水泥预分解窑用碱性耐火材料的技术进展（1）

　　陈友德­

　　天津水泥工业设计研究院 天津300400­

摘 要 介绍了水泥顸分解窑的工作条件及其对窑村耐火­材料的影响，论述了目前世界水泥预分解窑的技术进展厦其­对窑用碱性耐火材料的要求，以度窑用碱性耐火材料的技术­进展，分析了我国预分解窑生产技术的发展及预分解窑用耐­火材料的发展，指出了中国预分解窑用耐火材料近期的发展­趋势。

关键词 水泥，回转窑，顸分解窑，碱性耐火材料­

碱性耐火材料在水泥回转窑烧成带上的应用始于20世­纪30年代末，并随着水泥生产技术的发展而逐步发展。预­热器窑和预分解窑的出现，对窑内衬耐火材料提出了更高的­技术要求，进一步加速了碱性砖的发展和完善。现就水泥预­分解技术及窑用碱性耐火材料技术的进展作一介绍。­

1 回转窑工作条件及其对碱性窑衬耐火材料的影响­碱性耐火材料用在回转窑上、下过渡带和烧成带，在生­产过程中主要受机械应力和热应力的作用以及窑料和窑气­的化学侵蚀。­

1.1窑淀的影响­

预分解窑配料率值中的石灰饱和系数、硅酸率和铝氧率­较高，因此熟料煅烧温度也较高，如：人窑二次空气温度超过­1200℃，多风道燃烧器火焰温度超过2000℃，大型预分解窑­内熟料煅烧温度超过1430℃。在高温下，熟料中的钙–硅熔­融物和碱、硫等组分可与Al2O3形成低温共熔体，使高铝质衬­砖快速损毁。因此，通常只得在窑内大量使用高性能的碱性­砖(窑内碱性砖衬的砌筑长度约为窑筒外径的8～10倍)。

1.2挥发性组分的影响­

在生产过程中，预分解窑内的碱、氯、硫等组分易在预热­器下部窑料内富集或在耐火砖表面结皮，坍跨的结皮物与窑­料一起从预热器进入窑内。由于碱、氯、硫组分的熔融温度­和挥发温度较低，在熟料煅烧过程中部分组分挥发，侵蚀窑­内未结皮的衬砖。而熟料内的组分在高温煅烧部位以液相­形式存在，侵蚀烧成带和上下过渡带的衬砖。

1.3热膨胀及椭圆度的影响­

窑内衬砖因热膨胀导致的压应力可按Hooke定律作近­似计算：­

式中：σp为压应力，N·mm–2;α 为热膨胀系数，K–1;△T为温度差，℃;ED为压缩弹性模量, MPa。可见，砖的热膨胀压­应力正比于砖的热膨胀系数、压缩弹性模量及温度差。­­

预分解窑烧成带内碱性砖的热膨胀系数较高铝砖的约­高一倍，且预分解窑烧成带温度高，砖体内的温差大，因而所­承受的压应力高。­

由于预分解窑内温度高，且碱性砖的热导率高，因此该­部位简体温度较高。当简体温度超过400℃后，钢的强度下­降，简体易发生变形而产生椭圆度。窑体断面椭圆度对砖衬­引起的压应力，按Meedom H公式计算：

 

式中：σ_p为压应力，N·mm–2;Wt为窑体的椭圆度，mm;R₀为­简体半径，mm;h为砖衬厚度，mm;E₀为砖的压缩弹性模量，­MPa。可见，窑体断面椭圆度对衬砖的压应力随窑简体椭圆­度、衬砖厚度、砖的压缩弹性模量而增大，随窑径增大而减少。­

1.4窑速的影响­

预分解窑的窑速为3～4r ·min-1。由于窑速高，火焰­与窑料温度不同对衬砖造成的热震循环的次数增多，并且衬­砖受到的轴向挤压应力和向下的推力也增强。这对衬砖强­度、砌缝尺寸以及胶泥性能均提出了更高的要求。­

2预分解窑生产技术的发展及其对耐火材料的影响

­2.1预分解窑生产技术的发展[1,2]­

预分解窑自20世纪70年代出现以来，技术上不断发展­和完善，主要体现在如下方面：

2.1.1生产规模大型化­

水泥熟料生产线的日生产规模，20世纪70年代一般为­1000～4000t，80年代为3000～5000t，90年代为4000～­10000t。目前.世界上已投产的日产熟料5000t以上的生产­线超过80条，7000t以上的生产线接近30条.9000～10000t­的生产线为4条。正在兴建的最大规格的窑为Φ6.2m×­105m，该生产线日产熟料12000 t。­

2 .1.2先进的生料均化技术的采用

生料均化技术主要包括计算机控制的三维采矿技术，预­均化堆场和均化库技术.在线测试控制技术，以及高精度配料计量技术等。这些技术的采用，使人窑生料的成分和数量­更加均匀，从而保证生产的稳定和产品质量的优良。

­2 .l .3先进的熟料煅烧技术­

熟料烧成系统由预热器、分解炉系统、回转窑、篦冷机、­燃烧器等装备组成。熟料煅烧技术的进展主要包括：

①预热器、分解炉系统的性能进一步完善，效率进一步­提高。预热器由4级逐步增加到6级;分解炉能燃烧不同性­能的燃料，分解不同性能的原料。系统的入窑物料分解率已­增至95%，窑尾废气温度提高至1200℃以上。

②随着人窑物料分解率的逐步增加，窑的长度逐步缩短。­一些窑的长径比从>15下降到10～11，转遵从3r·min-1逐­步提高到4r·min-1以上，单位窑积产量从2.5t·m-3·d-1­提高至5t·m-3·d-1以上。

­③高教率的充气梁麓冷机逐步取代厚层篦冷机，热效率­从68%～70%提高至78%以上，人窑二次风温度提高至­1200℃以上。­

④多风道燃烧器广泛应用。此类燃烧器不仅用于烧油，­更适用下烧煤和工业废燃料，做到不同燃料混烧。该燃烧器­火焰集中，焰气温度高，并可减少NOx排放。­

⑤上述装备组成的烧成系统的热耗，20世纪70年代一­般为3350～3550KJ，筒俸散热损失为450 Kj(均以生产1kg­熟料计，下同)，窑的运转率为85%左右。90年代，先进的大­型预分解窑生产线的热耗低干2900kJ，简体散装损失低于­200­kJ，窑的运转率提高至95%以上。

2.1.4生产过程的生态化趋势­

早期的预分解窑用燃料主要为燃油。20世纪70年代­的石油危机造成燃油价格上涨，低价的燃煤逐步取代燃油。­但是燃煤的挥发分、灰分、热值、硫含量等变化较大.燃烧较­燃油困难。从20世纪80年代中期开始，在烧煤的基础上，­一些工业化国家逐步使用价格更为便宜的工业废燃料，如石­油焦、废轮胎、废机油、废塑料及有毒有害工业废弃物等。至­20世纪90年代，发达国家工业废燃料的用量几乎和燃煤相­近，且品种愈来愈多，替代率愈束愈高，有效地减少了不可再­生资源的消耗。

此外，从20世纪80年代起，工业化国家加强了水泥生­产过程中有害物(主要为CO2、NOx、SOx、粉尘以及6价铬­等)排放的控制.制定了严格的控制指标。

2.2预分解窑技术的进展对耐火材料的影响

2 .2 .1窑径增大的影响­

随着窑径的增大，窑的衬砖用量及窑的产量均增加。但­是，衬砖用量只是随窑径的1次方增加，而窑的产量则随窑径­的3次方增加。因此，随着窑径的增大，窑内衬砖所承受的单­位热伍荷增大。衬砖的单位热负荷与产量的关系见图1。

窑内村砖所受的压应力随窑径增大而下降。但窑径增­大，易造成筒体变形，增大了椭圆度，椭圆度增大造成的衬砖­压应力增加。

2.2.2入窑生料变化的影响[3]­

生料成分和喂料量的频繁变化会造成窑内热工制度及窑­皮的不稳定，衬砖受熟料的热一化学侵蚀加重。随着原料均­化链技术的发展和完善，上述现象逐步好转。但生料不稳定­的情况在我国还相当严重。­

入窑生料的KH(石灰饱和系数)值和SM(硅酸率)值增­加，煅烧温度增高。当KH{值和SM值过高时，易出现衬砖过­热损坏和熔融凹坑损坏等事故;生料中的IM(铁率)值增加，­熟料液相量增加，对衬砖的渗透和侵蚀加重。若生料中含有­不易磨细和煅烧的SiO2及石灰石时，为了降低熟料的游离­CaO含量，须相应提高煅烧温度，则熟料液相的渗透和侵蚀也­随之加重;当生料内MgO过高时，也易出现液相对衬砖的渗­透侵蚀。若生料中碱、氯、硫等有害物成分较多时，易出现碱­盐和硫酸盐对衬砖的渗透和化学侵蚀及衬砖内铬矿石的侵­蚀，严重时，衬砖极易损坏。

­2.2.3燃料的影响

­在国外，煅烧水泥熟料的燃料，20世纪70年代前期主要­是烧油，后期开始烧煤;20世纪80年代以燃煤为主，与此同­时，工业废燃料逐步扩大应用;至20世纪90年代，发达国家­工业废燃料的用量几平和燃煤相近。燃料结构的改变影响着­衬砖的使用。

­在我国，由于油价昂贵，燃料一直以挥发分含量为20%～30%­的燃煤为主，工业废燃料目前已开始逐步使用。近年来，为­解决原煤运输距离长、费用过高的阃题.已成功开发出低挥发性­(挥发分3%～15%)煤的燃烧技术，使燃煤品种扩大。­

燃油成分均匀，火焰稳定，燃烧时无粉尘沉积在窑内。­若人窑生料的成分和喂料量均匀，则窑内热工制度相对稳­定，烧成带窑皮稳定，过渡带窑皮时塌时涨的现象较少，衬砖­受到的热侵蚀和化学侵蚀相对较轻。­

燃煤的挥发分、灰分和热值变化较大。要使煤粉燃烧稳定­而完全，煤粉必须经过均化且细度合适，入窑量必须均匀，还得­配置合适的多风道燃烧器。其中任一环节出问题，都会影响火­焰的稳定性，增加村砖的应力。若煤灰中所含有的碱、铝、铁等­低烙物较多时，易产生不稳定的窑皮，在上过渡带造成窑皮时塌­时涨，使该带衬料易受高温气流和物料的盐侵蚀。若燃煤中含­硫量高，上、下过渡带衬砖易受SO3气体侵蚀，烧成带易受CaSO4­等硫酸盐的侵蚀。燃烧低挥发性煤时火焰较集中，衬砖易受热侵蚀、熟料熔融物侵蚀以及煤灰成分的化学侵蚀。­

工业废燃料品种多，且成分不均匀，所含有害成分多，难­以做到成分和喂料量均匀.因而窑内热工制度较难稳定，窑­皮也难以稳定，增加了对衬料的热侵蚀和化学侵蚀。一些工­业废燃料中除碱、硫、氯等有害成分较高外，还含有易与熟料­结合生成低熔点物相的重金属，这进一步加剧了对衬料的各­种应力，从而对衬料提出了更为苛刻的要求[4]。

­2.2.4轮带变化的影响[5]­

近年来.为改变轮带部位衬砖的受力情况，槽齿轮带逐­步取代了浮动轮带。常见的浮动轮带对简体直接施力，浮动­轮带与筒体的间隙一般为0.20%D(D为筒体直径)，此数据­所允许的简体和轮带之间的温差不超过180℃，而实际生产­过程中两者的温差很容易超过此值，造成筒体被轮带挤压而­发生永久性形变。而槽齿轮带对筒体是切线受力，轮带和简­体间隙值可增大至0.40%D，此数值允许筒体和轮带之间的­温差为≤360℃，而筒体和轮带之向的温差一般小于该值，­因而避免了筒体发生永久性变形。从已投产的窑操作情况­来看，浮动轮带内筒体变形后椭圆度一般为0.3%D～­0.5%D,而改为槽齿轮带后仅为0.1%D。­

我国现有回转窑的轮带几乎全是浮动轮带.长时间运转­后，轮带部位筒体出现不同程度的椭圆度，该部位的村砖所­受的机械应力较大，经常出现掉砖红窑事故。解决此类事故­的根本措施一是砌筑牢固，二是保持较稳定的升温制度，尽­量减少简体与轮带的温差，减少筒体变形。近年来，国内外­均采用高温脏泥来增强耐火砖与简体的结合，避免在高温状­态下掉砖。

2.2.5环保需求的影响[4，6]­

为减少NOx排放，燃料在局部还原气氛中高温煅烧，这­对窑内衬砖易造成氧化还原爆裂损坏。此外，由于砖内的铬­在碱性气体内还原成六价铬.对水源造成严重污染.一些工­业化国家颁布了禁止生产和使用镁铬砖的条令。

3窑内衬材料损坏原因的变化[3,7]­

回转窑内村的损坏往往是热、化学、机械应力综合作用­的结果。水泥生产技术的进展也反映在衬砖所受应力情况­的变化上。图2是西欧1963～1996年预热器、预分解窑内­村砖遭受各种应力的情况。从图2来看，20世纪60年代，由­于预热器窑的燃料主要为燃油，窑径较大，干法均化链技术­尚未完善.因而机械应力、过热、热震以及熟料渗透等是损坏­衬砖的主要因素;20世纪70年代，预分解窑出现后，窑简体­直径有较大幅度的碱小.热力强度大幅下降，均化技术有所­进展，因而机械应力、过热、热震均有所下降，但盐蚀和熟料­渗透则相应增加;20世纪80年代，燃煤逐步取代燃油，均化­技术也进一步发展，燃煤灰分带来的化学馒蚀增加，熟料液­相已成为损坏衬砖的主要因素;20世纪90年代，槽齿轮带­技术和均化链技术进一步完善，工业废料作为代用燃料的应用增加，盐蚀和过热损坏已成为损坏衬砖的主要因素。