工业炉窑燃烧器内耐火浇注料的损耗原因解析

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工业炉窑燃烧器内耐火浇注料的损耗原因解析

天然气烧嘴燃烧器是水泥工业炉窑系统的重要工艺装备，与熟料质量、窑内耐火材料寿命、熟料煤耗、环保排放等有着很大的关系。而影响燃烧器使用寿命的主要原因是燃烧器衬体耐火浇注料的损毁，如何延长燃烧器衬体耐火浇注料的使用寿命就尤为重要。

燃烧器头部靠近水泥窑的出料口，处于水泥窑系统的高温区，受到窑内熟料、火焰的辐射及二次风气流的传导作用，温度在1100-1300℃。20世纪末，含SiC的高铝质低水泥结合耐火浇注料开始在燃烧器上使用，由于采用铝酸盐水泥作为结合剂时易形成钙长石或钙铝黄长石，使浇注料的中温强度降低，造成浇注料衬体的使用寿命很不稳定。近几年来，随着水泥窑的大型化和替代燃料、替代原料的大量应用，水泥窑的煅烧工况也发生了较大的变化，燃烧器浇注料的使用寿命也急剧下降，甚至出现了12个月的超短使用寿命，严重影响水泥窑的运行。国内某水泥生产企业的四通道煤粉燃烧器使用Al2O3-SiC系列低水泥耐火浇注料作为保护衬体，衬体厚度100mm。投入使用2个月后燃烧器头部和底部出现了严重的损坏，损坏的主要方式是起皮、裂纹和剥落。接下来小编就跟大家对燃烧器衬体浇注料损毁的原因进行探讨分析。

1、试验

从燃烧器上取一块由外到内完整的衬体浇注料作为试样，将残衬试样根据不同颜色从外到内分为4层。采用X射线衍射仪分析各层的物相组成，采用X射线荧光光谱仪分析各层的化学组成。

2、结果与分析

2.1外观从试样截面可以看出，1层呈现淡黄色，有明显的熔蚀现象，说明浇注料表面产生了液相;2层呈现白色，结构最为疏松，浇注料已经完全变质，基本上都是碱盐的结晶堆积;3层呈现淡黑色，结构致密，可以看到浇注料组分中的骨料颗粒;4层呈现灰色，结构致密，未发现结晶物质，可以清楚看到浇注料的基质部分和骨料颗粒。

2.2物相组成衬体浇注料试样的XRD图谱见图2。1层的主要物相是钙长石(CAS2)、硅灰石(C2S)和钾长石(KAS6)。硅灰石(C2S)是由水泥熟料在燃烧器衬体浇注料表面的黏附所致;钙长石(CAS2)可能是由于水泥熟料中的含钙物质渗透进衬体浇注料中，与浇注料基质部分发生反应生成;钾长石(KAS6)可能是原燃材料中的碱性物质在高温煅烧过程中挥发出含K的气相物质，与燃烧器浇注料相遇后，在其表面凝聚沉积，并与浇注料的基质在高温下反应生成。两种矿物均为低熔点物，高温熔融产生液相，造成衬体表面的熔蚀，降低了浇注料的表面强度从而加速其磨损。在1层矿物组成中未发现SiC，说明该层SiC在高温下发生了氧化。2层的主要物相是刚玉(Al2O3)、SiC、白榴石相(KAS4)和钾刚玉(KAlO2)。白榴石相(KAS4)的产生是由于原燃材料中的K高温状态下与浇注料中的α-Al2O3和硅微粉发生如下反应：Al2O3+K2O+4SiO2=2KAlSi2O6 (1)钾刚玉(KAlO2)的产生是由于进入浇注料内部的K与浇注料基质中的Al2O3发生如下反应：K2O+Al2O3=2KAlO2 (2)KAS4的产生导致体积膨胀29%，KAlO2的产生导致27.8%的体积膨胀。因此KAS4和KAlO2的产生会导致衬体结构的破坏，致使衬体浇注料损毁。2层中存在SiC，这是因为1层中的SiC氧化之后，在衬体表面形成了一层SiO2薄膜，从而阻止内部的SiC氧化。SiO2薄膜也能阻止碱蒸气进入浇注料内部，但在2层中也发现了碱金属的存在。可能是由于燃烧器所处位置在窑头罩的空间之中，衬体浇注料长时间受到夹杂着飞砂料的高温二次风的冲刷，损坏了衬体表面的SiO2薄膜，导致碱蒸气得以进入浇注料内部形成连续的侵蚀。3、4层中主要物相是Al2O3和SiC，这与Al2O3-SiC系列浇注料的物相组成相符，说明3、4层未受到碱盐的侵蚀。2.3化学组成衬体浇注料各分析层的化学组成见表1。1层、2层中含有大量的K盐和Na盐，Al2O3和SiO2含量明显低于正常值，说明该处已经被碱性物质严重蚀损。1层中CaO的含量明显高于正常值，其来源可能是水泥熟料，燃烧器衬体浇注料的表层在K、Na盐等物质的作用下，高温产生液相，水泥熟料飞砂粘附在浇注料表面。由1层到3层，Na2O的含量显著降低，而在3层中仍有相当数量的K2O存在，可能是K的渗透能力强于Na的。在2层中，K2O的含量远远髙于Na2O的含量，由此推断对浇注料内部基质进行化学侵蚀并产生破坏作用的主要是K盐：一方面，渗透进入浇注料内部的K盐与基质反应生成KAlO2和KAS4等新的化合物产生了体积膨胀，改变了基质的组成和结构，导致浇注料的损伤;

3、结论

(1)燃烧器衬体浇注料的外表面由于产生了低熔点的钙长石和钾长石，在高温下会产生液相，降低了浇注料的表面强度，造成浇注料的熔蚀损坏。

(2)高温二次风的冲刷损坏了浇注料表层由SiC氧化所形成的SiO₂薄膜，导致碱盐得以进入浇注料内部形成连续的侵蚀。

(3)燃烧器的化学侵蚀主要来自K盐：一方面是渗透进入浇注料内部的K盐与基质反应生成新的化合物，破坏浇注料基质组成;另一方面是由于钾盐的自身密度差异，在浇注料基质内沉积冷却后产生体积膨胀。二者综合作用导致浇注料衬体损坏。

内容来源：山东一然环保科技有限公司