耐火砖相关.doc

水泥窑用耐火材料的配套选材与性能要求 社会经济的变化决定着水泥工业的发展，水泥工业的发展直接影响着水泥窑用耐火材料的技术进步，水泥窑用耐火材料的发展要由水泥工业的需求作为发展动力。作为专业为水泥行业服务的耐火材料企业，我们郑州真金耐火材料有限责任公司有义务凭借自身实力推动水泥窑用耐火材料的技术进步，也更有义务同各水泥企业一道共同推进水泥工业的发展。现就我们近年来在为水泥工业服务过程中积累的一些经验和见解与您共同分享。 我们真金公司从事水泥窑配套耐火材料生产和服务已有25年的历史，尤其是近10年来，通过对大型干法窑（5000T/D以上）用耐火材料的生产供应，积累了丰富的经验。真金产品在华新水泥、天瑞水泥、冀东水泥、乌兰水泥、山东山铝、江苏鹤林等十几家大中型水泥企业的50006500T/D大窑上使用，均取得了辉煌的业绩。特别值得一提的是：华新集团阳新公司2号6500T/D生产线和华新集团武穴公司2号6500T/D生产线均全线使用“真金”牌7大系列产品、并先后创造了同步安全运行366天和456天的使用周期，创下了国内新型干法大窑用耐火材料全配套使用周期的历史纪录。顺便提及:在江苏鹤林2500T/D新型干法窑上安全运行十八个月的业绩，也是至今仍保持的全国纪录，这充分说明真金产品在不同规模新型干法窑上的广泛适应性。 华新水泥集团各公司使用“真金”牌产品所创的历史纪录，不但为真金公司赢得了市场信誉和巨大的经济效益，更重要的是解决了大型水泥回转窑烧成带、过渡带和窑口用耐火材料不能同步的技术难题，为各大水泥公司提高回转窑的运转率，延长使用周期开辟了新的道路，由此带来的经济和社会效益是无法估量的。根据近几年我们的生产经验和各大水泥企业的实际使用情况，按照回转窑内各窑段衬砖损坏的原因，结合不同材质耐火衬砖的性能特点，我们总结出了一整套科学且实用的配砖方案。现予以说明： 一、新型干法大窑对耐火材料的新要求 由于新型干法窑的一系列生产工艺特点，对耐火材料提出了更为苛刻的要求。 1、窑温较高带来的影响 大型新型干法窑热回收率较高，一般都在60%以上，尽管其单位熟料的热耗比湿法长窑小的多，但由于产量骤增，单位时间内的热负荷大的多。大型新型干法窑单位时间内的热负荷比湿法长窑大出将近2.5倍。单位时间热负荷大，窑温较高，对耐火材料的各种热态性能要求也更为荷刻。这一点我想作为水泥人比我们有更深刻的理解和体会。 2、窑速较快带来的影响传统湿法长窑的转速一般在60-70转/小时，大型新型干法窑转速在180-210转/小时，甚至高达240转/小时。由于窑径大，单位长度衬砖的自重相对要重，窑速高、窑温高、单位时间熟料通过量大，因而窑衬所受的热应力、机械应力远比传统窑上要大得多。同时，经预热器、增湿塔、电收尘的多次搜集，预分解窑中的K2O、SO2、KCl等组分挥发后难以溢出胴体系统以外，当碱、硫、氯的平衡建立后，上述挥发性组分在窑内有很高的浓度，显著影响水泥生产和窑衬的寿命。这就要求窑衬材料无论在冷态或热态下，都要有足够的强度、体积稳定性和耐侵蚀性。也就是说大型新型干法窑用耐火材料应具有优异的综合质量和很高的高温体积稳定性。 3、节能要求高带来的影响 前已所述，大型新型干法窑热回收效率高，尤其是窑头冷却系统和窑尾预热分解系统，采用一层工作层，1-2层隔热层取得了极其显著的节能效果。但窑体裸露在大气中，这一部分的散热损失是相当惊人的。针对大型新型干法窑存在的这一问题，我们公司早在2005年就已立项研发既能满足回转窑使用要求，又能达到节能降耗目的的新产品，并于2006年生产出具有自主知识产权且获得发明专利证书的硅莫耐磨复合砖（专利号为：ZL200610128393X）。该产品在华新水泥阳新二期6500T/D、武穴二期6500T/D两条生产线上使用，均取得了明显的节能降耗效果。 二、各窑段耐火材料损坏机理及合理配套选材 1、窑口部位 窑口部位虽然没有高温带温度高，但熟料熔体温度也在1400左右，且随着窑体的大型化、产量增加、单位时间内通过的熟料量增加，其热应力产生的损坏效应依然占首位。其次，窑口部位没有窑皮保护，已离烧成带的熟料和大块窑皮由于温度降低，因而凝固变硬，对衬砖产生磨损和冲刷，而熟料颗粒形成后，在窑体运转过程中从上部快速落下，对衬砖的砸蚀作用也不可忽视。第三，随着窑径增加和衬砖高度的增加，单位长度内的衬砖自重同比增加，在窑体运转过程中，衬砖的压应力增加。再加上其它因素的影响，诸如：砖型尺寸不准确、胴体椭圆度及砌筑不规范，增加了衬砖的压应力。且以上三种因素并非单一存在，而是同时作用，某些时候，其综合应力往往超过100%。这就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、冷态强度和抗侵蚀性和耐磨性，才能满足使用要求。 目前国内大型新型干法窑窑口部位流行使用窑口专用刚玉浇注料，但是，由于浇注料生产厂家的水平不同，使用单位的操作条件和技术水平不同等，所以使用周期参差不齐。尽管部分国产浇注料生产水平已经赶上或超过了国际先进水平，但是，浇注料在窑口部位使用有两个明显的不足：一是浇注料即使密度再高，施工后也难免留有水份，其干燥后定会留下空洞，势必要降低其耐磨性和抗冲刷能力，即使国内一流的生产商，用低水低水泥浇注料依然有水份存在，同样难免干燥后留下孔隙和空洞。另一方面，也是最突出的一方面，窑口浇注料由于施工条件所限，不能整体浇注，只能分段施工，浇注过程中各种因素诸如：加水量、振动时间、振捣力度、气孔排除、孔隙分布等都不可能完全一致。即使模板支撑非常准确，外形尺寸控制非常精确，依然避免不了施工中每一施工段产生的质量差异，在窑体运转过程中不能保证质量动平衡，由此加剧了衬砖内部机械应力的破坏作用。 我们真金公司针对窑口耐火材料的使用条件，参考国内外其它窑口用耐火材料的实际使用情况，研制开发出特种高荷软钢纤维增强耐磨砖，该产品体积密度高、耐压强度高、耐磨、耐冲刷、整体砌筑规范，能够充分避免使用浇注料所存在的缺憾和不足，满足窑口部位的使用要求。特种高荷软钢纤维增强耐磨砖与窑口刚玉浇注料的理化指标见下表： 由上表可以看出：窑口刚玉浇注料的耐压强度和体积密度与特种高荷软钢纤维增强耐磨砖基本相同，但是，其常温抗折和热震指标却远不及特种高荷软钢纤维增强耐磨砖。另外，在窑口刚玉质浇注料中，由于添加的结合剂铝酸钙水泥带来的杂质钙，远远超过了特种高荷软钢纤维增强耐磨砖。钙元素对耐火材料的影响是众所周知的，所以，特种高荷软钢纤维增强耐磨砖的综合性能要优于窑口刚玉质浇注料，而且其价格也更具优势。 早在2000年，真金公司开发研制的特种高荷软钢纤维增强耐磨砖在亨达利水泥有限公司湿法长窑窑口使用达2年之久。2005年在山铝水泥有限公司和内蒙古乌兰水泥有限公司5000T/D大窑窑口砌筑4m长,使用周期均达到或超过12个月。 无论是理论数据分析，还是实际使用效果，都证明了真金公司研发生产的特种高荷软钢纤维增强耐磨砖在大型干法窑窑口使用，完全可以实现窑口部位和烧成带窑衬同步运行的理想效果。 2、烧成带 烧成带用直接结合镁铬砖，根据近百年来中外学者对碱性耐火材料损坏机理的研究：机械应力、热应力和化学侵蚀是三种主要损坏因素。德国于上世纪七十年代开始进行了大量的实验室研究，统计了主要损坏因素出现的频率，得出的结论是：机械应力占37%；化学侵蚀占36%；热应力占27%（也就是我们平常所说的三个三分之一）。 （1）熟料熔体及煤灰中硅酸盐低熔物的渗入 窑料和燃料中硅酸盐低熔物，在浓度梯度和温度梯度的驱动下，以离子迁移的方式，从砖的热端向冷端扩散，使高温带碱性衬砖分为3个区段:第1区段为窑皮；第2区段为变质层；第3区段是原砖。变质层内由于熔体的出现，充填了砖内的气孔，使该区域砖层致密化和脆化，在热应力和机械应力的作用下，极易开裂剥落。对于原料含碱较高的生产线，碱盐的溶入加剧了化学侵蚀的速度，使得衬砖变质层致密化和脆化的速度加快。一般运行状况下，窑皮的状况、砖内温度梯度决定了熔体渗入深度，也就是变质层的厚度。窑皮越厚，变质层厚度越薄、变质层形成的时间越长；同样原料质量波动越大，燃料越低劣，变质层形成的时间越短。因此，挂好窑皮并保护好窑皮、原料预均化以及使用符合要求的燃料是减缓化学侵蚀的两个主要因素。 （2）过热、热震及热疲劳的影响。 大窑的产量越大，窑内热负荷越高。如果窑皮保护不好，变质层裸露在高温火焰中，砖的热面层快速变质，并在高温下熔化向冷面层扩散，加剧了侵蚀的速度和深度，衬砖极易损坏。窑皮不稳定或运转不正常，频繁的开停窑时，衬砖内将出现局部频繁的热应力。碱性砖的抗热震性相对于铝硅系材料抗热震性较差，当砖内频繁出现热应力超过其结构强度时，砖就会出现裂纹，而离子沿裂纹扩散更快，加速了化学侵蚀，形成一种恶性循环。在窑体的运转过程中，衬砖处于窑的顶部，裸露在高温火焰之中，与衬砖处于窑的底部埋入料层下面相比较：尽管温度差只有150-200，影响深度只有10mm左右，但是，由于窑的转速提高，以比较低的180转/小时计算，一个月衬砖在火焰中裸露的次数达129600次之多，使得砖的热面层产生热疲劳，加之其它因素，促使了衬砖的损坏。 （3）、机械应力的影响。 烧成带衬砖的受力极其复杂，在窑体的运转过程中，处于下部托轮部位，砖受挤压，位于大窑胴体顶部的砖受窑皮重量和自重作用，砖受拉伸，窑体在开启或停窑的瞬间，砖受到扭曲；当砖的外形尺寸不准确或砌筑质量差时，砖受到剪切作用。实际上，砖受到的是压力、拉力、扭曲力、剪切力等综合机械应力，而且在不断的交替变化。当所有的机械应力总和超过砖的结构强度时，砖就开裂损坏。 鉴于烧成带在上述恶劣的使用条件下的种种损坏机理，真金公司自2005年元月25日第一条超高温隧道窑投产以来，从原材料、生产工艺到检验交付，层层严把质量关，确保产品交付合格率达到100%。原材料选用高纯镁砂（MgO97%）和优质进口铬矿，用特殊配方工艺，经630t以上压力机高压成型，1760高温烧成，真正采用了“高纯原料、高压成型、高温烧结”的三高工艺进行生产控制。直接结合镁铬砖由于自身抗侵蚀能力强，挂窑皮性能好，参照碱性耐火材料的损坏机理，结合各大水泥公司的实际使用情况，在生产过程中，我们重点掌控了以下几项性能指标：一是荷重软化温度大于1700，只有这样才能保证产品的各项高温性能良好；二是增强体积密度，降低显气孔率，尽可能减缓化学侵蚀速度；三是提高产品抗热震稳定性，减少由于各种热应力引起的损坏；四是推荐各大水泥公司使用ISO标准砖型。由于ISO标准砖型设计误差小，加之我们在生产过程中控制最小的外形尺寸误差，使得设计误差、生产加工误差和砌筑误差减少到最低限度，减少由于人为因素引起的各种机械应力。我公司生产的直接结合镁铬砖的理化指标与国家标准（JC 497-96）中指标的区别详见下表： 上过渡带使用高档镁铝尖晶石砖，其损坏机理与烧成带相同，不同之处在于上过渡带由于温度特点导致该部位不易粘挂窑皮而饱受机械应力和摩擦力的考验，更为突出的是根据水泥烧结工艺要求，烧成带高温点要不断的前后移动，使得上过渡带温度场不断的变化，一般材料承受不了由于温度场变化引起的急冷急热，导致了上过渡带衬砖极易损坏，而不能与烧成带衬砖的使用周期保持同步。大型新型干法水泥窑过渡带由于处于热工不稳定状态，窑皮频繁交替，不能粘挂坚实的厚窑皮，成为新型干法窑的薄弱环节，尖晶石砖由于热震稳定性好，能够挂上薄而稳定的窑皮而受到青睐。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，最长时间不超过6个月，过渡带窑衬一年需更换几次，该问题一直是水泥生产企业的陈年顽症。 我们真金公司研制的“真金”牌高档尖晶石砖破解了这一难题。该新产品在新型干法水泥窑过渡带二档轮带区的使用寿命可达一年以上，能够和烧成带以及窑口部位窑衬保持同步运行，减少了停窑维修次数，为用户创造了良好的经济效益（以5000T/D大窑为例，每少停窑检修一次，即可为用户带来120万元以上实实在在的收益）。“真金”牌高档尖晶石砖与普通尖晶石砖的性能对比如下： “真金”牌高档尖晶石砖在华新水泥武穴公司6500T/D大窑上用了366天，在华新水泥阳新公司6500T/D大窑上用了456天，到目前为止，华新水泥集团14条5000T/D以上的大窑，因李叶青总裁指定，过渡带全部使用“真金” 牌高档尖晶石砖，运行周期已经或正在迈向12个月以上，与烧成带和窑口部位窑衬保持了三同步运行，解决了困扰水泥工业多年的顽症。 4、窑尾部分 从上过渡带到窑尾，衬砖的使用条件没有烧成带和窑口部位那么恶劣。首先，窑料在进入烧成带之前一系列物理化学反应刚刚开始或没有开始，化学侵蚀损坏效应小的多。其次，窑料在离开分解炉进入窑尾时的温度在12001300之间，在没有进入烧成带之前，温度不是太高，总体热负荷较小，诸如：过热、热震及热疲劳引起的热应力损坏较小；第三，窑料在进入窑尾时以粉状存在，熟料还没有生成，因而对衬砖的磨损冲刷相对小的多，只是由于衬砖自重，胴体变形及砌筑原因引起的综合机械应力的损坏作用，这种由单一的机械应力引起的损坏作用，远比由机械应力、热应力和化学侵蚀三者综合损坏作用要小的多，所以在大型水泥窑上过渡带至窑尾部分可以使用抗剥落高铝砖或者相对耐压强度高、耐磨性能好的硅莫耐磨砖。硅莫耐磨砖的使用效果要明显高于抗剥落高铝砖，因为它更能保证大型水泥窑上过渡带的使用周期。但是，从上过渡带后部到窑尾长度占全部窑长的50%还多。而回转窑外壳全部是裸露在空气中，节能降耗是不容忽视的问题。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，高温烧结特制而成，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，可适用于各种新型干法水泥回转窑的过渡带、冷却带、窑口等部位。然而，该产品的不足之处在于它的导热率较高，使用中产生的热损耗较大。为此，我们真金公司在硅莫耐磨砖基础上采用特殊工艺开发生产出一种硅莫耐磨复合砖，该产品由耐火层和隔热层两部分组成，耐火层保持了硅莫耐磨砖的一系列优点，而隔热层以低导热系数的硅酸铝质材料为主要原料，使产品同时兼具了硅莫耐磨砖的常温耐压强度好，热震稳定性好，抗侵蚀能力强等优点和隔热砖的导热系数低，可有效降低胴体温度的双重特点。该产品可满足用户要求的耐火与节能降耗的双重需求，是新型干法水泥回转窑过渡带使用的新型耐火材料。“真金”牌硅莫耐磨砖与硅莫耐磨复合砖的具体性能对比如下： 真金牌硅莫耐磨复合砖2006年在华新水泥集团阳新公司2号生产线6500T/D大窑上使用，运转周期达到456天；2007年在华新水泥集团武穴公司2号生产线6500T/D大窑上，使用周期为366天。根据华新水泥集团测算，在使用硅莫耐磨复合砖的部位，胴体表面温度平均降低50。胴体表面向大气少散发热量为：对流传热2691千焦/平方米每小时，辐射传热11119千焦/平方米每小时，合计13810千焦/平方米每小时，折合标准煤0.47千克/平方米每小时。以直径5M，砌筑20M硅莫耐磨复合砖来计算，总传热面积为：314.14平方米，每小时少散发热量折合标准煤：0.47314.16=148kg/每小时，一天节约标准煤148kg24=3552kg，仅此一项每年可节约标准煤1296吨。因此，使用硅莫耐磨复合砖，既能满足使用周期，又能达到节能降耗的目的。 综上所述，根据回转窑各窑段衬砖的使用条件、损坏机理以及“直金”牌耐火材料不同材质的性能和实际使用效果，以572米窑型为例，我们推荐各窑段材料的配套选材方案为：0-0.5M 砌0.5M长窑口浇注料；0.5-4.5M 砌4M长特种高荷软钢纤维增强耐磨砖；4.5-24.5M 砌20M长直接结合镁铬砖；2