第二代新型干法水泥工藝對耐火材料的新要求

我國水泥工業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)量由解放初期的62萬t發(fā)展到2015年的23.5億t，從1985年起連續(xù)31年產(chǎn)量及消費(fèi)量穩(wěn)居世界01位，新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)和裝備水平已與國際先進(jìn)水平接近，國產(chǎn)化裝備已經(jīng)完全可以滿足水泥工業(yè)的需求。但我國水泥熟料產(chǎn)能過剩，水泥企業(yè)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率和效益低。節(jié)能降耗、降低成本成為水泥企業(yè)提升經(jīng)濟(jì)效益的需然。中國建材聯(lián)合會先提出了水泥工業(yè)應(yīng)該大力發(fā)展"第二代新型干法水泥技術(shù)"，其目的是降低水泥生產(chǎn)能耗，提升企業(yè)效益。耐火材料作為水泥燒成過程中需要的內(nèi)襯材料，是第二代新型干法水泥工藝的物質(zhì)支撐條件。第二代新型干法水泥技術(shù)對耐火材料提出了新的要求，而耐火材料配置技術(shù)也要與之相適應(yīng)。

水泥工業(yè)中，初要求耐火材料能滿足保護(hù)金屬殼體的單一功能；而發(fā)展到第二代新型干法水泥技術(shù)，要求耐火材料具有節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、長壽高效、安全穩(wěn)定等多種功能。

節(jié)能降耗
第二代新型干法水泥技術(shù)中水泥熟料的熱耗標(biāo)準(zhǔn)為650cal•kg-1，而水泥煅燒過程中相當(dāng)大一部分熱量通過熱工設(shè)備表面的輻射耗散了。因此，耐火材料作為所有高溫設(shè)備的基礎(chǔ)內(nèi)襯材料，不但應(yīng)該具備良好的使用性能，同時也應(yīng)該兼顧節(jié)能保溫性能。
綠色環(huán)保
2015年發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)GB31893-2015《水泥中水溶性鉻（Ⅵ）的限量及測定方法》中規(guī)定，水泥中鉻的含量不得大于10.00mg•kg-1。據(jù)統(tǒng)計，水泥中水溶性鉻（Ⅵ）主要來源于水泥原料、破碎與研磨介質(zhì)、耐火材料（鎂鉻磚等）與含鉻廢棄物的燃料與原料。對多數(shù)水泥企業(yè)來說，耐火材料（鎂鉻磚）是水溶性鉻（Ⅵ）重要的來源。鎂鉻磚由于具有良好的抗熱震性、耐高溫性與掛窯皮能力，仍在國內(nèi)多數(shù)水泥企業(yè)回轉(zhuǎn)窯的高溫帶進(jìn)行使用。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)水泥企業(yè)平均每噸水泥熟料消耗的高溫帶用堿性耐火材料約244g，假設(shè)這些磚中一半的鉻轉(zhuǎn)化為可溶性鉻（Ⅵ）并進(jìn)入水泥熟料，則該水泥熟料中可溶性鉻（Ⅵ）的含量將達(dá)到10.98mg•kg-1。因此，在水泥工業(yè)中取消鎂鉻磚的使用已經(jīng)在業(yè)內(nèi)形成共識，國內(nèi)主要堿性耐火材料企業(yè)相繼開發(fā)了可替代鎂鉻磚使用的高品質(zhì)耐火材料產(chǎn)品，并在國內(nèi)迅速得到了推廣應(yīng)用。
長壽高效
新型干法水泥技術(shù)不斷向著大型化方向發(fā)展，目前日產(chǎn)5000t及以上水泥熟料生產(chǎn)線已經(jīng)成為各水泥企業(yè)新建項目低要求，日產(chǎn)10000t甚至1200t的水泥熟料生產(chǎn)線在國內(nèi)也達(dá)到了10余條。水泥生產(chǎn)線的大型化要求耐火材料的質(zhì)量性能與穩(wěn)定性都要相應(yīng)大幅度的提高，長壽命、高效能耐火材料在國內(nèi)迅速推廣，目前國內(nèi)水泥生產(chǎn)線所用耐火材料已經(jīng)慢慢從"一年一大修"向"三年兩大修"的目標(biāo)發(fā)展。

為滿足第二代新型干法水泥技術(shù)的要求，耐火材料應(yīng)具有節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、長壽高效、安全穩(wěn)定等多種功能。與第二代新型干法水泥工藝相適應(yīng)的耐火材料配置技術(shù)也取得了長足的發(fā)展，新開發(fā)的低導(dǎo)熱復(fù)合磚、無鉻堿性系列耐火材料（鎂鐵磚、鎂鋁磚）、預(yù)制件、高性能澆注料和火泥陸續(xù)得到推廣應(yīng)用。

擴(kuò)大低導(dǎo)熱復(fù)合磚配置量，減少窯的散熱損失

低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚是目前國內(nèi)使用效果較好、推廣較快的一種新型復(fù)合磚，其主要特點(diǎn)在于采用工作層、保溫層、隔熱層等三層結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中工作層具有高強(qiáng)度、低導(dǎo)熱、高溫耐磨、高荷重軟化溫度、抗侵蝕、抗熱震的特性，提供穩(wěn)定長壽的使用效果；保溫層具有高強(qiáng)度、低導(dǎo)熱特性，在降低熱導(dǎo)率的同時作為骨架連接工作層與隔熱層以及與筒體直接接觸；隔熱層則采用超低熱導(dǎo)率的含鋯氧化鋁耐火纖維板，進(jìn)一步降低制品的熱導(dǎo)率，達(dá)到降低窯筒體表面溫度的作用。２０１３年７月某水泥企業(yè)在５０００ｔＰＤ回轉(zhuǎn)窯使用低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚，砌筑位置為３７～４７ｍ處，共計１０ｍ。實際使用結(jié)果表明，該處筒體砌筑硅莫磚時平均溫度為３２０℃，砌筑低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚時平均溫度降低到２６０℃，降低了６０℃。按照該回轉(zhuǎn)窯的砌筑量計算，每米低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚每年可節(jié)約標(biāo)煤４０ｔ，減少碳排放１００ｔ。

配置無鉻堿性系列耐火材料

為了實現(xiàn)在水泥工業(yè)中淘汰鎂鉻磚這個目標(biāo)，國內(nèi)一些有實力的耐火材料生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)推出了以鎂鐵尖晶石磚為代表的系列無鉻堿性耐火材料。鎂鐵尖晶石磚的關(guān)鍵技術(shù)是在高溫?zé)崽幚磉^程中，通過鎂鐵尖晶石和鐵鋁尖晶石的固相反應(yīng)生成復(fù)相的鎂鐵鋁尖晶石相，增強(qiáng)了各固相間的結(jié)合強(qiáng)度，同時Ｆｅ２＋和Ｍｇ２＋在鐵鋁尖晶石分解過程中相互擴(kuò)散，材料結(jié)構(gòu)柔韌性得到了增強(qiáng)。該鎂鐵尖晶石磚具有優(yōu)良的高溫性能、掛窯皮性能和抗熱震性能，其技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。該產(chǎn)品在國內(nèi)某大型水泥集團(tuán)應(yīng)用后，使用壽命從８個月延長到１２個月以上，長使用時間達(dá)到了22個月。該水泥集團(tuán)已經(jīng)淘汰了鎂鉻磚，全面實現(xiàn)了水泥窯耐火材料的無鉻化。

水泥窯上下過渡帶處無穩(wěn)定窯皮的保護(hù)，溫度負(fù)荷大，一直是水泥窯運(yùn)行過程中的主要關(guān)注點(diǎn)。國內(nèi)某企業(yè)開發(fā)的鎂鋁尖晶石磚具有優(yōu)異的抗熱震性能和抗侵蝕性能，很好地適應(yīng)水泥窯過渡帶溫度波動大、侵蝕苛刻的使用環(huán)境。其技術(shù)原理是通過原位合成反應(yīng)生成鎂鋁尖晶石，原位合成尖晶石過程中伴隨的體積效應(yīng)實現(xiàn)了材料的微裂紋增韌，同時基質(zhì)中新生成的尖晶石相化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，提高了材料的抗侵蝕性能；引入第二相氧化鋯，通過馬氏體相變增韌，增強(qiáng)了材料的結(jié)構(gòu)韌性，提高抗熱震性能。該產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)多家水泥企業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用，普遍認(rèn)為該鎂鋁尖晶石磚性能穩(wěn)定，適用性強(qiáng)，使用效果優(yōu)良。

配置高性能不定形耐火材料，提高窯口等關(guān)鍵部位使用壽命

（1）預(yù)制件

不定形耐火制品由于具有性能優(yōu)良、施工方便、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)，在水泥工業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，占比達(dá)到了50％左右。然而，不定形耐火材料對現(xiàn)場施工質(zhì)量要求較高，容易出現(xiàn)現(xiàn)場加水量過多，造成澆注料性能下降較快以及烘烤過程中出現(xiàn)爆裂等問題。近些年來，不定形耐火材料的定形化得到了快速發(fā)展，預(yù)制件制品在生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)過嚴(yán)格的成型、烘烤等工藝環(huán)節(jié)控制，具有更加優(yōu)異的整體穩(wěn)定性，避免了現(xiàn)場野蠻施工帶來的危害。目前，在水泥企業(yè)中應(yīng)用較多的預(yù)制件制品主要使用在篦冷機(jī)矮墻等部位。某些水泥企業(yè)也已經(jīng)在前窯口、噴煤管、窯尾煙室等部位試用了預(yù)制件產(chǎn)品，并且取得了相當(dāng)好的使用效果。國內(nèi)水泥企業(yè)對預(yù)制件的總體評價較高，預(yù)制件制品與傳統(tǒng)現(xiàn)場施工澆注料相比，顯著縮短了施工時間、提高了維修效率、延長了耐火材料的使用周期，值得大力推廣。

（２）高性能澆注料

水泥窯前窯口、噴煤管前端、三次風(fēng)管彎頭等部位一直是水泥窯運(yùn)行過程中的薄弱環(huán)節(jié)。前窯口由于受周期性熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的破壞、熟料的沖刷及堿蒸氣的侵蝕等作用，傳統(tǒng)窯口材料使用３～６個月便出現(xiàn)掉角、剝落的現(xiàn)象；三次風(fēng)管彎頭部位受到高速含砂堿性氣體的強(qiáng)烈磨損、侵蝕，使用壽命普遍低于１年。

國內(nèi)耐火材料企業(yè)針對這些部位進(jìn)行了大量的技術(shù)研究，開發(fā)了多種類型的澆注料產(chǎn)品。根據(jù)從水泥企業(yè)得到的反饋信息，目前在窯口、噴煤管部位使用效果較好的澆注料產(chǎn)品是含有一定量非氧化物組分的剛玉莫來石質(zhì)澆注料和紅柱石質(zhì)澆注料。在三次風(fēng)管彎頭處取得較好使用壽命的是含有一定量非氧化物組分的高強(qiáng)耐磨澆注料。

（3）高性能膠泥

水泥窯用耐火磚大部分部位仍然需要使用耐火泥進(jìn)行砌筑，然而耐材接縫處所使用的火泥，仍是損毀的薄弱環(huán)節(jié)，不同程度的脫落、滲透、侵蝕和抽簽往往都是從泥口開始，繼而延伸、擴(kuò)展，導(dǎo)致爐襯加速損毀，影響其使用壽命。

國內(nèi)某企業(yè)研制的耐火泥具有良好的使用壽命，其主要技術(shù)在于結(jié)合體系的創(chuàng)新。廠家介紹其耐火泥采用無機(jī)－有機(jī)復(fù)合結(jié)合劑，在使用過程中，結(jié)合強(qiáng)度不隨溫度產(chǎn)生顯著衰變，強(qiáng)度保持穩(wěn)定。在低溫時具有高的粘結(jié)力和附著力，中溫時采用微粉技術(shù)（＜５μｍ），使燒結(jié)溫度變寬，部分基質(zhì)料生成液相，使其結(jié)構(gòu)致密，提高中溫強(qiáng)度；高溫?zé)�結(jié)時產(chǎn)生陶瓷結(jié)合而獲得較高的強(qiáng)度。