我國新型干法水泥窯用耐火材料的技術(shù)進(jìn)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(yù)熱器窯已發(fā)展成熟。七十年代，在此基礎(chǔ)上日本開發(fā)了預(yù)分解水泥生產(chǎn)技術(shù)。預(yù)分解水泥生產(chǎn)技術(shù)一經(jīng)問世就以其技術(shù)的先進(jìn)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(jī)生產(chǎn)能力大大提高，遠(yuǎn)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(chǎn)方式的水泥窯的技術(shù)情況。
表1 不同水泥窯型的生產(chǎn)能力及熱耗
  干法:窯徑(米)3.75 生產(chǎn)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(chǎn)能力(熟/日)996 熱耗(千焦/公斤熟料)4045
  濕法:窯徑(米) 4.00 生產(chǎn)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(chǎn)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(yù)分解水泥生產(chǎn)技術(shù)，例如中國建材研究院完成的石嶺水泥廠日產(chǎn)4000噸熟料的四級預(yù)分解窯和八十年代初天津水泥設(shè)計(jì)院完成的日產(chǎn)2000噸熟料預(yù)分解窯。自八十年代以來，我國從國外引進(jìn)了大型預(yù)分解窯的成套技術(shù)與裝備，對促進(jìn)我國新型干法水泥窯的技術(shù)發(fā)展和裝備水平的不斷提高起到了積極的推動(dòng)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(chǎn)、質(zhì)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(dá)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(yù)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(yù)分解水泥窯問世以后，開始時(shí)這種新型窯爐并未在實(shí)際生產(chǎn)中表現(xiàn)出明顯的技術(shù)優(yōu)越性，主要原因是運(yùn)轉(zhuǎn)率低，造成了預(yù)分解窯運(yùn)轉(zhuǎn)率低的原因除了設(shè)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(yù)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(yùn)轉(zhuǎn)率。
　　預(yù)分解水泥窯與傳統(tǒng)水泥窯比較有如下特點(diǎn)：
　　(1) 堿及硫、氯等揮發(fā)性組份侵蝕嚴(yán)重
　　由于預(yù)分解窯充分利用余熱預(yù)熱入預(yù)熱器的生料，堿的硫酸鹽和氯化物揮發(fā)、凝聚，反復(fù)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(yù)熱器的窯料中R2O增加5倍，SO3增加3~5倍。相應(yīng)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(yù)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(jī)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(jié)皮，影響窯的正常運(yùn)行。
　　(2) 窯的溫度提高對耐火材料的破壞加劇
　　大型預(yù)分解窯多采用篦式冷卻機(jī)和多風(fēng)道噴煤嘴，篦式冷卻機(jī)熱回收率高，二次風(fēng)溫可達(dá)1150℃，多風(fēng)道噴煤嘴一次風(fēng)量較少，因此火焰溫度提高很多，出窯熟料溫度可達(dá)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(jī)的溫度水平遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)窯的相應(yīng)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(xué)侵蝕，用于傳統(tǒng)窯相應(yīng)部位的材料在預(yù)分解窯上壽命急劇下降。
　　(3) 窯的單位產(chǎn)量提高，窯筒轉(zhuǎn)速加快，加劇了耐火材料的應(yīng)力破碎。
　　預(yù)分解窯產(chǎn)量較之相同直徑的傳統(tǒng)窯提高2倍以上，窯的轉(zhuǎn)速達(dá)到3~4轉(zhuǎn)/分。窯筒高速運(yùn)轉(zhuǎn)不但機(jī)械應(yīng)力大為增加，由于窯襯每轉(zhuǎn)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(yīng)力破壞也同時(shí)加劇。因此預(yù)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(hù)性窯皮的穩(wěn)定性差
　　大型預(yù)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(jī)械振動(dòng)加劇，因而作為高溫帶窯襯的保護(hù)性窯皮更易脫落，不易補(bǔ)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求高的節(jié)能效果
　　預(yù)分角窯由預(yù)熱系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯和冷卻機(jī)系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)較傳統(tǒng)窯復(fù)雜。對耐火材料而言首先是磚型復(fù)雜，計(jì)有80~100種之多，這就要求耐火材料在生產(chǎn)、運(yùn)輸、保管、砌筑等環(huán)節(jié)加強(qiáng)管理，并且對磚型的設(shè)計(jì)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(fù)雜的部位。
　　預(yù)熱器及冷卻機(jī)系統(tǒng)表面積很大，是預(yù)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(fù)合襯里，達(dá)到降低裝備表面溫度的目的。
　　綜上所述，預(yù)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(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，造成對耐火材料的化學(xué)侵蝕、高溫破壞、機(jī)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力等綜合破碎效應(yīng)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(yù)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(yù)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(chǎn)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(dāng)時(shí)水泥窯（傳統(tǒng)）增產(chǎn)、挖潛及長期安全運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，同時(shí)也為解決耐火材料供應(yīng)緊缺的問題，研制了用于分解帶、過渡帶的磷酸鹽結(jié)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(jié)合鎂磚和聚磷酸鈉結(jié)合鎂磚以及普通鋁酸鹽耐火混凝土材料等，并同時(shí)形成生產(chǎn)線。這些材料在國內(nèi)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(jìn)國外大型預(yù)分解水泥生產(chǎn)成套裝備，由于當(dāng)時(shí)我國沒有相應(yīng)的耐火材料品種的產(chǎn)品，只得全套進(jìn)口。預(yù)分解窯需用耐堿粘土質(zhì)、高鋁質(zhì)、鎂鉻質(zhì)、高強(qiáng)隔熱、硅酸鈣類、低水泥型高鋁、剛玉、耐堿澆注料、碳化硅復(fù)合制品等類材料。為了國家重點(diǎn)科技術(shù)攻關(guān)任務(wù)在“六五”、“七五” 、“八五” 、“九五” 的連續(xù)攻關(guān)工作中研制了數(shù)十個(gè)材料新品種，進(jìn)行了生產(chǎn)轉(zhuǎn)化，并與設(shè)計(jì)單位協(xié)作進(jìn)行了大量的配套應(yīng)用開發(fā)研究工作。