تكوين وتطبيق المواد الحرارية غير المتبلورة في أفران الأسمنت الجديدة بالطريقة الجافة

تختلف متطلبات المواد الحرارية باختلاف أجزاء أنظمة أفران الأسمنت ذات المواصفات المختلفة؛ لذا، عند التصميم والمطابقة، يجب اختيار المواد الحرارية التي تُلبي متطلباتها؛ بالإضافة إلى ذلك، تختلف متطلبات أداء المواد الحرارية اختلافًا طفيفًا، باختلاف المواد الخام، وجودة الوقود، وظروف المعدات، وعادات التشغيل، وغيرها، التي يستخدمها مُصنِّعو الأسمنت. يُركز ما يلي على المشكلات الرئيسية التي تُواجه استخدام المواد الحرارية غير المتبلورة (وخاصةً المواد المصبوبة) في أفران الأسمنت الجديدة بالطريقة الجافة، وتكوينها الحالي المعقول في هذه الأفران.

تطبيقات المواد الحرارية غير المتبلورة ومشاكلها الحالية في أنظمة الأسمنت

1.1 فوهات الأفران الأمامية والخلفية للأفران الدوارة

معظم المواد الحرارية المستخدمة في فوهات الأفران الأمامية والخلفية للأفران الدوارة مصممة حاليًا كمواد قابلة للصب، وخاصةً المواد الحرارية في فوهات الأفران الأمامية. بالإضافة إلى قدرتها على تحمل درجات حرارة عالية تزيد عن 1400 درجة مئوية، فإنها تتضرر بشكل رئيسي بسبب الإجهاد الميكانيكي والإجهاد الحراري والتآكل الكيميائي للكبريت والكلور والمواد القلوية أثناء الاستخدام. 4 ومن أكثر المشاكل شيوعًا حاليًا: عدم مقاومة المواد القابلة للصب للتآكل، وسهولة تقشيرها، وقصر عمرها الافتراضي. يتراوح عمر المواد الحرارية في فوهات الأفران الأمامية والخلفية في الغالب بين 4 و8 أشهر.

١.٢ أنبوب حقن الفحم (موقد أفران الأسمنت)

بالإضافة إلى تحملها درجات حرارة عالية تصل إلى ١٤٠٠ درجة مئوية في بيئة العمل، يجب أن تتحمل القوالب المصبوبة لأنابيب حقن الفحم إجهاد الدورة الحرارية وتآكل تيار هواء الغبار S. تكمن المشكلة الحالية في تغيرات درجة حرارة الاستخدام المتكررة واختلاف درجات الحرارة الكبير. تكون بطانة المواد المقاومة للحرارة على بعد متر واحد أمام أنبوب حقن الفحم عرضة للتفحم والتقشير، وخاصةً الجزء السفلي من الواجهة الأمامية المعرضة للتفحم وتكوين الكبريت، مما يُسبب تساقطًا يشبه حراشف السمك، كما أن عمرها الافتراضي قصير، ويتراوح عادةً بين ٣ و٧ أشهر.

١.٣ غطاء رأس الفرن

تشمل القوالب المصبوبة لغطاء رأس الفرن الجدران الجانبية العلوية والسفلية لغطاء رأس الفرن؛ ويتعرض الجزء العلوي من غطاء رأس الفرن بشكل رئيسي لتآكل تيار هواء الغبار عالي الحرارة. لا تقتصر مقاومة الجدران الجانبية لغطاء رأس الفرن على غبار درجات الحرارة العالية فحسب، بل تشمل أيضًا تآكل الكلنكر الأسمنتي. تكمن المشكلة الحالية في صعوبة البناء، وسهولة انفجاره إذا لم يكن الخبز جاهزًا بعد البناء، وقصر مدة خدمته، والتي تتراوح عادةً بين 6 و12 شهرًا.

1.4 مبرد الشبكة والجدار المنخفض

تشمل المواد المصبوبة لمبرد الشبكة الجدران العلوية والجانبية للمرحلة الأولى من مبرد الشبكة، والجدران العلوية والجانبية للمرحلة الثانية من مبرد الشبكة.

يتعرض الجزء العلوي من المرحلة الأولى من مبرد الشبكة لإشعاع حراري عالي من الكلنكر الأسمنتي والحمل الحراري من الهواء، وتتغير درجة حرارة التشغيل بشكل متكرر، مما يؤدي إلى صدمة حرارية شديدة؛ كما أن الجدران المنخفضة على جانبي المرحلة الأولى من مبرد الشبكة معرضة للتآكل والتلف طويل الأمد من الكلنكر عالي الحرارة، وتعاني أيضًا من التلف الناتج عن الإجهاد الحراري والميكانيكي. درجة حرارة المرحلة الثانية من مبرد الشبكة أقل نسبيًا من درجة حرارة المرحلة الأولى. تكمن المشكلة الحالية في صعوبة البناء، وسهولة انفجاره في حال عدم تثبيت الفرن بعد البناء، بالإضافة إلى التآكل الشديد، وقصر مدة الخدمة، والتي تتراوح عادةً بين 6 و12 شهرًا.

1.5 نظام التحلل خارج الفرن

يتكون نظام التحلل خارج الفرن بشكل أساسي من أعاصير حلزونية من مستوى واحد إلى خمسة مستويات، وأنابيب تغذية، ومخاريط فرن التحلل، وغرف دخان. يتأثر نظام التحلل الحلزوني بشكل رئيسي بالتطاير والتكثيف المستمرين للمكونات الضارة، مثل القلويات والكلور والكبريت، الموجودة في المواد الخام الأسمنتية، والتي يتم تداولها بشكل متكرر وتخصيبها باستمرار، مما يتسبب في تآكل كيميائي قوي على المصبوبات الحرارية، ويسبب ضررًا يُعرف باسم "التشقق القلوي". يتأثر أنبوب التفريغ، ومخروط فرن التحلل، وغرفة الدخان بشكل رئيسي بتكليس المواد الخام منخفضة الجودة، ونفايات النفايات، ومسحوق فحم الوقود رديء الجودة في عملية إنتاج الأسمنت، مما يؤدي إلى إثراء نظام الفرن بأكمله بمواد ضارة مثل الكلور والكبريت والقلويات. كما أن مخاريط الإعصار من المستويين الرابع والخامس، وأنابيب التفريغ من المستويين الرابع والخامس، ومخاريط فرن التحلل، وغرفة الدخان معرضة للتكتل، مما يؤدي إلى الاستخدام المتكرر لمدافع الهواء ومدافع المياه، وهو أمر ليس محفوفًا بالمخاطر فحسب، بل يؤثر أيضًا على الإنتاج الطبيعي للعملية ويقلل من معدل تشغيل نظام فرن الأسمنت.

١.٦ بوابة وكوع مجرى الهواء الثلاثي

تتراوح درجة حرارة الهواء الثلاثي المحتوي على الغبار في مجرى الهواء الثلاثي بين ٨٠٠ و١٠٠٠ درجة مئوية، وتبلغ سرعة الرياح حوالي ٢٥ مترًا في الثانية. تتساقط البطانة المقاومة للحرارة لأكواع مجرى الهواء الثلاثي، وبواباته، وأجزاء أخرى منه مع الكلنكر، بسهولة، أو حتى تنكسر. أقصر عمر خدمة له هو ٣ إلى ٤ أشهر فقط، وأطول عمر له حوالي ٦ أشهر. بمجرد تآكل البطانة المقاومة للحرارة لبوابة أو كوع مجرى الهواء الثلاثي، يتآكل كلٌّ منهما، ويتوجب إيقاف الفرن لاستبداله.

نظرًا للمشاكل الموجودة في المواد الحرارية في خط إنتاج نظام الأسمنت بالطريقة الجافة الجديد المذكور أعلاه، توصي هذه المقالة بالتشكيل التالي للمواد الحرارية غير المتبلورة المستخدمة في أجزاء مختلفة من خطوط إنتاج أفران الأسمنت بالطريقة الجافة الكبيرة والمتوسطة الحجم.

2.1 قوالب صب لفوهة الفرن

وفقًا لخصائص استخدام فوهة الفرن الأمامية، يُنصح باستخدام قوالب صب JD-80AS المقاومة للصدمات الحرارية ومنخفضة التمدد من الأندلوسيت لفوهة الفرن لإنتاج 5000 طن/يوم فأقل؛ وقوالب صب JD-85AS عالية الأداء ومقاومة للتآكل من الأندلوسيت لإنتاج 5000 طن/يوم فأكثر؛ وقوالب صب JD-75M المقاومة للتآكل من الكوراندوم-موليت لفوهة الفرن الخلفية. يتميز هذا النوع من المنتجات بمقاومة ممتازة للتآكل، ومقاومة عالية للقلويات، ومقاومة للتآكل، بالإضافة إلى مقاومة جيدة للصدمات الحرارية والتآكل.

٢.٢ أنبوب حقن الفحم القابل للصب

نظرًا لتغير درجة حرارة أنبوب حقن الفحم بشكل متكرر واختلاف درجات الحرارة الكبير، فإن الواجهة الأمامية معرضة للتشقق والتقشير، وخاصةً الجزء السفلي منه المعرض لترسب الكوك والكبريت. يُنصح باستخدام أنبوب حقن الفحم JD-80AS المقاوم للصدمات الحرارية ومنخفض التمدد من الأندلوسيت القابل للصب لإنتاج ٥٠٠٠ طن/يوم فأقل؛ وأندلوسيت JD-85AS عالي الأداء المقاوم للتآكل القابل للصب لإنتاج ٥٠٠٠ طن/يوم فأكثر. يتميز هذا النوع من المنتجات بثبات ممتاز للصدمات الحرارية ومقاومة جيدة للتآكل.

٢.٣ مواد حرارية لغطاء رأس الفرن

نظرًا لأن الجزء العلوي من غطاء رأس الفرن معرض بشكل رئيسي للتآكل الناتج عن تدفق الهواء المحمل بالغبار عالي الحرارة، فإن الجدار الجانبي لغطاء رأس الفرن لا يتحمل فقط تآكل الغبار عالي الحرارة، بل يتحمل أيضًا تآكل كلنكر الأسمنت. إذا لم يُخبز في مكانه بعد التركيب، فسيكون من السهل انفجاره. بناءً على خصائص هذا الجزء أثناء التشغيل، يُنصح باستخدام JD-75M كوروندوم-موليت مقاوم للتآكل، يتميز بثبات حجمي جيد في درجات الحرارة العالية، وأداء جيد في مقاومة التجريد، ومقاوم للتآكل نسبيًا.

2.4 مواد حرارية لمبردات الشبكة والجدران المنخفضة

وفقًا لخصائص درجة الحرارة والاستخدام للجدران العلوية والجانبية للمرحلة الأولى من مبرد الشبكة، والجدران العلوية والجانبية للمرحلة الثانية منه، يُمكن استخدام JD-M20-65 موليت عالي القوة ومقاوم للتآكل في منطقة درجات الحرارة العالية للمرحلة الأولى، بينما يُمكن استخدام JD-16F عالي القوة ومقاوم للتآكل من الألومنيوم في المرحلة الثانية من مبرد الشبكة. يمكن استخدام طوب JD-M20-70 المصبوب منخفض الجدار أو طوب JDY-M70 الجاهز المقاوم للتآكل. يتميز هذا الطوب، المقاوم للتآكل، بسهولة البناء وطول العمر وسرعة الاستبدال، لذا يجب الترويج له بقوة.

2.5 المواد الحرارية لنظام التحلل خارج الفرن

نظرًا لارتفاع تركيز المكونات الضارة، مثل القلويات والكبريت والكلور، في النظام خارج الفرن، وسهولة تكوّن القشرة على مخروطي الإعصار الرابع والخامس، وأنبوبي التغذية الرابع والخامس، ومخروط فرن التحلل، وغرفة الدخان، يُنصح باستخدام طوب JD-13NL عالي القوة المقاوم للقلويات للمستويات الأولى والثانية والثالثة من جهاز التسخين المسبق. قوالب JD-16 عالية القوة من الألمنيوم العالي للمستويات الرابعة والخامسة من سخان ما قبل التسخين، وفرن التحلل، والقسم المستقيم من مجرى الهواء الثالثي؛ قوالب كربيد السيليكون المضادة للتكلس لغرفة الدخان وأنبوب التغذية؛ بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا بناء غرفة الدخان باستخدام طوب مسبق الصنع مقاوم للتآكل خاص لغرفة الدخان.

٢.٦ مواد مقاومة للحرارة لأكواع وصمامات قنوات الهواء الثلاثية

نظرًا لخصائص أكواع قنوات الهواء الثلاثية والسوائل عالية السرعة المحتوية على الغبار في قنوات الهواء الثلاثية، يُمكن استخدام قوالب JD-17MF عالية المقاومة للتآكل والتآكل في أكواع قنوات الهواء الثلاثية؛ كما يُمكن استخدام بوابات قنوات الهواء الثلاثية الجاهزة لها. يُصب هذا المنتج ويُحرق مباشرةً قبل مغادرة المصنع، ويمكن تركيبه واستخدامه مباشرةً بعد مغادرته. يتميز بسهولة الرفع والاستخدام وعمر خدمة طويل.

بالإضافة إلى ذلك، يُمكن استخدام طلاءات الرش المقاومة للحرارة عند إجراء الإصلاحات الطارئة في مصانع الأسمنت، والتي تتميز بمزايا البناء بدون قوالب، وكفاءة رش عالية، وأداء جيد ضد الانفجار. يمكن استخدام طلاءات الرش المقاومة للحرارة من نوع JD-PT-M45 في أجهزة التسخين المسبق، وأفران التحلل، وأغطية رؤوس الأفران، وقنوات الهواء الثلاثية، ومبردات الشبكة، وغيرها من الأجزاء؛ بينما يمكن استخدام طلاءات الرش المقاومة للحرارة من نوع JD-PT-50S المضادة للترسبات في غرف الدخان وأفران التحلل.

احتياطات بناء المواد المقاومة للحرارة غير المتبلورة

باستثناء عدد قليل من الطوب الجاهز، مثل الطوب الجاهز سريع التغيير المقاوم للتآكل للجدران المنخفضة، والطوب الجاهز المقاوم للتآكل الخاص لغرف الدخان، والذي يمكن تجميعه وتركيبه مباشرةً في الموقع، ومواد الطلاء بالرش التي يمكن رشها مباشرةً في الموقع، فإن بقية المواد المقاومة للحرارة غير المتبلورة المستخدمة في أفران الأسمنت هي في الغالب مواد صب حرارية، وهي مواد سائبة تحتاج إلى صبها وتشكيلها في موقع الإنتاج. علاوة على ذلك، تختلف كمية الماء المضافة ومدة بناء كل نوع من المواد. كما تختلف أساليب الصب والاهتزاز باختلاف مواقع البناء. تؤثر جودة البناء بشكل مباشر وجاد على عمر خدمة الخرسانة المصبوبة اللاحقة. لذلك، عند بناء الخرسانة المصبوبة، من الضروري الالتزام الصارم بعملية البناء ونظام الخبز المحدد من قِبل الشركة المصنعة للخرسانة المصبوبة لضمان عمر الخدمة. متطلبات البناء الأساسية هي كما يلي:

(1) يجب أن تلبي كمية الماء المضافة إلى خلط الخرسانة المصبوبة متطلبات البناء. كلما قلت كمية الماء المضافة، كان الأداء العام أفضل؛ يجب استهلاك الخرسانة المصبوبة المخلوطة خلال 30 دقيقة، ويجب عدم استخدام المواد الحرارية التي تفاعلت وتجمدت في البداية.

(2) يجب استخدام خلاطة قسرية لخلط الخرسانة المصبوبة. يجب تنظيفها بعناية قبل الاستخدام لضمان نظافتها. أثناء الخلط، يجب خلط الركام والمسحوق والمادة الرابطة بالتساوي، ثم إضافة حوالي 80% من الماء النظيف. وأخيرًا، يجب إضافة الماء المتبقي حتى يتم الحصول على سيولة بناء مناسبة.

(3) يجب اهتزاز الخرسانة المصبوبة في القوالب بالتساوي. يجب عدم اهتزازها لفترة طويلة في نفس الوضع لتجنب انفصال المواد. تجنب لمس الأجزاء المعدنية المثبتة وطبقة العزل خفيفة الوزن. بعد ملاحظة أن سطح الخرسانة المصبوبة أصبح ملاطًا وتقل الفقاعات، يجب سحب قضيب الاهتزاز ببطء لمنع الانفصال والثقوب في الطبقة المصبوبة.

(4) عند صب الخرسانة على نطاق واسع، يجب أن تُبنى على شكل كتل، ويجب أن تكون مساحة كل كتلة 1.5 متر مربع. يجب حجز فواصل التمدد وفقًا لمتطلبات المصمم وعدم إغفالها.

(5) بعد تصلب سطح بطانة الصب، يجب أن تصل متطلبات القوة إلى أكثر من 70% قبل إزالة القالب.

(6) بعد إزالة القوالب، يجب فحص بطانة الصب بشكل منهجي في أسرع وقت ممكن. في حال وجود مشاكل في الجودة، مثل التقشر والثقوب وظهور خلايا النحل، يُمكن استخدام نفس درجة الصب لمواصلة أعمال الإصلاح والاهتزاز والمعالجة. يجب أن يكون سطح بطانة الصب أملسًا ونظيفًا، وألا تظهر عليه أي حفر.

الخلاصة

يتميز نظام أفران الأسمنت الجديد بالطريقة الجافة بمزايا لا تُضاهيها أفران الأسمنت بالطريقة الرطبة وأفران الأسمنت بالطريقة الجافة التقليدية. كما يختلف اختيار المواد الحرارية غير المتبلورة عن أنواع أفران الأسمنت الأخرى؛ إذ يُمكن لكل شركة تحسين تكوين المواد الحرارية غير المتبلورة وفقًا للخصائص الفعلية لمعداتها ووقودها وموادها الخام، مع الالتزام الصارم بإرشادات الشركة المُصنِّعة للمواد الحرارية لضمان تحقيق العمر الافتراضي المُتوقع، مما يُقلل من عدد مرات إيقاف تشغيل الفرن ووقت الصيانة، ويُحسّن معدل تشغيل النظام، ويحقق هدف استقرار الإنتاج، وارتفاع الإنتاجية، وانخفاض استهلاك الطاقة لنظام الفرن.