水泥窑用耐火材料的发展与展望

范泳 ，谢杰华 ，陶贵华 ，李晓枫

水泥窑用耐火材料的发展与展望

Outlook and Development of Refractory Used for the Cement Kiln

范泳1，2，谢杰华2，陶贵华2，李晓枫2

1 前言

随着水泥工业的快速发展，水泥窑用耐火材料也取得了长足的进步，耐火材料技术水平有了显著的变化和提升，各种新产品新技术都得到了应用，并取得了良好的使用效果。据不完全统计，我国新型干法水泥窑吨熟料耐火材料消耗从过去的0.8kg降到目前的0.4kg以下，耐火材料的使用寿命有了显著的提高。

2 新型干法水泥窑用耐火材料发展现状

2.1 水泥回转窑用定型耐火制品发展现状

2.1.1 无铬碱性砖的技术发展

为了减少铬污染，发展环境友好的绿色耐火材料，国内耐火材料厂家都在进行积极探索，努力推动水泥窑耐火材料的无铬化进程，部分产品已进入推广应用阶段，并取得了一定的使用效果。

2.1.1.1 镁铁铝尖晶石砖

镁铁铝尖晶石砖，由于其低廉的价格和良好的挂窑皮性能，如今已在窑内气氛稳定的水泥回转窑烧成带得到了广泛的推广应用。镁铁尖晶石砖能与水泥熟料反应形成CaO-Al2O3-Fe2O3系化合物，Fe2O3成分扩散，进一步扩大反应部位，使窑皮稳定。由于Fe2O3的作用，砖的结合组织发达，提高了砖的抗剥落性和挂窑皮附着性。但其耐高温性能、抗侵蚀性和抗氧化还原性能不佳，制约了镁铁尖晶石砖的进一步应用。

2.1.1.2 镁钙锆砖

镁钙锆砖，就是把一定量的预合成锆酸钙加入到配料中，形成镁钙锆砖制品。锆酸一钙在1500℃时不会与尖晶石起化学反应，它作为非活性化合物存在于界面上，阻止水泥熟料中各化学成分向耐火材料内部渗透，提高砖的耐化学侵蚀性。ZrO2在1200℃时，极易与水泥熟料中的化合物起反应，形成高熔点化合物锆酸一钙，并形成 CaO·ZrO2、CaSi2O5(硅钙石)、Ca3MgSi2O8(镁硅钙石)，因而具有优良的挂窑皮性能，且具有良好的抗侵蚀性能，能有效抵抗窑内气氛的变化，目前已在新型干法水泥窑烧成带使用，效果良好，具有良好的推广应用前景。

2.1.2 高铝砖的技术发展

硅莫砖是在传统高铝砖的基础上通过浸渗碳化硅的技术改进而成，是以莫来石和碳化硅（SiC）为主要矿物组成的烧成砖，与传统高铝砖相比，高强耐磨抗震稳定性好，既有莫来石的抗高温性能，又具备碳化硅的耐磨耐腐蚀的优点。碳化硅的引入能在制品表面形成保护膜，提高制品的耐碱性能，且能有效阻止碳化硅的进一步氧化。碳化硅与高铝矾土熟料在高温下生成莫来石(3Al2O3.2SiO2)，能提高制品致密度和强度,改善制品的热震稳定性、耐磨性、抗侵蚀性。硅莫砖在水泥回转窑的分解带和安全带上逐步代替原来配置的抗剥落高铝砖及磷酸盐结合高铝砖等传统产品，并取得良好的使用效果。

为提高硅莫砖的使用性能，耐火科研技术人员对硅莫砖进行改进和提高，在硅莫砖中加入红柱石、硅线石、蓝晶石，利用其在高温下的膨胀性提高制品的抗蠕变性和高温强度，而且能提高抗热震稳定性。在硅莫砖中添加红柱石而制成的硅莫红砖，以其比硅莫砖更加优良的耐磨性能和抗热震稳定性而在水泥窑上取得了良好的使用效果。

2.2 不定形耐火材料技术发展状况

2.2.1 关键部位耐火浇注料的技术发展现状

窑口浇注料由传统的高铝高强浇注料发展为以添加超微粉和高效减水剂为特征的高性能低水泥浇注料。在配方体系上也有了很大的变化，逐渐由传统的高铝质浇注料演变为红柱石基低膨胀浇注料、刚玉-碳化硅浇注料以及采用复合骨料的刚玉-莫来石高强低水泥浇注料。膨胀系数的降低，有利于减小材料高温下的内应力，提高材料的抗热震性和体积稳定性；超微粉等新配方技术的采用以及各种添加剂的加入，大大提高了浇注料的整体使用性能，使窑口浇注料的使用寿命由之前的4～6个月提高到10个月以上，甚至1年半以上，达到了国外同类产品的先进水平。

喷煤管浇注料由于其比较苛刻的使用工况，一直以来使用效果都不理想，一定程度上制约着水泥窑的正常运转。主要耐火材料厂家都在不断探索新的喷煤管耐火材料改进技术，并取得了一定的成果。目前喷煤管浇注料主要为铝-碳化硅系浇注料和刚玉-尖晶石浇注料。铝-碳化硅系浇注料在高铝原料中添加超微粉和碳化硅，碳化硅的加入提高了材料的抗热震性，并在高温下在材料表面形成液相层，改善了材料的耐碱性能，大大提高了材料的使用寿命。刚玉-尖晶石浇注料是在材料中添加α-Al2O3粉和富铝尖晶石细粉，具有较高的高温抗折强度，尖晶石本身具有一定的耐碱性能，在喷煤管上也取得了一定的使用效果。这些新产品新技术的开发应用，使喷煤管的使用寿命从之前的3～4个月提高到目前的6～8个月。

2.2.2 耐火浇注料的预制化进展

不定形耐火材料发展的另一个方向是预制化，将各个异形部位在工厂预浇注成型、烘干等，然后运到现场安装，这种方法能避免现场浇注低水泥浇注料在烘烤过程中容易爆裂等问题，大幅降低因施工不规范造成的质量问题，有效提高耐火材料的使用寿命，节省施工时间。目前，一些水泥厂在篦冷机喉部、三次风管闸阀、篦冷机矮墙等部位选择预制件替代传统浇注料，取得了理想的使用效果。预制件由于其自身的优点，尤其是维修时的方便快捷、免烘烤和良好使用效果，必会作为一种独特的解决方案而得到广泛的推广和应用。

2.2.3 不定形耐火材料施工工艺技术的发展

与传统施工方法相比，喷涂施工（干式喷涂、湿法喷涂）机械化程度高，施工效率高，能有效节约施工时间，为水泥企业创造显著的综合效益。喷涂施工质量较高，能有效避免人为因素对施工造成的影响，保证整个工程的施工质量，提高耐火材料的使用寿命。

3 水泥窑用耐火材料展望

水泥窑用耐火材料的工艺和技术都取得了巨大的进展，无论是烧成带窑砖的无铬化、水泥窑重点部位耐火材料的配方体系和技术，还是新的施工工艺以及浇注料的预制化都取得了可喜的成果，极大提高了水泥窑耐火材料的整体使用寿命，为水泥窑的长周期和高运转率做出了贡献。随着经济结构进一步加快调整，水泥行业增速放缓，水泥企业的发展与运营步入理性、追求科学，对耐火服务的要求更加高标准、系统化，水泥与水泥耐火材料在新时期将迎来价值创造的时代。

3.1 水泥窑窑砖的无铬化展望

水泥窑的无铬化虽然取得了可喜的成果，但仍存在一定的不足。镁铁尖晶石砖虽然已经成功推广应用，并取得了一定的效果，但由于其自身的缺陷，对窑内环境和气氛稳定的窑况适应性良好，而在窑况复杂、窑内气氛不稳定、协同处置城市垃圾的窑上使用情况还有较大的不足。镁钙锆砖对环境的适应性好，但其挂窑皮性能仍有待提高，加上其高昂的成本，制约了其推广应用。

改性镁铝尖晶石砖将可能是今后发展的方向。镁铝锆砖，就是把一定量的预合成铝酸锆加入到配料中，在一定的工艺技术下烧制而成。氧化铝在制品烧结过程中与氧化镁反应生成镁铝尖晶石，能大大提高耐火砖的热震稳定性；同时引入的氧化锆在高温时极易与水泥熟料中的化合物起反应，形成高熔点化合物锆酸钙，一方面能提高耐火砖的挂窑皮性能，同时也可提高砖的抗水泥熟料侵蚀性能，有望在新型干法水泥窑烧成带取得良好的使用效果。方镁石-镁铝尖晶石-锆酸镧砖是在方镁石-镁铝尖晶石的体系中添加ZrO2和La2O3，ZrO2和 La2O3的加入能与原料中的CaO在高温下反应生成锆酸镧钙固溶体，提高材料的抗热震性能和挂窑皮性能。

3.2 塑性相结合硅莫砖

在硅莫砖中添加一定量的塑性相而开发出了塑性相结合硅莫砖，塑性相的加入，显著提高了材料的抗氧化性和耐碱性能，使材料在高温下具有一定的自修复功能，明显改善了材料高温下的组织结构，大大提高了材料的高温抗折强度和耐磨性能，且有效降低了硅莫砖的导热系数，有望成为硅莫砖的替代产品在水泥窑上得到广泛的推广应用。此外，在硅莫砖中适量引入锆英砂，在高温烧制中，利用ZrO2的晶型转化产生的微膨胀而在刚玉、莫来石晶体间产生微裂纹，吸收热应力，起到微裂纹增韧的作用，提高了制品的抗热震稳定性，在使用中不易产生剥落和掉片，还能提高抗侵蚀能力，从而进一步提高使用寿命。

3.3 加大采用替代燃料和协同处置固废垃圾水泥窑配套耐火材料的开发力度

我国新型干法水泥的生产能力严重过剩，水泥企业之间的竞争日趋激烈，开辟新的增长途径迫在眉睫。新型干法水泥煅烧技术发展的两个重要的方向是使用替代燃料和焚烧生活垃圾。20世纪90年代以来，发达国家就开始大规模使用替代燃料，其使用方式是将废料切碎，均匀加入分解炉中。1995年，德国水泥工业使用燃料的比例约为煤52%、褐煤36%、重油10%、天然气2%，也使用废轮胎、废橡胶、废塑料和低品位石油焦等替代燃料。水泥厂使用替代燃料降低了燃料成本，也减少了资源消耗，给水泥厂带来一笔额外收入，同时也改善了环境。这一技术的继续发展，就是建立水泥制造-焚烧垃圾联合处理工艺。例如，日本将水泥窑和垃圾焚烧炉并联，在一座独立的焚烧炉中焚烧垃圾，将焚烧垃圾产生的烟气送入水泥窑的窑尾，并利用焚烧垃圾产生的废渣作水泥混合材。各种废弃物的再利用和低品位替代燃料的使用，使窑中碱、氯、硫循环量增大，恶化窑内工况，使窑内气氛更加复杂，对耐火材料的侵蚀加剧；同时为降低水泥窑的NOX排放量所采用的新工艺使耐火材料的作业环境发生变化，加剧了耐火材料的损毁。因此，应加大对采用替代燃料和协同处置固废垃圾水泥窑配套耐火材料的开发力度，研究出相关的新技术、新产品。

3.4 开发上过渡带用高强低导耐碱砖

目前，水泥窑上过渡带的窑砖是整个窑砖的薄弱环节，无论在上过渡带选用镁铝尖晶石砖还是硅莫砖，使用效果都不太理想，损坏较快。尖晶石砖导热系数较高，硅莫砖易遇火爆头，加上上过渡带窑砖没有窑皮保护，筒体超温的现象普遍存在，严重威胁着水泥窑的安全运转。因此，开发用于上过渡带的高强低导碱性砖就显得尤为重要。

4 结语

耐火材料在未来的发展过程中还有诸多的课题需要破解，通过耐火材料企业和科技工作者的不懈努力，水泥窑耐火材料会取得更大的突破和发展，为水泥工业的发展做出新贡献。

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赵莲