所示，修复完成效果如图6所示。

图5 材料烘烤施工图

图6 修复完成效果图

可以看出，材料修复完成后表面光滑平整，没有出现开裂现象，烘烤过后的材料有较高强度，修复效果好。

4 修复施工总结

该公司回转窑修复选用硅溶胶结合刚玉莫来石浇注料。硅溶胶是一种纳米氧化硅胶体，常温下胶体凝胶化，胶粒间经缩合反应和与粉体间的吸附作用使基质内形成了有效的网架结构，从而产生强度，并使排出水的有效通道均匀畅通，衬体内的自由水能快速排出，硬化拆模后可以快速直接升至较高温度进行烘烤。浇注料在中、高温段，氧化铝微粉和硅溶胶中纳米氧化硅胶体间结合，形成莫来石化反应，且莫来石呈针状及柱状结晶成长，形成相互交织的网状结构，提高了材料的断裂韧性，阻止微裂纹扩展，同时产生体积效应，抵消了施工衬体部分体积收缩，使衬体具有较好的体积稳定性能、温度稳定性和机械耐磨抗冲刷性能。材料的微观结构中晶相含量高，玻璃相含量低，中、高温性能好。从表1硅溶胶浇注料的性能指标可以看出材料具有优良理化性能[4]。

上述对材料分析可以看出，硅溶胶结合浇注料是一种以网架结构快速固化的材料，在工期较紧的修复工程中可赢得脱模和烘烤时间，施工后材料衬体在4 h内硬化，之后便可进行拆模烘烤，烘烤仅需3 h即可投入正常生产运行，为回转窑修复节省了大量时间，避免了用水泥结合材料需要低温下缓慢升温保温的过程。

浇注料采用了性能稳定的莫来石和刚玉，体积稳定性和温度稳定性得到大幅提高，避免了使用水泥结合材料因温差变化产生膨胀、收缩内应力而开裂、剥落的现象，从实际浇注成型体可以看出修复效果良好。

硅溶胶浇注料在使用过程中随着温度升高强度也逐步提高，特别是在800～1 100℃中温段时即可形成二次莫来石化反应，提高了材料的中温强度，同时具有优良的耐磨性能和温度稳定性。

5 使用效果

该公司石灰回转窑修复成功后即投入正常生产。正常情况下，水泥结合材料使用6～8个月后会出现筒体局部温度过高现象，需要进行检修。而使用了硅溶胶结合刚玉莫来石浇注料后至今已投产一年多时间，筒体修复部位状态良好，表面温度低于100℃，未出现异常状况。

6 结论

回转窑进料端部位内衬材料长期处于温度频繁变化、原料卸落冲刷磨损等恶劣环境下，对该部位材料提出了严苛的要求。溶胶结合刚玉莫来石浇注料成功应用于石灰回转窑，极大程度上延长了回转窑的使用寿命，预计可以使用2～4年。该浇注料的应用效果显著，得到了业主方极大认可，获得了明显的经济效益。