水泥窯用耐火材料的發(fā)展與展望

范泳 ，謝杰華 ，陶貴華 ，李曉楓

水泥窯用耐火材料的發(fā)展與展望

Outlook and Development of Refractory Used for the Cement Kiln

范泳1，2，謝杰華2，陶貴華2，李曉楓2

1 前言

隨著水泥工業(yè)的快速發(fā)展，水泥窯用耐火材料也取得了長足的進(jìn)步，耐火材料技術(shù)水平有了顯著的變化和提升，各種新產(chǎn)品新技術(shù)都得到了應(yīng)用，并取得了良好的使用效果。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國新型干法水泥窯噸熟料耐火材料消耗從過去的0.8kg降到目前的0.4kg以下，耐火材料的使用壽命有了顯著的提高。

2 新型干法水泥窯用耐火材料發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 水泥回轉(zhuǎn)窯用定型耐火制品發(fā)展現(xiàn)狀

2.1.1 無鉻堿性磚的技術(shù)發(fā)展

為了減少鉻污染，發(fā)展環(huán)境友好的綠色耐火材料，國內(nèi)耐火材料廠家都在進(jìn)行積極探索，努力推動水泥窯耐火材料的無鉻化進(jìn)程，部分產(chǎn)品已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段，并取得了一定的使用效果。

2.1.1.1 鎂鐵鋁尖晶石磚

鎂鐵鋁尖晶石磚，由于其低廉的價格和良好的掛窯皮性能，如今已在窯內(nèi)氣氛穩(wěn)定的水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶得到了廣泛的推廣應(yīng)用。鎂鐵尖晶石磚能與水泥熟料反應(yīng)形成CaO-Al2O3-Fe2O3系化合物，F(xiàn)e2O3成分?jǐn)U散，進(jìn)一步擴(kuò)大反應(yīng)部位，使窯皮穩(wěn)定。由于Fe2O3的作用，磚的結(jié)合組織發(fā)達(dá)，提高了磚的抗剝落性和掛窯皮附著性。但其耐高溫性能、抗侵蝕性和抗氧化還原性能不佳，制約了鎂鐵尖晶石磚的進(jìn)一步應(yīng)用。

2.1.1.2 鎂鈣鋯磚

鎂鈣鋯磚，就是把一定量的預(yù)合成鋯酸鈣加入到配料中，形成鎂鈣鋯磚制品。鋯酸一鈣在1500℃時不會與尖晶石起化學(xué)反應(yīng)，它作為非活性化合物存在于界面上，阻止水泥熟料中各化學(xué)成分向耐火材料內(nèi)部滲透，提高磚的耐化學(xué)侵蝕性。ZrO2在1200℃時，極易與水泥熟料中的化合物起反應(yīng)，形成高熔點化合物鋯酸一鈣，并形成 CaO·ZrO2、CaSi2O5(硅鈣石)、Ca3MgSi2O8(鎂硅鈣石)，因而具有優(yōu)良的掛窯皮性能，且具有良好的抗侵蝕性能，能有效抵抗窯內(nèi)氣氛的變化，目前已在新型干法水泥窯燒成帶使用，效果良好，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

2.1.2 高鋁磚的技術(shù)發(fā)展

硅莫磚是在傳統(tǒng)高鋁磚的基礎(chǔ)上通過浸滲碳化硅的技術(shù)改進(jìn)而成，是以莫來石和碳化硅（SiC）為主要礦物組成的燒成磚，與傳統(tǒng)高鋁磚相比，高強(qiáng)耐磨抗震穩(wěn)定性好，既有莫來石的抗高溫性能，又具備碳化硅的耐磨耐腐蝕的優(yōu)點。碳化硅的引入能在制品表面形成保護(hù)膜，提高制品的耐堿性能，且能有效阻止碳化硅的進(jìn)一步氧化。碳化硅與高鋁礬土熟料在高溫下生成莫來石(3Al2O3.2SiO2)，能提高制品致密度和強(qiáng)度,改善制品的熱震穩(wěn)定性、耐磨性、抗侵蝕性。硅莫磚在水泥回轉(zhuǎn)窯的分解帶和安全帶上逐步代替原來配置的抗剝落高鋁磚及磷酸鹽結(jié)合高鋁磚等傳統(tǒng)產(chǎn)品，并取得良好的使用效果。

為提高硅莫磚的使用性能，耐火科研技術(shù)人員對硅莫磚進(jìn)行改進(jìn)和提高，在硅莫磚中加入紅柱石、硅線石、藍(lán)晶石，利用其在高溫下的膨脹性提高制品的抗蠕變性和高溫強(qiáng)度，而且能提高抗熱震穩(wěn)定性。在硅莫磚中添加紅柱石而制成的硅莫紅磚，以其比硅莫磚更加優(yōu)良的耐磨性能和抗熱震穩(wěn)定性而在水泥窯上取得了良好的使用效果。

2.2 不定形耐火材料技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

2.2.1 關(guān)鍵部位耐火澆注料的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

窯口澆注料由傳統(tǒng)的高鋁高強(qiáng)澆注料發(fā)展為以添加超微粉和高效減水劑為特征的高性能低水泥澆注料。在配方體系上也有了很大的變化，逐漸由傳統(tǒng)的高鋁質(zhì)澆注料演變?yōu)榧t柱石基低膨脹澆注料、剛玉-碳化硅澆注料以及采用復(fù)合骨料的剛玉-莫來石高強(qiáng)低水泥澆注料。膨脹系數(shù)的降低，有利于減小材料高溫下的內(nèi)應(yīng)力，提高材料的抗熱震性和體積穩(wěn)定性；超微粉等新配方技術(shù)的采用以及各種添加劑的加入，大大提高了澆注料的整體使用性能，使窯口澆注料的使用壽命由之前的4～6個月提高到10個月以上，甚至1年半以上，達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

噴煤管澆注料由于其比較苛刻的使用工況，一直以來使用效果都不理想，一定程度上制約著水泥窯的正常運轉(zhuǎn)。主要耐火材料廠家都在不斷探索新的噴煤管耐火材料改進(jìn)技術(shù)，并取得了一定的成果。目前噴煤管澆注料主要為鋁-碳化硅系澆注料和剛玉-尖晶石澆注料。鋁-碳化硅系澆注料在高鋁原料中添加超微粉和碳化硅，碳化硅的加入提高了材料的抗熱震性，并在高溫下在材料表面形成液相層，改善了材料的耐堿性能，大大提高了材料的使用壽命。剛玉-尖晶石澆注料是在材料中添加α-Al2O3粉和富鋁尖晶石細(xì)粉，具有較高的高溫抗折強(qiáng)度，尖晶石本身具有一定的耐堿性能，在噴煤管上也取得了一定的使用效果。這些新產(chǎn)品新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，使噴煤管的使用壽命從之前的3～4個月提高到目前的6～8個月。

2.2.2 耐火澆注料的預(yù)制化進(jìn)展

不定形耐火材料發(fā)展的另一個方向是預(yù)制化，將各個異形部位在工廠預(yù)澆注成型、烘干等，然后運到現(xiàn)場安裝，這種方法能避免現(xiàn)場澆注低水泥澆注料在烘烤過程中容易爆裂等問題，大幅降低因施工不規(guī)范造成的質(zhì)量問題，有效提高耐火材料的使用壽命，節(jié)省施工時間。目前，一些水泥廠在篦冷機(jī)喉部、三次風(fēng)管閘閥、篦冷機(jī)矮墻等部位選擇預(yù)制件替代傳統(tǒng)澆注料，取得了理想的使用效果。預(yù)制件由于其自身的優(yōu)點，尤其是維修時的方便快捷、免烘烤和良好使用效果，必會作為一種獨特的解決方案而得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

2.2.3 不定形耐火材料施工工藝技術(shù)的發(fā)展

與傳統(tǒng)施工方法相比，噴涂施工（干式噴涂、濕法噴涂）機(jī)械化程度高，施工效率高，能有效節(jié)約施工時間，為水泥企業(yè)創(chuàng)造顯著的綜合效益。噴涂施工質(zhì)量較高，能有效避免人為因素對施工造成的影響，保證整個工程的施工質(zhì)量，提高耐火材料的使用壽命。

3 水泥窯用耐火材料展望

水泥窯用耐火材料的工藝和技術(shù)都取得了巨大的進(jìn)展，無論是燒成帶窯磚的無鉻化、水泥窯重點部位耐火材料的配方體系和技術(shù)，還是新的施工工藝以及澆注料的預(yù)制化都取得了可喜的成果，極大提高了水泥窯耐火材料的整體使用壽命，為水泥窯的長周期和高運轉(zhuǎn)率做出了貢獻(xiàn)。隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加快調(diào)整，水泥行業(yè)增速放緩，水泥企業(yè)的發(fā)展與運營步入理性、追求科學(xué)，對耐火服務(wù)的要求更加高標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)化，水泥與水泥耐火材料在新時期將迎來價值創(chuàng)造的時代。

3.1 水泥窯窯磚的無鉻化展望

水泥窯的無鉻化雖然取得了可喜的成果，但仍存在一定的不足。鎂鐵尖晶石磚雖然已經(jīng)成功推廣應(yīng)用，并取得了一定的效果，但由于其自身的缺陷，對窯內(nèi)環(huán)境和氣氛穩(wěn)定的窯況適應(yīng)性良好，而在窯況復(fù)雜、窯內(nèi)氣氛不穩(wěn)定、協(xié)同處置城市垃圾的窯上使用情況還有較大的不足。鎂鈣鋯磚對環(huán)境的適應(yīng)性好，但其掛窯皮性能仍有待提高，加上其高昂的成本，制約了其推廣應(yīng)用。

改性鎂鋁尖晶石磚將可能是今后發(fā)展的方向。鎂鋁鋯磚，就是把一定量的預(yù)合成鋁酸鋯加入到配料中，在一定的工藝技術(shù)下燒制而成。氧化鋁在制品燒結(jié)過程中與氧化鎂反應(yīng)生成鎂鋁尖晶石，能大大提高耐火磚的熱震穩(wěn)定性；同時引入的氧化鋯在高溫時極易與水泥熟料中的化合物起反應(yīng)，形成高熔點化合物鋯酸鈣，一方面能提高耐火磚的掛窯皮性能，同時也可提高磚的抗水泥熟料侵蝕性能，有望在新型干法水泥窯燒成帶取得良好的使用效果。方鎂石-鎂鋁尖晶石-鋯酸鑭磚是在方鎂石-鎂鋁尖晶石的體系中添加ZrO2和La2O3，ZrO2和 La2O3的加入能與原料中的CaO在高溫下反應(yīng)生成鋯酸鑭鈣固溶體，提高材料的抗熱震性能和掛窯皮性能。

3.2 塑性相結(jié)合硅莫磚

在硅莫磚中添加一定量的塑性相而開發(fā)出了塑性相結(jié)合硅莫磚，塑性相的加入，顯著提高了材料的抗氧化性和耐堿性能，使材料在高溫下具有一定的自修復(fù)功能，明顯改善了材料高溫下的組織結(jié)構(gòu)，大大提高了材料的高溫抗折強(qiáng)度和耐磨性能，且有效降低了硅莫磚的導(dǎo)熱系數(shù)，有望成為硅莫磚的替代產(chǎn)品在水泥窯上得到廣泛的推廣應(yīng)用。此外，在硅莫磚中適量引入鋯英砂，在高溫?zé)浦?，利用ZrO2的晶型轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的微膨脹而在剛玉、莫來石晶體間產(chǎn)生微裂紋，吸收熱應(yīng)力，起到微裂紋增韌的作用，提高了制品的抗熱震穩(wěn)定性，在使用中不易產(chǎn)生剝落和掉片，還能提高抗侵蝕能力，從而進(jìn)一步提高使用壽命。

3.3 加大采用替代燃料和協(xié)同處置固廢垃圾水泥窯配套耐火材料的開發(fā)力度

我國新型干法水泥的生產(chǎn)能力嚴(yán)重過剩，水泥企業(yè)之間的競爭日趨激烈，開辟新的增長途徑迫在眉睫。新型干法水泥煅燒技術(shù)發(fā)展的兩個重要的方向是使用替代燃料和焚燒生活垃圾。20世紀(jì)90年代以來，發(fā)達(dá)國家就開始大規(guī)模使用替代燃料，其使用方式是將廢料切碎，均勻加入分解爐中。1995年，德國水泥工業(yè)使用燃料的比例約為煤52%、褐煤36%、重油10%、天然氣2%，也使用廢輪胎、廢橡膠、廢塑料和低品位石油焦等替代燃料。水泥廠使用替代燃料降低了燃料成本，也減少了資源消耗，給水泥廠帶來一筆額外收入，同時也改善了環(huán)境。這一技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，就是建立水泥制造-焚燒垃圾聯(lián)合處理工藝。例如，日本將水泥窯和垃圾焚燒爐并聯(lián)，在一座獨立的焚燒爐中焚燒垃圾，將焚燒垃圾產(chǎn)生的煙氣送入水泥窯的窯尾，并利用焚燒垃圾產(chǎn)生的廢渣作水泥混合材。各種廢棄物的再利用和低品位替代燃料的使用，使窯中堿、氯、硫循環(huán)量增大，惡化窯內(nèi)工況，使窯內(nèi)氣氛更加復(fù)雜，對耐火材料的侵蝕加??；同時為降低水泥窯的NOX排放量所采用的新工藝使耐火材料的作業(yè)環(huán)境發(fā)生變化，加劇了耐火材料的損毀。因此，應(yīng)加大對采用替代燃料和協(xié)同處置固廢垃圾水泥窯配套耐火材料的開發(fā)力度，研究出相關(guān)的新技術(shù)、新產(chǎn)品。

3.4 開發(fā)上過渡帶用高強(qiáng)低導(dǎo)耐堿磚

目前，水泥窯上過渡帶的窯磚是整個窯磚的薄弱環(huán)節(jié)，無論在上過渡帶選用鎂鋁尖晶石磚還是硅莫磚，使用效果都不太理想，損壞較快。尖晶石磚導(dǎo)熱系數(shù)較高，硅莫磚易遇火爆頭，加上上過渡帶窯磚沒有窯皮保護(hù)，筒體超溫的現(xiàn)象普遍存在，嚴(yán)重威脅著水泥窯的安全運轉(zhuǎn)。因此，開發(fā)用于上過渡帶的高強(qiáng)低導(dǎo)堿性磚就顯得尤為重要。

4 結(jié)語

耐火材料在未來的發(fā)展過程中還有諸多的課題需要破解，通過耐火材料企業(yè)和科技工作者的不懈努力，水泥窯耐火材料會取得更大的突破和發(fā)展，為水泥工業(yè)的發(fā)展做出新貢獻(xiàn)。

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2011-01-26；

趙蓮