钢纤维浇注料在干燥窑拱顶上的应用

冯申亮

（中色集团大冶有色金属有限责任公司 冶炼厂，湖北 黄石435004）

大冶有色冶炼厂干燥窑主要用于干燥铜精矿中的水分，拱顶尺寸4 400 mm×2 200 mm、拱高600 mm、砖长230 mm，维修过程中采用高铝砖发拱（见图1）。干燥窑在运行过程中经常开合，开合就意味着急冷急热。高铝砖的抗急冷急热性相对较差，在反复开合的过程中，强度逐步丧失[1]，容易出现断裂。开窑时温度急剧升高，高铝砖向水平和竖直外侧膨胀，整体体积变大，砖缝相对较小，此时应力增大，当应力达到某一值时，出现典型的脆性断裂[2]。合窑时温度急剧下降，高铝砖向水平和竖直内侧冷缩，整体体积变小，此时应力变小，但砖缝增大，整体出现松弛。反复开合使得断裂和松弛逐步加剧，一旦局部有砖掉落，就会产生连锁效应，最后大面积垮塌，必须停窑维修。高铝砖拱顶在使用过程中，4～5个月左右就出现垮塌，使用寿命低，维修比较频繁、成本高，还存在安全隐患。

图1 高铝砖拱顶示意图（单位：mm）

1 试验目的

通过本次试验，收集钢纤维浇注料拱在使用过程中的相关数据和记录，并与高铝砖拱顶的使用情况形成对比，为钢纤维浇注料拱顶替代高铝砖拱顶的可行性提供实践支撑，以达到提高干燥窑拱顶使用寿命、消除高铝砖拱顶安全隐患、降低企业运行成本的目的。

2 试验过程

2.1 试验理论依据

高铝砖拱顶之所以寿命短、容易掉砖和垮塌，一方面是因为高铝砖的抗急冷急热性较差，经受不住干燥窑反复开合、温度反复变化的严苛考验，另一方面是高铝砖热胀冷缩系数大，在干燥窑开合过程中砖缝增大比较多。而钢纤维浇注料适用于构筑只与高温气体、固体物料接触的工业炉窑衬体。钢纤维浇注料具有较高的热导率，温度急剧变化产生的热应力小，能抵抗急冷急热，不易产生裂纹，其断裂过程为韧断机制，气孔率低，烧结效果良好，抗折强度、抗压强度均比较高，抗热震性也比较好[3]。实验小组成员认为钢纤维浇注料的抗急冷急热性能比高铝砖好，且浇筑完成后是一块整体，根本不存在砖缝变大的问题。可以尝试用钢纤维浇注料拱顶做一下试验，对试验结果进行对比分析。

2.2 钢纤维浇注料拱顶设计

钢纤维浇注料拱顶设计如图2所示。首先用16厚钢板制作模板，里面加筋板和爪子，筋板的作用是提高整个模板的刚度，防止变形，爪子的作用是通过增大和钢纤维浇注料的接触面积从而增大吸附力。然后用钢纤维浇注料一次性浇筑成型，尺寸5 090 mm×2 200 mm、拱高600 mm、厚度200 mm，在原来4 400 mm基础上两边各加345 mm用于搁放在墙体上，按要求养护7 d后便可吊装使用。本次试验采用的是钢纤维含量1.4%的浇注料，成分包括铝矾土、棕刚玉颗粒、氧化铝超微粉、碳化硅粉、硅微粉、CA－70水泥、耐热钢纤维、防爆钢纤维、聚磷酸钠、六偏磷酸钠。

图2 钢纤维浇注料拱顶示意图

2.3 试验对象和参照对象

大冶有色冶炼厂有两台干燥窑，日常中都是一台运行（4#）、一台备用（5#）。将4#干燥窑做成高铝砖拱顶（采用二级高铝砖砌筑），作为参照对象。将5#干燥窑做成钢纤维浇注料拱顶，作为试验对象。

2.4 试验方法

先开启4#干燥窑，5#干燥窑备用，跟踪观察高铝砖拱顶的使用情况。每隔15 d测一次量合炉时的最大砖缝数据，记录掉砖情况，直到出现大面积垮塌进入维修为止，具体数据见表1。等到4#干燥窑大面积垮塌进入维修后，开启5#干燥窑，跟踪观察钢纤维浇注料拱顶的使用情况，每隔15 d测量一次钢纤维浇注料最小厚度数据，并记录开裂情况，直到进入维修为止（由于120 d后最小厚度变化不明显且无明显开裂现象，小组成员将测量记录周期改为30 d一次），具体数据见表2。

表2 钢纤维浇注料拱顶试验数据

通过分析表1数据，可以得出两个结论：一是高铝砖拱顶在使用过程中，随着时间的增长，最大砖缝逐步增大，且增大的幅度上升，到最后垮塌的时候砖缝到达最大值12.5 mm；二是高铝砖拱顶在使用超过90 d后，高铝砖由于强度降低过多开始断裂，135 d后开始整块掉砖，143 d后大面积垮塌，被迫进入维修。

表1 高铝砖拱顶试验数据

表2数据表明，随着使用时间的增长，钢纤维浇注料拱顶的最小厚度逐步减小，减小速度缓慢，且减小幅度比较稳定。在这一轮试验中，钢纤维浇注料拱顶使用660 d后，最小厚度仍然还剩68 mm，出于安全考虑，试验终止，5#干燥窑进入维修。

2.5 实验数据修正以及存在的问题

本次实验中高铝砖拱顶只有一组数据，小组成员通过以下方法对数据进行了修正。从车间调出干燥窑近3年来的的维修记录，剔除其它原因引起的维修，只保留高铝砖拱顶垮塌导致维修的次数，一共8次，其使用时间分别是134 d、126 d、121 d、119 d、157 d、138 d、144 d、162 d，最高162 d、最低119 d、平均138 d。本次试验中高铝砖拱顶的使用时间为143 d，在最高值与最低值之间，比平均值稍高，属于正常数据，可以用于分析对比。

由于钢纤维浇注料拱顶试验时间偏长，本次试验持续了600 d，再次试验的可操作性太小，所以小组成员没有进行第二次试验，直接拿表2数据用于比较分析。总的来说，即使钢纤维浇注拱顶的试验数据有偏差，但其在试验中所表现出来的效果是显著的。

3 试验结论

对比表1和表2中的数据，高铝砖拱顶的使用寿命只有143 d，并且在使用过程中接连出现砖缝变大、断砖、掉砖、垮塌等现象，而钢纤维浇注料在使用寿命达到600 d后最小厚度仍剩下三分之一（68 mm），且使用过程中没有产生任何明显裂缝。即钢纤维浇注料拱顶的使用寿命比高铝砖拱顶的使用寿命长3倍。另外值得一提的是，钢纤维浇注料拱顶可以预制，等到维修时直接用吊车吊装使用，相比高铝砖拱顶只能等到垮塌后再重新砌筑使用，极大节省了维修时间，可确保干燥窑早日投入使用。目前来看，干燥窑采用钢纤维浇注料拱顶是行之有效的，不仅使用寿命延长显著，而且使用过程中更加的安全，还可以降低企业维护成本。在后期的使用过程中，试验小组成员将对钢纤维浇注料拱顶的使用保持关注和改进，争取进一步提高干燥窑的使用寿命，同时将此类拱顶在全厂其它炉窑上面推广使用。