我国新型干法水泥窑用耐火材料的技术进展与现状1

水泥 2000-12-06

为了提高水泥熟料烧成热效率、降低能源消耗，在六十年代德国首先开发的悬浮预热器窑已发展成熟。七十年代，在此基础上日本开发了预分解水泥生产技术。预分解水泥生产技术一经问世就以其技术的先进性获得世人瞩目，它不仅使水泥熟料煅烧系统的热耗降低，而且单机生产能力大大提高，远超过同直径的湿法窑或传统干法窑。表1列出了不同生产方式的水泥窑的技术情况。
表1 不同水泥窑型的生产能力及热耗
干法:窑径(米)3.75 生产能力(熟/日)520 热耗(千焦/公斤熟料)5596.3
半干法:窑径(米)4.00 生产能力(熟/日)996 热耗(千焦/公斤熟料)4045
湿法:窑径(米) 4.00 生产能力(熟/日) 650 热耗(千焦/公斤熟料) 6219
新型干法(NSP):窑径(米)4.00 生产能力(熟/日)2000 热耗(千焦/公斤熟料)3600
我国在七十年代也自主开发了预分解水泥生产技术，例如中国建材研究院完成的石岭水泥厂日产4000吨熟料的四级预分解窑和八十年代初天津水泥设计院完成的日产2000吨熟料预分解窑。自八十年代以来，我国从国外引进了大型预分解窑的成套技术与装备，对促进我国新型干法水泥窑的技术发展和装备水平的不断提高起到了积极的推动作用。
1 新型干法水泥窑对耐火材的要求
　　传统水泥窑用耐火材料品种比较单一，最早全窑都采用Al2O3含量30~40%的粘土砖。自三十年代以后，为了提高窑衬寿命，在煅烧带开始配用Al2O3≥50%的高铝砖。随着窑规模逐渐增大和熟料产、质量的不断提高，煅烧带高铝砖使用寿命不能满足要求，欧洲在四十年代开始在煅烧带采用普通镁铬砖，到五十年代，发达国家已基本在煅烧带全部采用镁铬砖（少数用白云石砖）。预热带用粘土砖、分解带热端及冷却带采用高铝砖、烧成带采用镁铬砖这种配套方案基本满足了传统水泥窑的使用要求。
　　七十年代预分解水泥窑问世以后，开始时这种新型窑炉并未在实际生产中表现出明显的技术优越性，主要原因是运转率低，造成了预分解窑运转率低的原因除了设备故障因素外，主要是各部位的耐火材料不能满足使用要求，经常由于耐火材料需要更换维修被迫停窑。为了充分发挥预分解窑高效、低耗的优越性必须针对该窑型各部位的不同使用要求，研制多种耐火材料新品种合理配套使用才能提高运转率。
　　预分解水泥窑与传统水泥窑比较有如下特点：
　　(1) 碱及硫、氯等挥发性组份侵蚀严重
　　由于预分解窑充分利用余热预热入预热器的生料，碱的硫酸盐和氯化物挥发、凝聚，反复循环，使得这些组份在窑中富集，与原始生料相比在最热级预热器的窑料中R2O增加5倍，SO3增加3~5倍。相应部位的窑气中这些组份的含量也大为增加。耐火材料表面温度为800~1200℃的部位，包括预热器、分解炉、上升烟道、下料斜坡、窑筒后部甚至窑门罩和冷却机热端所用的粘土砖和普通高铝砖受到来自窑料和窑气碱化化合物的侵蚀，形成膨胀性矿物使耐火材料开裂剥落，发生“碱裂”破坏。并且硫、氯等挥发物组分在上述部位耐火材料表面形成、2C2S·CaCO3、2C2S·CaSO4、2Ca SO4·K2SO4等结皮，影响窑的正常运行。
　　(2) 窑的温度提高对耐火材料的破坏加剧
　　大型预分解窑多采用篦式冷却机和多风道喷煤嘴，篦式冷却机热回收率高，二次风温可达1150℃，多风道喷煤嘴一次风量较少，因此火焰温度提高很多，出窑熟料温度可达1400℃，使得窑口、冷却带、烧成带、过度带、分解带甚至窑门罩、冷却机的温度水平远高于传统窑的相应部位。
　　温度提高不仅对耐火材料提出更高的耐火要求，而且温度的提高加剧了窑料对耐火材料的化学侵蚀，用于传统窑相应部位的材料在预分解窑上寿命急剧下降。
　　(3) 窑的单位产量提高，窑筒转速加快，加剧了耐火材料的应力破碎。
　　预分解窑产量较之相同直径的传统窑提高2倍以上，窑的转速达到3~4转/分。窑筒高速运转不但机械应力大为增加，由于窑衬每转一周所受到的周期性温差的频率的增加使得造成热冲击的热应力破坏也同时加剧。因此预分解窑要求窑衬材料要有更高的整体稳定性和抗热震稳定性。
　　(4) 窑直径加大，保护性窑皮的稳定性差
　　大型预分解窑的直径增大，2000吨/日的窑直径为4米，4000吨/日窑直径为4.7米，又加之窑速加快，机械振动加剧，因而作为高温带窑衬的保护性窑皮更易脱落，不易补挂，所以要求用于高温带耐火材料除有更耐高温熟料侵蚀及热震稳定性，还需有更易粘挂窑皮的性能。
　　(5) 窑系统结构复杂，要求高的节能效果
　　预分角窑由预热系统、回转窑和冷却机系统组成，结构远较传统窑复杂。对耐火材料而言首先是砖型复杂，计有80~100种之多，这就要求耐火材料在生产、运输、保管、砌筑等环节加强管理，并且对砖型的设计要简单化、规范化、尽量减少特异型制品和简化施工，还需要研制各种功能的耐火浇注料用于形状复杂的部位。
　　预热器及冷却机系统表面积很大，是预分解窑表面散热损失的主体。为了降低能耗，必须采用多种隔热材料与耐火材料组成复合衬里，达到降低装备表面温度的目的。
　　综上所述，预分解窑由于碱、硫等挥发性组份的富集、窑温提高、窑径加大、窑速加快、结构复杂等原因，造成对耐火材料的化学侵蚀、高温破坏、机构应力和热应力等综合破碎效应比传统窑要大，再加之对窑衬提出更高的节能要求，因此必须针对预分解窑的各部位不同的要求研究制不同的新型材料。
　　2 我国预分解窑配套耐火材料的发展过程
　　我国水泥窑用耐火材料七十年代以前没有形成专门的产业，使用冶金工业的普通粘土砖、高铝砖。七十年代中后期，中国建材研究院为配合当时水泥窑（传统）增产、挖潜及长期安全运转的要求，同时也为解决耐火材料供应紧缺的问题，研制了用于分解带、过渡带的磷酸盐结合高铝砖，用于冷却带的磷酸盐耐磨砖，用于烧成带的水玻璃结合镁砖和聚磷酸钠结合镁砖以及普通铝酸盐耐火混凝土材料等，并同时形成生产线。这些材料在国内推广使用使得传统窑的耐火材料消耗大为降低，收到了明显效果。
　　八十年代初我国开始引进国外大型预分解水泥生产成套装备，由于当时我国没有相应的耐火材料品种的产品，只得全套进口。预分解窑需用耐碱粘土质、高铝质、镁铬质、高强隔热、硅酸钙类、低水泥型高铝、刚玉、耐碱浇注料、碳化硅复合制品等类材料。为了国家重点科技术攻关任务在“六五”、“七五” 、“八五” 、“九五” 的连续攻关工作中研制了数十个材料新品种，进行了生产转化，并与设计单位协作进行了大量的配套应用开发研究工作。