水泥生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)展和耐火材料的發(fā)展趨勢(shì)(上)

20世紀(jì)水泥工業(yè)有兩次重大的技術(shù)突破，第一次是回轉(zhuǎn)窯在本世紀(jì)初得到全面推廣，第二次是窯外分解技術(shù)的出現(xiàn)，大大提高了水泥窯的熱效率和單機(jī)生產(chǎn)能力，促進(jìn)了水泥工業(yè)向大型化、現(xiàn)代化的發(fā)展，而與水泥工業(yè)配套的耐火襯料，也反映出此發(fā)展趨勢(shì)。簡(jiǎn)略地說(shuō)，20世紀(jì)初至50年代是以粘土、高鋁質(zhì)耐火材料來(lái)滿(mǎn)足以濕法窯為主的傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)需求。50年代以后，上述材料的性能進(jìn)一步完善和提高，出現(xiàn)了以鎂質(zhì)耐火材料來(lái)適應(yīng)懸浮預(yù)熱、窯外分解窯技術(shù)的發(fā)展。
　　

本文就水泥熟料生產(chǎn)的技術(shù)進(jìn)展，尤其是窯外分解窯出現(xiàn)后的技術(shù)完善和進(jìn)展對(duì)配套的耐火材料的發(fā)展作一探討。

1　水泥生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展對(duì)耐火材料的需求

1.1　傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯對(duì)耐火材料的需求
　　

早期的傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯是料漿煅燒的濕法窯和料粉煅燒的干法長(zhǎng)窯、余熱鍋爐窯，一般配用單筒和多筒冷卻機(jī)。窯的熱耗均在6500kJ/kg熟料以上，熟料在窯內(nèi)煅燒溫度一般低于1350℃，燒成帶用普通高鋁磚，其余部份使用粘土磚，此后，出現(xiàn)了利用窯尾廢氣的立波爾加熱機(jī)以及配套的篦冷機(jī)，熱耗降低至5000kJ/kg熟料左右，熟料煅燒溫度超過(guò)1350℃，要求具有較高的耐火度和抗熟料化學(xué)侵蝕及抗震性能強(qiáng)的新品種耐火磚，此時(shí)，出現(xiàn)了特種高鋁磚、磷酸鹽磚及普通鎂質(zhì)堿性磚，這些耐火磚滿(mǎn)足了生產(chǎn)需求，還進(jìn)一步提高了一般的傳統(tǒng)窯襯料的使用周期，得以廣泛推廣應(yīng)用。

1.2　預(yù)熱器窯對(duì)耐火材料的需求

1.2.1　襯砌部位的不同
　　

傳統(tǒng)窯襯料主要用在回轉(zhuǎn)窯，冷卻筒和窯門(mén)罩，材質(zhì)、磚型砌筑主要按回轉(zhuǎn)設(shè)備要求考慮的，立波爾窯除了回轉(zhuǎn)窯使用的襯磚外，增加了加熱機(jī)和篦冷機(jī)的襯砌，而預(yù)熱器窯的襯料只有部分用在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，大部分用在形狀復(fù)雜的預(yù)熱器系統(tǒng)的設(shè)備內(nèi)，所需襯料的材質(zhì)、磚型、砌筑要求與回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯料是不同的。

1.2.2　窯溫及其影響
　　

預(yù)熱器窯的配料率值中的硅酸率SM、鋁氧率IM較傳統(tǒng)窯高，熟料煅燒溫度高，再加上多風(fēng)道燃燒器形成的高溫，使整個(gè)窯內(nèi)氣流和物料溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)窯相似部位的溫度，國(guó)外的大型預(yù)熱器窯內(nèi)熟料煅燒溫度超過(guò)1400℃，熱耗低于3500kJ/kg熟料，在此高溫情況下，熟料中的鈣硅融熔物和堿硫化合物與Al2O3形成低溫共熔體，在工況苛刻的窯上，幾天之內(nèi)可將高鋁質(zhì)襯磚損壞，只得在窯內(nèi)大量使用堿性磚，窯內(nèi)堿性磚的長(zhǎng)度約（7～10）D。

1.2.3　堿硫揮發(fā)性組分的侵蝕及影響
　　

預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)，堿硫氯等化合物組分揮發(fā)凝聚，反復(fù)循環(huán)導(dǎo)致窯料中這些組分的富集，在系統(tǒng)下部的預(yù)熱器、進(jìn)料室、上升煙道等溫度較高的部位易結(jié)皮阻塞、干擾正常生產(chǎn)。此外，襯料受堿氯硫化合物的氣體和結(jié)皮物的侵蝕，形成膨脹性堿裂損壞，在上述易結(jié)皮部位，采用系列耐堿侵蝕的半酸性粘土磚和耐火澆注料。
　　

另一差別在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，部分富集的堿氯硫化合物隨窯料從預(yù)熱器進(jìn)入窯內(nèi)，在熟料煅燒過(guò)程中，部分化合物揮發(fā)，侵蝕窯內(nèi)未結(jié)皮的襯磚，而熟料內(nèi)的化合物因熔融溫度較低，在高溫煅燒部位以液相形式存在熟料內(nèi)，侵蝕燒成帶和上下過(guò)濾帶的襯磚，給上述部位的窯內(nèi)襯磚提出了較高的抗堿氯硫化合物的侵蝕功能的需求。

1.2.4　窯速的影響
　　

常規(guī)窯的窯速為1r/min，而預(yù)熱器窯的窯速為2r/min，窯速高，窯內(nèi)火焰和窯料之間溫差對(duì)襯磚造成的熱震破壞次數(shù)增大，遭受的軸向擠壓和向下的推力增強(qiáng)，對(duì)襯磚的強(qiáng)度和襯砌縫隙以及膠泥的性能均提出了要求。

1.2.5　材質(zhì)的差別
　　

預(yù)熱器窯內(nèi)的襯磚不論從窯溫、窯在回轉(zhuǎn)過(guò)程中造成的機(jī)械應(yīng)力，以及堿氯硫化合物的化學(xué)侵蝕均提出了比立波爾窯更高的要求，在此期間出現(xiàn)了半直接接合鎂鉻磚、直接接合鎂鉻磚和白云石磚等產(chǎn)品。此類(lèi)產(chǎn)品耐火度高、抗熟料和堿氯硫等化學(xué)侵蝕，抗熱震等機(jī)械性能強(qiáng)，掛窯皮性能優(yōu)良，進(jìn)一步滿(mǎn)足了各種不同生產(chǎn)方式窯型的需求。

1.2.6　系統(tǒng)內(nèi)不動(dòng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的影響
　　

預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)不動(dòng)設(shè)備多而形狀復(fù)雜，為簡(jiǎn)化磚型，一方面制定標(biāo)準(zhǔn)化的磚型，在圓形和圓錐部位采用配磚設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化磚形數(shù)量，另一方面在形狀復(fù)雜的部位使用耐火澆注料，相應(yīng)減少磚形數(shù)量，通過(guò)上述措施，一套預(yù)熱器窯的磚型數(shù)量由原來(lái)的120種減少至20余種，由于不同部位對(duì)耐火澆注料的需求，促進(jìn)了它的發(fā)展。

1.2.7　節(jié)能要求
　　

預(yù)熱器窯不動(dòng)設(shè)備的表面散熱面積>1m2/d.t熟料，筒體散熱損失較大。減少襯體散熱損失，不僅降低能耗，更重要的是維持系統(tǒng)內(nèi)的溫度，提高入窯物料分解率，有利于保持窯內(nèi)熱工制度正常和穩(wěn)定。在此需求下，出現(xiàn)了導(dǎo)熱系數(shù)低，工況溫度高，容重輕的硬質(zhì)硅酸鈣板隔熱材料和性能優(yōu)良的隔熱磚。

1.3　窯外分解窯對(duì)耐火襯料的需求
　　

70年代中期，在預(yù)熱器窯生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了窯外分解窯，在窯尾預(yù)熱器系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)分解爐，從冷卻機(jī)抽熱風(fēng)通過(guò)三次風(fēng)管入分解爐內(nèi)作燃燒空氣。分解爐內(nèi)燃料提供的熱量供生料分解用，煅燒熟料的熱量由窯頭燃燒器提供。由于生料分解所需的熱量較熟料煅燒的熱量多，在生產(chǎn)過(guò)程中，約60％的燃料由分解爐提供，而40％的燃料由窯頭燃燒器供應(yīng)，因而在同一直徑的窯，產(chǎn)量幾乎增加了1倍以上，熱耗相應(yīng)降低。窯外分解窯出現(xiàn)后，就成為水泥生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的主流，在世界各國(guó)廣為發(fā)展。窯外分解窯是從預(yù)熱器窯技術(shù)發(fā)展的，耐火材料的技術(shù)要求基本和預(yù)熱器窯接近，差別在于：
　　

(1)在相同產(chǎn)量的情況下，窯外分解窯在燒成帶的熱力強(qiáng)度較預(yù)熱器窯有較大程度的下降，入窯物料分解率提高，燒成帶的窯皮長(zhǎng)度較預(yù)熱器窯有所增長(zhǎng)，窯內(nèi)同一部位使用相同材質(zhì)的耐火磚，則磚的使用周期有所提高。
　　

(2)窯尾物料分解率提高，窯尾廢氣溫度增加，窯料內(nèi)所含的堿氯硫相同的情況下，窯外分解窯在預(yù)熱器系統(tǒng)下部設(shè)備內(nèi)的襯磚所遭受的堿氯硫侵蝕較預(yù)熱器窯重些。
　　

(3)窯速加快至3r/min，對(duì)窯內(nèi)襯磚的熱震破壞和機(jī)械應(yīng)力增大。

2　窯外分解窯生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)展
　　

窯外分解窯出現(xiàn)以來(lái)，窯的熱效率和單機(jī)生產(chǎn)能力大幅度提高，促進(jìn)了水泥工業(yè)向大型化、現(xiàn)代化的發(fā)展，與耐火材料有關(guān)的主要表現(xiàn)在：

2.1　生產(chǎn)能力大型化
　　

70年代水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)主要規(guī)模為1000～4000t/d，80年代為3000～5000t/d，90年代為4000～10000t/d。世界上已投產(chǎn)的日產(chǎn)5000t熟料以上規(guī)模的生產(chǎn)線(xiàn)超過(guò)80條，7000t以上生產(chǎn)線(xiàn)接近30條，9000～10000t生產(chǎn)線(xiàn)為4條，正在興建的最大規(guī)格窯為Φ6.2m×105m，日產(chǎn)12000t熟料生產(chǎn)線(xiàn)。

2.2　先進(jìn)的水泥熟料生產(chǎn)技術(shù)

2.2.1　生料均化技術(shù)
　　

生料均化技術(shù)主要包括礦山計(jì)算機(jī)三維開(kāi)采、預(yù)均化堆場(chǎng)、在線(xiàn)測(cè)試控制、精度高的計(jì)量秤、均化庫(kù)，確保了入窯生料成分和數(shù)量的均勻，保持了窯的穩(wěn)定生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)良。

2.2.2　熟料煅燒技術(shù)
　　

熟料煅燒裝備由預(yù)熱器、分解爐系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯、篦冷機(jī)、燃燒器等項(xiàng)裝備組成，主要技術(shù)進(jìn)展為：
　　

(1)預(yù)熱器、分解爐系統(tǒng)的性能和效率進(jìn)一步完善與提高，預(yù)熱器由4級(jí)逐步增加到6級(jí)，分解爐能使不同性能的原燃料分解和燃燒。系統(tǒng)的入窯物料分解率已增至95％，窯尾廢氣溫度提高至1200℃以上。
　　

(2)入窯物料分解率逐步增加，窯的長(zhǎng)度逐步縮短，長(zhǎng)徑比從 >15下降到10～11，轉(zhuǎn)速?gòu)?r/min，逐漸提高到4r/min以上，窯的容積產(chǎn)量從2.5t熟料/m3.d，提高至5t熟料/m3.d以上。
　　

(3)高效率的充氣梁篦冷機(jī)逐步取代厚層篦冷機(jī)，熱效率從68％～70％提高至76％以上，入窯二次風(fēng)溫提高至1200℃，入分解爐三次風(fēng)溫接近900℃。(4)多風(fēng)道燃燒器廣泛應(yīng)用，此類(lèi)燃燒器不僅用于燒油，更多的適用于燒煤和工業(yè)廢燃料，做到不同燃料混燒，燃燒器火焰集中，氣溫高，還可減少NOx的排放。
　　

上述裝備組成的燒成系統(tǒng)熱耗，70年代一般為3350～3550kJ/kg熟料，筒體散熱損失為450kJ/kg熟料，窯運(yùn)轉(zhuǎn)率85％左右，

90年代技術(shù)先進(jìn)的大型窯外分解窯6級(jí)預(yù)熱器的熱耗低于2900kJ/kg熟料，筒體散裝損失低于200kJ/kg熟料，窯運(yùn)轉(zhuǎn)率提高至95％以上。

2.3　生態(tài)化水泥生產(chǎn)技術(shù)

2.3.1　燃料結(jié)構(gòu)的變化
　　

早期的窯外分解窯所用的燃料主要為燃油，70年代的石油危機(jī)造成燃油價(jià)格上漲，價(jià)格低的燃煤逐步取代燃油。燃煤所含的揮發(fā)分、灰分、熱值、硫含量變化較大，燃燒較燃油困難，總的說(shuō)來(lái)，在生料設(shè)計(jì)中，必須考慮燃煤灰分沉積在窯料內(nèi)作為熟料成分，而分解爐設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮足夠的燃燒時(shí)間，確保燃料燃燼，燃燒器設(shè)計(jì)必須考慮火焰有利于熟料煅燒。在燒煤的基礎(chǔ)上，一些工業(yè)化國(guó)家從80年代中期開(kāi)始，逐步使用價(jià)格更為便宜的工業(yè)廢燃料，如石油焦、廢輪胎、廢機(jī)油、廢塑料及有毒有害工業(yè)廢棄物等，且愈來(lái)愈多。

2.3.2　污染物排放控制
　　

從80年代起，工業(yè)化國(guó)家在水泥生產(chǎn)過(guò)程中，加強(qiáng)了有害物排放的控制，主要為CO2、NOX、SOX、粉塵以及六價(jià)鉻造成的水污染等，上述物質(zhì)的排放制定了嚴(yán)格的控制指標(biāo)，在水泥熟料生產(chǎn)控制過(guò)程中，一些技術(shù)先進(jìn)的水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)均能滿(mǎn)足環(huán)保控制的需求.