喷火口碹脚砖垮塌原因的分析

关键词：玻璃熔窑；喷火口；电熔锆刚玉砖；耐火材料检测

马蹄焰熔窑因节能、占地面积小、投资少，因而在生产日用玻璃的工厂中得到广泛的应用，现在日用玻璃最大的马蹄焰熔窑产量在450t/d左右。以前采用横火焰产量在300t/d以下的熔窑，也纷纷改为马蹄焰窑，不但在曰用玻璃行业，就是在建材行业，利用马蹄焰窑生产压延玻璃、隔法平板玻璃也相当普遍，现在也有用马蹄焰窑生产浮法玻璃，产量在200～250t/d。

1 喷火口碹及碹脚砖选材原则

马蹄焰窑由燃烧系统、熔化系统、热回收系统、排烟系统组成。燃烧系统的重要组成部分是小炉。火焰的长短及刚性、火焰的角度、火焰的亮度、火焰的覆盖面，是小炉结构是否合理的四要素。喷火口是小炉的门户，它传承着将燃料有效地组织到熔化池来燃烧，然后又将燃烧后的高温废气引入到蓄热室进行烟气热量回收。小炉的四要素通过喷火口的形状、大小来表现。

喷火口所处的位置是熔窑中最恶劣的地方，一方面是高温，喷火口承受的热负荷是熔窑中最大的部位；另一面是喷火口离加料口最近，配合料中的碱性粉尘、原料分解产生的腐蚀性气体以及一些盐类的挥发物，对喷火口砖体产生侵蚀；再就是高温气流对喷火口砖体的冲刷、烧损。因此喷火口耐火材料的选用十分重要，它既要有很好的高温性能，即机械强度要高、荷重软化温度要高、蠕变温度要高，又要化学稳定性很好、抗气流冲刷、耐侵蚀性好。

喷火口耐火材料的选择经历了硅砖、电熔莫来石砖（黑铁砖）及电熔锆刚玉砖等几个阶段。就目前的状况看，电熔锆刚玉砖作为喷火口首选的耐火材料，是十分恰当的。因它有很高的机械强度、耐火度及荷重软化温度、很好的化学稳定性，因此用电熔锆刚玉砖做成的喷火口，使用寿命可以达8～10年。不是因为熔窑大小结构的改变，有的熔窑喷火口甚至在10年以上还在使用。

2 电熔锆刚玉砖用于喷火口需要关注的质量特性

根据2002年6月1月实施的国家建材行业标准JC-493-2001规定，衡量电熔锆刚玉砖质量好坏有以下几个重要的参数：

（1）玻璃相初析温度/℃，

（2）玻璃相渗出量/％（1500℃，4h），

（3）静态下抗玻璃液侵蚀速度/（mm/24h）（普通纳钙玻璃，1500％，mm/36h）。

这些物理参数的高低是与化学成分分不开的，另外还跟熔铸工艺有很大关系。氧化法生产的电熔锆刚玉砖“玻璃相初析温度”比还原法生产的电熔锆刚玉砖“玻璃相初析温度”高得多，以AZS-33为例，氧化法生产的“玻璃相初析温度”≥1400％，还原法生产的“玻璃相初析温度”≥1080℃。

从上可以看出，玻璃相的多少和玻璃相初析温度，对电熔锆刚玉砖质量影响至关重要。

玻璃相，也称基质玻璃，凡是不与熔体的基质成分生成固溶体或者混合晶的所有成分，最终都与氧化硅生成了晶问玻璃。就熔体的晶相而言，这些充填在晶粒间的玻璃，便称为玻璃相。这种玻璃相，软化点很低，在加热至高温时，便会出现液相，溢于砖表所留微孑1，则渗入窑内玻璃液，加剧砖材侵蚀，所以玻璃相对AZS性能是不利的。

玻璃相可缓冲体积变化产生的应力，能使制品保持不透气的结构。但其数量偏多、渗出温度越低，则砖的质量就越差。玻璃相的析出会破坏砖结构，影响砖寿命。析出同时会放出气泡，并有可能产生不溶于玻璃的结石，严重影响玻璃的质量。

3 某玻璃工厂喷火口中隔墙及碹脚砖发生垮塌的原因分析

在福建某工厂，一座生产啤酒瓶的马蹄焰三通道蓄热室池窑，发现熔化池电熔锆刚玉池壁砖一年半左右就腐蚀穿了，因此开始贴砖维持生产。3年后喷火口中隔墙及碹脚砖发生垮塌，熔窑被迫停产检修。而该厂另一座结构相似、大小略有差异的熔窑，使用快6年了。现在还在正常生产。

玻璃熔窑池壁砖，一般都要使用5～6年才开始贴砖。为什么该窑池壁砖一年半左右就腐蚀得很薄而开始贴砖，答案非常明确：电熔锆刚玉砖质量太差，即玻璃相含量太高。喷火口碹脚砖发生垮塌与喷火口所用材料电熔锆刚玉砖的质量有什么关系呢？与玻璃液接触的电熔锆刚玉砖比火焰空间的电熔锆刚玉砖质量要求更高，而电熔锆刚玉砖生产厂对火焰空间电熔锆刚玉砖的质量重视程度一般要差得多，即火焰空间的电熔锆刚玉砖质量没有池壁砖好。池壁砖玻璃相含量已经较高，可以推测，火焰空间用的电熔锆刚玉砖中的玻璃相更高。甚至在其他厂还发现：电熔锆刚玉池底铺面砖在做测试时被完全腐蚀掉的现象，可见玻璃工厂对进厂的耐火材料进行检测是非常必要的。

玻璃熔窑火焰空间的温度比玻璃液的温度要高100～150℃左右，而喷火口所承受的温度比池壁砖所承受的温度要高得多。由于电熔锆刚玉砖中玻璃相含量高，高温时玻璃相逐步析出，甚至流失，晶粒间没有玻璃相填充，使得电熔锆刚玉砖的强度下降。由于两小炉之间的温度比小炉两侧高，该处流失的玻璃相量更多，强度更差，所以中隔墙及小炉碹脚发生垮塌。近年来，低玻璃相的熔铸AZS已在有限的基础上成功的应用于熔窑上部结构（低玻璃相抗蠕变性更强），其标称使用温度从1600℃升至1650℃，氧燃料的发展已促进了它在上部结构中的应用。

有人提出，喷火口的重心是否太靠前。先来分析喷火口结构及受力分布（见图1和图2）。

从图1和图2明显看出，喷火口靠中间的碹脚砖长度为700mm（图1），两侧的碹脚砖长度为595mm，中间碹脚砖要长105mm，即中间碹脚砖的重心明显比两侧碹脚砖更靠后，它的稳固性更好。从图2还看到，小炉中隔墙是内小外大，即靠熔化池侧小，在正常状况下小炉中隔墙向内移动的可能性是没有的。为什么只是靠中间的小炉碹脚砖及中隔墙垮塌？为什么会在三年多才垮塌？是否为烘烤窑操作不当等原因所致？首先，喷火口所处的后山墙没有弯曲变形现象，说明不是烘烤窑等操作不当的原因；若是因为烘烤窑等操作不当等原因造成的，它应该在投产后较短时问暴露出来，而不应该在投产后三年多的时间才发生小炉中隔墙及碹脚砖的垮塌。小炉中隔墙附近温度最高，环境条件最差，电熔锆刚玉砖质量差，玻璃相含量高，玻璃相逐步析出，特别是熔铸AZS制品的“化学相组成偏析”，表层为富锆区，砖中心玻璃相含量最高，玻璃相的析出有一定的时空条件。玻璃相析出后，剩下的氧化锆（斜锆石一刚玉筛状网络结构）没有玻璃相填充，强度大大降低。小炉两侧温度低一些，玻璃相流失慢一些。随着时间推移，玻璃相流失越多，该电熔锆刚玉砖强度越差，最终导致喷火口碹脚砖强度不够而垮塌。另外该砖本身质量差，抗蚀损差。配合料中的纯碱、芒硝、硼酸盐、氟化物、氯化物、氧化物在高温下与耐火材料表面作用生成低温共熔物或疏松状物，并继续向砖体内部渗透扩散、进行重结晶，使耐火材料逐渐被溶解、剥落而减薄、变质；在这两者的作用下，喷火口的寿命大大缩短。

4 耐火材料在使用前的检测是保障熔窑寿命的必要程序及手段

现在熔窑越来越大，熔化率也越来越高，熔化温度也越来越高，选择合格的耐火材料是我们的共同责任。而耐火材料的内在质量仅凭肉眼是无法确定的，因此对耐火材料在使用前的检测是非常必要的，是否达到设计要求、是否达到质量标准，应该做到心中有数，即使是不合格材料因时间关系已用在熔窑上了，但是通过分析检验，知道哪个部位的耐火材料没达标，可在工艺控制上给予高度重视，也能避免熔窑出现大的事故。当然，玻璃窑用耐火材料必须合格才能达到设计的预期目标。