耐火材料的使用维护：水泥窑窑皮的维护要点
一、窑皮的作用
窑皮是黏附于窑内高温带耐火材料表面的水泥熟料，对保护窑衬，延长耐火材料寿命起非常重要的作用。
大型新型干法水泥窑的火焰温度高达1700℃以上。如无窑皮保护，耐火材料表面就会在很高的温度下工作。耐火材料很快就会因高温和侵蚀的作用而损毁。窑皮的热导率为1.16w/(m·K)，碱性砖的热导率为2.70w/(m·K)。如有150mm厚的窑皮存在，碱性砖的热面温度从1500℃降至600～700℃，热端膨胀从105％降至006％～007％。工作负荷大为缓和。从而，耐火材料的侵蚀得以减慢，窑衬寿命得以保持。
二、窑皮的形成过程
水泥回转窑中，火焰不断对窑衬和窑料表面加热。随窑体的运转，窑料在不断地翻滚。当窑料埋住衬料时，衬料就将吸收的热量传给窑料，窑料的温度增高，衬料的温度降低，部分窑料黏附在窑衬上。当窑料被提升到最高位置后，窑料在重力的作用下下落，窑料和窑衬分离，撕下部分黏附在窑衬上的窑料。这一过程如图14-3所示。
随时间的延续，耐火材料表面开始“发汗”，即出现液相。这时，窑料埋住窑衬，窑衬把热量传给窑料后温度降低，就能黏附一部分窑料，并把其中一些细粒窑料“冻结”在窑衬上。如果“冻结”的窑料多，“撕裂”掉落的窑料少，窑皮就会缓慢增厚。随厚度的增长，窑皮表面的温度增高，达到“冻结” “撕裂”平衡后，窑皮就不再增长。
如果窑内温度或窑料成分急剧变化，或因“冻结”-“撕裂”平衡破坏，或因窑体膨胀/收缩产生很大应力．或因窑料中β-C2S转化成γ-C2S使窑皮粉化，窑皮就会大面积脱落。不过，只要烧成条件保持稳定，窑皮又会慢慢形成，对耐火材料又会起到保护作用。如烧成条件变化过快，窑皮频繁脱落，耐火材料的寿命就会受到很大影响。
三、窑皮的形成条件
通过上述分析可知，挂上窑皮的基本条件是：
①窑料有液相；
②窑料有细粒；
③耐火材料表面发汗；
④耐火材料窑皮反应层不被烧流；
⑤随后粘上的窑皮也不被烧流。
当半熔融态的窑料和窑皮接触时，其中的一部分细粒部分粘连在窑皮上，形成窑皮。随后，一方面熟料熔体渗入砖内，并与砖内的组分反应；另一方面，黏附继续进行，早先黏附的窑皮被“冻结”在砖面上。由此，窑皮就一层接一层挂上去，直到达到动态平衡。图14-4显示了挂窑皮的温度范围：
从图14-4可知，如果温度低，窑料液相少，就挂不上窑皮；反之，液相太多，窑皮又容易被烧流。从耐火材料来讲，窑衬表面不“发汗”，耐火砖表面就难以粘上窑料。但是，窑衬“发汗”过多，耐火材料又会受到严重侵蚀，窑衬的寿命也会降低。从水泥熟料来讲，细粒子的黏附倾向大，粗粒子的剥蚀能力强。窑料中需要有一定比例的粗细颗粒以保证被黏附上窑料的速度和被撕裂下来窑皮的速度平衡。总之，窑皮是高温条件下水泥熟料和耐火材料互相作用的产物。挂好窑皮需要协调水泥生产条件和耐火材料。如果水泥生产条件和耐火材料特性能互相适应，就能挂好窑皮。
四、熟料化学成分对窑皮的影响
Das等研究了水泥熟料成分对挂窑皮性能的影响，研究使用了A、B、C、D、E、F六种成分的水泥生料，采用静态和动态方法评价其挂窑皮性能。
静态法将直接结合镁铬砖切成10cm×10cm×7.5cm的砖块，钻一个声Ø5cm×4.5cm的洞，填入水泥生料，在1450℃煅烧4h，冷却后观察熟料粘接情况。动态法采用Ø11.5cm×46cm的回转窑，转速为3.5r/min，以天然气和氧气为燃料，升温到1450℃，以2kg/h的速度喂料，持续喂料4h。冷却后，测试窑皮厚度和硅酸盐相渗入耐火砖的深度。
静态法实验的结果表明，水泥熟料的铝率显著影响熟料的黏附行为。随铝率的降低，熟料的黏附变得更加结实。这说明黏度低的熟料液相更容易润湿耐火材料，增强液相的渗入和形成稳定的窑皮。但是，随铝率降低，熟料中硅酸盐相对耐火材料的渗入也变得严重。尽管硅酸盐的渗入对形成窑皮有利，但过度的渗入意味着热震稳定性的降低，如图14-5所示。
动态实验表明，熟料液相的凝固梯度值或SG(solidification gradient)值显著地影响窑皮的厚度。SG的表达式为：
SG—1450℃下熟料液相(％)-1338℃下熟料液相(％) (14—2)
式中，熟料液相的计算公式如下。
1450℃下液相=3.0×(Al2O3％)+2.22×(Fe2O3％)
IM>1．38时：
1338℃下液相一6.8×(Fe2O3％) (14-3)
IM<1.38时：
1338℃下液相=8.2l×(A12O3%)一5.24×(Fe2O3%)
实验结果表明，随SG的增加，温度降低时就会有更多的物质凝固，窑料更容易被“冻结”在窑皮上，使窑皮厚度增加，如图14-6所示。
随着SG值的增加，实验窑挂上窑皮的厚度增加。随着窑皮厚度的增加，耐火材料受到更好的保护，硅酸盐相对耐火材料的侵蚀深度得以减少．如图14-7所示。
图14-7中，B号窑料铝率IM=1.36、SG=1.37，低的铝率和液相凝固梯度使硅酸盐相深入侵入砖体，使耐火材料变得对热震十分敏感。E、F号窑料的IM值分别为2.8和3.6，SG值分别为10.6和12.6。高的铝率使熟料液相难以润湿耐火砖，一时挂不上窑皮，使耐火材料较长时间受到高温作用；高的凝固梯度又使窑皮挂上去后，很快长厚而垮落。所以，窑衬将频繁受到热震的作用。A、C、D号窑料的IM=1.21～2.00，SG=4.2～7.2，铝率和凝固梯度的数值适中，从而具有最好的挂窑皮性。
随后的工业实验表明，熟料的IM<2.0，sG=3～5时，窑皮最好、筒体温度最低。如果SG太高(8～10)，形成的窑皮很厚，简体温度也低，但窑皮的自重大、不稳定，易使耐火材料受到热震作用。如果SG太低(1～2)，形成的窑皮很薄，筒体温度很高，如图14-8所示。
由以上可知，水泥熟料的成分对挂窑皮具有很大的影响。水泥技术人员设计熟料成分时，不仅要考虑高产、优质和低消耗，也需考虑熟料成分对挂窑皮性的影响。
五、耐火砖性能对挂窑皮的影响
高温条件下，水泥熟料和耐火材料互相作用，形成窑皮是一个复杂的现象。从耐火材料的角度看，这一问题涉及耐火材料的“发汗”、挂窑皮时耐火材料受到的损伤以及水泥熟料耐火材料反应产物的热态和冷态物理化学性质等众多问题。
第一，耐火材料的化学矿物组成、气孔率和组织结构的牢固性决定熟料组分是否容易进入砖体，以及和耐火材料反应后产生何种物质。由此，决定耐火材料是否容易“发汗”，是否容易被熟料液相润湿，是否容易粘接水泥熟料颗粒形成窑皮。
第二，耐火材料受到高温的作用和熟料的侵蚀，耐火材料表面的化学成分、物相组成、物理性能都发生了改变。例如，镁铁尖晶石砖、铁铝尖晶石砖含有大量的助烧Fe2O3。如果不能迅速形成窑皮，砖中Fe2O3将与熟料反应，形成C4AF和c2F，致使耐火砖热端的体积密度增高、显气孔率降低、热膨胀系数增大，从而易于受热震损害。
第三，水泥熟料耐火材料反应产物的物理性能。例如，CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-Cr2O3系物质的始熔温度，如图14-9所示。
从图14-9可知，C2S-MgO·(Fe，Cr)2O3系统的熔点比C2S- MgO·(Fe，Al)2O3。系统高200℃左右。由此推知，镁铬砖的耐烧蚀性要比镁铝尖晶石砖、镁铁尖晶石砖、铁铝尖晶石砖好得多。
第四，水泥熟料与白云石砖的反应产物是C3S。与镁铬、镁铝耐火材料的反应产物都有C2S。C2S具有相变和粉化的可能。在Cr、Al、Fe三种元素中，只有Cr能稳定β-C2S。所以，白云石砖的挂窑皮性最好，镁铬砖次之，镁铝砖的挂窑皮性最差。水泥熟料一耐火材料界面的粘接抗折强度如图14-10所示。
六、窑皮的维护
1挂上窑皮
一般情况下，挂窑皮需要较长的时间(1～3d)。挂窑皮的过程中，要求窑皮逐渐增厚，速率不要过快，以免挂上疏松的窑皮。
挂窑皮时，要求窑体规整完好，椭圆度正常，窑运行稳定，尽量减少开停窑的次数。
挂窑皮时，要求生料、煤粉的成分稳定适当，与所处窑温适应，火焰位置与温度场保持稳定，以形成数量和黏度适当、稳定的熔体。
挂窑皮时，要求窑料和衬砖互相适应，有利于窑料黏附砖面并适度渗入砖内，使窑皮稳定存在于砖体之上。
开始挂窑皮时，喂料为正常的65％～70％，窑速适当减慢。当窑料接近烧成带后，适当加大风、煤，使耐火砖表面“发汗”，但不得“烧流”。窑料到达烧成带后，要确保烧熟，但不能烧大火，还要控制结粒较小而均匀。熟料大的似核桃，小的似花生米，小颗粒占80％以上，翻滚灵活。以后逐步加大喂料，至第9班时完全挥发正常。
如果按照正常操作不能挂上窑皮，就要寻找问题的原因，采取针对性措施加以解决。从耐火材料来看，挂窑皮的温度区间的下限是耐火砖的“发汗”温度，温度上限是窑皮的“烧流”温度。从水泥熟料来看，挂窑皮温度区间的下限是开始结粒温度，温度上限是窑料结粒明显粗大的温度。两个区问的交集(彼此重合部分)就是挂窑皮温度范围。
一般情况下，挂不上窑皮的原因都是挂窑皮温度范围过窄或者该温度范围不存在。所以，若耐火材料的发汗温度过高，制砖时就要添加有利于熟料黏附的物质。例如，磷酸盐砖依靠添加黏土获得类似于黏土砖的挂窑皮性。如果是熟料结粒温度过低，就要提高铝率或硅率。例如，由磷酸盐砖改用镁砖时，提高熟料的铝率解决了挂窑皮的问题。如果问题已经出现，既不能更换耐火材料，也来不及调整熟料率值，就需要改变操作。例如，必要时可以采用鼓风强制冷却窑体的方法，通过逐步增加冷却风量，挂上窑皮。如果采取措施及时，挂上窑皮后，仍可获得较长使用寿命。
2维护窑皮
挂好窑皮只是长期安全运转的第一步，更重要的是保护好窑皮，为优质、高产、长期安全运转创造条件。维护窑皮的措施是：
①稳定热工制度，保持快转率在85％以上；
②控制火焰形状，不使其刷窑皮；
③避免烧大火、烧顶火，严禁烧流或跑黄料，保证熟料结粒细小均匀，5～20mm的小颗粒占80％以上，翻滚灵活，进冷却机微有灰尘扬起；
④发现窑皮不好，要及时补挂。