水泥窯過渡帶用低導熱特種莫來石磚

馬淑龍 楊 晨 安建成  張康康 池 朋 李燕京 羅華明

北京金隅通達耐火技術(shù)有限公司 北京 100085

摘要：試驗以高純莫來石為主要原料配合金屬塑性相制備低導熱特種莫來石磚。通過對特種莫來石磚的理化性能指標進行檢測，并將檢測結(jié)果與鎂鋁尖晶石磚和硅莫紅磚對比分析，結(jié)果顯示，特種莫來石磚具有氣孔率低、體積密度低、荷重軟化溫度高、熱震穩(wěn)定性高等特點。特種莫來石磚可替代鎂鋁尖晶石磚和硅莫紅磚用于水泥窯過渡帶等區(qū)域，相對鎂鋁尖晶石磚可降低筒體溫度100℃以上，降低筒體載荷15%，節(jié)能減排效果明顯。

關(guān)鍵詞：水泥窯，過渡帶，低導熱，特種莫來石磚；

隨著協(xié)同處置水泥技術(shù)的發(fā)展，大量替代原燃料的應用使得水泥窯用耐火材料的服役環(huán)境日益惡化，耐材服役壽命縮減。目前水泥窯過渡帶多使用鎂鋁尖晶石磚或者硅莫紅磚，由于其導熱系數(shù)高，不利于節(jié)能降耗，還會導致筒體腐蝕加劇，嚴重的致使筒體斷裂，不僅影響水泥窯的正常運轉(zhuǎn)，更給生產(chǎn)安全帶來很大隱患[1]。通達多年來致力于低導熱莫來石磚開發(fā)，開發(fā)出系列莫來石制品，特種莫來石磚為同系列產(chǎn)品[2-5]，特種莫來石磚在保持良好耐高溫性能和耐磨性能基礎(chǔ)上，通過引入金屬塑性相可以實現(xiàn)氣孔微細化，在降低氣孔率同時有效緩沖應力改善材料的力學性能、高溫韌性[6-7]。低導熱特種莫來石磚在實現(xiàn)降低筒體溫度同時降低筒體載荷，實現(xiàn)節(jié)能降耗目的，推動水泥行業(yè)節(jié)能減排。

1、特種莫來石磚的制備與理化性能

1.1 特種莫來石磚的理化性能

特種莫來石磚所用的原料以高純莫來石原料為主體，配合金屬塑性相、廣西白泥等原料制備而成。特種莫來石磚與鎂鋁尖晶石磚和硅莫紅磚的的理化性能對比見表1所示，結(jié)果顯示，特種莫來石磚具有低顯氣孔、低密度、高荷重軟化溫度、高熱震穩(wěn)定性的優(yōu)點。低的氣孔率、低的鋁含量有利于改善材料抗硫堿侵蝕滲透性能；體積密度2.55g/cm3，比鎂鋁尖晶石磚和硅莫紅磚均低，可降低筒體載荷約10%-15%。

表1 特種莫來石磚與鎂鋁尖晶石磚和硅莫紅磚的理化性能對比

1.2 特種莫來石磚導熱性能

對特種莫來石磚與硅莫紅磚在600℃、800℃、1000℃的導熱系數(shù)進行了測定，結(jié)果如下表2所示。隨著處理溫度的提高，各溫度下試樣的導熱系數(shù)不斷提高，同一試樣隨著測試溫度的提高導熱系數(shù)也不斷提高。特種莫來石磚的導熱系數(shù)明顯低于硅莫紅磚，只有硅莫紅的57%，鎂鋁尖晶石磚的44%。

表2 特種莫來石磚、鎂鋁尖晶石磚和硅莫紅磚不同溫度下的導熱系數(shù)（W·m·K）

1.3 特種莫來石磚耐磨性能

為了對比不同溫度下處理后材料的耐磨性能，特種莫來石磚與硅莫紅磚試樣經(jīng)過耐磨實驗后的磨損量A（cm3）及表觀形貌分別如下圖1及表3所示?？梢钥闯龈髟嚇佣汲霈F(xiàn)了不同程度的磨損，特種莫來石磚磨損量為5.58cm3接近硅莫紅磚的4.54cm3，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能，分析認為該試樣骨料與基質(zhì)界面形成良好的莫來石結(jié)合，界面結(jié)合更好。

表3 各試樣的磨損量A

圖1 試樣耐磨實驗后的表觀形貌

1.4 特種莫來石磚抗堿侵蝕性能

特種莫來石磚（a）與硅莫紅磚（d）抗K2CO3侵蝕實驗，從抗堿侵蝕后的照片（圖2）可以看出，特種莫來石磚抗堿侵蝕性能達到硅莫紅磚抗堿侵蝕性能。特種莫來石磚顯氣孔率低，加上金屬塑性相引入，使得特種莫來石磚表現(xiàn)出優(yōu)良的抗堿侵蝕性能。

圖2 試樣抗堿侵蝕實驗后的外觀照片

2、特種莫來石磚的應用

特種莫來石磚在臺泥某2500t/d水泥窯使用區(qū)域24m-30.6m，砌筑照片及使用1個月筒掃溫度照片如圖3所示，大約280℃相對前端相鄰鎂鋁尖晶石磚溫度380℃以上，可降低溫度100℃以上，相對于后端相鄰的硅莫磚1650溫度320℃降低50℃，降低水泥窯筒體溫度效果明顯。

圖3 特種莫來石磚在回轉(zhuǎn)窯砌筑及使用1個月后筒掃照片

圖5 特種莫來石磚在回轉(zhuǎn)窯使用7個月照片

截至目前已經(jīng)使用壽命超一年。圖5為特種莫來石磚使用7個月的窯內(nèi)磚及筒掃照片，從整體來看非常完整，筒體溫度約290℃，比前端相鄰鎂鋁尖晶石還要低100℃左右，降低水泥窯筒體溫度效果明顯，節(jié)能效果顯著。

3、特種莫來石磚的節(jié)能減排估算

按照特種莫來石磚在水泥窯使用效果，以5000t/d水泥窯為例，使用區(qū)域為25m-40m，按照目前特種莫來石磚的導熱系數(shù)，代替鎂鋁尖晶石磚使用前后溫度從380℃降低300℃以下，按照筒體溫度降低80℃進行計算。特種莫來石磚代替鎂鋁尖晶石磚節(jié)煤計算見表4所示。窯筒體散熱量計算采用多平壁傳熱公式進行估算，即筒體向大氣的散熱量為筒體自然對流傳熱和輻射傳熱損失之和。特種莫來石磚代替鎂鋁尖晶石磚噸熟料煤耗可以降低0.808Kg。按照5000t/d設計產(chǎn)能150萬噸可實現(xiàn)節(jié)煤1212噸。按照標準噸煤耗折合CO2排放通用計算比例2.66-2.72，SO2排放8.5kg，NOx排放7.4kg計算，每年可降低CO2排放3150噸，減少SO2排放10.3噸，減少NOx排放9.0噸。低導熱特種莫來石磚對水泥廠節(jié)能減排意義重大。

注：Ts-筒體外表面溫度（380℃-300℃），Ta-環(huán)境溫度（20℃），ε-窯筒體材料黑度（0.96），Γ-自然對流常數(shù)（1.5），D-筒體外直徑（4.85m），L-降溫區(qū)域筒體長度（15m）

4、結(jié)論

（1）特種莫來石磚具有低氣孔、低密度、高熱震穩(wěn)定性的特性，特種莫來石磚體積密度2.55g/cm3，比鎂鋁尖晶石磚和硅莫紅磚均低，可降低筒體載荷約10%-15%。

（3）特種莫來石磚應用于水泥窯過渡帶，筒體溫度280℃左右，相對鎂鋁尖晶石磚可降低溫度100℃以上，相對于硅莫紅磚溫度降低50℃，降低水泥窯筒體溫度效果明顯。

參考文獻：

[1]楊宏乾.水泥窯協(xié)同處置危險廢物工藝選擇對窯系統(tǒng)的影響和應對措施[J].中國水泥,2021.

[2]馬淑龍,康劍,楊晨,等.水泥窯用不同鋁硅系耐火磚抗堿侵蝕性能研究[J].耐火材料,2023,57(2):131-134.

[3]馬淑龍,王立寧,康劍等.水泥窯用低導熱莫來石磚的性能及應用[C].第十七屆全國耐火材料青年學術(shù)報告會論文集.2020:6.

[4]馬淑龍,蘇玉柱,張康康等.水泥窯用低導熱單晶相莫來石磚的研制[J].耐火與石灰,2023,48(01):1-3.

[5]王治峰,李亞偉,徐義彪,等.鋁硅系耐火原料與堿蒸氣反應侵蝕行為[J].硅酸鹽學報,2022(006):050.

[6]馬淑龍,王治峰,馬飛等.Si粉對剛玉-莫來石磚性能的影響[J].耐火材料,2022,56(04):309-311.

[7]塑性相結(jié)合剛玉復合磚的高溫性能[J].薛文東,孫加林,張厚興,熊尾貞,洪彥若,曲殿利,李志堅,王琳琳,李獻明,白周京.耐火材料,2002(01)