熔块窑炉的侵蚀与改善的探讨
何庆华+李家铎+张磊+张国庆+罗振锋
摘 ?要：熔块窑炉从结构上看与玻璃窑炉相似，但由于熔块的粘度大，以及烧成温度高的特性，决定了熔块窑炉在炉体结构和材料上要求更严格。本文以一台15 m2待修的熔块窑炉为研究对象，分析了窑炉的结构，各部分耐火材料的选择，以及侵蚀损伤状况与侵蚀原因。并提出了改善窑炉的设想，从而使窑炉更加节能，性价比更高。
关键词：熔块窑炉;侵蚀;改善;节能
1 ? 引言
熔块窑炉从结构上看与玻璃窑炉相似，但由于熔块的粘度大，以及烧成温度高的特性（通常为1550 ℃左右），决定了熔块窑炉在炉体结构和材料上要求更严格。以重油为燃料时，需要使用压缩空气进行雾化，加上重油热值很高燃烧时需要大量的助燃空气，这些导致窑炉内部的气流速度很快且温度高，气流带起窑炉内的原料对整个窑炉炉体耐火材料进行冲刷，产生了很严重的侵蚀，大大地降低了窑炉的使用寿命。同时，燃烧产生的废气也带走了大量的热量，使整个窑炉的能量利用率降低，损失了大量的能量。本文以一台15 m2待修的熔块窑炉为研究对象，分析了窑炉的结构，各部分耐火材料的选择，以及侵蚀损伤状况与侵蚀原因，并提出了改善窑炉的设想.从而使窑炉更加节能，性价比更高。
2 ? 耐火砖材的特性及使用部位
目前，窑炉中部分耐火砖材料的特性及使用部分如表1所示。
3 ? 窑炉的结构和主要部位耐火材料的侵蚀分析
3.1 ?窑炉的结构
窑炉的结构示意图如图1所示。
3.2 ?窑炉主要部位的侵蚀情况
3.2.1蓄热室侵蚀情况
蓄热室的侵蚀情况如图2所示。
由图2（a）可以看到，蓄热室内的上层八角砖被侵蚀的都是孔洞，表面材质疏松。在远离小炉位置的八角砖被侵蚀的最严重，两个角落的八角砖均被侵蚀的已经倒塌，都塞了通风口。靠近两蓄热室之间的墙壁处，八角砖的侵蚀情况最为严重，由距离小炉越远侵蚀情况越严重，最里面的一排被侵蚀殆尽，稍近处仅剩下5个完整的八角砖。图2（b）中蓄热室内部的墙体也被侵蚀，顶部有些耐火砖已经脱落，墙体表层被侵蚀的很疏松。
3.2.2小炉侵蚀情况
火口整个墙被侵蚀的状况如图3所示。
由图3可知，两个小炉之间的墙柱被侵蚀的厚度变化较均一。小炉的顶部龙门架的电熔砖表面已经脱落，小炉通风道墙壁也被侵蚀的很疏松，可以看到上部有耐火材料掉落，通道上堆了一层耐火材料的碎渣;火口周围原本很规则的梯形耐火材料已经被侵蚀的成为一片松软的碎渣，处于火口处的熔池池壁也被侵蚀成凹型;观察火口周围的墙壁上耐火材料被侵蚀成沙丘状，方向均向着小炉内部;火口两侧的宽度被扩大，整体呈喇叭状。
3.2.3加料口侵蚀情况
加料口部分被侵蚀示意图如图4所示。
由图4可知，窑炉中与加料口等高平行的两侧被侵蚀的很严重，加料口侵蚀后最宽处有100 cm，上下高有114cm。靠近火口一边与加料口齐平处到池壁的耐火砖原本的棱角被磨平，另一边虽然磨损程度相对较轻，但均出现裂痕和孔洞，如图4（a）所示;加料口周围的耐火材料已经完全碎裂，加料口两侧的耐火材料均被侵蚀的仅剩薄薄一层，有些部位已经被烧透，其中一侧的加料口旁边的耐火砖被侵蚀出一些像刮痕一样很深的痕迹;加料口上部与窑顶相接处侵蚀的很严重，有三排的耐火砖被侵蚀的仅仅残留一部分，有些位置的耐火砖已经脱落，如图4（b）所示，并且窑炉的加料口两侧的耐火材料均被侵蚀成喇叭状。
3.2.4胸墙侵蚀情况
左、右侧挂钩砖及熔池被侵蚀的状况如图5所示。
由图5可知，右侧胸墙在挂钩砖上宽约50 cm，长约140 cm的范围内，耐火材料被侵蚀的很严重，大部分部位向里凹进去，有些部位的耐火砖已经裂开。左侧挂钩砖也被侵蚀的很严重，靠近加料口约100 cm的范围内突出挂钩砖已经被侵蚀殆尽，剩余的挂钩砖在上部和下部均被向内侵蚀，仅有6 cm厚;左侧挂钩砖被侵蚀程度要大于右侧，有140 cm长的挂钩砖突出的部位被侵蚀殆尽，剩余的部位最薄处仅有3 cm厚。池壁被侵蚀的很深，两池壁之间的距离为270 cm，靠近加料口的部位被侵蚀的很严重，向内凹的比较深。靠近加料口附近的耐火材料被侵蚀的很严重，侵蚀的走势均为凸起状，也就是靠近加料口和前墙拐角处侵蚀的最为严重。
3.2.5窑炉前墙与流口处侵蚀情况
窑炉前墙与流口处侵蚀示意图如图6所示。
由图6可知，整个窑炉前墙与流口处侵蚀最严重，前墙被侵蚀成圆弧状。前墙的池壁被大面积的侵蚀和脱落，由于玻璃膏和粉尘的冲刷，使得池壁的厚度被侵蚀的较为严重。流口四周的部位内部的耐火材料已经被完全侵蚀，露出了外面一层的耐火材料;有些耐火材料已经脱落，或者被侵蚀殆尽;有些部位近乎被烧穿。
3.2.6炉顶侵蚀情况
炉顶被侵蚀情况如图7所示。
炉顶被粉尘和火焰冲刷出很多细小的空洞，原料与耐火材料发生共熔，这样使耐火材料表层质地变得很疏松。被烧熔的玻璃膏黏在炉顶上面，在玻璃膏滴落时会带走部分耐火材料，使得耐火材料被侵蚀，变形成倒置的水滴状。而窑炉前段长约2 m的炉顶受侵蚀更加明显。
3.3 ?侵蚀状况分析
通过对窑炉各部位的侵蚀状况进行观察，可以看出，窑炉在运行过程中最容易损坏的部位主要为前墙、流液洞、炉顶前段、加料口、火口以及蓄热室上层格子体。
其主要原因在于雾化的重油冲击和高速的助燃空气的带动，使少量没有熔化的微细原料被吹起。随着窑炉内部高温气流的流动，在流动的过程中熔化成玻璃液附着在耐火材料表面，并与耐火材料发生反应，使耐火材料表面变软，在受到气流冲击时慢慢脱离，这样一次又一次的侵蚀最终导致耐火材料越来越薄，直至穿透或者断裂。
窑炉内部的空气流动是按照马蹄印的形状流动的，如图8所示。燃料在高压雾化下会产生高速气流，这些气流对温度达到1000 ℃以上的耐火材料来说产生了很严重的物理冲刷。所以，无论使用哪只油枪，前墙及炉顶前段总会受到很大的侵蚀，在每个气流需要拐弯处都是侵蚀很严重的部位。窑炉内部的玻璃膏在熔池内部流动时，是平缓的流动，等到了流液洞时，流动的空间突然变小，流膏的速度加快，对流液洞那段的耐火材料的侵蚀加重，可以看到呈喇叭状。
火口的部位是由于周期性换向产生剧烈温差，以及燃烧的废气带有大量的粉尘，在废气排出时废气的温度很高，在高温下粉尘会对火口周围的耐火材料进行侵蚀。
窑炉燃烧产生的废气带有大量的热量和粉尘，随着高速气流撞击到蓄热室的后墙，然后向下冲刷八角砖。所以，靠近后墙的八角砖被侵蚀的很严重。对于蓄热室的格子砖被损坏的原因主要有以下几个方面：
（1） 热应力作用，小炉和格子砖室经常处在急冷急热的变化中，受应力作用，会出现裂纹，开裂和剥落;
（2） 机械荷载作用，在机械荷载和高温的作用下，砌体发生收缩变形和产生裂纹，影响使用寿命;
（3） 化学侵蚀作用，燃烧产生的碱性氧化物和灰粉粘附在耐火材料表面并向里渗透，同时与耐火砖组分发生化学反应，使体积变化，导致破坏，降低强度和高温使用性能;
（4） 燃烧废弃中带有大量的熔融的原料和气化的助溶剂等，在蓄热室上层时温度较高，不会凝固，随着向下流动蓄热室的温度越来越低逐渐冷凝，在中部堵塞蓄热室，气流流动不顺畅，导致蓄热室上层的温度升高超过耐火度，对耐火材料造成损害。
4 ? 窑炉结构的改进设想
4.1 ?蓄热室的改进设想
窑炉内燃烧后的烟气离开窑炉内部时的温度很高，可达1400 ℃以上。烟气在这样高的温度下离开窑炉，将带走大量的热量，一般约占窑炉供热量的30%～40%。因此，为提高窑炉的热效率，合理利用能源，在玻璃窑炉的结构设计中都附有蓄热室等余热利用设备。同时，为达到窑炉内所要求的火焰温度，除了燃料燃烧提供的热能外，还需将助燃空气预热，这也是引入蓄热室的重要目的之一。
蓄热室是窑炉正常运行中助燃风和废气的通道。在蓄热室内部，气流通过八角砖时被分割成许多相互平行的小股气流，由于热气流自上而下的流动，热能逐渐被八角砖吸收，给蓄热室加热;冷空气从下到上流动吸收八角砖内部的热能，逐渐被加热。这些热能的转换符合分散垂直气流法则，使得蓄热室的八角砖能够均匀的被加热，然后再将热能助燃空气，使助燃空气也能被均匀的加热，不会存在热量不均匀的情况。从这可以看出，增大八角砖与烟气的接触面积，提高其换热面积，使八角砖吸收的热量越多，进而传给助燃空气的热量也就越多，助燃空气进入窑炉内的温度也就越高。有助于提高燃料的燃烧效率，不仅提高了窑炉内部的温度，而且节约了能源的消耗。但是并不是越大的蓄热室就越好，我们把蓄热室的空气与八角砖的接触面积和熔池的面积比叫做熔蓄比，只有合理的熔蓄比才能使蓄热室起到最好的效果，使助燃空气达到理想的温度，最终取得理想的效果。
在考虑增大蓄热室面积时，我们也要考虑到八角砖所使用的耐火材料，蓄热室中的八角砖由于被高温烟气加热，被加热的同时还带有固体粉尘和一些配合料的分解产物，在气流流动时不仅有气流对其冲刷，还会有固体粉尘的侵蚀，再加上气流转化使得高、低温的巨变，导致八角砖严重损坏，造成蓄热室堵塞、空气不流通，使蓄热室的使用寿命大大减少。因此，可以选择一些耐侵蚀，吸放热量速度快的材料。研究证明，窑炉蓄热室八角砖使用的耐火材料是高铝砖和粘土砖。因此，可以考虑上层采用镁质砖、烧结刚玉砖或低蠕高铝砖等方面的耐火材料。
通过观察发现，蓄热室内部损坏的部位集中在离小炉最远的一侧墙处。经分析后发现，可能是由于烟气排出时速度较快，直接冲击到那侧墙，使烟气中夹带的固体粉尘和熔融的原料在此处落下，进而使得此处的八角砖被侵蚀的很严重。因此，可以试着改变蓄热室顶部的形状，让其改成阶梯状或者倾斜。让烟气排出时所夹带的固体粉尘不会全部撞击在一处，使整个蓄热室的八角砖被侵蚀的程度达到一致，减少更换频率。还可以增大蓄热室的面积，使蓄热室的进出气通道增大，这样废气在排除时的速度便不会那么快，不仅降低了高速气流流动速度所带来的物理冲刷，还使得受到冲刷的面积增大，单位面积受力大大降低。
蓄热室的保温方面也是需要考虑的，在扩大蓄热室和更换耐火材料后，要对蓄热室进行保温，防止透过墙体散发热量，造成不必要损失。
4.2 ?炉体的改进设想
熔池是熔块窑炉的重要组成部位，熔块窑炉的熔池与熔块的产量和产品的品质有着密切关系。同时，合理的熔池结构对能源的消耗、窑炉的使用寿命也密切相关。原料由加料口加入，由于加入的是生料，是没有经过预热的原料，再加入熔池后会吸收熔池内的热能，这样就造成加料口附近的温度降低。有时会导致原料在加入后不能及时的融化，堆积在一起造成堵塞。因此，我们可以适当的加深熔化池，提高熔化池内玻璃膏的液面高度，这样一方面降低了加料口与液面的高度，减少了原料下落时的扬尘，更能让原料大面积的平铺在玻璃液面上，利用玻璃膏中的热量加速熔化;另一方面由于熔池的深度增加使它单位面积所含的能量增多，被生料所吸收的能量相对均匀稳定，温度波动不会太大，能够及时地把生料熔化。采用较深的熔化池，可以提高熔化率。它主要是增大了熔融的空间，在相同的面积下加快了生料熔化的速度，相同的温度下，使产量增大。
根据熔块窑炉的侵蚀情况发现，熔池的池壁在生产的过程中被侵蚀的很严重，但也不是整体的被侵蚀。由于窑炉生产的产品选取熔池内玻璃膏中间部位，玻璃膏的粘度大，在流动过程中摩擦池壁的中部，熔池内部的温度又高，玻璃膏流动中不停地冲刷池壁。因此，池壁的中间部位被侵蚀的最严重，成凹状。但由于池壁是由若干块同等高度的电熔锆刚玉砖排列组合而成，在修理窑炉时要整块的更换，这样不仅浪费还比较麻烦。因此，可以尝试使用不同的耐火材料，按纵向分两部分或者三部分来组合成池壁，中间使用抗侵蚀性较好的33#无缩孔浇铸电熔锆刚玉砖，其他部位使用质地较差、成本较低的33#普通浇铸电熔锆刚玉砖，这样可以使整个熔池池壁的耐火材料使用寿命达到一致。
