煅烧石灰石麦尔兹窑耐材应用实践

崔新华

（河北鑫达钢铁集团有限公司技术部，河北 迁安064400）

麦尔兹窑（简称麦窑）煅烧活性石灰工艺在国内已经比较成熟，主要应用于各矿山和钢厂生产活性石灰，又称“双膛窑”。两个窑膛对称布置，并通过窑体下部的连接通道相连。煅烧工艺有两大特点：并流和蓄热。所谓并流就是在石灰石煅烧时，燃烧产物和石灰石一起向下流动，这样利于煅烧出高质量的活性石灰；所谓蓄热就是窑膛l的燃烧产物——高温废气通过两窑膛下部的连接通道进入窑膛2，在窑膛2随高温废气向上流动，将预热带的石灰石预热到较高温度，把热量积蓄起来，同时高温废气下降到一个很低的温度后排出窑膛。图1为麦尔兹窑的工作原理图。

图1 麦尔兹窑工作原理图

冷却空气和热的石灰发生热交换后将热量储存起来参与和冷的石灰石热交换。这种工作原理充分地利用了废气和石灰余热，保证了很高的热效率。

麦尔兹双膛竖窑两个窑膛的功能（煅烧和蓄热）交替互换。即一个窑膛煅烧，另一个窑膛蓄热，12～15 min后开始换向，两个窑膛的功能随之互换。气体运动如图2所示。

图2 麦尔兹窑内部气流运动示意图

操作时两个窑膛交替装入矿石，经振动给料机及可逆皮带机分别送至两个旋转底开式料斗，经过装料阀门进入石灰窑窑膛内煅烧。燃料分别由两个窑膛的上部送入，通过设在预热带底部的多支喷枪使燃料均匀地分布在整个窑膛的断面上均匀煅烧。每个窑膛都有各自的预热带、煅烧带和冷却带。

煅烧产品在整个燃烧循环期间不断地从两个筒内卸出，通过卸料台进入压力料斗。冷却空气不断地从两窑筒底部引入，使石灰在被排至石灰储存料斗前温度降低。在换向期，当窑体解压后，石灰从储存料斗中排入到出料皮带机上。

1 窑内耐材配置使用现状

1.1 连接通道耐材配置及受损情况

窑体砌筑是保证双膛窑热工性能的基础，根据窑体外表温度≤70℃配置，以降低窑表面温度，减少表面散热损失为原则，采用耐温、耐磨、隔热性能良好的耐火材料砌筑而成。两个窑膛在煅烧带与冷却带的交接处设有连接通道，这是麦尔兹窑的咽喉要道，耐材配置如图3所示。

图3 麦尔兹窑连接通道处的耐材配置示意图

为了保证窑衬的严密性和隔热性，窑体砌砖使用了44种砖型和多种耐火材料，由内到外主要是由镁砖(煅烧带和通道支撑拄为特殊镁砖、冷却段下部为高铝砖）、陶瓷纤维毯、轻质保温砖（密度1.0 g/cm3）、轻质保温砖（密度0.6 g/cm3）、硅钙板和硅钙板钢壳组成。

双膛之间的连接通道为薄弱环节，在此处的耐材容易受损脱落，主要由以下原因引起：

（1）高温气流循环，处于正压状态；

（2）浇注料和耐材共同施工，膨胀系数不同，产生热应力或缩孔；

（3）浇注料与钢结构没有采取锚固结构，浇注料固定不住，浇注料脱落后，高铝砖无挤力依靠，随之脱落；

（4）最上部的保温材料——矿渣棉受到高温容易熔化和收缩，形成上部空洞，高温气流在此处烧坏钢结构，导致耐材进一步脱落，形成恶性循环。

预热带衬为耐磨内衬，由内到外分别配有专用硬质黏土砖（下部几环为镁砖）、轻质黏土砖、陶瓷纤维垫、轻质黏土砖及硅钙板。

煅烧带的耐磨内衬为优质镁砖制成，有两层保温衬，由内到外依次为镁砖、陶瓷纤维垫、两层轻质黏土砖及硅钙板。

冷却带的耐磨内衬为高铝砖和专用硬质黏土砖，由内到外依次为专用硬质黏土砖（上部几环为高铝砖）、陶瓷纤维垫、两层轻质砖及硅钙板。

窑体砌砖是上下两段结构。两段重量分别由窑壳承受并传递到窑基础，由此可减少下部砌体所承受的压力，有利于延长窑内衬的使用寿命。两段分界位置在窑连接通道上面几百毫米处，分界处留有环形膨胀缝，用来吸收窑衬加热时产生的膨胀量，防止窑壳受力上升。

1.2 拨灰孔处耐材受损情况

麦尔兹双膛竖窑属于正压操作，在正常生产情况下，连接通道处压力保持在15～35 kPa之间，并且始终是煅烧的窑膛压力高于非煅烧的窑膛压力，从而保证了气体在窑体内的正常流动。高压气流的不断冲刷和冷热气流的交替进行，使得连接通道处的耐材温度梯度增大，很容易造成耐材剥落和坍塌。同时在窑体四周设置有拨灰孔。拨灰孔主要用于日常窑内部侧壁的检查和处理积灰和石灰石结瘤，在处理时，必须进行停窑处理，窑内的压力处于负压状态，主要是考虑到人工处理安全，如果是正压，热气溢出容易烫伤现场检修人员。

在人工使用铁钎子进行处理作业时，窑外的冷风就会吸到窑内，拨灰孔处的钢结构和耐材在温差1 000℃的条件下出现热应力，钢结构容易变形、裂纹和开焊，耐材容易产生裂纹和脱落，从而导致拨灰孔处漏气、溢气，烧坏周边钢结构，形成恶性循环（如图4所示）。

图4 麦尔兹窑拨灰孔周边钢结构、耐材烧损图

在现场检修时通过拨灰孔处理外窑膛内壁积灰结瘤时，由于冷风通过拨灰孔洞吸入到窑内，造成此处窑内壁的耐材出现收缩裂缝，如图5所示。这样的裂缝宽度如果大于10 mm，在开窑时由于热膨胀不能完全愈合，造成窑内高压热气通过缝隙直达保温层和钢构处，使窑皮温度升高，甚至发红、氧化、烧穿及变形，如图6所示。

图5 窑内拨灰孔下部的耐材裂纹图

图6 拨灰孔上部的钢构烧损图

1.3 拨灰孔下部牛腿处耐材受损

拨灰孔正下方属于麦尔兹窑外腔，内部无石灰石原料，这个腔体主要处理石灰石在窑壁的结瘤。在靠近炉膛侧有一个内膛，盛装石灰石原料，主要进行原料的运行、加热、煅烧和分解，属于石灰石堆积区域。支撑麦尔兹窑内腔的是镶嵌在外膛侧壁内部的牛腿耐材，总计12个，牛腿和牛腿之间依靠拱脚进行连接。牛腿结构设计及耐材配置如图7、图8所示。

图7 牛腿耐材施工现场图

图8 牛腿耐材配置示意图

在使用过程中，部分拱脚处的耐材出现裂纹、结瘤、下沉、脱落和坍塌，如图9、图10所示。

图9 拨灰孔下部，牛腿上部的耐材裂纹图

图10 牛腿处耐材结石灰瘤图

分析其主要原因：

（1）拨灰孔下部牛腿处耐材受损，主要是拱脚角度设计偏大，承重力小，容易下沉。

（2）耐材设计配置的材质是M90，属于镁砖，容易与石灰石中的杂石、粉面等低熔点物质发生结瘤、结块。

（3）镁砖的热震稳定性弱，在麦尔兹窑不断的换向过程中，冷热气流交替冲击，镁砖容易受到温度梯度的变化而出现裂纹、剥落甚至坍塌。

（4）在窑内牛腿通道处与耐材结瘤、引发窑内气压不均，高温高压气流致使拨灰孔及通道处钢构烧损、导致部分耐材开裂、脱落。

（5）石灰石质量差，其中的杂质（红色、褐色和黑色的杂石）和粉面（＜10 mm以下）多时，导致窑内透气性不好，局部会产生高温，而石灰石中的杂质软化点温度低，在900℃左右会熔融、结瘤，粘附在石灰石上面形成瘤块，挂在牛腿通道的耐材上，对耐材表面产生拉坠力，当窑内物料出料或加料时对瘤块处形成冲击，瘤块将冲击力传至耐材，形成对耐材的拉力，导致耐材开裂脱落。

（6）当牛腿通道处物料结瘤时堵塞通道，造成透气性差。气流流动不畅将导致双膛之间的连接通道处长期处于高温高压状态，加剧牛腿通道处瘤块的形成，加剧耐材的腐蚀和脱落。

1.4 耐材受损其它原因

（1）现场操作人员技术水平低，责任心不强，日常对拨灰孔处漏风情况检查不到位，盘根损坏未及时更换，高温气流损坏拨灰孔处钢构。

（2）在检修处理环形通道时窑压调整不合适，冷风灌进拨灰孔，钢构在急速冷却时产生热收缩裂纹，耐材产生热收缩裂纹。

（3）工人在操作中风、煤气配比不合理，煤粉燃烧不完全，导致煤粉下行至牛腿通道处、窑底出灰处，未燃尽的煤粉与石灰石中的粉面、杂石结合，形成低熔点物质，加剧了结瘤的产生。人工在处理结瘤时，对环形通道处的耐材结构的稳定性和整体性产生一定的破坏，耐材表面结瘤越多，处理难度越大。现场停窑使用风镐对窑内的瘤块进行清理，风镐的机械冲击会对窑内的耐材造成二次破坏，耐材受力越大，损坏也越严重。

2 窑内耐材检修、改造主要施工内容

针对麦尔兹窑的现状，对麦尔兹窑的检修改造内容如下：

（1）现场主要部位使用的镁砖改为使用镁铝尖晶石，主要有以下优势：

①镁铝尖晶石线膨胀系数较小，沿各个晶轴方向的热膨胀大小都相同，在温度波动时膨胀和收缩都比较均匀，产生的热应力较小，有很好的均匀热震稳定性；

②镁铝尖晶石的主要性能——荷重软化温度比镁砖高；

③镁铝尖晶石的抵抗碱性熔渣、氧化铁熔渣、酸性熔渣的能力强于镁砖，不易于与石灰石中的杂质融为一体，不容易形成结瘤。

（2）对拨灰孔处的封盖（堵板）进行改造，由设计中的整体式改为分体式，两者优缺点及对比如图11所示。

图11 两种拨灰孔封盖优缺点对比图

（3）对拨火孔平台变形、开焊的钢结构进行修复，更换变形无法修正的拨火孔。

（4）对耐材受损部位进行重新施工砌筑，要求用泥浆饱满度≥95%，灰缝厚度（2±1）mm，砌筑时必须注意不同部位的耐火砖及浇注料材质不同。

（5）为保证砖衬工作的气密性，对两窑膛连接通道位置耐材和钢结构不贴合的部分进行灌浆处理，如图12所示。

图12 连接通道耐材施工现场图

3 麦尔兹窑原料控制

在麦尔兹窑生产时，如果石灰石粒度小、杂质多，气体通过的阻力就越大。当窑膛内的石灰石粒度分布不均匀时，气体通过窑膛横截面也是不均匀的。因此将导致燃料的燃烧不均匀分布，形成高温处结瘤，进而损坏耐材。

各种石灰坚窑都提倡精料入炉，麦尔兹窑显得尤为重要。所谓精料包括石灰石的化学成分稳定、低熔物较少、块度均匀（块度比<2）以及泥沙杂质少等方面，现场使用立方形或球形状的石灰石为最佳，应尽量避免使用层状或片状石灰石，避免石灰石杂石和杂质入窑。

4 麦尔兹窑后续维护措施

针对麦尔兹窑的后续维护措施，制定了维护标准（见表1）。

5 结语

经过一段时间的检修和改造，拨灰孔周边以及连接通道处的耐材、钢构使用较好，麦尔兹窑的使用状况得到了很大的改善，窑况稳定，生产顺行，产量稳定。