淺議水泥窯用不定形耐火材料的研究方向

　　水泥窯用耐火材料包括定型和不定形，定型產(chǎn)品包括：耐堿磚、高鋁抗剝落磚、硅莫磚、鎂鉻磚、白云石磚、尖晶石磚等；不定形產(chǎn)品包括：高強耐堿澆注料、高鋁澆注料、莫來石澆注料、剛玉澆注料、尖晶石澆注料、碳化硅澆注料等。以現(xiàn)在一條5000t/d干法水泥生產(chǎn)線項目計算，總共需用耐火材料3200～3300噸，定型和不定形耐火材料約各占一半。其中，不定形耐火材料的使用壽命已經(jīng)直接影響到水泥窯的運轉(zhuǎn)率，急需升級換代。現(xiàn)在窯型的加大、能源的緊缺，及環(huán)保清潔生產(chǎn)技術(shù)的嚴格要求，必然使水泥工藝技術(shù)發(fā)生新的變化，而這些變化給耐火材料產(chǎn)品帶來了新的挑戰(zhàn)。
　　1、大型回轉(zhuǎn)窯的特點新型干法水泥回轉(zhuǎn)窯以預(yù)分解窯（PC）為主，與傳統(tǒng)水泥窯相比具有以下特點：
　　1.1.堿及硫、氯等揮發(fā)性組分侵蝕嚴重。無煙煤、劣質(zhì)煤的使用和固體廢棄物的焚燒，造成堿、氯、硫等成分明顯增加，它們的循環(huán)富集，對窯系統(tǒng)各部位的耐火材料的侵蝕也明顯加劇。預(yù)熱器中堿與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯相比增加近5倍，三氧化硫增加3～5倍。相應(yīng)部位的窯氣中這些組分的含量也大大增加，導(dǎo)致預(yù)熱器、分解爐、喂料室、下料斜坡所用的耐火材料受到嚴重的侵蝕，形成膨脹性礦物而開裂剝落，發(fā)生“堿裂”破壞。并且硫、氯等組分在耐火材料表面形成結(jié)皮的特征礦物，黏附窯襯形成結(jié)皮，影響窯的正常運行。
　　1.2.燒成溫度的提高對耐火材料的破壞加劇。新型干法水泥窯的燒成溫度達到了1400℃～1500℃，大型預(yù)分解窯多采用篦式冷卻機和多通道噴煤嘴，二次風(fēng)溫度達1200℃，出窯熟料溫度可達1400℃多。窯口普遍結(jié)窯皮，溫度的提高加劇了熟料和化學(xué)成分對耐火材料的侵蝕，用于傳統(tǒng)窯相應(yīng)部位的耐火材料在大型窯上的使用壽命急劇下降。
　　1.3.窯筒轉(zhuǎn)速加快和直徑加大，增加了耐火材料的應(yīng)力破壞。大型窯的轉(zhuǎn)速加快，直徑增大（2500t/d窯直徑為4m，5000t/d窯直徑為4.8m，10000t/d窯直徑為6m），將使窯襯受到的周期性機械應(yīng)力和熱應(yīng)力沖擊破壞力加劇。這就要求耐火材料要有更高的整體穩(wěn)定性和抗熱震性能。
　　1.4.沖刷磨損加劇導(dǎo)致耐火材料的破壞嚴重。大型水泥窯三次風(fēng)管轉(zhuǎn)彎處、閥門部位受到攜帶大量水泥熟料粉塵的高速氣流的沖刷，篦冷機喉部、矮墻受到大量熟料的長期研磨，這些部位的耐火材料壽命往往比其他部位材料的壽命短很多，有的三次風(fēng)管轉(zhuǎn)彎處耐火材料壽命只有1～3個月。
　　綜上所述，大型窯由于堿、硫等揮發(fā)性組分的富集、窯溫的提高、窯徑加大、轉(zhuǎn)速加快、沖刷磨損加劇等原因，造成對耐火材料的化學(xué)侵蝕、高溫破壞、機械應(yīng)力、熱應(yīng)力和沖刷磨損等綜合破壞效應(yīng)比傳統(tǒng)窯要大。因此，必須針對各個部位的不同要求選擇合適的耐火材料，并在此基礎(chǔ)上研制新型的耐火材料。
　　2、材料的發(fā)展方向
　　2.1.材料性能的改善。水泥窯用不定形耐火材料今后的重點研究方向，仍將是如何改善材料的抗侵蝕、抗熱震穩(wěn)定性、抗磨損的性能。眾所周知，簡單靠摻入莫來石來解決問題，是無法達到預(yù)期要求的，因為莫來石本身不具備抗堿性。高溫下由于氧化鉀、氧化鈉的存在，莫來石將發(fā)生化學(xué)分解，使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受到破壞，使抗熱震性的效果降低。①抗熱震性的改善。根據(jù)Hasselman提出的適用于耐材的抗熱震性損壞參數(shù)分析，要想提高材料的抗熱震性，就要求材料具有高的彈性模量及低的機械強度，使材料在脹縮時所儲存的、用以開裂的彈性應(yīng)變能量?。涣硪环矫?，則應(yīng)選擇斷裂表面能量大的材料，一旦開裂，就會吸收較多的能量，使裂紋很快止裂。②抗侵蝕的改善。水泥窯大型化和二次燃料的應(yīng)用，堿、硫、氯組分的揮發(fā)、凝聚，循環(huán)富集更嚴重。目前，能夠改善抗侵蝕能力的材料主要是，碳化硅、氧化鋯、氧化鉻、鋁鎂尖晶石等。窯尾結(jié)窯皮位置（四五級預(yù)熱器錐端、下料斜坡、喂料室等）一般都采用碳化硅質(zhì)抗結(jié)皮澆注料；在窯的高溫部位（如燒成帶、上下過渡帶）采用含氧化鉻、鎂鋁尖晶石的鎂鉻磚或尖晶石磚；對窯口這個溫度較高、熱震頻繁、熟料與堿侵蝕都存在的部位，使用的材料主要也將考慮含有上述幾種成分的高抗熱震性材料（包括磚與澆注料）。③耐磨性的改善。大型水泥窯三次風(fēng)管轉(zhuǎn)彎處、風(fēng)閥、篦冷機喉部、矮墻等，耐材磨蝕很嚴重，要想延長這些部位的使用壽命，選材時耐材檔次必須提升。傳統(tǒng)的高強耐堿澆注料和低水泥高鋁澆注料，已經(jīng)不能滿足使用要求了，應(yīng)該考慮具有中、高溫?zé)釕B(tài)強度的材料。耐磨性較好的材料一般要求強度較高一些，特別是工作溫度下的熱態(tài)強度，主要體現(xiàn)在抗折強度上，當然降低材料的臨界粒度也能改善耐磨性，但是臨界粒度的降低，會削弱材料的抗熱震性，這需要我們從中找到一個較好的平衡點。
　　2.2.施工方式的改變。從整個不定形耐火材料的發(fā)展趨勢來講，自流澆注料、噴涂料是主流。這些料的出現(xiàn)，帶來了新的耐火材料流變學(xué)理論。自流平耐火澆注料是一種無需外力振動，可憑借自身重力，自流成型的新型不定形耐火材料。它具有自流平、自密實的特性，適用于施工空間狹窄、形狀復(fù)雜的部位。能夠大幅度地降低勞動強度，加快施工進度，降低施工費用，保證施工質(zhì)量。同時又能改善作業(yè)環(huán)境，減少噪音、振動對施工者的危害。
　　2.3.其他方面的變化。水泥窯高運轉(zhuǎn)率的要求，迫使其檢修周期縮短，快速修補料將會很受歡迎。其中防爆澆注料和熱硬性材料將有很好的應(yīng)用前景。窯溫的升高、熱負荷的加劇，對耐火材料的高溫性能提出更高要求，耐火材料需要選擇優(yōu)質(zhì)高純原料，優(yōu)化材料的基質(zhì)組成。
　　窯爐的大型化、預(yù)分解技術(shù)的進步、篦式冷卻機的發(fā)展、多通道燃燒器的應(yīng)用等水泥工藝技術(shù)的發(fā)展，對耐火材料提出了更高的要求，耐火材料生產(chǎn)企業(yè)只有根據(jù)水泥工藝技術(shù)的變化，在重新分析耐火材料的損壞機理基礎(chǔ)上，有針對性地進行產(chǎn)品研發(fā)，才能逐步滿足水泥工業(yè)的生產(chǎn)需求。