水泥窯用耐火材料的應用現(xiàn)狀與發(fā)展

第一部分          

　　圣奧公司現(xiàn)代機立窯節(jié)能型襯里技術(shù)與實踐          

　　機立窯水泥企業(yè)是中國水泥工業(yè)的特色，隨著國家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整，環(huán)保執(zhí)法的力度加大，以及ISO新標準的實施，對立窯企業(yè)將是一個嚴竣的挑戰(zhàn)，因此立窯企業(yè)只有加大科技投入力度，依靠合理的生產(chǎn)工藝、先進的生產(chǎn)設(shè)備、科學的管理方法，徹底的粉塵治理，才能夠以低成本的投入，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)低消耗（即各種生產(chǎn)指標、經(jīng)濟效益）達到現(xiàn)代化的水泥生產(chǎn)要求，立窯企業(yè)才有生存空間。          

　　機立窯是我國建材工業(yè)中大量消耗能源的窯爐之一，節(jié)約能源顯得十分重要。十幾年來隨著機械化立窯的不斷發(fā)展，對優(yōu)質(zhì)耐火材料的需求也日益迫切，這種市場需求，有力地促進了我所在耐火材料方面的研究更進一步，并向優(yōu)質(zhì)高效、多品種、系列化發(fā)展，在提高質(zhì)量、發(fā)展品種方面又取得了一定的成績。至今在全國400多機立窯廠家使用實踐表明，可降熱耗15—20%，且改善操作工況，為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)創(chuàng)造良好的條件。          

第一章：立窯窯襯的作用及機理          

一.   窯襯的作用          

1.保護筒體          

　　立窯是一個高溫煅燒設(shè)備，料球在燒成帶的煅燒溫度達到1450℃，然而立窯筒體只是一個用一厘米厚的鋼板卷制成的外殼，必須要求具有一定強度和密封性能的窯襯材料來保護它，共同承擔來自窯內(nèi)物料和氣體的高溫、高壓、腐蝕、磨損作用，以完成物料在窯內(nèi)的一系列物理化學變化過程。          

2.減少熱損失          

　　每生產(chǎn)一噸熟料，需要消耗發(fā)熱量為5500×4.18KJ/kg的實物煤146～200公斤，這其中真正用于熟料煅燒的用煤約80公斤，即：理論熱耗僅占51%；另外，蒸發(fā)料球水分的熱耗占15.8%、熟料帶走6.5%、煙氣帶走5.2%，其余22.55%為包括“窯壁散熱”在內(nèi)的各種熱損失。因此，窯襯材料的隔熱保溫對于立窯煅燒節(jié)能十分重要。         

3.穩(wěn)定熱工制度         

　　在立窯內(nèi)，物料主要依靠自重作垂直向下運動，相互之間交叉換位較少，造成料球受熱不均；加上窯體結(jié)構(gòu)帶來的先天不足，如：“邊風過剩、中心通風不良”及窯壁散熱損失等原因，使中部需要熱量少、邊部需要熱量多，在立窯的同一斷面上，煅燒所需要的熱量是不一樣的，一般情況下，邊部比中部多需要（300～500）×4.18KJ/kg，這給生產(chǎn)工藝及煅燒操作帶來難度。從傳熱角度考慮，優(yōu)化窯襯材料、強化隔熱保溫效果、減少窯壁散熱損失，是均衡立窯斷面熱力強度、穩(wěn)定熱工制度的最佳選擇。         

4．改善立窯煅燒狀態(tài)         

　　窯體內(nèi)壁的形狀由窯襯材料砌筑所決定，它直接影響著窯內(nèi)風、料、煤的動態(tài)三平衡。上部預燒帶的喇叭口角度、下部冷卻帶的倒喇叭口和倒階梯形式，對控制立窯煅燒過程中的加料速度、上火速度、卸料速度三平衡至關(guān)重要。它不僅引導邊風向窯中心移動、強化中心通風，而且在冷卻帶逐步擴大物料之間的空隙率，減小通風阻力、預熱底風、改善熟料質(zhì)量；近年來研制的新型節(jié)能窯襯材料，配套合理、熱阻增大，還可以適當減薄立窯襯里厚度，在窯體規(guī)格不變的情況下，擴大窯內(nèi)有效容積，提高單機生產(chǎn)能力及熟料臺時產(chǎn)量。         

一.   立窯對窯襯材料的要求         

　　常用的窯襯材料實際上是由三部分組成：耐火材料、隔熱保溫材料和膠結(jié)材料。         

1.耐火材料         

　　①抗高溫熱力損失：耐火度不低于1580℃的無機非金屬材料及制品稱之為耐火材料。在窯內(nèi)高溫作用下，不軟化、不溶化；在正?；虿徽５那闆r下，都能保持一定的結(jié)構(gòu)強度和體積密度的穩(wěn)定性。這種耐火材料砌筑的窯體襯里，才能維持正常的操作和生產(chǎn)。         

　　②抗酸堿化學侵蝕：物料在窯內(nèi)的煅燒過程，要經(jīng)過一系列各種復雜的物理化學反應，不同部位產(chǎn)生的酸性氣體或堿性熔渣都會侵蝕窯襯。尤其是燒成帶，反應物料在高溫下出現(xiàn)液相，對耐火材料的化學侵蝕作用更為強烈。因此要求材料不能參與化學反應，不出現(xiàn)粘料現(xiàn)象。         

　?、劭刮锪线\動磨損：立窯煅燒過程中，物料從由上到下、從低溫到高溫、再到低溫不停地運動。窯體內(nèi)壁的襯里始終經(jīng)受著物料的運動磨損，尤其是煅燒后形成的熟料磨琢性較強，對襯里的磨損更為嚴重。因此，砌筑在窯體內(nèi)壁的耐火材料必須具備較強的抗磨能力。         

　　④規(guī)范的外形尺寸：耐火材料的砌筑質(zhì)量對立窯煅燒過程有著重要影響。立窯內(nèi)壁不圓，煅燒時容易引起“偏火”現(xiàn)象；磚面不平、接觸不緊密，在窯內(nèi)底火位置不穩(wěn)定時，由于熱震現(xiàn)象會發(fā)生襯里松動，降低使用壽命和窯體熱損失增加等等。因此，耐火磚的形狀和外形尺寸一定要規(guī)范和準確，這是保證砌筑質(zhì)量最基本的條件。          

SA-75高強耐磨磚    100mm          

SA-75 high-strength abrasion-resistant bricks   

　　　本產(chǎn)品采用多種規(guī)格的高鋁熟料，并加入復合鋁系超微粉和納米級的硅微粉，使成品磚中氧化鋁的含量達到75%以上，進一步提高了產(chǎn)品的抗侵蝕能力，延長了耐磨磚的使用壽命，使用時間達到一年以上，最高可達兩年。

2.隔熱保溫材料        

　?、賹嵯禂?shù)?。簜鬟f熱量能力大小的物理量稱之為導熱系數(shù)。金屬導熱系數(shù)大于非金屬、液體導熱系數(shù)大于氣體；數(shù)值越大，傳熱能力越強，反過來說：隔熱能力越差。在固體材料中，一般把導熱系數(shù)最小的（≤0.22W/m·℃）非金屬材料稱之為隔熱材料。這些材料氣孔多、分布均勻、容積密度小，隔熱保溫性能好。        

　　②熱穩(wěn)定性好：隔熱材料的使用溫度低于耐火材料，一般在1100℃以下。在使用溫度范圍內(nèi)，要求長期工作不變質(zhì)、不損壞、不腐蝕立窯筒體；材料中可燃物、有機物、含水量極少。        

　?、劬哂幸欢ǖ膹姸群涂伤苄裕焊魺岜貙右话阍O(shè)置在耐火磚與筒體之間，需要滿足施工要求，并能承受一定的外力作用；除隔熱保溫制品之外，在其余空間還要用不定型的澆注料，來膠結(jié)成一個保溫的整體。        

（1）SA-FB復合磚    120mm        

SA-FB composite brick

　　本產(chǎn)品無毒、無害、無污染、無刺激、防水、不可燃。容量輕，導熱系數(shù)小，保溫絕熱性能良好，物理性能穩(wěn)定，不老化，施工快捷，可隨意彎曲裁剪。也是大型機立窯的必需材料。    

（2）SA-QZ多孔保溫磚    180mm      

SA-QZ porous insulating bricks    

　　本產(chǎn)品是采用輕質(zhì)骨料和耐火粉料混合制作，具有多孔結(jié)構(gòu)的保溫磚，導熱系數(shù)降低到小于等于0.4 W/（m.k），筒體高溫帶外部的溫度小于等于45℃，保溫性能更好，熱能損失更少，節(jié)省了能源。因而達到整體密實的保溫效果。   

（3）SA-135高強高溫澆注料    220mm    

SA-135 high-strength and high-temperature castable    

　　 本產(chǎn)品常溫、中溫強度高，具有很高的抗高溫氣流沖刷及耐磨損性能，熱震穩(wěn)定性好，高溫體積微膨脹，有效保證窯爐襯底的氣密性。  

（4）SA-QZ陶粒隔熱磚    300mm  

SA-QZ ceramic grain insulating brick   300mm 

　　　本產(chǎn)品由輕質(zhì)粘土陶粒，經(jīng)高溫燒制而成，具有輕質(zhì)、隔熱、隔音、高強、導熱系數(shù)低、耐火、耐腐蝕、耐磨和抗震性好的特點。

3.膠結(jié)材料

　　在砌筑耐火磚和保溫磚的時候，需要化學成分與物理性能與磚接近的結(jié)合劑，來填充磚縫、使襯里形成一個嚴密的整體，這就是膠結(jié)材料。俗稱：耐火泥（或稱火泥）。它是由粉狀耐火物料和結(jié)合劑組成的一種不定形耐火材料。按火泥的材質(zhì)可分為粘土質(zhì)，高鋁質(zhì)，硅質(zhì)和鎂質(zhì)火泥，其粒度根據(jù)使用要求?？刂圃?毫米以下。選用時，除注意必須與所砌材料性質(zhì)一致（或相當）之外，還要求它必須具備粘結(jié)力強、施工性能好、耐酸堿腐蝕、耐沖刷磨損和必要的耐火度；同時，不能因干燥和燒成引起的膨脹或收縮而造成磚縫開裂。

MF－170涂料（抹面料）

MF-170 coating material

第二章：立窯襯里節(jié)能技術(shù)的優(yōu)化進程—新型窯襯材料的發(fā)展

　　立窯襯里材料的配套選用和砌筑質(zhì)量，直接影響到立窯煅燒的產(chǎn)、質(zhì)量，以及能耗和安全生產(chǎn)，這一點早已被人們所共識。上個世紀，立窯一直是我國水泥生產(chǎn)的主體，從70年代起，國家曾經(jīng)投入一定數(shù)量的人力、物力和資金，進行了一系列的科學研究和工業(yè)試驗。提出了一些辦法和措施，并在生產(chǎn)中也曾經(jīng)取得過一定的效果，但應用周期不長。主要原因之一是：“生產(chǎn)工藝變化較多、材料質(zhì)量改進不足”。

　　九十年代后期，國、內(nèi)外材料科學研究水平的提高，尤其是冶金行業(yè)的技術(shù)進步，促進了耐火材料行業(yè)的高速發(fā)展。許多新型耐火材料、隔熱保溫材料相繼出現(xiàn)，其品質(zhì)指標、使用性能，都上升到一個新的臺階。它帶動了水泥行業(yè)的窯襯材料應用技術(shù)研究，相關(guān)部門也自動地由單一的熟料煅燒工藝研究，轉(zhuǎn)變?yōu)橐r里材料的品質(zhì)、性能、配套、優(yōu)化研究。

　　磷酸鹽結(jié)合高鋁質(zhì)耐火磚簡稱為：磷酸鹽磚。目前被公認為是水泥窯爐優(yōu)質(zhì)耐火、耐磨襯里之一。磷酸鹽磚近于中性磚，無論是在氧化氣氛、還是還原氣氛，都不會影響使用強度。在1500℃以下，磷酸鹽磚的化學穩(wěn)定性非常好、在高溫下，熱穩(wěn)定性也非常好，具有良好的抗沖擊、抗磨損能力；實踐證明，作為立窯高溫帶襯里，比高鋁磚使用壽命長1～2倍。一般情況下，用于立窯喇叭口的磷酸鹽磚壽命為1.5～2年、用于燒成帶的壽命為3～4年。

　　磷酸鹽磚以高鋁礬土熟料為骨料和細粉，其吸水率為3.4%，體積密度3.12g/cm³；根據(jù)制品的使用條件，適當加入石墨粉、工業(yè)硅等，以磷酸或磷酸鋁為結(jié)合劑，采用半干法成型，在400～600℃熱處理，化學結(jié)合成為高鋁質(zhì)耐火制品。該耐火制品按結(jié)合劑不同分為：

　?。?）磷酸鹽結(jié)合高鋁質(zhì)磚（簡稱：磷酸鹽磚）。代號P，鎖縫磚代號PC。結(jié)合劑為磷酸溶液、濃度42.5%～50%；

　?。?）磷酸鋁結(jié)合高鋁質(zhì)耐磨磚（簡稱：耐磨磚）。代號PA。結(jié)合劑為工業(yè)氫氧化鋁、工業(yè)磷酸配成的磷酸鋁溶液。耐磨磚的耐磨性優(yōu)于磷酸鹽磚，因此在有條件的情況下，立窯襯里應優(yōu)選耐磨磚。

　　用于立窯襯里的保溫材料，除了要求導熱系數(shù)?。嶙璐螅┲?，還要看其使用溫度能否達到900℃以上，否則保溫層非常容易粉化，失去應有的強度和隔熱性能。選擇導熱系數(shù)低于0.05w/m℃的硅酸鈣隔熱板與硅酸鋁板、空心球澆注料等配套的保溫層，能夠使保溫層整體化、延長服務年限，同時，厚度最薄、隔熱效果最好?；具_到窯內(nèi)中、邊部物料溫度差不大于50℃、燒成帶窯體外壁溫度低于45℃。最簡單、最直觀的感覺就是在現(xiàn)場去觸摸窯體燒成帶外壁，不感覺燙手。這樣的工作狀態(tài)，就給立窯煅燒熱工制度穩(wěn)定、實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、高產(chǎn)，創(chuàng)造了有利條件。

第三章、新型窯襯材料的技術(shù)經(jīng)濟分析

　　　浙江圣奧耐火材料有限公司，是國家建材行業(yè)生產(chǎn)力促進中心長興耐火材料分中心、中國建材工業(yè)經(jīng)濟研究會成員單位。始建于1985年，近20多年來與科研院校合作，為耐火、保溫材料的研制、開發(fā)，進行了大量工作。尤其是對水泥立窯節(jié)能襯里的材質(zhì)優(yōu)化、應用配套，為用戶之急所急、為用戶之想所想，取得了顯著效果，贏得了贊譽。公司提出“快樂來自為人著想、成功在于以誠相待”的服務宗旨，2004年獲得“全國建材行業(yè)誠信、維權(quán)標兵企業(yè)”、“全國耐火材料行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)放心品牌”的光榮稱號。

　　　在立窯煅燒過程中，影響產(chǎn)、質(zhì)量及能耗的因素很多，一般可歸納為三大類：工藝因素、機械因素和操作因素。工藝因素如：配料方案、生料合格率、易燒性、煤質(zhì)與配熱、成球質(zhì)量等；機械因素包括：窯體結(jié)構(gòu)、加料裝置、卸料篦子、通風除塵等；操作因素是指：煅燒方法、熱工制度、控制手段、崗位工技術(shù)水平等等。一個生產(chǎn)多年的立窯水泥廠，在這諸多的影響因素中，采用“立窯節(jié)能襯里配套技術(shù)”，見效最快、受益最明顯。因為僅“減少熱損失和保溫層減薄”這兩點帶來的經(jīng)濟效益，就十分可觀。

　　中國水泥協(xié)會立窯研究會提出“現(xiàn)代立窯八個基本條件”后，各地立窯企業(yè)紛紛采用二十項適用技術(shù)，進行節(jié)能挖潛技術(shù)改造。浙江圣奧耐火材料有限公司參與的就有一百多家，他們原來的熟料熱耗都在（1000～1100）×4.18 KJ/kg左右,改造后都達到900×4.18 KJ/kg以下，窯體外壁溫度也能觸摸不燙手。根據(jù)國內(nèi)建材研究院校熱工檢測部門，對立窯熱工標定的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，立窯燒成帶窯壁溫度降低1℃，窯內(nèi)熟料熱耗可降低10～15KJ/kg。這些廠普遍都降低30℃以上，窯內(nèi)熟料熱耗一般降低（100～200）×4.18KJ/kg，相當于每生產(chǎn)一噸熟料可節(jié)省實物煤（發(fā)熱量為5500×4.18KJ/kg）18～36公斤。一臺年產(chǎn)十萬噸熟料的立窯,每年就可以節(jié)煤1800～3600噸,折合當前的國內(nèi)平均價格（400元/噸煤）節(jié)支人民幣72～144萬元。

　　采用新型耐火、隔熱保溫材料配套的窯體襯里，盡管材料價格有所增加，但整體用量減少，因此與傳統(tǒng)材料相比，窯襯總投資基本持平。由于窯襯的厚度減薄，斷面直徑增加0.15～0.2米,窯內(nèi)煅燒容積增大，熟料臺時產(chǎn)量一般可提高1～2噸，每年、每臺立窯熟料增產(chǎn)0.8～1.6萬噸，折合人民幣增收100～200萬元。

　　其它效益，如：改善通風質(zhì)量后，風機阻力減小的節(jié)電效益；斷面熱力強度改善，提高熟料質(zhì)量的效益；延長窯襯材料使用壽命，降低維修費用的效益等等，在此就不一一列舉。該新型節(jié)能窯襯已列入《立窯水泥企業(yè)技術(shù)進步指南》中的二十項適用技術(shù)，科學性、先進性、實用性和可操作性，已被上百家立窯企業(yè)所證實和共享，必將為立窯企業(yè)在競爭中求生存、求效益，開劈一條新的途徑。

第四章、環(huán)保節(jié)能的新型機械化立窯

　　老式水泥立窯在我國經(jīng)濟快速發(fā)展時期是做出重大貢獻的，但隨著現(xiàn)代化大型，新型干法回轉(zhuǎn)窯的快速發(fā)展立窯水泥退出數(shù)量上的主體地位，已成為我國水泥工業(yè)發(fā)展的歷史必然。但作為中小水泥企業(yè)主體的立窯企業(yè)，在相當長的一段時期內(nèi)，依然是我國水泥工業(yè)的重要組成部分，特別是經(jīng)濟相對落后的中西部地區(qū)更是不可忽視的。這些相對規(guī)模較小的水泥企業(yè)的合理布局，能縮短水泥運輸距離，并且能充分利用中、小型石灰石礦山資源，這些都能起到較好的作用。所以不加區(qū)別的一律全世界人民部淘汰的做法是不可取的，但如果不加改造，落后的立窯企業(yè)也缺乏競爭能力，也將被淘汰出局，唯一方法是加快技術(shù)改造到節(jié)能環(huán)保效果的現(xiàn)代化新型機械化立窯。

　　表  國內(nèi)不同型先進技術(shù)經(jīng)濟指標對比

　　二十世紀九十年代后期，由于環(huán)保、節(jié)能的要求國內(nèi)外對材料學的研究加大了力度，各種新型優(yōu)質(zhì)的耐火材料、保溫、隔熱材料相繼出現(xiàn)。其品質(zhì)指標與使用性能都上升到了一個嶄新的高度，圣奧耐火材料有限公司一直致力于開發(fā)新型優(yōu)質(zhì)的節(jié)能型立窯襯里，經(jīng)過多年的研究、開發(fā)、推廣使用，形成了相當規(guī)模的市場，在全國水泥立窯生產(chǎn)企業(yè)用戶已突破了3000家，并參與了多家企業(yè)的節(jié)能挖潛技術(shù)改造，取得了非常好的效果。

　　機立窯節(jié)能型襯里是一種高效、新型的水泥立窯窯襯，采用該窯襯一般要依據(jù)水泥立窯的設(shè)備和工藝條件進行磚型設(shè)計和熱能設(shè)計，并涉及窯襯配套施工方法、水泥生料成分及其配料量的控制等多項技術(shù)。

　　該技術(shù)的綜合效果顯著、投資少、見效快、實用性強，已成功地應用于多項機立窯綜合節(jié)能改造工程，經(jīng)幾百臺各種規(guī)格的立窯采用，均取得良好效果。根據(jù)各應用廠的使用報告的綜合反映和熱工測試報告，可心充分肯定節(jié)能型窯襯具有以下功能：

①降低熟料熱耗，節(jié)能顯著；

②降低窯體表面溫度；

③增加立窯臺時產(chǎn)量；

④提高熟料質(zhì)量。

⑤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，保溫效果持久，使用壽命長。

為了提高熟料臺時產(chǎn)量而擴徑。窯徑的擴大通常是通過減薄耐火磚的厚度來達到的。為了保證擴徑后立窯的表面溫度及表面散熱損失不致提高，則更有必要采用節(jié)能型配套耐火材料，使窯體表面溫度及散熱損失大大降低，窯內(nèi)邊壁溫度提高，斷面溫度場梯度趨于平衡，進而改善煅燒情況。

本公司參與多家企業(yè)節(jié)能挖潛技術(shù)改造直徑2.5～3.8m立窯；實現(xiàn)立窯中邊部截面溫度≤50℃，筒體高溫帶外部溫度≤45℃，熟料臺時產(chǎn)量增加10～15%（3.8立窯產(chǎn)量≥25 t/h），28天抗壓強度≥56MPa，熱耗≤850kcal/kg。