0引言
耐火材料在新型干法熟料煅燒中有著舉足輕重的作用，耐火材料的使用壽命直接影響回轉(zhuǎn)窯的運轉(zhuǎn)周期，耐火材料的選用必須得到水泥企業(yè)的足夠重視。新型干法熟料煅燒過程中，回轉(zhuǎn)窯是一個轉(zhuǎn)動的設(shè)備，按4.2r/min的轉(zhuǎn)速計算，Φ5.4m窯的圓周線速度可達(dá)1.2m/s。耐火材料隨回轉(zhuǎn)窯做高速轉(zhuǎn)動，這種情況在大型煅燒窯爐中并不多見，這對回轉(zhuǎn)窯用耐火材料提出了更高要求。另外，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料、氣體成分復(fù)雜，高溫下會與耐火材料的表面發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)作用，特別是堿氯硫等有害元素在窯尾的循環(huán)富集，更加劇了對耐火材料的侵蝕和破壞。本文結(jié)合不同耐火材料的性能，對新型干法回轉(zhuǎn)窯各帶耐火材料的選用進(jìn)行了分析。
1新型干法回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)耐火磚狀況綜述
1.1窯內(nèi)耐火磚受機(jī)械力作用情況
回轉(zhuǎn)窯是一個帶有傾斜角度橫臥的轉(zhuǎn)動設(shè)備，其傾斜角的正弦值3.5%左右，傾斜的目的是使物料隨回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動而向窯頭方向運動。正是這個傾斜角度，使得窯內(nèi)耐火磚有自然向窯頭擠壓的趨勢，但由于擋磚圈（一般沿窯軸線方向每10～20m設(shè)置且窯口澆注料前必須設(shè)置）的存在，使耐火磚被固定在窯內(nèi)。常溫下耐火磚的抗壓強度一般都在50MPa以上，這樣的耐壓力基本足夠抵抗耐火磚的擠壓，但是隨著窯內(nèi)溫度升高（一般認(rèn)為窯內(nèi)熟料燒結(jié)的溫度在1350～1450℃），以及被窯內(nèi)堿性成分的侵蝕，耐火磚的耐壓強度會大幅下降，一旦超過耐壓極限，耐火磚就會損壞、掉落，造成紅窯事故，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。
回轉(zhuǎn)窯是一個由耐熱鋼板卷制而成的圓筒，在運行中受強大自重的作用力，會產(chǎn)生一定的橢圓度。絕對橢圓度是指回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動一周，窯筒體最大半徑和最小半徑之差乘以經(jīng)驗得到容許的回轉(zhuǎn)窯橢圓度一般不超過窯直徑（單位為m）的千分之一，如直徑為5m，那么回轉(zhuǎn)窯容許的橢圓度就是0.5%，橢圓度可以用橢圓度測量儀進(jìn)行測量。橢圓度在輪帶支撐部位最為明顯，后過渡帶一般位于二擋輪帶處，由于此處沒有窯皮保護(hù)，其橢圓度一般在0.3%～0.5%，輪帶附近的耐火材料會隨筒體橢圓度的影響周期性的產(chǎn)生壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，嚴(yán)重時耐火磚之間發(fā)生相對運動，造成耐火磚擠壓破損、剝落甚至掉磚。
筒體橢圓度最直觀的表現(xiàn)就是輪帶間隙的改變，我國現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯的輪帶大多采用浮動輪帶（未見槽齒輪帶的報道），浮動輪帶間隙值一般控制為0.2D%，此數(shù)據(jù)允許筒體和輪帶溫差不超過180℃，在窯升溫過程中，由于鎂磚導(dǎo)熱系數(shù)高，筒體溫升過快膨脹而被輪帶擠壓造成永久性形變。實際生產(chǎn)中，特別是點火升溫過程，要嚴(yán)格控制筒體溫度的升高，避免筒體和輪帶的溫差過大。同時使用自動儀器時刻監(jiān)視輪帶間隙的變化情況，這一點要引起窯操的重視。
1.2窯內(nèi)耐火磚受熱應(yīng)力情況
回轉(zhuǎn)窯是一個高溫設(shè)備，耐火磚在不同溫度下晶型轉(zhuǎn)變帶來的體積熱膨脹變化必須給予足夠重視。熱負(fù)荷是指窯內(nèi)襯在烘爐溫升過程中，耐火材料因受高溫產(chǎn)生的熱膨脹，造成相鄰耐火材料之間相互擠壓。以鎂鋁尖晶石磚為例，1400℃時的膨脹率按1.6％計算，長198mm的耐火磚其膨脹量可達(dá)3.16mm。在回轉(zhuǎn)窯大量使用堿性轉(zhuǎn)的情況下，其膨脹量是很大的，有文獻(xiàn)指出在回轉(zhuǎn)窯烘窯至1000℃時，如果沒有窯筒體和環(huán)縫對膨脹的補償，可導(dǎo)致耐火磚承受300MPa的壓應(yīng)力，這差不多相當(dāng)于耐火磚所承受耐壓強度的6倍，為此，回轉(zhuǎn)窯點火烘窯初期嚴(yán)格按照升溫制度進(jìn)行升溫保溫就特別重要，如果升溫過快，窯筒體的溫度來不及升上去，就不能補償耐火磚的膨脹，造成耐火磚的壓應(yīng)力急劇升高。為確保耐火磚的使用壽2，相對橢圓度是指絕對橢圓度和窯筒體內(nèi)徑的比值?；诿?，必須嚴(yán)格按照升溫曲線升溫，在點火初期采用油為燃料，升溫速度﹤30℃/h，>400℃時，采用煤為燃料，升溫速度控制在﹤50℃/h，實踐中由于煤燃燒的可控性差，很不容易控制穩(wěn)定的升溫速度，所以建議延長油煤混燒的時間，以便較好地控制升溫速度，這對保護(hù)耐火材料是極其有利的。
1.3窯內(nèi)耐火磚受化學(xué)侵蝕情況
耐火材料還會受到高溫液相以及堿鹽等有害物質(zhì)和部分有害氣體的滲透侵蝕。高溫下熟料液相會與耐火磚表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，若煅燒溫度過高，熟料液相量升高，熟料與耐火材料的化學(xué)反應(yīng)會加劇，導(dǎo)致熟料與耐火材料熱端的反應(yīng)層加深，因反應(yīng)層與磚的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在差異，發(fā)生了質(zhì)的變化，當(dāng)窯內(nèi)溫度突然發(fā)生較大波動或停窯冷卻時，會造成耐火材料變質(zhì)層的剝落開裂。
生料率值的變化也易使耐火磚遭受化學(xué)侵蝕。如IM值增加，熟料內(nèi)的液相量增加，出現(xiàn)液相對耐火磚的滲透損壞。特別是在熟料煅燒時，為了降低f-CaO，會提高煅燒溫度，此時耐火磚就會受過熱液相的滲透侵蝕；當(dāng)生料內(nèi)MgO過高時，也易出現(xiàn)液相對耐火磚的滲透侵蝕；入窯生料中堿、氯、硫等有害物成分較高時，易出現(xiàn)堿鹽和硫酸鹽對耐火磚的侵蝕。
2回轉(zhuǎn)窯用耐火材料的性能簡介
2.1澆注料
回轉(zhuǎn)窯多采用高鋁澆注料，高鋁耐火澆注料是以高鋁質(zhì)原料為骨料和粉料，加入結(jié)合劑制成的耐火澆注料。高鋁耐火澆注料具有較高的機(jī)械強度和良好的抗熱震、抗磨蝕等性能。澆注料以其使用簡單，砌筑方便而廣泛應(yīng)用于燒成系統(tǒng)的各不動設(shè)備的異形部位，頂蓋、直墻和下料管等，回轉(zhuǎn)窯前后窯口都采用耐火澆注料進(jìn)行澆筑。根據(jù)抗高溫?zé)釕?yīng)力及機(jī)械應(yīng)力的不同耐火澆注料含Al2O3從45%到95%，澆注料的施工方式有震搗、自流及噴射方式等，澆注料整體牢固，運行穩(wěn)定。
2.2鎂鋁、鐵尖晶石耐火磚
高鋁質(zhì)耐火材料曾經(jīng)在上個世紀(jì)初以濕法窯為主的傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯中得到廣泛使用，上世紀(jì)50年代以后，隨著預(yù)熱器窯和預(yù)分解窯的出現(xiàn)，高鋁耐火材料不適應(yīng)極高溫和復(fù)雜窯內(nèi)狀況，這是因為在高溫液相作用下堿硫化合物與耐火材料中的氧化鋁形成低溫共熔體損壞耐火磚。取而代之的是鎂質(zhì)堿性耐火材料在新型干法生產(chǎn)中得到應(yīng)用，但是在鎂磚中MgO＞83%，MgO遇H2O反應(yīng)生成大的，膨脹會產(chǎn)生強烈的擠壓應(yīng)力導(dǎo)致耐火磚損害。在養(yǎng)護(hù)和烘烤階段，由于大量結(jié)合水分解，增加了澆注料爆裂和剝落的風(fēng)險。鎂磚這些特性使得其儲存變得困難，給施工帶來很大不便。
理論鎂鋁尖晶石由28.33wt%的MgO和71.67wt％的Al2O3組成，熔點高達(dá)2135℃，在MgO-Al2O3二元相圖上，存在范圍較寬的富鎂和富鋁低共熔區(qū)域。工藝上合成鎂鋁尖晶石有兩種燒結(jié)尖晶石和電熔尖晶石，其中電熔尖晶石的各項性能要優(yōu)于燒結(jié)尖晶石。鎂鋁尖晶石是適應(yīng)水泥生產(chǎn)無鉻化的要求從上個世紀(jì)80年代發(fā)展起來的品種，傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯燒成帶曾經(jīng)無例外地采用鎂鉻磚作為首選。雖然鎂鉻磚具有優(yōu)良的掛窯皮性能，但由于其在高溫下產(chǎn)生的六價鉻對環(huán)境的極強污染性被禁止在回轉(zhuǎn)窯燒成帶使用。尖晶石磚中的優(yōu)秀代表是鎂鐵尖晶石磚，鎂鐵尖晶石磚是上世紀(jì)90年代末出現(xiàn)的新品種，是由固溶有亞鐵的尖晶石和含有氧化鐵的燒結(jié)鎂砂經(jīng)特殊工藝制造而成的。在燒成帶高溫下鐵離子與熟料中的氧化鈣反應(yīng)，在磚的熱面生成一層粘性極高、極易掛窯皮的鈣鐵和鈣鋁鐵化合物。鎂鐵尖晶石磚在導(dǎo)熱性、掛窯皮性能等方面較鎂鋁尖晶石磚有優(yōu)勢，鎂鐵尖晶石耐火材料以其具有良好的高溫力學(xué)性能、抗渣性能和掛窯皮性能，正成為鎂鉻耐火材料理想的替代材料廣泛應(yīng)用于回轉(zhuǎn)窯燒成帶。其缺點是，若窯內(nèi)長期存在還原氣氛，易引起鎂鐵尖晶石磚中三價鐵離子還原成二價鐵離子而影響鐵尖晶石結(jié)構(gòu)，一定程度會影響耐火磚壽命。
2.3硅莫耐火磚
硅莫磚（又叫HMS高耐磨磚）是以礬土熟料和碳化硅為主要原料制成的以剛玉、莫來石和碳化硅為主晶相，晶相間填充有玻璃相的剛玉－莫來石－碳化硅復(fù)相材料，因其具有較好的耐磨性、抗侵蝕性和高溫力學(xué)性能，在水泥回轉(zhuǎn)窯過渡帶得到廣泛應(yīng)用，其使用壽命遠(yuǎn)高于鎂鋁尖晶石磚。由于回轉(zhuǎn)窯的過渡帶沒有窯皮的保護(hù)，尖晶石磚在使用中會暴露在堿性氣體環(huán)境中，遭受堿的侵蝕，在受熱面產(chǎn)生裂紋、剝落而損壞。硅莫磚應(yīng)用于過渡帶有效的克服了這些缺點，這是因為硅莫磚結(jié)構(gòu)致密、晶體穩(wěn)定性強，使用中會在硅莫磚的表面形成連續(xù)的氧化硅致密層，對磚面起到了保護(hù)作用，其熱導(dǎo)率高，耐磨性好，熱膨脹系數(shù)低，具有良好的抗熱震性能，特別適合沒有窯皮保護(hù)的環(huán)境惡劣的過渡帶使用。由于碳化硅的存Mg（OH）2，伴隨30%體積膨脹，是堿性耐火磚膨脹性最在使得其熱導(dǎo)率較高，導(dǎo)致過渡帶的筒體溫度升高，同時熱損失增大，對節(jié)能不利。為了使筒體溫度降低而采取風(fēng)冷降溫，又會導(dǎo)致掛副窯皮，為此在施工中要在筒體和磚之間必須加隔熱層。
施工中還要注意硅莫磚的熱膨脹系數(shù)較大的問題，預(yù)留好膨脹縫，軸向每隔1d加紙板，徑向每隔15塊磚加紙板。
硅莫紅磚是在硅莫磚配料的基礎(chǔ)上添加6%的紅柱石生產(chǎn)的一種耐火磚，相比硅莫磚其具有優(yōu)良的耐磨和抗熱震性能，同時其1000℃導(dǎo)熱系數(shù)也比較低，只有2.0W/（m·K），而硅莫磚的導(dǎo)熱系數(shù)為2.3W/（m·K），應(yīng)用于過渡帶可有效降低筒體的溫度。
實踐中，根據(jù)工廠實際用具有良好抗壓強度和熱震穩(wěn)定性的硅莫磚代替抗剝落高鋁磚，砌筑于下過渡帶；用導(dǎo)熱系數(shù)低、熱膨脹率接近的鎂鐵尖晶石磚代替鎂鋁尖晶石磚，砌筑于上過渡帶前段；用有更高機(jī)械強度、更低導(dǎo)熱系數(shù)的硅莫紅磚代替鎂鋁尖晶石磚，砌筑于上過渡帶中后段。表1是某廠5000t/d生產(chǎn)線Φ4.8m×72m回轉(zhuǎn)窯表1某廠5000t/d生產(chǎn)線Φ4.8m×72m回轉(zhuǎn)窯耐火材料配置表（僅供參考）窯位置/m使用的耐火磚
0～0.6 剛玉碳化硅澆注料
0.6～2 7環(huán)硅莫紅磚
2～20 90環(huán)鎂鐵尖晶石磚
20～24.6 23環(huán)鎂鋁尖晶石磚
24.6～34 47環(huán)1680硅莫磚
34～53.6 98環(huán)1650硅莫磚
53.6～71.2 88環(huán)硅莫紅磚
71.2～72 高鋁質(zhì)澆注料
3結(jié)束語
目前水泥窯用耐火材料基本仍離不開MgO-Al2O3-SiO2三元相圖所界定的范圍，根據(jù)三種氧化物所含比例的大小分為鎂質(zhì)、硅質(zhì)和高鋁質(zhì)三種，在這個三元系統(tǒng)中有兩個耐火性能優(yōu)良的二元化合物分別是莫來石3Al2O3·2SiO2（A3S2）和尖晶石（MA），充分利用這兩個化合物，結(jié)合不斷進(jìn)步的配料、成型和燒結(jié)工藝，生產(chǎn)出了尖晶石類和莫來石類適合新型干法回轉(zhuǎn)窯使用的耐火耐火材料配置表（僅供參考）。材料，供回轉(zhuǎn)窯各帶選用的耐火磚的種類越來越多。
