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晶核新材在水泥行业中的应用实验与思考


时间:2018-03-20 08:19 来源:中国建材  作者:.

             中国权威杂志《中国建材》2018年2期首篇论文刊发

                晶核新材在水泥行业中的应用实验与思考



1、前言
     晶牛微晶集团研制的特种耐磨新材料—晶核新材,具有高耐磨、耐高温、耐腐蚀、热稳定性良好等性能特点。晶核新材在水泥工艺设备的实验,目的提高设备使用寿命,降低能耗,安全生产。晶核新材部分替代耐磨合金、铸石、陶瓷、耐热浇注料等材料,应用于水泥工艺工况是带料热风冲刷,要求耐酸又耐碱、耐磨、耐热、有物料冲击、使用温度在800℃以上等部位。晶核新材具体实验部位包括水泥球磨机二仓内衬、预热器四五级内筒、分解炉烟室、篦冷机一段侧壁等,实验时间持续了1年。
2、晶核新料性能优势分析
     晶核新材——碳氮硅(CNSi)基复合相耐磨防腐材料(又名晶核新材)。晶核新材以碳化硅(15%~33%)、氮化硅(4%~12%)、奥砂(硅酸锆)(20~50%)、石英(10%~15%)、微晶粉(4%~8%)、玻璃微珠(3%~7%)等为主体材料,经注浆或压制成型工艺制成坯体后,采用一次烧成工艺,在1400~1500℃的温度下高温反应,形成结构微晶化氮化硅结合碳化硅的多相复合特种耐磨材料。
     ⑴、重量轻:晶核新材作为水泥球磨机二仓中合金衬板的替代材料,在保证原有性能的前提下,晶核材料的密度只有2.7-3.0g/cm3,不到合金钢密度7.85g/cm3的一半,相同体积下减轻了球磨机的整体重量。通常水泥生产企业的φ4.2*13m的水泥磨,磨机使用合金钢衬板,仅二仓衬板装机总重约33.39吨,用晶核新材替代合金钢衬板,重量可以减轻约20吨。
水泥生产成本主要由煤炭、电力、原料、折旧、其它等构成,其中电力成本约占27%左右,采用晶核新材特种耐磨材料替代中合金衬板,通过降低球磨机荷载减少用电负荷,降低电力成本。 
     ⑵、耐高温:晶核材料的长时间耐高温温度是1200℃,短时间耐高温可达到1300℃,随着温度的升高,性能有所下降。作为耐磨材料,又拥有耐高温的特性,为其应用提供了极好的条件。尤其适用于水泥工艺中环境恶劣的高温,又有粉尘,冲刷墙壁需要经常维修的预热器一至五级内筒、分解炉烟室、篦冷机一段、发电三次风烟道等部位。
     ⑶、热稳定性好:热稳定性即耐急冷急热性,晶核材料热稳定性主要取决于它的热膨胀性、异热性和断裂韧性等,并与其组织结构、形状和尺寸有关。其耐急冷急热性实验在750℃(次数)水冷>10次不破坏,实际应用温度是1200℃至100℃度交互作用不破坏。晶核新材作为浇筑料的替代材料,其优异的急冷急热性使得晶核材料适宜应用在水泥工艺的预热器1-5级,篦冷机2-3段,发电窑头管路及分离器等部位,可以延长设备的使用寿命,提高生产效率。
     ⑷、高耐磨:晶核新材具有优异的耐磨性能, 磨耗量为0.03 g/cm2,因此说晶核新材的耐磨性是铸石(0.09g/cm2)的3倍。作为铸石、陶瓷片、白口铁、堆焊的替代材料,适用于水泥工艺中磨机衬板、溜槽、仓壁等部位。
    ⑸、耐酸碱:晶核新材属于无机非金属材料,其耐腐蚀性能优于合金钢、瓷砖、浇筑料。它既耐酸又耐碱,特别是在高温下也能在酸碱交替的环境下使用。晶核新材的耐酸碱性能如下:浓硫酸溶液99.61%,稀硫酸(20%)99.44%,耐NaOH溶液(20%)96.38%,其耐腐蚀性能优越。采用晶核新材替代浇筑料在高温下不与水泥生料产生共蚀反应,对其防治结皮尤其有效,实验效果优异,提高了生产效率,降低劳动强度,减少生产事故的发生。
3、晶核新材在水泥行业应用实验以及结果
     ⑴晶核新材用于水泥球磨机衬板:球磨机衬板主要用来保护筒体,使筒体免受研磨体和物料的直接冲击和研磨;同时也可利用不同形式的衬板来调整各仓内研磨体的运动状态。研究新型抗磨材质的衬板、磨球,创造球磨机最佳工作状态,是提高水泥产量、降低消耗的一直追求。
     晶牛晶核新材衬板在邯郸金隅太行水泥进行了实验,磨机衬板的要求是耐磨.耐冲击不脱落。实验持续时间1年(2016年10月27到2017年9月30日),实验了二种晶核新材,一代与二代产品。水泥磨为φ4.2x13m两仓水泥磨带160-140辊压机联合粉磨系统。使用的合金衬板规格为304×242×62/47mm,单重26.50kg,水泥磨二仓合金衬板共计1260块,总重33.39t,一仓合金衬板共计402块,总重12.06吨。实验用晶牛晶核衬板部分替代合金衬板,规格同样为304×242×62/47mm,晶核衬板平均单重10.84kg每块减重15.66 kg。
     替代位置是6#水泥磨二仓磨门周围如图1所示,2016年10月27安装20块晶核一代衬板,附加一块其它材质试验衬板,共21块。,每月持续观察测试,到2017年5月22日,运行期间对第一代晶核衬板波纹深度进行八次测量,波纹有一定磨损,晶核一代磨损3mm,效果不理想。因此在磨门北侧第二环位置拆掉4块原试验衬板,重新安装晶核二代晶核衬板再实验,仍然持续观察与测试,第二代晶核衬板4次检测波纹深度均在15mm,未出现龟裂和磨损情况,使用效果优于合金衬板与第一代晶核衬板。截止到2017年9月30日6#水泥磨使用第一代微晶衬板,运行2329.2小时,生产水泥427265吨,第二代微晶衬板(4块)运行854.9小时,生产水泥142051吨,期间停磨对衬板使用情况进行的多次检查测量数据如下图3.图4.
      
图1金隅太行水泥厂6号磨刚安装              图2金隅太行水泥厂6号磨运行2个月后
        
图3第一代微晶衬板使用过程波纹厚度情况图       图4第二代微晶衬板使用过程波纹厚度情况
     与合金衬板相比微晶衬板具有重量轻,耐磨性好等优点,如二仓全部更换为微晶衬板,磨体减重19.73t,磨机主电机功率预计降低200kW,吨水泥电耗可降低1.1kWh/t。仅以金隅太行水泥股份公司三台水泥磨二仓全部更换为微晶衬板为例,年可节电231万度,节约电费120万元。
     晶核二代内衬至今已经在邯郸金隅水泥厂安全使用了14个月,完好无损,完全满足工艺生产要求。采用晶核内衬替代合金钢内衬,可以减少电耗,减少大量的温室气体排放,降低水泥企业能耗标准,为企业和国家带来巨大经济效益和社会效益。
  ⑵、晶核新材用于预热器内筒:预热器是水泥厂三大主机之一,由预热器与分解炉组成的窑尾系统,实现了碳酸钙在窑外的分解; 窑尾系统的预热器与分解炉若重视不够,材料使用不当,极易出现结皮、堵塞、塌料、局部高温、运转率低、熟料质量不高等事故。
     预热器一般由四或五级预热器组成,预热器1-3级工作温度在300-800℃,预热器4-5级工作温度在800℃以上,预热器的工作环境多为带料热风冲刷,因此预热器内壁材料需同时具有耐磨、耐高温、耐酸碱、耐急冷急热等性能。
     实验部位:赞皇金隅水泥有限公司3#窑烟室局部。
     工况参数:窑型:Φ4.4*52m,两档短窑。预热器为天津院设计的TTF炉五级双系列预热器。烟室温度1150-1250℃。
     使用前状态:烟室结皮严重,平均每小时涨厚2-3cm,正常生产需要清理3次/班(8小时)。
     替代实验目的:晶核新材具备耐高温>1300℃,试用微晶材料表面是否具有抗结皮性能。实验的具体位置是更换烟室南墙1平米位置的浇注料,根据安装要求对微晶衬板进行安装,并打满浇注料进行养护。
      实验期间监督检查情况:2017年7月5日微晶内衬安装完毕,7月9日投产。实验情况如下:a、正常投料后观察记录此处位置微晶材料有没有破损及抗结皮情况,并停止该部位的清理结皮工作。8小时后检查未发现该部位微晶衬板完成无损表面基本无结皮。 b、一周后检查未发现有厚结皮。c、7月26日停产后观察此处微晶衬板无破损无裂痕,只有一层薄结皮0.5-2cm,清理过程简单,吹扫即掉落。
实验结果证明:⑴晶核新材衬板在水泥生产线预热器应用其耐热性能满足正常生产需求>1300℃,未发生脱落、烧裂现象。⑵、生产17天后,再未清理的状态下,微晶内衬处结皮只有2cm,并且易于清理,达到了抗结皮性能的要求。⑶、每班需要三次人工清理结皮的繁重危险的作业强度可以大大降低。应用如下图:
    

      
(3)用于篦冷机侧壁
      篦冷机是水泥厂熟料烧成系统中的重要主机设备,其主要功能是对水泥熟料进行冷却、输送;同时为水泥回转窑及分解炉等提供热空气,是烧成系统热回收的主要设备。篦式冷却机是一种骤冷式冷却机。每天的产量高达600~10000t/d,可在数分钟内将熟料由1370℃骤冷到100℃以下,出料熟料粒度≤25mm,对壁板磨损严重。因此篦冷机的工况状态是带料热风冲刷,要求耐酸碱、耐磨隔热,耐高温、个别部位有物料冲击。篦冷机的维修维护费用高,修复周期长,严重影响企业的正常生产。要求篦冷机壁板材料需要具备耐高温、耐磨、耐急冷急热、耐酸碱等性能,减少篦板磨损、延长使用寿命。减少故障率、降低维修费用,提高生产效率。
晶核新材替代浇注料用于篦冷机侧壁实验,是在赞皇金隅水泥有限责任公司进行,其使用效果如图5-8。
            
图5  安装晶核材料前                     图6   安装晶核材料
              
     图7  安装晶核材料后                       图8    核材料运行2个月后
说明:带孔材料为晶核新材,周围是原使用材料耐磨浇注料。
     实验结果发现晶核新材在篦冷机侧壁使用后,除一块出现裂纹,其它部位均运行正常,没有出现磨损、破裂、掉块、坍塌、烧损等情况,应用前景良好。
4、总结与思考:
     ⑴总结:现晶牛集团的晶核材料其高强耐磨耐急冷急热的性能已经在水泥行业粉磨系统衬板、篦冷机侧壁、预热器筒体、挂件、闸板、溜槽、称量漏洞、立磨三道锁风阀等成功试用一年,并取得很好的效果。
     ⑵思考:晶核新材之所以具有高耐磨、耐高温、耐腐蚀、热稳定性好等优良性能,适合在水泥行业易结皮、需耐磨、需高温的部位应用。与晶核新材的晶体结构以及优质原材料的选择,特殊的工艺控制有关。
     A:晶核新材由氮化硅碳化硅等材料构成的致密烧结体, SiC 是以共价健为主的共价化合物,由于碳与硅两元素在形成SiC晶体时,SiC原子中S→P电子的迁移导致能量稳定的SP3杂化排列,从而形成具有金刚石结构的SiC,碳化硅的晶体结构与金刚石正四面体结构相近,其硬度高(莫氏9.3-9.5级),性能稳定,物理性能近似于金刚石。而氮化硅(Si3N4)也是共价键化合物,属于六方晶系。Si3N4的晶体结构为Si原子和周围的四个N原子形成共价键,构成Si3N4四面体结构单元,所有四面体共享顶角构成三维空间网络,氮化硅是键强高的共价化合物,具有良好的化学稳定性,在1200℃以下不被氧化。正是由于碳化硅(SiC)与氮化硅(Si3N4)四面体结构单元的存在,使得晶核新材具有较高的强度、硬度、耐磨性能以及耐腐蚀性能。
    B:原料的优选及合理的颗粒度配比,选择以碳化硅、氮化硅、奥砂(硅酸锆)、石英、微晶粉、玻璃微珠等为主体材料。其中碳化硅(SiC)原料具有化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好等优点,原料碳化硅的烧结温度为2000℃。氮化硅(Si3N4)是一种超硬物质,本身具有润滑性,并且耐磨损;高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击,在空气中加热到1000℃以上,急剧冷却再急剧加热,也不会碎裂。主要原料奥砂--硅酸锆Zr(SiO4)具有化学稳定性好特点,其性能不受烧成气氛的影响,能显著改善晶核材料的成型坯体的结合性能,提高材料的硬度,强度高、耐磨性好。基于以上主要材料的特点以碳化硅氮化硅为基体的晶核新材,通过合理的颗粒度配比,在1400~1500℃下进行烧结制成了同时有氮化硅碳化硅两种材料各自优良特性的耐高温、热震稳定性优越以及较高高温强度的特种耐磨材料—晶核新材
     C:晶核新材采用高强结合剂,不但解决了碳化硅、氮化硅、奥砂的高强度结合问题,有效的降低了烧成温度。其中玻璃微珠是微小圆球,在液体树脂中要比片状、针状或不规则形状的填料更具有较好的流动性,所以充模性能优异。玻璃微珠高分散、流动性好,更重要的是这种小微珠是各向同性的,因此不会产生因取向造成不同部位收缩率不一致的弊病,保证了产品的尺寸稳定,不会翘曲。解决了毛坯在干燥烧制过程中的收缩、变形和开裂问题。用于大型、异型产品的成型生产。
     D:采用烧成生产的工艺,以电或天然气为能源,采用的烧成技术是一次烧成。一次烧成工艺的技术难度大、工艺要求高,产品的生产成本高、但是产品质量档次也更高。
    总之:笔者认为晶核新材以其优良的性能完全可以合理运用于水泥企业工况是带料热风冲刷,要求耐酸又耐碱、耐磨、耐热、有物料冲击且使用温度在800℃以上等部位。此应用对全国的水泥企业的生产成本及工艺质量具有改革性的引领和示范意义,对改善整个水泥板块的生产成本、节能降耗、安全生产可作出较大的贡献。

    (作者:温计格  田大春   李晶   肖晓选  樊长胜   王长林 )