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耐火材料行业动态

水泥回转窑用VDZB、ISO系列耐火砖

水泥回转窑煅烧水泥熟料时,窑内必须设置耐火耐高温的耐火砖,砖的形状尺寸标准涉及砖的制造、设计、选型计算、砌筑质量和进度、生产运行工况、耐火砖使用周期、砖耗以及窑运转率和产量、熟料、水泥产品质量、仓储数量和生产成本,是所有回转窑耐火砖标准中涉及面最广、最基础、最为关键的标准。
1、VDZB、ISOπ/3、C系列耐火砖 
长时期以来,国内外水泥窑使用的耐火砖砖型主要有两种标准,即窑前端高温部位碱性砖采用德国制定的VDZB型标准,而窑中后端铝硅质砖采用国际标准,即ISOπ/3型标准。为向国际先进技术学习,我国水泥工业回转窑耐火砖形状尺寸的行标、国标和国际标准一致,但砖的尺寸精度受装备制造影响,仍有一定差距,影响耐火砖的运行周期。历经30余年的实践优化和提高,提出C系列耐火砖标准,对砖的形状尺寸、制造精度、砌筑均作出优化,情况如下。 
VDZB型系列砖的等中间平均尺寸为71.5mm,优点是砖尺寸整数多、等容积、等重量,便于砖体设计、计算、砖型制造和施工。B型砖大小端尺寸与π值无关,施工必须用锁缝砖,影响施工速度。砖的容积小,砖体内砖缝多,有利于消纳和减缓砖体受热膨胀产生的热机械应力,缺点是砖容积和部份砖的锥角小,砖体内砖缝多,在直径较大的窑上,运行中易掉砖红窑。为防止掉砖红窑事故,一些水泥公司在大直径窑上使用的碱性砖,因无其他砖型系列取代,被迫用容积大的ISOπ/3系列砖,但又带来砖的重量偏重,砌筑时工人易疲劳而影响施工质量和进度。 
ISOπ/3系列砖的大端尺寸与π值关联,均为103mm。砌筑时锁缝砖用量少。缺点是砖的容积偏大,适用于容重轻的黏土质铝硅质砖。ISOπ/3系列砖的容积和重量不等,砖系列中,相当数量砖的小端尺寸为非整数,生产制造、设计计算、施工均不方便。此外,若用于容重大的铝硅质砖或碱性砖,则单砖过重,施工时工人易出现疲劳,影响施工质量。 
VDZB和ISOπ/3系列砖的大端边长和锥角设计特点是砖与窑筒体接触面大端边长与其锥角大致成正比,砖的大端数值增大,则锥角也增大。此外,为易于砌筑砖体,不同高度系列的砖均配置较多的(2°)小锥角砖,优点是砖型系列完整,易于砌筑。缺点是砌体内,小锥体砖在生产运行时,易掉砖红窑。此外,砖系列的数量多,不便于制造设计计算和施工。 
近些年来,我国水泥产能大幅增加,窑直径越来越大,水泥窑煅烧低品位原燃料及消纳工业废弃物的数量越来越多,窑内砖所承受的碱、氯、硫侵蚀越来越重,抗化学应力强且容重大的硅莫砖、碳化硅砖取代容重轻、抗化学能力差的黏土质、高铝质耐火砖。VDZB、ISOπ/3系列砖一个容积偏小,单砖重量偏轻,掉砖事故偏多。另一个偏大,单砖偏重,难以满足生产需求,国内有识之士提出了C系列砖系列标准。 
C系列砖的等中间尺寸为π/4=78.5mm,该尺寸结合VDZB型砖等中间尺寸的优点,即砖的大小端尺寸整数多,等容积、等重量,同时还将it值引用到等中间尺寸上,砌筑时锁缝砖用量少,加快了砌筑进度。 
C型系列砖等中间尺寸较B型砖大约10%,比ISOπ/3砖平均小约20%,砖的容积不仅满足碱性砖在大直径窑的需求,也适合抗化学应力强铝硅质耐火砖的应用。此外,砖型系列中大锥角多且小锥角少,尺寸精度有所提高,砌筑较牢固,运行时掉砖红窑也少些。每块砖的容积和重量相等,且整数值多,便于设计计算、制造和施工。 
国内使用的耐火砖砖形尺寸精度受装备制造的影响,现有耐火砖在大型窑施工时,经常出现两种砖型配比失调造成浪费和停工待料影响施工进度问题,衬砖在运行过程中,掉砖红窑事故、碱氯硫等有害化合物的熔融体和气体透过砖缝对窑筒体产生腐蚀等损坏问题。针对上述问题,C系列砖在砖型锥角设计、大小端边尺寸以及砖缝尺寸的精度,单砖平面度和二砖结合的贴合度,10块砖的累计弧长的精度等,结合国内现有生产工艺装备技术水平和砌筑实践经验,相应作出了规定,十分有利于缓解砌筑和生产过程中存在的问题。 
2、C系列耐火砖性能特点 
2.1等中间尺寸和π值结合 
C系列耐火砖吸取了ISOπ/3砖系列的π值,又吸取了VDZB型砖的等中间尺寸的特点。每块砖的容积相等,且大小端尺寸整数多,便于设计计算、制造和施工。大小端尺寸与值关联,易在整环砖体砌筑配比时形成整数块,减少锁缝砖数量,有利于加快施工进度。此外,等中间尺寸78.5mm,容积较VDZB型砖大约10%,有利于大直径窑上砌筑。比ISOπ/3砖型小约20%,也有利于抗碱氯硫化合物容重较重的铝硅质耐火砖的应用。 
2.2解决大直径耐火砖窑砌筑时,配比失调的问题 
窑内耐火砖砌筑时,耐火砖的数量与窑直径有关。窑径越大,衬砌的耐火砖数量越多。5000t/d级窑直径为4.8m,—圈需耐火砖为180块,现标准规定单砖大小端误差为±1.0mm,累计最大误差为±180mm。C系列砖的大边尺寸为81.5mm~84mm,在砌筑时会遇到困难,通常的方法是调整配比,其结果是某种砖型数量不够,另一种偏多,若备料少则出现停工待料、影响砌筑进度。减缓的办法是多备些砖,由于碱性砖不易储存,造成浪费,针对此问题,C系列砖标准提出解决办法是: 
(1)将现标准规定的单砖大小端尺寸误差从±1.0mm降至±0.5mm。 
(2)控制10块砖累计圆弧长度误差值。规定液压机生产的碱性砖≤3.0mm,摩擦压力压砖机生产的铝硅系列砖≤6.0mm。 
φ4.8m窑一圈180块,单砖尺寸精度优化,累计最大误差将从±180mm降至±90mm。若考虑10块砖累计误差值,碱性砖将降至±54mm。铝硅砖受现有装备影响,仍为±90mm,还会出现比例失调。为减小累计误差,标准增加了备注说明:砌筑时,两块砖的偏差方向相反,最好一块砖正偏差,另一块最好是负偏差,可以减少两块砖的累计误差值。 
上述情况表明,C系列砖可以做到减少施工备料量,加快施工进度。 
2.3增强衬体强度,减少掉砖红窑事故 
2.3.1适当减少砖缝,确定合适的耐火砖锥角 
窑内高温部位使用的C系列砖,容积较VDZB型砖增大约10%,砖缝数量减少10%。此外,砖型设计时没有采用砖的大端尺寸增大,则大锥角增大的规律。而是采用国内生产实践认为可靠的锥角,还适当增大小锥角砖的锥角尺寸,减少运行时的掉砖红窑事故。 
2.3.2控制两块砖的贴合度间隙 
为减缓掉砖红窑事故,C系列砖不仅对单砖的平面值提出±0.5mm的精度要求,而且对两块砖的贴合度提出了要求,两块砖砌筑时中间间隙过大,会造成不紧密,产生掉砖。特别是现大量使用由摩擦压机制造精度较差的铝硅材质硅莫砖的掉砖几率非常高。若是镁砖出现过大间隙,使用砌筑砖机砌筑时,可能在锁缝时因顶砖压力造成耐火砖断裂,上述两种情况砌筑时不易发现,最终造成掉砖红窑。 
上述措施,将较大幅度降低掉砖红窑事故,满足大直径窑的砖体砌筑需求。 
2.4可操作性强 
(1)本标准经计算,列出干、湿两种砖的施工配比,供设计、施工人员结合现场实际灵活选用,有利于设计、砖型制造、现场施工,实用价值较高。 
(2)C系列砖的单砖长度均为198mm,即每米5环,不同窑径使用的C系列砖的高度均与VDZB、ISOπ/3型砖相等。
(3)三种砖型的施工规范一致,且高度和长度均一致。在窑内砌筑时,既可单独使用,也可与原有的型砖混砌。既可整体施工,也可用于修补,在推广应用过渡期,新、旧砖标准衔接时适用性强。 
2.5可靠性 
标准是在现行标准基础上的创新、优化与完善,生产厂家在生产C系列砖只需更换模具便可,砌筑与验收均执行现有规范,推广应用不存在任何障碍。通过10年以上近40台不同g径回转g上的实际应用得到验证。 
2.6耐火砖砌筑智能化 
C系列砖容积较适合碱性砖对窑径的需求,取代VDZB型砖,又满足现容重2.5kg/dm3~2.7kg/dm3的硅莫红、碳化硅砖的重量需求,可取代ISOπ/3砖。现已有水泥企业计划在标准发布后,在窑内进行统一砖型试验,为今后耐火砖砌筑智能化作准备。 
3、生态效应优良 
近年来,水泥工业发展的趋势是大量使用低品位原燃料,消纳工业废弃物和生活垃圾,水泥工业已成为清洁生产重要的一环。一些碱氯硫等有害化合物也随之进入窑内。随窑料加热运行,在高温部位,部份化合物挥发,随烟气返回至窑尾低温部位,随后冷凝成熔体化合物,并随窑料运行至窑头,形成碱氯硫循环。在此过程中,这些化合物不仅对直接接触的耐火砖进行腐蚀,而且透过砖缝对金属窑筒体进行腐蚀损坏,造成重大损失。 
3.1确保抗碱氣硫腐蚀的高致密度特种高铝质耐火砖的施工和应用 
减少碱氯硫腐蚀耐火砖的途径是采用高致密度的特种硅铝质耐火砖,如硅莫砖、碳化硅等,但此类砖容重为2.5kg/dm3~2.7kg/dm3,而VDZB型砖型尺寸太小,易掉砖红窑,而采用ISOπ/3砖,则重量偏重,影响施工进度和质量。而C系列砖容积正好在两种标准砖型之间,施工方便,施工进度和质量均有提高,且有利于窑的运行周期。确保水泥窑的清洁生产。 
3.2控制砖缝精度,减少碱氯硫等化合物对金属筒体的磨蚀 
为减少筒体腐蚀,较好的办法是控制耐火砖的制造精度,适当减少砖缝尺寸。 
C系列砖对单块砖大小端尺寸精度、单砖平面度、两块砖贴合度以及10块砖的圆弧长度和差值均提高了精度控制值,必将减少砖体内砖和砖之间的缝隙,减少有害化合物的固熔体和烟气对耐火砖侧面和金属筒体的腐蚀。 
4、工业试验情况 
C型系列砖是在2004年提出的,十多年来,在近40条不同窑径生产线上进行小批量试用,并在运行中多次完善。另一方面,大量查询资料,进行对比分析,掌握了德国等工业化国家水泥窑使用VDZB、VDZA、ISOπ/3砖发展和优化过程,以及不同系列砖的技术特点,不同窑径内系列砖的高度、大小端尺寸、锥角、重量、砖尺寸尾数的确定原则,并对砖缝、热膨胀应力补偿进行分析,以及锁砖的应用进行探讨,还对窑内衬砖所承受的热化学、热机械应力进行分析。在耐火砖制造、筑炉施工以及生产运用的实践基础上,2016年9月组织耐火砖生产制造厂家、筑炉公司、水泥生产厂和水泥设计研究院等有关专业技术人员进行讨论,一致认为C系列砖试用条件已经成熟,决定在海螺集团和良友筑炉公司进行验证,在5000t/d级及其以下产量的多条预分解窑进行生产实践。证实C系列砖在窑上使用配比合理,完全适合我国现有大型水泥预分解窑砌筑的需求,试用取得良好效果。 
实践与验证于2016年10月开始准备,2017年1月进入窑内试用,到2019年11月底为止,分别在三家熟料基地7台回转窑上工况较苛刻的9个部位进行了筑炉使用与长时间验证,试验结果是烧成带碱性砖运行周期达22~28个月,非碱性砖运行周期为24个月,均比原有的VDZB、ISOπ/3周期长,取得了较好效果。
多条奋试用不同尺寸、不同锥角的C系列耐火砖均取得成功,证实C系列标准砖是完全适用现有的耐火砖施工规范,三种砖体高度和长度均相等,砌筑时可相互搭配,既可整体砌筑,又可小面积修补。适用性强,生产运行没有出现抽签、挤压变形、挤碎掉砖红窑事故。窑内相同材质的三种不同尺寸砖型所承受的热、热化学、热机械应力相似。生产运行均正常,没有出现大的波动,运行工况长期保持平稳,都能满足且超过预定的生产周期,完全达到验证标准的要求,C型碱性砖使用周期达到了超预期效果,且非碱性砖的使用周期也有延长,可大量推广应用。 
项目已于2019年11月通过审定,现呈报主管审批、发布。 
5、预期经济效果 
预分解窑生产过程中,砖体损坏或掉砖红窑与衬体质量、形状、精度及砌筑牢固性有关,更与煅烧使用的原燃料和工艺工况及装备情况有关,也与衬砖所承受的热、热化学、热机械应力、筒体形变等因素直接关联,很难在一台窑上取得直接经济效果,必须长期运行才能得出经济效益。 
预分解窑生产过程中,操作管理人员普遍认为,窑内耐火砖牢固,有利于窑的工况正常,也有利提髙熟料的产、质量,减少生产热耗。在30余台小批量试用过程中,C系列砖的试用效果均得到肯定,在7台5000t/d窑的试验来看,在窑内易损坏火砖的烧成带,轮带下筒体易变形部位、后过渡带没有窑皮部位,C系列砖比VDZB、ISOπ/3系列砖运行周期分别长约5个月、8个月和7个月,后过渡带也长得多,充分反映出C系列砖的优良性能,十分有利于提高熟料产质量和降低热耗,产生较大的经济效益。 
7台生产线上试验证实,C系列砖节省砌筑时间,减少砖的消耗,提高砌筑质量,较大幅度延长窑的运行周期,降低单位熟料热耗。未来在全国所有的预分解窑上推广应用,总体经济效果将相当可观,且年年都有,推广应用越成熟,效果越好,保守估计的总体情况大致如下: 
(1)减少了砌筑、锁砖过程的选砖、配砖程序,提高了劳动效率。节省砌筑时间,每台窑年平均按一次检修为准,全国每年节省费用近2000万元以上。 
(2)经多台窑试验,运行周期均大幅延长,保守估计平均每公斤熟料降低6.27J(1.5cal)以上,一台5000t级回转窑,年节约煤400t以上。一台窑节省的煤不算多,若全国大量推广应用,按我国年产熟料约13亿吨估算,全年节约煤约30万吨以上,估计价值在1.5亿元以上。 
(3)砖型尺寸合理,且精度控制要求高,砖的小锥角有所增大,且单砖精度有所增加。减少了窑在运转过程中,抽签、掉砖红窑而被迫停窑的事故。7台窑的试验证实,在回转窑的所有部位,C系列砖运行周期均延长。按全国上千条水泥预分解每年使用C型砖后,年减少20~40条生产线的掉砖红窑事故估算,在现有生产情况下,每台窑出现红窑事故按3d停窑影响计算,年减少约12万吨~25万吨熟料损失,相应减少2000万元/年~4000万元/年的损失。 
(4)耐火砖型尺寸简化,有利于各生产厂家之间相互配合使用,减少仓储数量,按每台窑平均年节约3000元~5000元计算,全国年节省约500万元~800万元。 
(5)施工中锁砖钢板使用量将减少,锁砖钢板每环价格按10元计,全国的回转窑一年将节省约400万元。 
(6)砖的使用周期延长所增加熟料产、质量的价值,难以估算,粗略估计年产值约数千万元,今后待大批量应用后进行总结。 
(7)砖型制造和砖缝尺寸精度的控制,将减少碱氯硫等有害化合物对窑筒体的磨蚀。更换窑筒体耗时长、费用高,对生产影响大,有待今后总结。 
6、结束语 
长时期以来,我国水泥预分解窑内耐火砖形状尺寸采用国外VDZB和ISOπ/3系列砖砖型标准。近些年来,随着我国水泥产能大幅增加,窑直径越来越大,以及水泥窑煅烧低品位原燃料和消纳工业废弃物的数量越来越多。上述标准难以满足生产需求,出现了C系列砖型系列标准。 
C系列砖型标准是在长期生产实践中得来的,既保持上述两种标准砖型的优点,又减缓使用存在的一些缺陷,对砖型尺寸进行优化,且提高了制造精度,将十分有利于砖的制造、仓储、设计计算、施工方便、砌筑砖体牢固、提高窑的运转率、延长了运行时间,降低窑的运行成本等。 
标准的制定和实施,既满足我国预分解窑的技术进展,又优于现有的国际标准的砖形尺寸,且制造精度有较大提高,满足窑径大型化及锻烧工业废弃物的需求,且在推广应用中,为行业创造重大的经济效益、社会效益和生态效益,必将促进我国国民经济和社会发展。为促进大型预分解窑用耐火砖的合理应用作出了努力。表明中国不但在水泥工业预分解窑产量和耐火材料用量高居世界首位,而且水泥工业清洁生产等相关技术也在快速发展。
 


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