水泥窑过渡带用低导热特种莫来石砖
水泥 中国水泥网信息中心 2024-05-07
马淑龙 杨 晨 安建成 张康康 池 朋 李燕京 罗华明
北京金隅通达耐火技术有限公司 北京 100085
摘要：试验以高纯莫来石为主要原料配合金属塑性相制备低导热特种莫来石砖。通过对特种莫来石砖的理化性能指标进行检测，并将检测结果与镁铝尖晶石砖和硅莫红砖对比分析，结果显示，特种莫来石砖具有气孔率低、体积密度低、荷重软化温度高、热震稳定性高等特点。特种莫来石砖可替代镁铝尖晶石砖和硅莫红砖用于水泥窑过渡带等区域，相对镁铝尖晶石砖可降低筒体温度100℃以上，降低筒体载荷15%，节能减排效果明显。
关键词：水泥窑，过渡带，低导热，特种莫来石砖；
随着协同处置水泥技术的发展，大量替代原燃料的应用使得水泥窑用耐火材料的服役环境日益恶化，耐材服役寿命缩减。目前水泥窑过渡带多使用镁铝尖晶石砖或者硅莫红砖，由于其导热系数高，不利于节能降耗，还会导致筒体腐蚀加剧，严重的致使筒体断裂，不仅影响水泥窑的正常运转，更给生产安全带来很大隐患[1]。通达多年来致力于低导热莫来石砖开发，开发出系列莫来石制品，特种莫来石砖为同系列产品[2-5]，特种莫来石砖在保持良好耐高温性能和耐磨性能基础上，通过引入金属塑性相可以实现气孔微细化，在降低气孔率同时有效缓冲应力改善材料的力学性能、高温韧性[6-7]。低导热特种莫来石砖在实现降低筒体温度同时降低筒体载荷，实现节能降耗目的，推动水泥行业节能减排。
1、特种莫来石砖的制备与理化性能
1.1 特种莫来石砖的理化性能
特种莫来石砖所用的原料以高纯莫来石原料为主体，配合金属塑性相、广西白泥等原料制备而成。特种莫来石砖与镁铝尖晶石砖和硅莫红砖的的理化性能对比见表1所示，结果显示，特种莫来石砖具有低显气孔、低密度、高荷重软化温度、高热震稳定性的优点。低的气孔率、低的铝含量有利于改善材料抗硫碱侵蚀渗透性能；体积密度2.55g/cm3，比镁铝尖晶石砖和硅莫红砖均低，可降低筒体载荷约10%-15%。
表1 特种莫来石砖与镁铝尖晶石砖和硅莫红砖的理化性能对比
1.2 特种莫来石砖导热性能
对特种莫来石砖与硅莫红砖在600℃、800℃、1000℃的导热系数进行了测定，结果如下表2所示。随着处理温度的提高，各温度下试样的导热系数不断提高，同一试样随着测试温度的提高导热系数也不断提高。特种莫来石砖的导热系数明显低于硅莫红砖，只有硅莫红的57%，镁铝尖晶石砖的44%。
表2 特种莫来石砖、镁铝尖晶石砖和硅莫红砖不同温度下的导热系数（W·m·K）
1.3 特种莫来石砖耐磨性能
为了对比不同温度下处理后材料的耐磨性能，特种莫来石砖与硅莫红砖试样经过耐磨实验后的磨损量A（cm3）及表观形貌分别如下图1及表3所示。可以看出各试样都出现了不同程度的磨损，特种莫来石砖磨损量为5.58cm3接近硅莫红砖的4.54cm3，表现出优异的耐磨性能，分析认为该试样骨料与基质界面形成良好的莫来石结合，界面结合更好。
表3 各试样的磨损量A
图1 试样耐磨实验后的表观形貌
1.4 特种莫来石砖抗碱侵蚀性能
特种莫来石砖（a）与硅莫红砖（d）抗K2CO3侵蚀实验，从抗碱侵蚀后的照片（图2）可以看出，特种莫来石砖抗碱侵蚀性能达到硅莫红砖抗碱侵蚀性能。特种莫来石砖显气孔率低，加上金属塑性相引入，使得特种莫来石砖表现出优良的抗碱侵蚀性能。
图2 试样抗碱侵蚀实验后的外观照片
2、特种莫来石砖的应用
特种莫来石砖在台泥某2500t/d水泥窑使用区域24m-30.6m，砌筑照片及使用1个月筒扫温度照片如图3所示，大约280℃相对前端相邻镁铝尖晶石砖温度380℃以上，可降低温度100℃以上，相对于后端相邻的硅莫砖1650温度320℃降低50℃，降低水泥窑筒体温度效果明显。
图3 特种莫来石砖在回转窑砌筑及使用1个月后筒扫照片
图5 特种莫来石砖在回转窑使用7个月照片
截至目前已经使用寿命超一年。图5为特种莫来石砖使用7个月的窑内砖及筒扫照片，从整体来看非常完整，筒体温度约290℃，比前端相邻镁铝尖晶石还要低100℃左右，降低水泥窑筒体温度效果明显，节能效果显著。
3、特种莫来石砖的节能减排估算
按照特种莫来石砖在水泥窑使用效果，以5000t/d水泥窑为例，使用区域为25m-40m，按照目前特种莫来石砖的导热系数，代替镁铝尖晶石砖使用前后温度从380℃降低300℃以下，按照筒体温度降低80℃进行计算。特种莫来石砖代替镁铝尖晶石砖节煤计算见表4所示。窑筒体散热量计算采用多平壁传热公式进行估算，即筒体向大气的散热量为筒体自然对流传热和辐射传热损失之和。特种莫来石砖代替镁铝尖晶石砖吨熟料煤耗可以降低0.808Kg。按照5000t/d设计产能150万吨可实现节煤1212吨。按照标准吨煤耗折合CO2排放通用计算比例2.66-2.72，SO2排放8.5kg，NOx排放7.4kg计算，每年可降低CO2排放3150吨，减少SO2排放10.3吨，减少NOx排放9.0吨。低导热特种莫来石砖对水泥厂节能减排意义重大。
注：Ts-筒体外表面温度（380℃-300℃），Ta-环境温度（20℃），ε-窑筒体材料黑度（0.96），Γ-自然对流常数（1.5），D-筒体外直径（4.85m），L-降温区域筒体长度（15m）
4、结论
（1）特种莫来石砖具有低气孔、低密度、高热震稳定性的特性，特种莫来石砖体积密度2.55g/cm3，比镁铝尖晶石砖和硅莫红砖均低，可降低筒体载荷约10%-15%。
（3）特种莫来石砖应用于水泥窑过渡带，筒体温度280℃左右，相对镁铝尖晶石砖可降低温度100℃以上，相对于硅莫红砖温度降低50℃，降低水泥窑筒体温度效果明显。
参考文献：
[1]杨宏乾.水泥窑协同处置危险废物工艺选择对窑系统的影响和应对措施[J].中国水泥,2021.
[2]马淑龙,康剑,杨晨,等.水泥窑用不同铝硅系耐火砖抗碱侵蚀性能研究[J].耐火材料,2023,57(2):131-134.
[3]马淑龙,王立宁,康剑等.水泥窑用低导热莫来石砖的性能及应用[C].第十七届全国耐火材料青年学术报告会论文集.2020:6.
[4]马淑龙,苏玉柱,张康康等.水泥窑用低导热单晶相莫来石砖的研制[J].耐火与石灰,2023,48(01):1-3.
[5]王治峰,李亚伟,徐义彪,等.铝硅系耐火原料与碱蒸气反应侵蚀行为[J].硅酸盐学报,2022(006):050.
[6]马淑龙,王治峰,马飞等.Si粉对刚玉-莫来石砖性能的影响[J].耐火材料,2022,56(04):309-311.
[7]塑性相结合刚玉复合砖的高温性能[J].薛文东,孙加林,张厚兴,熊尾贞,洪彦若,曲殿利,李志坚,王琳琳,李献明,白周京.耐火材料,2002(01)
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