水泥窯用堿性耐火材料的要求及使用

      20世紀70年代中期，我國水泥窯用耐火材料主要是鋁硅質耐火材料，如高鋁磚、黏土磚及水泥磚等。鎂鉻磚僅在少數(shù)水泥窯上使用，而且這種鎂鉻磚是適用于冶金平爐上，其性能和規(guī)格尺寸對水泥窯均不適宜。20世紀70年代后期，我國出現(xiàn)了新型干法水泥窯，對窯襯材料提出了更高的要求。為了適應水泥工業(yè)的變化與發(fā)展，經(jīng)過數(shù)十年的科研、設計及開發(fā)應用，使我國水泥窯用耐火材料水平有了顯著的變化和提高。在品種和性能上均達到了國際先進水平，但不足之處是耐火磚外觀尺寸及質量穩(wěn)定性還有一定的差距。當前，水泥行業(yè)主要的耐火材料是堿性耐火材料、不定形耐火材料和隔熱耐火材料。因篇幅有限，本文僅就堿性耐火材料的要求及使用情況加以闡述。

    1.新型干法水泥窯用耐火材料

  

    大型SP窯和PC窯的窯筒內，直接結合鎂鉻磚用于燒成帶，尖晶石磚或易掛窯皮且熱震穩(wěn)定性能較好的鎂鉻磚用于過渡帶，高鋁磚用于分解帶，隔熱型耐堿黏土磚或普通型黏土磚用于窯筒后部，耐火澆注料或適用的耐火磚用于前后窯口；在預熱系統(tǒng)內，普通型耐堿黏土磚及耐堿澆注料用于拱頂，高強型耐堿黏土磚用于3次風管，并配用大量的耐火澆注料、系列隔熱磚和系列硅酸鈣板。在窯門罩和冷卻機系統(tǒng)內，除選用上述材料外，還配用碳化硅磚和碳化硅復合磚，系列隔熱磚、系列耐火澆注料、系列硅酸鈣板和耐火纖維材料等七大類30余種耐火材料。在日產(chǎn)2000噸水泥窯上，耐火磚建設用量達1600噸以上，正常生產(chǎn)時年消耗用量達400噸以上。

   2.預分解窯對耐火材料的要求

  

    統(tǒng)水泥回轉窯的轉速慢，預分解窯的轉速是傳統(tǒng)水泥窯的3～4倍，高溫高轉速和大直徑，使預分傳解窯窯體、窯襯所承受的熱應力要比傳統(tǒng)水泥窯大很多。經(jīng)預熱器、增濕塔、電收塵的多次搜集，預分解窯中的K2O、SO2、KCl等組分揮發(fā)后難于溢出窯系統(tǒng)以外。當堿、硫、氯的平衡建立后，上述揮發(fā)性組分在窯內有很高的濃度，顯著影響水泥生產(chǎn)和耐火材料的壽命。預分解窯能夠帶來可觀的效益，但使窯的復雜程度顯著增大。窯的每一部分出現(xiàn)問題都可能導致生產(chǎn)終止。因此，要求水泥預分解窯用耐火材料應具有優(yōu)異的質量和高度的穩(wěn)定性。

 3.水泥行業(yè)對堿性耐火材料的新要求

    

  目前，建材行業(yè)年需鎂鉻磚約6萬噸以上，產(chǎn)生約含0.3%Cr6+的殘磚2.4萬噸。2010年旋窯水泥的產(chǎn)量將達到8億噸，建材行業(yè)年消耗的鎂鉻磚為50萬噸。

   鎂鉻磚在使用中會生成劇毒、致癌的六價鉻。Cr6+可引起皮膚損害、上呼吸道炎癥、黏膜潰瘍、皮膚癌和肺癌。我國鉻資源匱乏，建材行業(yè)排放的Cr6+嚴重污染了環(huán)境。堿性耐火材料具有耐高溫煅燒和耐化學侵蝕能力較強的優(yōu)良特性，是實現(xiàn)水泥窯生產(chǎn)優(yōu)質、高產(chǎn)、低消耗和長期安全運轉的關鍵性窯襯材料。但它又具有易受潮變質、熱膨脹率大、導熱系數(shù)高和熱震穩(wěn)定性能較差的缺點。目前適用于水泥窯的進口和國產(chǎn)堿性耐火材料主要包括直接結合鎂鉻磚、半直接結合鎂鉻磚、普通鎂鉻磚、白云石磚、含鋯和不含鋯的各類特種鎂磚、尖晶石磚和化學結合不燒鎂鉻磚等。

  普通鎂鉻磚含Cr2O3常達到8%～10%，直接結合鎂鉻磚更達到10%～16%，摻加鉻礦石的作用是顯著改善磚的熱震穩(wěn)定性能。但它們在水泥窯（特別是新型干法水泥窯）內使用易遭堿侵蝕，生成含六價鉻的K2CrO2等礦物向環(huán)境釋放，用后殘磚中含3CA·CaCr03等含六價鉻的水溶性礦物也污染下游水源，都造成人畜的鉻公害。為提高堿性磚的耐侵蝕性能，并減輕甚至消除對環(huán)境造成的鉻公害，國外開發(fā)并利用低價鎂鉻磚、無鉻特種鎂磚和新型白云石磚等堿性耐火材料已獲成功。我國鉻礦石資源貧乏，又僻處西陲新疆、西藏，進口含鉻合金鋼價格昂貴，在水泥窯上以低鉻、無鉻堿性磚來代替高鉻的普通鎂鉻磚和直接結合鎂鉻磚的要求更為迫切。

  水泥回轉窯長期使用鎂鉻磚作為高溫帶窯襯。使用中，磚中的部分鉻會從Cr3+轉變?yōu)閯《竞椭掳┑腃r6+.我國標準規(guī)定：IV級環(huán)境水的Cr6+含量應<0.05mg/l，I級環(huán)境水的Cr6+含量應<0.01mg/l.鎂鉻殘磚中的Cr6+卻可達2577mg/kg.這也就是說，拆卸下的殘磚可以污染相當自身重量5萬～25萬倍的水，嚴重地破壞了環(huán)境和威脅著人民群眾的健康。

  10余年來，國內外耐火材料界在尋找鎂鉻磚的替代材料方面作了大量工作，但效果均不十分理想。中國建筑材料科學研究總院在國家863項目的支持下，對此展開了深入的研究。結果表明：Cr2O3在鎂質耐火材料中起提高直接結合程度、降低侵蝕速率、改善抗熱震性和改善窯皮黏附作用?？傊覈嘈袠I(yè)正向現(xiàn)代化的目標邁進，急需高質量的環(huán)境友好堿性耐火材料。

   4.當前耐火材料行業(yè)要解決的問題

   ①綠色制造是新世紀耐火材料生產(chǎn)工藝的主要特征。3R原則代表了主要的綠色思想：Reduce-減少消耗，Reuse-重復使用，Recycle-回收再生。人類在人口膨脹、資源枯竭和環(huán)境破壞壓力下，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展就必須利用一些現(xiàn)在尚不能利用的物質，盡量重復使用目前被廢棄的材料。

   ②降低產(chǎn)量，提高質量。我國耐火材料產(chǎn)量占世界第一，低檔產(chǎn)品多，高檔產(chǎn)品少，水泥窯用耐火材料也是如此。今后應多生產(chǎn)高中檔產(chǎn)品，穩(wěn)定產(chǎn)品質量，并合理配套使用，使水泥窯用耐火材料的生產(chǎn)和使用均處于最佳狀態(tài)。

  ③完善裝備。提高耐火材料廠生產(chǎn)裝備水平，是生產(chǎn)優(yōu)質耐火材料關鍵之一，它直接影響產(chǎn)品質量和外形尺寸，我國耐火材料廠的裝備落后，應引起重視。同時應加強法規(guī)和標準體系建設，依法推進清潔生產(chǎn)。