水泥窯用堿性耐火材料的性能

一、堿性耐火材料的生產(chǎn)用原料

1、鎂砂原料：鎂砂是指具有一定顆粒組成的燒結(jié)鎂石，它是由燒結(jié)鎂石破碎而成的。

(1)燒結(jié)鎂砂：

燒結(jié)鎂砂是采用菱鎂石為原料經(jīng)不同工藝高溫煅燒而成的，它分為普通鎂砂、中檔鎂砂、高純鎂砂。

鎂砂的理化性能指標

 

 

 

(2)電熔鎂砂：

電熔鎂砂是菱鎂石或輕燒鎂砂在電弧爐中熔煉而成的。電熔鎂砂的主要成份如下：

電熔鎂砂的理化指標

 

 

 

(3)海水鎂砂：

海水中金屬元素除鈉以外，鎂是富有的，每噸海水中含有2克氧化鎂。

海水鎂砂的化學成份

 

 

 

2、鉻鐵礦

我國是一個鉻鐵礦藏比較貧乏的，鉻鐵礦主要分布在我國新疆、西藏地區(qū)，且品位較低。目前，我國耐火級鉻鐵礦主要從印度、菲律賓、巴基斯坦和南非進口，下表是外常用鉻鐵礦的化學性能：

 

 

 

從上述鉻礦的化學成份中可以看出，國產(chǎn)礦的雜質(zhì)含量(尤其是SiO2含量)比國外進口礦高，國外進口礦分兩個類型：一是低鐵鉻礦，二是高鐵鉻礦。不同鐵含量的鉻礦可以根據(jù)不同行業(yè)。不同窯爐的使用條件選用，水泥行業(yè)用鎂鉻磚就可以同時選用兩種鉻礦來搭配生產(chǎn)。

3、鎂鋁尖晶石料

鎂鋁尖晶石料是生產(chǎn)鎂鋁尖晶石磚的主要原料，它的合成 一般是采用與合成的辦法來解決。與合成的辦法有兩種：一是采用輕燒MgO粉(或菱鎂石原礦)與工業(yè)AL2O3(或特種鋁礬土)共磨→壓球(或打成荒坯)→高溫燒成而產(chǎn)生;另一種是采用輕燒MgO粉(或菱鎂石原礦)與工業(yè)AL2O3(或特種鋁礬土)摻和均勻→電爐溶化→冷卻→揀選而生產(chǎn)。

上述兩種方法合成的鎂鋁尖晶石料的化學成份偏差不大，大差別是合成料的體積密度不同，燒結(jié)法合成的尖晶石料體積密度只能達到3.15～3.25 g/cm3,而電熔法合成的尖晶石料的體積密度可以達到3.40 g/cm3。

三、堿性耐火材料的生產(chǎn)工藝

堿性耐火材料一般采用多級配料、高壓成型、高溫燒成的方法來生產(chǎn)。根據(jù)不同檔次產(chǎn)品的要求不同，相應所選用原料、成型密度、煅燒溫度也會不一樣，下面就水泥窯用普通鎂鉻磚、半直接結(jié)合鎂鉻磚、直接結(jié)合鎂鉻磚、特種鎂鉻磚、低鉻鎂鉻磚、鎂鐵尖晶石磚、鎂鋁尖晶石磚分別加以介紹。

1、普通鎂鉻磚

普通鎂鉻磚是采用普通燒結(jié)鎂砂和普通鉻礦(新疆產(chǎn))為主要原料經(jīng)過高壓成型、高溫燒成(1580～1600℃)而成的以硅酸鹽相結(jié)合的一種堿性耐火材料，該產(chǎn)品雜質(zhì)含量較高，強度比較低，高溫荷重軟化溫度比較低，一般適合于濕法或1000t/d以下干法水泥窯。

普通鎂鉻磚理化性能

 

 

 

2、半直接結(jié)合鎂鉻磚

半直接結(jié)合鎂鉻磚采用中檔鎂砂、普通鉻礦為主要原料，經(jīng)過配料成型和高溫(1600～1650℃)燒成而產(chǎn)生的一種堿性耐火材料，半直接結(jié)合鎂鉻磚的礦物組成以方鎂石為主，少量生成MgO. Cr2O3尖晶石、MgO. AL2O3尖晶石和MgO.Fe2O3尖晶石，方鎂石和鎂尖晶石之間被較多硅酸鹽相連接在一起，該產(chǎn)品是介于普通鎂鉻磚和直接結(jié)合鎂鉻磚之間的一種堿性產(chǎn)品，該產(chǎn)品主要在2000t/d以下干法窯上使用。

半直接結(jié)合鎂鉻磚的典型理化性能指標

 

 

 

3、直接結(jié)合鎂鉻磚

(1)常規(guī)直接結(jié)合鎂鉻磚

常規(guī)直接結(jié)合鎂鉻磚是采用中檔鎂砂、高純鎂砂、鉻精礦為主要原料、經(jīng)高壓成型、高溫燒成(1700～1780℃)而生產(chǎn)的一種堿性制品，該產(chǎn)品直接結(jié)合程度較高，硅酸鹽相呈孤島狀分布其中，該產(chǎn)品性能比較良，如荷重軟化溫度大于1700℃，強度較高(40MPa以上)，顯氣孔率比較低(小于18%)，熱震較好(一般5～7次)。但該產(chǎn)品也存在一些問題，如高溫下韌性較差，在使用中易產(chǎn)生剝落損壞，一般在2500t/d及以下干法窯燒成帶上使用，效果比較理想。

直接結(jié)合鎂鉻磚理化指標

 

 

 

(2)特種直接結(jié)合鎂鉻磚：

目前，在4000t/d以上大型窯燒成帶使用的堿性耐火材料主要有鎂鐵尖晶石磚、低鉻鎂鉻磚和鎂鋁鉻磚、以及特種鎂鉻磚。

下面是幾種磚的理化指標:

 

 

 

我公司特種鎂鉻磚采用鎂鐵尖晶石合成料和鉻精礦為主要原料，經(jīng)高壓成型、高溫燒成的一種堿性材料，該產(chǎn)品的主要特點：一是Cr2O3含量低，Cr6+產(chǎn)生成量少，對環(huán)境影響相對較小;二是產(chǎn)品強度高，可以滿足機械化砌筑要求;三是產(chǎn)品熱震好，高溫條件下韌性好，在使用中不易炸裂;四是產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定，尺寸偏差較小，外觀規(guī)整。

4、鎂鋁尖晶石磚

鎂鋁尖晶石磚是采用高純鎂砂和合成尖晶石為原料，經(jīng)高壓成型、高溫燒成而制成的一種堿性產(chǎn)品。

鎂鋁尖晶石磚的發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段，個階段是采用高純鎂砂和a-AL2O3為原料生產(chǎn)的，該產(chǎn)品利用MgO和從AL2O3在高溫燒成過程中生成部分鎂鋁尖晶石，該產(chǎn)品被稱為代尖晶石，但因為產(chǎn)品的強度低，熱震不太好而被第二代尖晶石取代，第二代尖晶石是采用高純MgO、電熔MgO和預合成鎂鋁尖晶石為主原料生產(chǎn)的，該代產(chǎn)品不僅強度高，而且氣孔率低，熱震穩(wěn)定性比較好，但缺點是導熱系數(shù)比較大，易造成回轉(zhuǎn)窯簡體溫度過高，不僅熱損失大，而且簡體易變形。因此，現(xiàn)在外都在研究和推廣低導熱系數(shù)的鎂鋁尖晶石磚，國外普遍采用代尖晶石和第二代尖晶石復合的辦法來增加產(chǎn)品中微裂紋的量，從而形成多渠道熱傳遞“屏障”以達到降低鎂鋁尖晶石磚導熱系數(shù)的目的。我們公司采用的是與國外不同的方法來實現(xiàn)鎂鋁尖晶石產(chǎn)品的低導熱性，具體做法是將靠近大頭部位1/4面積做成復合層，使其導熱系數(shù)大幅度降低，而且通過特殊方法使復合層與工作層很好的融為一體，從而達到降低導熱系數(shù)的目的，現(xiàn)該產(chǎn)品已研制成功。資料中不斷有第四代尖晶石報道，第四代尖晶石采用電熔鎂砂、電熔尖晶石為主要原料研制而成，據(jù)介紹可以提高抗侵蝕性，且熱震穩(wěn)定性也不錯，但該產(chǎn)品到目前為止還未聽說在使用。

外鎂鋁尖晶石的理化性能

 

 

 

四、影響水泥窯使用壽命的因素

1、開停是關鍵，每小時升溫D30℃，保溫控制300℃以上。

由于堿性磚的熱膨脹系數(shù)大，1000℃的膨脹率大約為1-1.2%，文獻指出：“升溫至1000℃且磚襯中應力松馳尚未出現(xiàn)前，可導致300N/mm2壓應力，這相當于十倍普通鎂鉻磚的結(jié)構(gòu)程度，六倍直接結(jié)合鎂鉻磚、白云石磚和尖晶石磚的結(jié)構(gòu)強度，因此，任何種堿性磚都承受不了”，該文獻同時指出，“窯體受熱膨脹率可部分補償襯內(nèi)的膨脹率達0.2%-0.4%，為1000℃下普通鎂鉻磚熱膨脹率的1/3。但這是在熱平衡條件下發(fā)生的作用，故特別在點窯時烘窯速度要慢，使窯體溫度緩慢上升，才能發(fā)揮窯體的補償作用。”這是使用堿性磚的關鍵所在，因此《水泥回轉(zhuǎn)窯用耐火材料使用規(guī)程》(試行)專門于第五章節(jié)對窯襯的烘烤和冷卻作了明確的規(guī)定。在烘窯升溫過程中，尤其在磚面溫度300—1000℃區(qū)域內(nèi)，升溫速度一定要小于60℃/h。這在理論上是很清楚的，在執(zhí)行中確有一定的難度。

對于以煤粉作燃料且采用火把點火的窯來講，難點之一是溫度不易控制，因為在窯內(nèi)煤粉能被火把點燃且形成火焰需要一定的濃度，尤其是檢修后冷窯點火烘窯時，由于窯內(nèi)和二次風溫度都很低，煤粉燃燒速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣榷驾^慢，因此著火濃度下限較高，當達到了著火濃度能夠點著并形成火焰時，所發(fā)出的熱量就大大的超過了所需的熱量。溫度無法控制，一個小時之內(nèi)磚面溫度就會升到500℃以上，使堿性磚受到了一定的擠壓操作。為此，我建議采用雙油流油槍，小時噴油量在100—1000kg之間可任意調(diào)節(jié)，噴咀前壓力在1.0-2.OMP之間即可得到滿意的霧化，開始時用油烘窯，到一定溫度后采用煤油混燒以節(jié)約用油。磚面溫度超過1000℃后(在有火焰的情況下磚面暗紅色)改為燒煤，可較好控制升溫過程。

難點之二是每次用10—20幾個小時烘窯，生產(chǎn)管理部門在觀念上不易接受，有時連推行8—12小時烘窯都有困難。

難點之三是不準備換堿性磚時的停窯保溫問題，尤其是在事故狀態(tài)下，都想盡快冷卻(包括冷卻機，預熱系統(tǒng)事故)進去檢修，由于急冷使堿性磚受到操作，如上述三方面問題都存在，新?lián)Q的磚次停窯后常發(fā)現(xiàn)窯皮帶著30—60mm的磚脫落，剩下的磚還可見著明顯的橫向裂紋。經(jīng)過幾次這種過程的反復，新?lián)Q的磚可能在幾十天內(nèi)導致發(fā)生紅窯事故。

2、設備是基礎

要想避免開停車期間急驟升溫和急冷對堿性磚的損害，除需要適用的燃燒裝置外，更重要的是要認真地執(zhí)行點火升溫和冷窯制度，而設備的長期運轉(zhuǎn)則是嚴格執(zhí)行點火制度和停窯冷窯制度的基礎，如果每次點火升溫后都能正常運行一個月以上甚至幾個月的時間，那么用于點火升溫花費的時間和費用就會變得無足輕重，但如果設備狀態(tài)不好，每月都要有幾次甚至十幾次的停窯，就不可能嚴格地執(zhí)行點火升溫和停車冷窯制度，因為頻繁的停窯每次都用二十幾個小時左右的時間來烘窯，從時間上，到費用上都花不起，而急驟的升溫和快速冷窯然導致磚的損傷破壞，因此事故頻繁的回轉(zhuǎn)窯上，堿性磚的使用壽命不會太長，由此可見，在使用堿性磚的問題上，設備也處于基礎地位。

3、窯皮是屏障

回轉(zhuǎn)窯的窯皮對堿性磚的保護作用是明顯的，性磚從以下幾個方面進行保護。

(1)減少磚內(nèi)因溫差造成的內(nèi)應力

文獻指出：“大型窯內(nèi)火焰溫度達到1700℃以上，如無窯皮保護，耐火磚易因磚內(nèi)溫差應力太大而炸裂剝落。窯皮的導熱系數(shù)為1.163w/mk。而堿性磚為2.67-2.97w/mk。如能經(jīng)常維持有150mm左右的窯皮，堿性磚的熱面溫度可維持在600—700℃，熱面層的膨脹率只有0.6-0.7%，而無窯皮保護時耐火磚熱面層的膨脹率可達1.5%，后者造成窯內(nèi)溫差壓力可達60—70MPa，超過磚的強度，導致磚的開裂和隨窯皮的剝落”。

(2)減少受化學侵蝕的機率，若用無煙煤可適當放大膨脹縫

如果沒有窯皮保護，熟料中的液相、熔融鹽、燃氣中的堿、氯、硫等揮發(fā)物質(zhì)和一氧化碳都會對堿性磚進行侵蝕，使磚結(jié)構(gòu)發(fā)生惡化而易遭到損壞。

(3)減緩熱震的幅度

窯皮既然是屏障，自然也是窯內(nèi)溫度波動的緩層，窯溫在一定范圍內(nèi)的波動，通過窯皮傳到磚面影響甚微，即使是停車冷窯和開車點火升溫期間，由于窯皮的存在，一個是減緩了磚熱面的升溫速度，二是大幅度降低了當窯溫達到正常時磚面的溫度，降低了膨脹率，因此，窯皮較完好時點火升溫可適當加快速度，同時由于窯皮的保護，磚面的熱疲勞程度也會明顯減輕。

(4)窯皮的存在還可減少高溫對堿性磚的燒蝕和高溫狀態(tài)下對耐火磚的磨損。

(5)窯體表面溫度不應超過370℃，超過了這一溫度，應及早采取降溫措施。

此時窯溫可在正常煅燒溫度范圍內(nèi)偏低控制，并適當減喂生產(chǎn)、加緊補掛窯皮。

4、穩(wěn)定是前提

由上述，可見掛好和保持好窯皮對延長堿性磚的使用壽命至關重要，文獻指出：“一旦窯皮脫落，耐火磚就會暴露在高溫中迅速被加熱，燃氣中的K20、C1、S02就會滲入磚內(nèi)發(fā)生侵蝕，窯皮頻繁更替會使磚的結(jié)構(gòu)發(fā)生惡化，降低其抗熱疲勞的性能”。

而保護好窯皮的前提是熱工制度的穩(wěn)定，因為窯內(nèi)每次較大的溫度波動都會對窯皮造成不同程度的傷害。

熱工制度的穩(wěn)定是各個工藝環(huán)節(jié)均衡合理控制的綜合效果，其中首要的是燃燒過程，只有在煤粉質(zhì)量，通風設備、控制儀表及喂煤計量系統(tǒng)等各環(huán)節(jié)都能滿足工藝要求的條件下，采用性能良的燃燒器以求得合理的火焰形狀，才能建立起穩(wěn)定的熱工制度，有利于窯皮的保護。由于窯內(nèi)溫度分布合理，不僅可改善窯皮的新陳代謝過程，使窯皮保護厚度均勻平整，還可取得降f—Ca0的效果。較高的燃燒效率不僅可以減少還原——氧化氣氛的交替對堿性磚的侵蝕，還可減少堿、硫的二次揮發(fā)，減少對堿性磚的化學侵蝕，同時對于杜絕傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈，防止新型干法窯的結(jié)皮堵塞和窯內(nèi)起大蛋也有重要意義。

追求成份合理，質(zhì)量均衡的生料是穩(wěn)定熱工制度的另一個重要方面。對于新型干法窯，入窯物料分解率的穩(wěn)定也是保持熱工制度穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。

操作人員具有正確的操作指導思想和較高的技術(shù)水平也是保持熱工制度穩(wěn)定的條件之一。

5、管理是保證

在明確了堿性磚的特性，使用方法和條件之后，怎樣遵循技術(shù)規(guī)律，抓好使用過程的各個環(huán)節(jié)的管理則是用好堿性磚，延長使用壽命的保證。

要選好供貨廠家以確保堿性磚的質(zhì)量。也應重視產(chǎn)品的包裝、倒運、儲存過程的管理以防止磚在保管中淋濕，受潮水化和倒運過程中損壞。

第二，是作好堿性磚的砌筑環(huán)節(jié)的管理，這在“水泥回轉(zhuǎn)窯用耐火材料使用規(guī)程”中已有明確的要求。這里強調(diào)一點，即回轉(zhuǎn)窯本身已檢修試車完畢后才能砌堿性磚，砌完磚到點火升溫前再不允許有較多的翻窯。因為火磚表面并不規(guī)整，窯一轉(zhuǎn)動磚面之間就要磨合使磚松動，如有較長時間的轉(zhuǎn)窯會使縫隙增大，每環(huán)上方的磚就要下沉，這不僅需要處理(處理作業(yè)還比較危險)，而且不論是加鐵板處理還是加磚處理都是減少了用于烘窯期間膨脹補償?shù)目p隙，增大了烘窯期間火磚熱面的膨脹擠壓應力，會明顯影響使用壽命。

第三要依據(jù)《水泥回轉(zhuǎn)窯用耐火材料使用規(guī)程》和每臺窯的具體情況制定使用制度的細則，例如，用于點火升溫的時間和各段升溫速度，新砌磚和剩余磚厚分別為150mm、l00mm、80mm的磚，由于熱面所承受的擠壓力不同應有所區(qū)別：有窯皮和無窯皮，窯皮好與不好時，升溫速度亦應有所區(qū)別，作到既保證升溫過程的，又盡可能的節(jié)省時間。

總之，對于堿性耐火材料來講，不斷地開發(fā)、研制新品種、不斷地改善性能，制造出質(zhì)的磚是全過程的一半;合理的使用，不斷地改良使用方法，延長使用壽命是全過程的一半，對于用戶來講，后一半的效益更直接，因此顯得更重要。但只有在充分了解堿性磚的各種性能，了解使用過程的條件要求，并努力創(chuàng)造條件滿足要求，掌握使用方法，認真加強使用過程的管理，才能取得滿意的效果。