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浅论煤矸石多(大)孔烧结砖的焙烧过程

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发表于 2014-12-29 11:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
      焙烧作为煤矸石多(大)孔烧结砖生产中的最后一个环节,也是十分重要的一关,产品的产量、质量和全部经济技术指标均将在此集中体现。一旦失误,前功尽弃,应于充分重视。
      焙烧的目的是把各种松散的矿物混合物转化为质地坚硬、性能稳定的制品。在完成这种转化的过程中,将会出现许多物理和化学反应。最终制品的性能,如强度、孔隙率、耐久性、热膨胀等是由在焙烧过程中形成各种物相的种类和数量所决定的。
      焙烧时,不仅需要充足氧气来助燃,更需要大量的空气来传递热能、调节断面温差,要完成焙烧过程物理化学反应就应保证足够的空气量。监控员也正是依靠控制空气的流动来控制焙烧时的温度曲线、焙烧速度等整个过程的。
      以平顶山可利尔新型建材有限公司153米长(35车位)6.9米宽大断面隧道焙烧窑为例。在窑内,燃料的燃烧和热量的对流传递借助于流动的空气。因此,气流的分布也就在极大的程度上决定了各部位的燃烧条件和砖坯的升(降)温条件。
      气体经窑尾送风机送至窑内受到排烟风机、烟囱的强大抽力,经冷却带、焙烧保温带、预热带水平方向流动。除有一个水平的力以外,还有受到气体由于受热升温体积膨胀后向上的浮力。生产中,窑内各带的温度不同,气体在各处上浮的力量也大不相同:在高温焙烧带,温度在950℃~1050℃,气体上浮的力量最大,而在冷却带末端和预热带的始端只有几十度,气流的上浮力也最小。
      在这两种力量共同作用下的气流,根据力的平行四边形法则产生一个向斜上方的全力。设气流所受到的水平方向的抽力为F1,向上的浮力为F2,则抽力越大其全力R向上的倾角就越小,火行速度也越快,对焙烧也越有利。图中的水平抽力由F1增大为F1,时,合力就同R变为R,′,其向上的倾角则同ψ减为ψ,,焙烧速度就快多了。


      为此,操作中应努力减小坯垛下部的阻力,给底部气流的增速创造条件。
大断面隧道窑的内燃多(大)孔烧结砖码坯的基本原则:下稀上密、中稀边密、平稳直正、火路畅通。
      下稀上密:由于热气流轻而上浮,以致窑室断面上部火行快,下部火行慢,造成同一坯垛断面上部温度高、下部温度低。下稀上密的码窑原则加大了坯垛上部的通风阻力,减小了下部的通风阻力,使上下气流尽量均衡,上下火行速度基本一致,从而可缩小断面温差,提高产品质量。
      中稀边密:内燃烧砖时,主要是砖坯主要原料煤矸石自身可燃物燃烧发热。因窑墙吸热要耗去两边砖坯的部分热量,而中部的砖坯不仅无此项消耗,还要接受周围砖燃烧时传来的辐射热量,造成热量集中,产生过烧。中稀边密的码窑原则使中部砖坯减少,燃料也相应少了,想高温也高不起来,有利于气流均衡通过,从而减小断面温差。
      平稳直正、火路畅通:为使坯垛稳定,防止倒塌和尽量减小其对气流的阻力,码坯时应先找平窑车垫砖,使砖坯能放稳摆正,码坯时应头对头、孔对孔、上下齐平,前后对正,确保火路畅通。
多孔砖的码坯:多孔砖的砖孔断面多小于10mm2,通风能力极弱,可不予考虑。且其孔洞率为30%以内,肋壁较厚,可采用顶面迎风,错缝叠码,形成宽畅的通风火道。这种码法特别适用于长宽较为接近的多孔砖。而对于尺寸接近于普通实心砖的多孔砖,可以和普通实心砖一样码坯,孔洞较小而且孔洞较多时一般应采用孔洞垂直地面平码。
      内燃掺量高时,应适当稀码,以免燃料集中出现高温,反之,则适当加密。在欠火处适当加密,在过火处适度稀码,避免出现焙烧火度不匀。
      码坯时应前后对正、左右看齐、上下垂直,以保证坯垛火道畅通、火眼对正。
      砖在隧道焙烧窑内焙烧是分阶段进行的,常分为预热、焙烧保温、冷却三个阶段,称为“三带”。各带的工作温度不同,砖坯内的泥料也随着温度的变动而产生相应的物理、化学反应。
      预热带砖坯从常温升到120℃的联合体是低温预热阶段,此时主要排除坯体中的残余水分-自然水。因坯体内的水分汽化后只能从其细微的孔隙中排出,如升温太急,水汽迅速增多,“挤”不出来,只好胀破坯体。因此,本阶段的升温速度限为25~30℃/h。
      在坯体温度从120℃升到450℃的阶段,坯体开始排出化学结合水。此时,坯体不收缩,且其机械强度逐渐增加,升温速度可为50~80℃/h。当温度达到400℃时,坯体内的有机物开始氧化燃烧,内掺燃料也开始出现无火焰燃烧,坯体开始变红发亮自行升温。
     如果坯体中含硫量偏高,且内外升温不一致,在此阶段会使坯体表皮急速燃烧产生液相,消耗比碳燃烧高5~20倍的氧,产生膨胀气体,随后又急速降至环境热风温度,液相消失。要么产生表层裂纹,并伴随大量黑心;要么随后在高温带初期坯体内部膨胀,产生整体大规模裂纹。
      在预热带后期,坯体温度从450℃升高到700℃,叫高温预热阶段。其中在550~600℃的阶段泥料中大量二氧化硅发生晶型转化,体积剧烈膨胀,此时切不可升温太快,以免出现裂纹,所以强调长预热,就是这个道理。
      一般预热带长11~14个车位,可以用调整排烟风闸和调整排烟电机频率来控制。但预热带太长时其前端的烟气容易形成低温高湿,一旦接触到温度更低的湿坯,烟气温度继续下降,相对湿度相应上升。当相对湿度已经饱和的烟气,只要温度稍有下降时,其中的部分水汽就会在砖坯表面凝成水珠,产生凝露。
      残余水分低于大气平衡水的坯体,要从大气中吸收水分,产生回潮。当入窑砖坯干湿不匀,而窑内水汽又未能及时排出,以致烟气湿度增大,很可能使刚开始进入预热带的较干砖坯回潮。同理,已经很干的砖坯在进入预热带时如遇上相对湿度接近饱和的烟气也可能产生回潮,应当注意。
由于热气体质轻上浮,所以窑内气流也常是上快下慢,坯垛升温也如此,易造成砖垛顶部砖坯预热过急,产生裂纹。也会使底部砖坯先是预热不良,后又急剧升温,以致产生裂纹。
万一坯垛上下温差太在,达到100℃以上时,同时预热带的烟气的相对湿度又接近饱和,湿气集中从排烟风口排出时,将会造成其附近坯垛底部砖坯严重吸潮松解、软化散架,最后坍塌,这种现象称为潮塌。
      凝露与回潮均将使砖坯表层吸水膨胀,干燥时再次收缩。这种循环变化破坏了砖体结构,产生裂纹,严重时出现哑音砖。
防止这一问题的措施有:1#排烟门应经常开启,可以开小但不能不开,以利于排潮。但在正常情况下不可开大,湿热烟气流程过长,会因温度降低而结露,更不利于预热和干燥。更应严格保证干坯入窑,即保证入窑砖坯的残余水分低于4%、控制预热带始端温度高于60℃、排出烟气的相对湿度低于95%。
      应当指出,多(大)孔砖烧结焙烧过程中产生的裂纹,多为预热带操作不当造成,应充分注意。
通常把从第一排投煤孔起到最后一排投煤孔为焙烧(保温)带,在隧道焙烧窑的11或14车位开始到25或29车位止。
      焙烧带的温度范围是从700℃起直到其应有的烧成温度(900~1050℃)。当码窑密度和单块砖体积都较大时,应选用较慢的升温速度,常为40~70℃/h,以确保坯体均匀升温和内部的充分理、化反应。其中,在坯体温度已达900℃并继续升温时,更应减缓为20~30℃/h,以免因升温过急,坯体表层迅速熔融烧结堵住气孔,内部气体排不出来,造成表面鼓泡。和缓平稳的升温有助于晶体和液相的生成过渡。升温过快,不利于物料在高温状态下的化学转变,造成反应不充分,影响制品的强度与质量。
      在焙烧带,当砖坯温度已达到其烧成温度范围的下限时,泥料颗粒进入半熔融状态,互相交错咬住。同时泥料中的易熔颗粒液化流入到未熔融的颗粒之间,使互相粘结成一个整体,成为制品。此时如仍继续升温,一旦超过其烧成温度范围的上限,泥料颗粒过度软化,甚至成为半流体状态,将造成严重过烧甚至造成塌垛事故。空心砖孔大壁薄强度低,危险更大,其在所允许的烧成温度范围的中间偏下,较为稳妥。低于烧成温度时将会出现生砖或欠火砖;高于烧成温度时,将会出现过烧、烧流甚至坯垛倒塌。显然,这一烧结温度范围越宽,焙烧越容易掌握,对于煤矸石多(大)孔砖来说,这一温度范围应不小于50℃。这是因为:窑室的断面温度不可能完全一样,常常是中部温度较高,边上温度较低,以及顶部和底部、内侧和外侧、窑墙和附近,都会出现一定的温差。如果烧成温度范围太窃窄,必将出现在同一个断面上中间砖烧好了,边上砖欠火;或边上砖烧好了,中间砖烧焦;或者这一部分欠火那一部分过火的异常现象。
      焙烧时,由于所发生的一系列物理、化学变化及原料中某些物质的烧失,成品不仅比砖坯轻了,体积也略有收缩叫烧成收缩。其收缩的长度对于干燥后坯体长度的百分比叫烧成收缩率。在砖坯成形时应注意将烧成收缩考虑在内,适当放大成型尺寸。
      保温带在大断面隧道式焙烧窑中介乎焙烧带和冷却带之间,没有明显的界限。煤矸石多(大)孔烧结砖由于是内燃,保温带实际上是焙烧带的延续,温度是在剩余可燃物继续燃烧中逐步下降,严格讲还应属于焙烧带,为了便于分析,姑且以保温带论之。保温带的作用是使焙烧时的物理化学反应趋于完成,以彻底烧熟烧透而减少砖体中的孔隙,使其拥有良好的声音、颜色及足够的强度。切忌快速降温,以免因急冷收缩不匀而在砖面上生成发状裂纹或爆裂。特别是当温度从600℃降到550℃的阶段,游离的二氧化硅又要产生晶型转化,颗粒体积收缩,更易产生裂纹。大孔砖的块大、壁薄、体弱、更要谨慎。
      保温带还同时负有控制进入焙烧带的空气数量、温度及进入预热带的烟气的温度的任务。保温带太长,坯垛阻力大,风量减少,焙烧带供氧不足;反之,过剩空气太多,又可能使焙烧带温度下降。恰如其分的保温带长度可使冷风通过时吸收砖体热量,在到达焙烧带时已有足够高的温度和适宜的风量,焙烧就正常。保温带应有的长度还和制品的形状以及季节、气候有关、还和坯体所配热值有关。
      冷却带:从保温带终结到出窑的一段叫冷却带,目的为便于出窑后的砖坯卸车,在保证制品质量的前提下,冷却带越短,进风的阻力越小,也越有利于焙烧。但冷却过快,内外温度不均,会产生冷却裂纹。
      干燥砖坯用热风是从焙烧窑冷却带抽出。原则上尽量少抽风,过多抽风会影响焙烧用氧和窑内风量。尤其是坯的发热量低时会降低焙烧温度。抽风时应略高于干燥室入风温度,以250℃~400℃为宜,略加冷风调配。
      蹲火:当故障停风或暂时停止进车、无坯可烧时,采取蹲火焙烧。须大幅度降低风速,排烟风机频率可以降到最低,也可以用烟囱自抽功能来达到最低风速,注意监控焙烧带,避免其前移缩短预热带。蹲火结束,应分阶段开启排烟风闸,逐渐提高排烟风机频率,恢复正常焙烧,以免因急风降温。
焙烧时出现问题的原因往往是多方面的,并常会迅速扩大。为此,对焙烧时出现的任何情况一定要及时发现,确实弄清,找准原因,正确解决。
      焙烧后成品的常见问题和防治。
      1、裂纹,这大多是成型时留下的隐患,也有干燥不当和焙烧时预热带排烟风闸操作不当温升偏离线性要求,裂纹扩大。为此,应适当降低原料的塑性指数,调整砖机螺旋绞刀的转速和螺旋角,采用热水搅拌、确保真空等措施来减少泥料中的水、气来消除分层。另外焙烧时应正确用排烟风闸。
      2、泛霜,是砖面上生出的一层白色粉未。这是砖体残留有硫酸镁、硫酸钠等可溶无机盐,吸水后渗出表层水蒸发后残留的。由于坯体含有一定数量的结晶水,脱水后膨胀,因此,在泛霜时还会崩裂砖的表层。为此,应控制泥料中氧化镁的含量低于3%。强化粉碎,提高细度和适当延长焙烧及保温时间,使生成不溶于水的硅酸盐,减轻或杜绝危害。
      3、石灰爆裂,原料中的石灰石经高温焙烧变成生石灰,出窑后吸收空气中的水分生成熟石灰,体积剧烈膨胀而破坏砖体,叫石灰爆裂。空心砖壁薄,危害更大。为此,除要求原料中氧化钙的含量应少于10%以外,还必须粉碎到粒径小于2mm,以化整为零减轻危害。在焙烧时把烧结温度提高到允许的最高烧成温度,并充分保温,使之生成不溶的硅酸钙。实验和实践都已证明:粒径在0.85 mm以下的氧化钙颗粒在保持1000℃的一定时间内,将会完成一系列的化学反应,与二氧化硅化合成硅酸钙(CaSiO3)。但此时泥料的烧结温度范围的上限应高于1000℃,并充分保温。最后一个方法是:砖出后立即浸水,使之迅速由碳酸钙生成氢氧化钙,膨胀部分变成石灰浆而被洗走,避免危害。
      4、砖面烧焦起泡,原因是焙烧带升温太快,表层迅速熔融烧结,堵住了孔隙,内部还在进行的理化反应所产生的气体无路可走,在砖面鼓成气泡。因此,焙烧带的升温速度应低于40~70℃/h,尤其在坯体已达到900℃以上温度时,继续升温的速度更应低于20℃~30℃/h,以防砖面烧焦起泡。
      5、欠火砖,是烧结温度、时间和保温时间不足所致。其颜色比正品砖淡、声哑、比正品砖的外形尺寸稍大并稍重。强度极低、吸水率高、耐久性差、是废品。常出现在坯垛顶,角、边有时底部也出现。因此,除应保证焙烧温度及保温时间外,隧道窑还应注意坯垛和窑墙的间隙,应小于7 cm,坯垛时合理疏密,注意断面通风均衡。严防窑车接头密封槽及沙封槽漏气风。通过排烟风机频率和排烟风闸调整焙烧带车底风压和窑车上部负压的压差,使之最小。既要避免炉膛火窜窑底损坏窑车转动部件,又要注意避免车底风压过高,漏风上吹,降低坯垛底角和两边焙烧温度。
      6、哑音砖,除因欠火造成的哑音砖外,成型时造成的隐形裂纹和湿坯在预热升温太急、保温带降温太急、砖坯在预热带吸潮凝露等均会形成微裂纹,造成哑音砖。对此,除应强化原料处理,充分混匀,改善砖机的有关参数外,还应注意保证预热良好,有足够长的保温带。
      7、压花,高内燃及煤矸石砖常在两坯叠压处出现兰黑色的疤痕,有时黑疤还略有凹陷,叫压花。是因叠压处缺氧燃烧,泥料中的三氧化二铁被还原为兰黑色的氧化亚铁,因氧化亚铁对粘土类有较强的助熔性,焙烧产生收缩形成凹陷。但并不影响其强度。因此,砖坯的内掺热量不可太高。对高内燃的煤矸石砖可采用平装码坯形式,把压花转移到不影响砌体外观的大面上去;成型时强化撒沙,使叠压面可以流过一定数量的空气;焙烧采用低温长烧,尽量充分氧化,减轻压花。
      8、黑心,砖的断面从表层到心部明显有别,表层颜色正常,越向心部越黑。其中,欠火黑心暗而无光,黑色染手而不刮手,在黑心和已烧好的表层之间有一条明显的红白色带。砖哑音,比正品稍重,属欠火砖。原因是焙烧温度及时间都不够。
另一种是过火黑心,黑心为兰黑色,有光泽,刮手而不染手,为缺氧燃烧而生成的氧化亚铁,声清脆,强度较高,有时略有变形,欠美观。原因是焙烧带升温较快,表层过早烧结,氧所进不去,焙烧温度也偏高。
      因此,焙烧时须保持合理的升温速度,科学地选择烧结温度范围和焙烧保温时间,从而使砖坯烧熟烧透而不过烧。




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