水泥窑燃烧器衬体浇注料起皮、裂纹、剥落的原因分析

燃烧器是水泥窑烧成系统的重要工艺装备，与熟料产量、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浇注料的损毁，如何延长燃烧器衬体浇注料的使用寿命就尤为重要。国内某水泥生产企业的四通道煤粉燃烧器使用采用Al₂O₃-SiC系列低水泥耐火浇注料做为保护衬体，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。本文就该燃烧器衬体浇注料损毁的原因进行探讨分析。

燃烧器衬体浇注料损坏情况见图1。从燃烧器上取一块由外到内完成的衬体浇注料做为试样，观察试样整体情况。将残衬试样根据不同颜色从外到内分为四层，残衬层次划分见图2。利用X射线衍射仪分析各层的矿物相组成。利用X射线荧光光谱分析各层的化学组成。

图2  衬体浇注料分析层次划分

2.1浇注料外观分析

从试样的截面观察能够看到，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，可以清楚的看到浇注料的基质部分和骨料颗粒。

2.2浇注料物相组成分析

图3所示为衬体浇注料试样的XRD图谱。从图中可以看出，1层的矿物组成主要是钙长石(CAS₂)、硅灰石(C₂S)和钾长石(KAS6)相。分析认为该位置出现的硅灰石(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)的产生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)的产生过程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，与浇注料的基质在高温下反应生成。两种矿物均为低熔物，高温状态下熔融产生液相，造成了衬体表面的熔蚀，降低了浇注料的表面强度从而加速其磨损。

图3  试样各分析层XRD图谱

在1层中矿物组成中未发现碳化硅(SiC)相，说明该层中SiC在高温条件下发生了氧化。2层的矿物组成主要是刚玉、碳化硅和白榴石相(KAS₄体积膨胀29%)和钾刚玉KAlO₂体积膨胀约27.8%)。分析认为是原燃材料中的K、Na在高温状态下与浇注料中的α-Al₂O₃和硅微粉发生如下反应：3Al₂O₃+3K₂O+8SiO₂→3(K₂O•Al₂O₃•4SiO₂)，体积膨胀29%。钾刚玉KAlO₂是由于浇注料基质中的Al₂O₃与进入浇注料内部的K₂O反应生成理论上会产生27.8%的体积膨胀;高温下Al₂O₃与K₂O反应还可能生成KAl₉O₁₄，在冷却过程中会转变成KAl₁₂O₁₉，也会带来一定的体积变化。二者综合作用导致衬体结构的破坏，致使衬体浇注料的损毁。

2层中存在碳化硅(SiC)相，其原因是1层中的SiC氧化之后，在衬体表面形成了一层SiO₂薄膜，从而限制了内部SiC相氧化。理论上1层SiC氧化所形成的SiO₂薄膜也能阻止碱蒸汽进入浇注料内部，但在2层中也发现了碱金属的存在。其原因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，导致碱蒸汽得以进入浇注料内部形成连续的侵蚀。

3、4层中主要是刚玉(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)相，这与Al₂O₃-SiC系列浇注料的主要矿相组成相符，说明3、4层未受到碱盐的侵蚀。

2.3浇注料的化学组成分析

表1为衬体浇注料试样的X射线荧光光谱分析。从表1中的数据可以看出，1层、2层中含有大量的K盐和Na盐，而浇注料中原有的Al和Si的成分明显低于正常值，说明该处已经被碱性物质严重蚀损。1层中CaO的量明显高于正常值，分析其来源是水泥熟料，其过程可能是燃烧器衬体浇注料的表层在K、Na等物质的作用下，高温产生液相，水泥熟料飞砂黏附在浇注料表面所致。由1层到3层，Na的含量减少很明显，而K在3层仍有相当数量存在，有可能是K的渗透能力强于Na。在2层中，K的含量远远高于Na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。

表1 浇注料各分析层的化学组成

K盐的这种破坏作用应该来自于两个方面，一方面，渗透进入浇注料内部的K盐与基质反应生成KAS₂(白榴石)和KAS₄(钾霞石)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。另一方面是K盐渗透进入浇注料基质后，在温度降低的过程中逐渐冷却沉积，由于它的体积密度较低，沉积后会产生体积膨胀，从而导致浇注料基质损伤。并且由于它的力学性质与原基质截然不同，在温度波动时，在热应的作用下，自身可能会发生断裂或由于体积变化而导致浇注料基质损伤。表1中所示的Fe₂O₃、Na₂O、MgO等其他氧化物，在XRD矿物相组成分析中未发现相关矿物相，说明它们是以玻璃相形式存在于浇注料中。

(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，在高温状态下产生液相，降低了浇注料的表面强度，造成浇注料的熔蚀损坏。

(2)高温二次风的中刷损坏了浇注料表层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)燃烧器的化学侵蚀破坏主要来自K盐，主要有两个方面：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。两方面原因综合作用导致浇注料衬体损坏。