我國新型干法水泥窯用耐火材料的技術進展與現(xiàn)狀1

   為了提高水泥熟料燒成熱效率、降低能源消耗，在六十年代德國首先開發(fā)的懸浮預熱器窯已發(fā)展成熟。七十年代，在此基礎上日本開發(fā)了預分解水泥生產技術。預分解水泥生產技術一經(jīng)問世就以其技術的先進性獲得世人矚目，它不僅使水泥熟料煅燒系統(tǒng)的熱耗降低，而且單機生產能力大大提高，遠超過同直徑的濕法窯或傳統(tǒng)干法窯。表1列出了不同生產方式的水泥窯的技術情況。
表1 不同水泥窯型的生產能力及熱耗
  干法:窯徑(米)3.75 生產能力(熟/日)520 熱耗(千焦/公斤熟料)5596.3
  半干法:窯徑(米)4.00 生產能力(熟/日)996 熱耗(千焦/公斤熟料)4045
  濕法:窯徑(米) 4.00 生產能力(熟/日) 650 熱耗(千焦/公斤熟料) 6219
  新型干法(NSP):窯徑(米)4.00 生產能力(熟/日)2000 熱耗(千焦/公斤熟料)3600
     我國在七十年代也自主開發(fā)了預分解水泥生產技術，例如中國建材研究院完成的石嶺水泥廠日產4000噸熟料的四級預分解窯和八十年代初天津水泥設計院完成的日產2000噸熟料預分解窯。自八十年代以來，我國從國外引進了大型預分解窯的成套技術與裝備，對促進我國新型干法水泥窯的技術發(fā)展和裝備水平的不斷提高起到了積極的推動作用。
1 新型干法水泥窯對耐火材的要求
　　傳統(tǒng)水泥窯用耐火材料品種比較單一，最早全窯都采用Al2O3含量30~40%的粘土磚。自三十年代以后，為了提高窯襯壽命，在煅燒帶開始配用Al2O3≥50%的高鋁磚。隨著窯規(guī)模逐漸增大和熟料產、質量的不斷提高，煅燒帶高鋁磚使用壽命不能滿足要求，歐洲在四十年代開始在煅燒帶采用普通鎂鉻磚，到五十年代，發(fā)達國家已基本在煅燒帶全部采用鎂鉻磚（少數(shù)用白云石磚）。預熱帶用粘土磚、分解帶熱端及冷卻帶采用高鋁磚、燒成帶采用鎂鉻磚這種配套方案基本滿足了傳統(tǒng)水泥窯的使用要求。
　　七十年代預分解水泥窯問世以后，開始時這種新型窯爐并未在實際生產中表現(xiàn)出明顯的技術優(yōu)越性，主要原因是運轉率低，造成了預分解窯運轉率低的原因除了設備故障因素外，主要是各部位的耐火材料不能滿足使用要求，經(jīng)常由于耐火材料需要更換維修被迫停窯。為了充分發(fā)揮預分解窯高效、低耗的優(yōu)越性必須針對該窯型各部位的不同使用要求，研制多種耐火材料新品種合理配套使用才能提高運轉率。
　　預分解水泥窯與傳統(tǒng)水泥窯比較有如下特點：
　　(1) 堿及硫、氯等揮發(fā)性組份侵蝕嚴重
　　由于預分解窯充分利用余熱預熱入預熱器的生料，堿的硫酸鹽和氯化物揮發(fā)、凝聚，反復循環(huán)，使得這些組份在窯中富集，與原始生料相比在最熱級預熱器的窯料中R2O增加5倍，SO3增加3~5倍。相應部位的窯氣中這些組份的含量也大為增加。耐火材料表面溫度為800~1200℃的部位，包括預熱器、分解爐、上升煙道、下料斜坡、窯筒后部甚至窯門罩和冷卻機熱端所用的粘土磚和普通高鋁磚受到來自窯料和窯氣堿化化合物的侵蝕，形成膨脹性礦物使耐火材料開裂剝落，發(fā)生“堿裂”破壞。并且硫、氯等揮發(fā)物組分在上述部位耐火材料表面形成、2C2S·CaCO3、2C2S·CaSO4、2Ca SO4·K2SO4等結皮，影響窯的正常運行。
　　(2) 窯的溫度提高對耐火材料的破壞加劇
　　大型預分解窯多采用篦式冷卻機和多風道噴煤嘴，篦式冷卻機熱回收率高，二次風溫可達1150℃，多風道噴煤嘴一次風量較少，因此火焰溫度提高很多，出窯熟料溫度可達1400℃，使得窯口、冷卻帶、燒成帶、過度帶、分解帶甚至窯門罩、冷卻機的溫度水平遠高于傳統(tǒng)窯的相應部位。
　　溫度提高不僅對耐火材料提出更高的耐火要求，而且溫度的提高加劇了窯料對耐火材料的化學侵蝕，用于傳統(tǒng)窯相應部位的材料在預分解窯上壽命急劇下降。
　　(3) 窯的單位產量提高，窯筒轉速加快，加劇了耐火材料的應力破碎。
　　預分解窯產量較之相同直徑的傳統(tǒng)窯提高2倍以上，窯的轉速達到3~4轉/分。窯筒高速運轉不但機械應力大為增加，由于窯襯每轉一周所受到的周期性溫差的頻率的增加使得造成熱沖擊的熱應力破壞也同時加劇。因此預分解窯要求窯襯材料要有更高的整體穩(wěn)定性和抗熱震穩(wěn)定性。
　　(4) 窯直徑加大，保護性窯皮的穩(wěn)定性差
　　大型預分解窯的直徑增大，2000噸/日的窯直徑為4米，4000噸/日窯直徑為4.7米，又加之窯速加快，機械振動加劇，因而作為高溫帶窯襯的保護性窯皮更易脫落，不易補掛，所以要求用于高溫帶耐火材料除有更耐高溫熟料侵蝕及熱震穩(wěn)定性，還需有更易粘掛窯皮的性能。
　　(5) 窯系統(tǒng)結構復雜，要求高的節(jié)能效果
　　預分角窯由預熱系統(tǒng)、回轉窯和冷卻機系統(tǒng)組成，結構遠較傳統(tǒng)窯復雜。對耐火材料而言首先是磚型復雜，計有80~100種之多，這就要求耐火材料在生產、運輸、保管、砌筑等環(huán)節(jié)加強管理，并且對磚型的設計要簡單化、規(guī)范化、盡量減少特異型制品和簡化施工，還需要研制各種功能的耐火澆注料用于形狀復雜的部位。
　　預熱器及冷卻機系統(tǒng)表面積很大，是預分解窯表面散熱損失的主體。為了降低能耗，必須采用多種隔熱材料與耐火材料組成復合襯里，達到降低裝備表面溫度的目的。
　　綜上所述，預分解窯由于堿、硫等揮發(fā)性組份的富集、窯溫提高、窯徑加大、窯速加快、結構復雜等原因，造成對耐火材料的化學侵蝕、高溫破壞、機構應力和熱應力等綜合破碎效應比傳統(tǒng)窯要大，再加之對窯襯提出更高的節(jié)能要求，因此必須針對預分解窯的各部位不同的要求研究制不同的新型材料。
　　2 我國預分解窯配套耐火材料的發(fā)展過程
　　我國水泥窯用耐火材料七十年代以前沒有形成專門的產業(yè)，使用冶金工業(yè)的普通粘土磚、高鋁磚。七十年代中后期，中國建材研究院為配合當時水泥窯（傳統(tǒng)）增產、挖潛及長期安全運轉的要求，同時也為解決耐火材料供應緊缺的問題，研制了用于分解帶、過渡帶的磷酸鹽結合高鋁磚，用于冷卻帶的磷酸鹽耐磨磚，用于燒成帶的水玻璃結合鎂磚和聚磷酸鈉結合鎂磚以及普通鋁酸鹽耐火混凝土材料等，并同時形成生產線。這些材料在國內推廣使用使得傳統(tǒng)窯的耐火材料消耗大為降低，收到了明顯效果。
　　八十年代初我國開始引進國外大型預分解水泥生產成套裝備，由于當時我國沒有相應的耐火材料品種的產品，只得全套進口。預分解窯需用耐堿粘土質、高鋁質、鎂鉻質、高強隔熱、硅酸鈣類、低水泥型高鋁、剛玉、耐堿澆注料、碳化硅復合制品等類材料。為了國家重點科技術攻關任務在“六五”、“七五” 、“八五” 、“九五” 的連續(xù)攻關工作中研制了數(shù)十個材料新品種，進行了生產轉化，并與設計單位協(xié)作進行了大量的配套應用開發(fā)研究工作。