水泥窑用耐火材料

新型干法水泥生产技术是指以悬浮预热和窑外预分解技术为核心，把现代科学技术和工业生产的*新成果广泛地应用于水泥生产的全过程，形成一套具有现代高科技特征和符合优质、高产、节能、环保以及大型化、自动化的现代水泥生产方法。新型干法水泥生产线主要由预热器、分解炉、回转窑、篦冷机、三次风管几个系统构成，各自区域有着不同的工作特点和使用环境，新型干法回转窑由于工艺特性造成碱、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、机械应力和热应力等综合破碎效应比传统窑要大，再加之当前更高的环保节能要求，应根据工况特点，各区域应选用不同的耐火材料。

1.预热器用耐火材料的选用
预热器的作用是利用回转窑及篦冷机冷却水泥熟料时的余热对水泥生料进行预热的余热利用系统，在这个系统里，预热器一般有4-6级，（*高处为一级）已经均化配好料的水泥生料进入从*高层通过料管逐级进入预热器完成脱水和预加热，三次风管将冷却风预热引入*后一级预热器，物料向下流动，热风向上排出，逐级进行换热，实现对水泥生料的预热过程。 充分利用余热是预热器的主要功能，但是预热器表面积很大，为了降低能耗，所以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、充分利用余热的目的。
预热器和预分解炉热工制度有如下特点：
预热器与预分解窑炉的温度（主要指设置在设备壁面的热电偶测试出的温度），从**级预热器到第五级预热器和预分解窑炉依次为：不高于450℃、650℃、750℃、900℃、1000℃和1100℃。
在这样的煅烧温度下，煅烧物料基本没有液相出现，基本上不存在结块和烧结。加之系统的热工状态比较稳定，因而预热器和分解炉中的耐火材料的配置不需过高的耐火度，无需太高的强度；由于预热器和分解炉位于整个热气流的尾端，温度变化的频度和幅度较小，因此无需过高的热震稳定性。
由于预热器和分解炉均为静止设备，可用较大的设备外壳，容纳较多的耐火材料，因此可选用导热系数较低的保温材料，降低设备外壳温度，达到节能的目的。
由于部分预热器和分解炉形状较复杂，可选用在成型上较灵活的耐火浇注料。
在800℃～1200℃范围内是碱金属氧化物发生冷凝沉积的温度带，因此在碱含量较高的原、燃材料下，预热器在很大范围内，耐火材料在受到热侵蚀的同时，也要经受得住碱金属氧化物的化学侵蚀。
在预热器，因为含有碱硫气体的烟气从预热器中排除，所以要考虑碱硫气体对耐火材料的侵蚀，由于水泥生料从常温可以逐步达到800℃左右，相对温度较低，所以选用耐火材料时主要考虑物料的冲刷磨损作用和侵蚀作用即可，为了降低热损耗，窑衬结构按两层材料配置，外层为导热系数低，强度也较低的保温材料，工作面为有一定强度且能够较好抵抗碱性物质侵蚀的耐火材料。
一般情况下，预热器先在壳体上粘贴一层硅酸钙板进行保温处理，然后采用高强耐碱砖和高强耐碱浇注料进行砌筑。高强耐碱砖一般用于预热器旋风筒和锥体上半部，预热器中的下料管、风管、锥体下半部和旋风筒顶部采用高强耐碱浇注料进行砌筑。 随着近年来回转窑的产量提高，预热器从单系列发展到双系列，从*早的四级预热，增加到六级预热，对于一、二级预热器，可采用黏土质耐碱耐火材料，以降低成本和提高保温效果；对三级以下的预热器，应考虑耐火度为1100℃以上的耐碱耐火材料。在5级预热器的温度逐渐增高，设有5、6级预热器的预热系统，已经设计采用耐高温的抗剥落高铝砖和高铝质低水泥浇注料进行砌筑。对于耐火材料强度的要求，取决于气流的速度，气流速度较高处，应根据用户的设计和工况条件进行耐火材料配置。

2.分解炉耐火材料的选用
水泥窑尾的高温烟气通过窑尾烟室进入分解炉，已经经过预热的大部分水泥生料从预热器进入分解炉（剩余一部分直接从5级预热器下料管进入下料溜槽），水泥生料中的大部分碳酸钙在这里产生初步分解，生成氧化钙和二氧化碳，温度逐步上升到1000-1200℃左右。同预热器一样，分解炉同样要考虑热损耗的问题所以需要粘贴硅酸钙板进行保温处理，与预热器不同的是分解炉温度有所提高，
所以早期的干法回转窑出于成本考虑，大多选用高强耐碱砖作为窑衬，但是近年来水泥企业为了提高产量，使分解炉的温度得到提高，达到1200℃以上，同时随着水泥窑大型化趋势，分解炉的高度和直径也在不断增加，高强耐碱砖由于荷重软化温度较低，长期使用会产生收缩现象，同时高强耐碱砖在高温状况下的磨损性能已经不能满足使用要求，所以，当前分解炉大多采用抗剥落高铝砖作为窑衬。在缩口处和鹅颈管位置采用高铝质浇注料进行浇注施工。
经过分解炉后，水泥生料已经完成部分预分解过程，再通过料管进入窑尾烟室，通过下料斜坡进入回转窑。窑尾烟室是回转窑与分解炉、预热器进行衔接的独立密封结构，在这里物料从这里进入回转窑，回转窑内产生的烟气在这里汇聚，温度相对较高，物料冲刷严重，这里的温度点刚好处于烟气中低熔点硫氯碱盐的冷凝温度范围（800-1100℃）附近，烟气中低熔点硫氯碱盐很容易冷凝，在碱含量达到一定数量并逐步富集，并和水泥生料中的小颗粒及细粉共同附着于窑衬耐火材料上形成结皮，堵塞下料管、烟室和烟管。水泥生产过程中，一旦形成结皮，就会造成回转窑物料堵塞而停产，
所以形成结皮时必须用人工或机械方式进行清除，在清除结皮过程中，如果结皮粘结的非常牢固，会很容易导致耐火材料一同剥落。为了解决这个问题，就需要在容易形成结皮的窑尾烟室和附属的下料管，烟管采用抗结皮浇注料进行砌筑。抗结皮浇注料是采用在浇注料中添加一定量的碳化硅而防止结皮的，碳化硅具有硬度高，浸润角小、抗侵蚀能力强的特点，各类硫氯碱盐及其共生物很难向内部渗透而粘挂，就算出现了粘挂窑皮现象，也很容易被清理。


3.回转窑各窑段耐火材料损坏机理及合理配套选材
回转窑是水泥生产的关键设备，长期运行中，耐火材料与回转窑壳体之间有一定的滑动或滑动趋势，产生一定的摩擦，所以耐火砖必须具有必要的强度，抵抗摩擦带来的损害。回转窑的机械特点及对耐火材料的强度要求。从轴向看，回转窑不是**的刚性体，由于回转窑筒体在支撑点之间的挠度，随着回转窑的运转，出现与旋转同步的周期性弯曲，由于三组拖轮的回转窑采用了非静定结构，当各个拖轮组因温度差异有不同的膨胀量时，将使窑筒体的同轴度出现偏差，产生较大的附加荷载。当回转窑突然停电时（在暴雨条件下更为严重），造成窑筒体因上下受热不均出现较大的弯曲变形，使窑内的耐火砖承受较大的挤压应力。这些附加应力将通过窑筒体*终作用在窑衬上。由于回转窑自身存在1%左右的倾斜度，所以回转窑耐火砖之间还要长期承受窑尾到窑口的径向挤压应力的破坏和热膨胀应力。
综上所述，水泥回转窑沿轴向分布，可区分为以下各个热工带
a喂料带 位于回转窑的尾部，约1.5～2.0m
b预热带 也称分解带。
c后过渡带 也称过渡带
d烧成带
e冷却带
f窑口
根据以上分区，整个回转窑的耐火材料配置可按以下思路配置。
3.1窑尾喂料带到预热带耐火材料的选用
窑尾到预热带的长度约占全窑的1/4到1/3， 在这一区域，入窑的水泥生料温度快速上升，窑气中的硫、氯等挥发性成分使回转窑内物料生成一定的低熔物并参与砖内反应，生成长石、白榴石、钾霞石等膨胀性矿物、*大膨胀率可达45%，容易使砖产生炸裂，所以炸裂是此处窑衬损坏的主要原因。因此，该部位所用耐火材料除应该具有合适的耐火度、强度外，还应该具有优良的抗侵蚀性。
所以，在距过渡带较近一段，我们推荐使用耐压强度高、耐磨性能好的硅莫耐磨砖。硅莫耐磨砖是以特级高铝矾土熟料和碳化硅为原料，经高压成型，高温烧结制而成，产品具有常温耐压强度高，高温结构强度高，热震稳定性好、抗侵蚀能力强，在使用过程中工作面上能够不断生成保护层，耐磨性好，抗剥落性能强等一系列优点。
在接近窑尾部分或小型回转窑上，从用户成本角度，我们也可以推荐使用耐压强度高、抗剥落性能好的抗剥落高铝砖。抗剥落高铝砖在窑尾部分的使用周期一般都在2年以上。
在回转窑的尾部约1m位置，由于处于回转窑末端，耐火砖需要固定，所以只能用浇注料进行砌筑，一般可选用窑口专用浇注料或钢纤维耐磨浇注料。

3.2过渡带耐火材料的选用
过渡带环境温度较高，入窑后的物料进行充分加热，但未能达到烧成状态，受烧成带影响，过渡带处于热工不稳定状态。由于过渡带温度波动大，熟料内部液相量少、液相粘度不够，造成窑皮时长时消，粘挂不牢，使衬砖长期裸露在高温环境之中，直接经受高温熟料的冲击和磨损，与水泥熟料中熔体、硅酸盐低熔物、窑气中K2O、SO2、KCl等组分对高温裸露衬砖的渗透、化学侵蚀，在温度梯度和侵蚀层浓度梯度的作用下，衬砖变质层出现致密化，发生结构层变化，当窑内温度场发生变化时，在热应力和机械应力作用下，变质结构层*易发生开裂、脱落。往复循环下去，衬砖寿命受到严重影响，是新型干法窑的薄弱环节。
同时，由于过渡带温度场容易受喷煤管及燃料变化的影响而不断的变化，耐火材料在反复的温场变化时，容易出现热疲劳现象，一般材料承受不了由于温度场变化引起的急冷急热，导致了过渡带衬砖出现损坏。所以，水泥回转窑过渡带对耐火材料，不仅要有较高的强度以抵御机械应力，较强的抗热震稳定性以防止热疲劳损害，还要有良好的高温性能和抗侵蚀性。
镁铝尖晶石砖因与水泥熟料的主成分都属于碱性材料，所以具有优异的抗侵蚀性能，由于添加了镁铝尖晶石，可以获得热震稳定性，所以一直被奥镁、雷法等国外企业推荐应用于水泥回转窑过渡带。由于我国耐火材料起步较晚，相关技术发展较为缓慢，直到进入21世纪，才逐步被我国耐火材料企业进行模仿生产，但是，普通的尖晶石砖由于生产原料、生产工艺、生产设备和生产技术等因素制约，在水泥回转窑过渡带的使用寿命一般都在3-4个月，*长时间不超过6个月，过渡带窑衬一年需更换几次，水泥回转窑用镁铝尖晶石砖的市场始终被进口产品垄断。
随着节能降耗绿色发展理念的推广，镁铝尖晶石砖导热系数较高（350℃,4.0w/m.k）的缺陷越来越明显，同时随着我国耐火材料行业的大胆尝试和实践应用，我国水泥行业逐渐采用了相对导热率低的硅莫砖（350℃,2.5w/m.k）代替了镁铝尖晶石砖，并且得到了较好的效果。
硅莫砖是我国研发的一种具有中国特色的耐火材料，但很遗憾，在国外市场还没有得到认可和推广。硅莫砖是以高铝矾土熟料为基础，添加碳化硅制作的一种新型耐火材料 ，因制品含有碳化硅，且在高温烧结过程中生成有较多的原位莫来石，所以叫硅莫砖，有些同类产品因含有红柱石，所以叫硅莫红砖，这两类产品的差别不大，都具有良好的高温体积稳定性，较好的热震稳定性与抗侵蚀性以及较高的耐磨性能，特别是，与镁铝尖晶石砖相比，硅莫砖的导热系数相对较低，同等条件下使用硅莫砖部位的筒体温度相对较低，所以，在日益重视节能环保的社会发展趋势下，硅莫砖越来越多地应用在了水泥回转窑。硅莫砖在水泥回转窑的使用位置大多集中在窑尾，经过实践，4000t/d及以下水泥回转窑过渡带目前大多采用了硅莫砖进行砌筑，5000t/d回转窑过渡带因工况复杂， 虽有部分采用，但未完全推广。
一般情况下，我们通常将过渡带分为两段，上过渡带和下过渡带，一般称接近预热带的部分称为上过渡带，接近烧成带的地方为下过渡带。在上过渡带一般采用1650硅莫砖（硅莫红砖）即可，下过渡带因为温度较高，所以只能采用镁铝尖晶石砖或1680硅莫砖（硅莫红砖），由于该区域温度较高，过渡带用耐火材料的使用寿命一般在12个月左右。
硅莫砖与镁铝尖晶石砖相比较具有导热系数低，热震稳定性好、性价比高的优势；镁铝尖晶石砖与硅莫砖相比较具有抗侵蚀性能更强的优势和导热率高的劣势，在系统处理垃圾水泥回转窑上，镁铝尖晶石砖的抗碱硫侵蚀效果更好，所以在大型回转窑，从安全系数考虑，仍大多采用镁铝尖晶石砖进行砌筑。整体上，硅莫砖因性价比优势，在国内有替代镁铝尖晶石砖在水泥回转窑应用的趋势。

3.3水泥回转窑用节能降耗方案
在水泥行业，水泥熟料的烧结生产过程消耗的能源几乎占到整个水泥生产过程中能源消耗总量的80%以上，回转窑作为关键的烧成设备，其能源消耗又占了整个烧成系统能源消耗总量的80%，回转窑的窑壳筒体材质为钢材，受运行特性制约无法使用隔热材料进行隔热保温，导致了大量热量从窑内通过筒体向大气散发，严重影响了水泥生产过程中的整体热利用效率。为了防止回转窑筒体受过高温度影响损坏、保证设备安全运行，回转窑衬砖用到二分之一左右时候就要重新更换，耐火砖的实际利用率仅为40-50%，造成大量的资源浪费。
实际上由于水泥熟料的导热率较低（1000℃,1.2w/m.k）左右 ，烧成带在运转时能够粘挂窑皮，烧成带筒体温度反而不高，回转窑筒体温度较高的部位在过渡带。降低水泥回转窑的筒体温度，特别是降低过渡带筒体温度，不仅可以降低水泥行业生产成本，节约燃料还可以提高耐火砖的利用率、促进我国宝贵的耐火材料资源的可持续发展，具有重要的经济和社会意义。

3.4烧成带耐火材料的选用
水泥回转窑烧成带是水泥完成硅酸盐晶相转化的关键区域。在窑内烧成带，熟料的烧结温度为1300℃～1450℃，而火焰温度高达1800℃～2000℃，向四周发出大量的辐射能，火焰长期的舔舐作用会使任何耐火砖都迅速分解损毁。为了抵御高温，需要粘挂一层窑皮来保护衬砖。所谓窑皮是指水泥生料在烧成带和过渡带的耐火砖表面上，通过粘附和化合而形成一层具有强度的物料层。 当耐火砖表面出现*少数的液相时（俗称出汗），生料就会在高温状态下黏结在耐火砖表面，形成窑皮的初始层。生料中的某些元素，还会向耐火砖表面微观渗透到一定深度，随着窑的转动，耐火砖在这一初始窑皮的基础上，逐渐一层层形成较厚的，较为稳定的窑皮。它可以有效抗磨、隔热、阻滞热侵蚀和化学侵蚀。因此耐火砖与水泥生料适当反应形成窑皮的能力，称挂窑皮能力。这是针对回转窑烧成带和过渡带耐火材料提出的术语和概念。
烧成带耐火材料除了高温，水泥熟料熔体及煤灰中硅酸盐低熔物的渗入、过热、热震及热疲劳的影响和机械应力的影响也是造成水泥回转窑烧成带衬砖损坏的主要因素，熟料和燃料中硅酸盐低熔物加剧了化学侵蚀的速度；窑皮不稳定或运转不正常，频繁的开停窑造成衬砖内出现频繁的热应力。当耐火砖受到的压力、拉力、扭曲力、剪切力等交替变化的综合机械应力，超过了砖的结构强度时，砖就会开裂损坏。所以，选用优良耐火材料，挂好窑皮并保护好窑皮以及原料预均化、使用符合要求的燃料减缓化学侵蚀是延长回转窑烧成带使用周期的关键因素。
镁铬砖初始挂窑皮比较容易，所以早期在水泥回转窑烧成带得到长期使用，但由于镁铬砖中的部分铬离子遇水会从Cr3+转变为剧毒和致癌的Cr6+，污染环境，所以2012年我国开始实施水泥中铬离子含量不得大于10ppm的水泥新标准后，各类镁铬砖就很快退出了水泥行业市场，被各类无铬耐火制品替代。
目前市场上出现并适用于水泥回转窑烧成带的无铬产品有：白云石砖，镁锆砖，镁铁尖晶石砖，镁铝尖晶石砖由于不容易粘挂窑皮，不适用于烧成带。
白云石砖（镁钙砖）属于碱性耐火材料，主要成分为氧化钙和氧化镁，由于砖内均匀分布着大量游离的CaO，*易与熟料中的C2S反应生成C3S，所以白云石砖*易挂窑皮，且砖与窑皮粘结紧密、坚固，但该产品存在受潮后*易水化粉化，不容易储存保管，对施工和使用要求较高的致命缺陷，无论在哪个环节出了疏忽，就会酿成大的问题，所以在市场上选用的企业*少。
镁锆砖是在镁砖中加入少量的（2%）锆氧化物，能通过CaO+ZrO2生成高熔点的CaZrO3，提高耐火砖与生料的结合能力，提高窑皮的稳定性。同时ZrO2还能大大提高耐火砖的热震稳定性和高温强度。目前因价格因素限制了它的应用。
镁铁尖晶石砖*早出现在国外，*初是奥美公司以欧洲阿尔卑斯山产高铁镁砂加上铁铝尖晶石生产的，由于中国出产的镁砂铁含量较低，所以一直没有此类产品，在国内耐火材料行业生产出铁铝尖晶石后，在国内出现了以镁砂加尖晶石原料生产的镁铁尖晶石砖。镁铁尖晶石砖在目前市场上是水泥窑烧成带应用*多的无铬碱性制品。

3.5冷却带耐火材料的选用
为了减少铁铝酸三钙和铁铝酸四钙（Ｃ3ＡＦ、Ｃ４ＡＦ）含量，以促使水泥熟料的晶相转化，提高水泥强度，保证水泥质量，水泥熟料高温煅烧后，必须快速进入篦冷机（篦冷机）进行快速进行降温，所以，水泥熟料在烧成带完成烧结后，就要迅速冷却经过冷却带和窑口部位排出，根据各企业喷煤管和火焰长度变化差异，有的企业把冷却带和窑口都称为窑口区域。
在大型干法窑生产中，冷却带窑衬是大型回转窑中*薄弱窑衬之一，在冷却带，虽然环境温度没有高温带高，也没有烟气腐蚀，但受生产工艺限制，水泥回转窑冷却带都很短，回转窑窑口处离窑熟料温度高达1400℃，入窑二次风温度达1200℃，窑口几乎是完全裸露在1700℃高温火焰的辐射之下。
随着窑的大型化、产量增加，单位时间内通过的熟料量增加，窑口部位没有窑皮保护，已离烧成带的熟料和大块窑皮的温度降低，水泥熟料冷却结晶形成熔块颗粒后，在回转窑的运转过程中，在约1400℃高温的颗粒较大、强度很高的熟料的磨损和冲刷下，窑口材料容易磨损。
由于回转窑的一档轮带区域正好也在这个位置，机械应力和轴向应力也会对耐火材料产生挤压，所以窑口*前端必须用浇注料整体浇筑，以对耐火砖进行固定。
二次风温度的大幅度提高、窑体的斜度和转速的加快、窑口没有稳定的窑皮，要求衬砖必须有很好的高温体积稳定性，以消除由于热应力产生的损坏，同时要有很高的热态、冷态强度和耐磨性能，才能满足冷却带使用要求。
目前，水泥回转窑冷却带，除了窑口0-0.6米位置 ，剩余部分都采用了耐火砖进行砌筑，且大多采用镁铝尖晶石砖和硅莫砖进行砌筑。相比较而言，镁铝尖晶石砖比硅莫砖的抗侵蚀能力要好，但导热率较高，硅莫砖的导热率较低，但抗碱侵蚀能力不如镁铝尖晶石砖，所以，在该区域，如果用户的原料中的碱硫成分不高，用硅莫砖即可，如果经常出现碱硫成分过高引起的剥落现象，就只能用镁铝尖晶石砖，这些需要根据经验结合实际情况辩证选择。

3.6窑口耐火材料的选用
水泥熟料冷却后通过窑口排往篦冷机，窑筒体与水平线成3.5%～4%的倾斜，窑内物料在窑运转时从窑尾向窑头方向运动，在运动物料的推力，及窑内耐火砖的轴向应力的共同作用下，有往窑头方向移动的趋势，造成窑口的轴向挤压应力非常大，为了防止整体耐火砖产生位移，所以窑口部位只能采用浇注料进行整体施工，所以这里指的窑口仅指出料端0-1米位置，又称前窑口。
回转窑作为动态设备，在运行使用过程中，前窑口的耐火浇注料承受着两种机械应力：一是窑的径向剪切应力，二是沿窑筒体方向的轴向挤压应力。径向剪切应力主要来源于回转窑运行中产生的机械变形，随着窑径加大，窑速加快，前窑口周期性的受压和松压作用加剧，耐火浇注料承受的径向剪切应力的破坏也更大。
回转窑运行过程中，前窑口熟料出口温度达到1400℃，入窑二次空气温度达1200℃，在窑体运转过程中，窑皮时挂时落，温度变化频繁，由此产生的热应力是前窑口浇注料损坏的主要原因之一。随着水泥窑大型化，窑径不断增大，窑口的出料量也在增加，这不仅使机械应力变大，窑内的热力强度也要大幅度提高，浇注料单位面积所受的热负荷也相应增加，热应力的破坏作用更加明显。在这种情况下，前窑口浇注料应该具有更好的热震稳定性。
前窑口浇注料在高温环境下应该具备足够的耐火度、机械强度、热震稳定性和耐磨性，针对窑口薄弱的特性多采用具有优越抗热震性能、抗冲击性能和耐磨性能的窑口专用浇注料，窑口专用浇注料采用先进的工艺配方，以优质刚玉、碳化硅、进口红柱石和添加剂制成，具有体积稳定性好，抗热震、抗侵蚀、耐磨损性能好的优点，在正常操作情况下，窑口专用浇注料的寿命可达到12个月以上。