水泥窑用耐火材料配置

    一、 传统水泥窑用耐火材料

    一个多世纪以前，人们开始用立窑煅烧水泥熟料。窑的规格很小，煅烧温度也低，仅使用含 Al₂O₃ 30～40％单一的一种粘土砖。初期的回转窑上沿用这一经验。但回转窑内气流与窑衬间温差大，熟料熔体对窑衬的侵蚀较严重，因而粘土砖寿命比立窑内低得多。

    随着立窑和回转窑规格的增大，以及熟料质量的提高，30年代起开始配用高铝质耐火砖。1938年2月，意大利首先试用了镁铬砖。1953年开始采用白云石砖。迄50年代，普通镁铬砖或白云石砖用于烧成带；磷酸盐结合高铝砖或普通高铝砖用于过渡带、分解带热端和冷却带；其余工艺带用粘土砖，这样的格局终于奠定，并大体上沿用至今。回转窑上的经验也开始用于立窑，以背衬隔热材料的碱性砖或高铝砖用于高温带内。

表1一l               水泥窑内各部位和各工艺带内窑衬所受主要负荷

    熟料煅烧技术越发展，窑型越多样化，窑的规格和能力越大，所用原、燃料的成分和性能越特殊，窑衬所受考验就越苛刻和多样化。不同类型窑的不同工艺带内窑衬所受主要负荷的情况见表1一l。

    在大型的新型干法窑问世之前，立波窑在传统窑中单位容积产量最高(1.7～2.2t/m³· d)，窑衬所受考验最苛刻。从窑衬角度来看，立波窑窑筒与篦式预热器间的关系与新型干法窑上又有一定的相似性，立波窑窑衬技术的成熟，既标志着传统窑窑衬技术的成熟，又为解决新型干法窑的窑衬问题打下初步的基础。

    立波窑窑筒尾部是指相当于窑筒长度 l/4～ l/3的部位，在砖面温度≤1200℃的进料端和预热、分解带内，窑料对窑衬的直接磨损不重。但由于高温窑气与窑料间温差太大而引起对窑衬的侵蚀，使窑气和窑料中的碱化合物易渗入并在砖内凝聚，其与砖内组分反应形成膨胀性矿物，使砖“碱裂”损坏，是该部位窑衬损坏的主要原因。因此，此处最宜使用隔热型耐碱粘土砖或普通型耐碱粘土砖，方可获得较长寿命。

分解带热端长度为窑径的2～3倍，此处窑气温度高于尾部，所含硫、碱等挥发性组分使窑料内形成一定量低温熔体并渗入砖内与砖反应，形成白榴石、钾霞石等膨胀性矿物，最大膨胀率可达45％，所以炸裂是此处50A或70A*高铝砖或磷酸盐结合高铝砖损坏的主要原因。（*50A或70A指含Al₂O₃ 50％或70％）

    过渡带、烧成带、冷却带等组成的高温部位为窑径的6～10倍。高温环境使砖内温度梯度太陡，熟料熔体以及窑料、窑气中的挥发性组分均对砖形成严重的化学侵蚀，高温下窑体变形又最严重，导致对窑衬的热学、机械和化学的综合破坏效应。全窑系统耐火材料消耗量的60～70％发生在烧成带和过渡带的碱性砖部位。

    篦式冷却机把700℃以上的二次风送入窑内，使火焰温度提高，特别是使位置紧靠窑头，窑的卸料端只有两圈砖的长度，多筒冷却机窑上二次风温200～700℃不等，燃料与二次风的混合也欠激烈，卸料端长度可达窑径的 l～2倍。这个部位窑皮不稳定，既有熟料、窑皮和窑尘的冲刷和磨蚀，又有熟料熔体和碱盐的化学侵蚀。温度较低时可用普通高铝砖或磷酸盐结合高铝砖；温度较高时可用碳化硅砖或尖晶石砖，也可相应地使用矾土质或刚玉质的耐火浇注料。

70年代初，原联邦德国水泥窑上耐火材料的单位消耗量(kg/t熟料)远比国内目前为低(表1—2)。各种耐火材料所占份额见表1—3。

表1—2        70年代初原联邦德国水泥窑上耐火材料的单位消耗量

        表1—3           70年代初原联邦德国水泥窑用耐火材料

       *  白云石砖约55％，镁铬砖约15％。

    70年代起传统水泥窑上耐火材料的配置已大体定型，见表1—4。

表1—4               传统水泥窑上窑衬配置大致情况

    立波窑在原联邦德国已非常成熟，以低砖耗著称。4m直径的窑上1974~1977年的平均砖耗，烧成带约0.15kg/t，窑口约0.03kg/t。因此，窑筒部分砖耗总共只有0.18kg/t。即使再加上按这16台窑1979~1998年间的平均砖耗值来估算的其余部位砖耗，即篦式预热器部分(占总砖耗的 11％)和篦式冷却机部分(占总砖耗的5％)共占16％，而窑筒部分为84％，则全窑系统总砖耗也只0.21kg/t。在预热、分解带内，窑衬寿命达10年以上是不足为奇的。

    二、新型干法窑用耐火材料

    新型干法窑特别是大型预热器窑和预分解窑的生产工艺有一系列特点，因而对耐火材料有一系列新要求。

    1．窑温较高的影响

    大型预分解窑使用热回收效率在60％以上的高效冷却机以及燃烧充分且一次风比例较少的多风道喷嘴，窑头和窑罩又加强了密闭和隔热。火焰温度提高很多。冀东水泥厂4000t/d的f4.7×74m预分解窑上，二次空气、窑尾烟气和出窑筒熟料温度分别高达1150、1050～l100和1400℃。其过渡带、烧成带．冷却带、窑罩、冷却机的喉部和高温区以及喷嘴外侧等部位的工作温度远高于传统窑的相应部位。迄今这种窑的烧成带正火点(中心部位)采用直接结合镁铬砖或白云石砖。烧成带内正火点前后两侧，视设备、操作和原燃料情况采用与正火点相同的砖或普通镁铬砖。过渡带内主要使用尖晶石砖、富铬镁铬砖或含锆增韧白云石砖。窑口用碳化硅砖、尖晶石砖或镁铬砖。在温度较低的窑上也可用热震稳定性优良的高铝砖或磷酸盐结合高铝砖。很多窑的窑口则采用刚玉质或高铝质耐火浇注料。

    在窑罩或篦式冷却机喉部，可以上述高铝砖配以硅酸钙板(使用温度1000℃)，或必要时中间再配用粘土质隔热砖(使用温度1250℃)组成复合衬里。定形砖不适用处可用适当的耐火浇注料，或配用重、轻质浇注料的复合衬里。

    喷嘴外侧，特别在其热端的上半侧，受熟料和窑皮冲击，以及冷端的下半侧，受裹带窑尘的二次风冲刷，必须使用刚玉质浇注料，其余部位可用高铝质浇注料。在高碱料生产窑上，这种浇注料还要求耐碱。

    即使采用了上述种种优质材料，大型窑的过渡带、烧成带和冷却带的窑衬寿命一般不过0.5～1年，短的甚至只3～5个月。窑口和喷嘴衬料寿命只0.25～0.5年，甚至更短。窑罩和冷却机喉部窑衬寿命约2年。所以这种窑的年运转率一般仅70～ 75％，少数能达85～90％。大型窑衬的这一情况不能令人满意。

    预热器窑入窑筒窑料的预分窑解程度很不稳定，使窑筒内各工艺带位置经常变动，转而导致窑的操作不稳。这种窑的窑衬比同规模预分解窑上更易损坏。

    2．窑速较快的影响

    传统回转窑的转速一般只60～70r/h，大型预分解窑常达180～210r/h，甚至240r/h。在高转速、大直径和高温度的新型干法窑上，窑衬所受热应力、机械应力和化学侵蚀的综合破坏效应比传统窑上要大得多。这就要求窑衬无论在冷态或热态下，在窑转动中均须具有足够的强度和稳定性，在耐火材料制造和窑衬设计中都要保证更严的精确度， 并要求更高的施工技术。

    3．碱等挥发性组分侵蚀的影响

    新型干法窑和立波窑系统内 ,碱的硫酸盐和氯化物等组分挥发凝聚，反复循环，导致这些组分在窑料中富集。与原始生料相比，在最热级预热器的窑料中，R₂O、SO₃和Cl^—的含量往往分别增达5、3～5和80～100倍。相应部位窑气中这些组分的含量也大增 ,从而使最热两级预热器、预分解炉、上升烟道、喂料斜坡和窑筒后部 l/3的部位，也即在所有砖面温度为800～1200℃的部位(当原、燃料含氯高时扩及600～1200℃部位)形成2C₂S·CaSO₃、2C₂S·2CaSO₄·K₂SO₄ 、KCl和二次 CaSO₄等结皮的特征矿物，并裹带其余窑料在衬里上形成结皮，严重时干扰窑的正常运行，甚至必须停窑检修。所用普通粘土砖和普通高铝砖还受来自窑气和窑料的碱化合物的侵蚀，形成膨胀性矿物而使砖“碱裂”损坏。实践证明，当窑料含R₂O＞1％和 Cl^—＞0.01％时，这一现象就会发生。

    当出窑筒熟料含碱过高时，连冷却机热端、窑罩和三次风管中的普通粘土砖和高铝砖也会碱裂损坏。所以，在工作温度800～120O℃的所有部位，都应采用一系列耐碱蚀的酸性粘土砖和浇注料，包括用于预热器本体和篦式冷却机侧墙的普通型耐碱粘士砖，用于窑筒后部的隔热型耐碱粘土砖，用于三次风管的高强型耐碱粘士砖和用于预热器拱顶的富铝耐碱粘土砖，以及重质和轻质耐碱粘土质浇注料，构成完整的耐碱粘土质耐火材料系列。

    采用上述材料后，上升烟道内衬寿命仍只有 l ～3年，这是碱蚀和吹扫综合破坏的结果。严重情况下寿命甚至不到1年，这时就必须换用耐碱蚀、抗结皮、抗剥落的特种高铝砖或更适用的材料。

    在窑筒内碱性砖区和粘土砖区之间的分解带热端部位以及窑罩内，可采用荷重软化温度大于l500℃的煅烧高铝砖或磷酸盐结合高铝砖来抵抗该处的碱蚀和热震损坏。大型窑内的这一部位缺乏窑皮保护，这些砖必须具有稳定的中等程度的线膨胀系数，以避免窑转动中窑衬发生“抽签 *”损坏。（* 指由于砖衬松弛，处于窑筒顶部的砖向外鼓出，甚至掉落。）

    4．窑系统结构复杂的影响

    新型干法窑系统的结构比传统窑远为复杂，对耐火材料的影响首先是砖型多。冀东水泥厂窑系统内砖型超过100种，江西水泥厂国产2000 t/d窑系统内砖型也达80多种，使得耐火材料的生产管理和砌筑使用都极复杂。因而对窑衬结构和砖型设计的简化和规范化，要求极为迫切，特别对预热器系统，必须尽量避免采用过于复杂的砖型。这样做既可减少特异型砖生产和砌筑的困难，降低砖的生产成本和售价，还易保证耐火材料本身及砌筑后窑衬整体的质量。对这种窑衬的设计和施工要提出更高的技术要求。这种窑上必须采用大量不同品种的耐火浇注料，除上述刚玉质和耐碱浇注料外，高铝质、轻质和超轻质浇注料也要采用。

    5．节能要求高带来的影响

    预分解窑工艺先进，又大量使用了多种隔热材料，两者都带来极其显著的节能效果(见表1—5)。在所用这类材料中，有使用温度分别为1000℃和650℃的硅酸钙板、硅藻土砖、轻质高铝砖和粘士砖、耐火纤维和岩棉制品、轻质和超轻质浇注料及其制品等。

  表1—5                     预分解窑节能效果优良

    预热器系统静止不动，工作温度又不高，外壳由不厚的普通钢板制成。为保证外壳不变形，必须控制表面温度不超过150℃，这就常需采用一层工作层和 l～2层隔热层组成的复合衬里。冀东水泥厂窑最热级预热器内采用耐碱粘士砖、硅藻土砖和硅酸钙板组成总厚为341mm的复合衬里，其计算热阻0.937m^2··K/W；实测表面温度100℃，波动范围59～162℃。目前更可使用耐温性能较高的硅酸钙板单层隔热衬与工作衬组成双层复合衬里，衬厚和衬重显著减少，隔热效果依然良好，对减少建设资金的意义很大。

    总之，为满足大型窑的种种要求，必须配套使用一系列碱性砖、高铝砖、耐碱粘土砖、耐火烧注料和隔热材料，构成现代化的耐火衬里。

    河南耐火材料厂 http://www.zzhoudd.com