浅谈新型干法水泥回转窑内衬材料的技术发展趋势

　　1、内衬材料的发展

　　根据新型干法水泥回转窑的煅烧特点，在窑内大量地使用碱性砖。上世纪60年代和70年代，水泥窑燃料主要为燃油，从过渡带至烧成带均采用镁铬砖，80年代起，因燃油价格上涨，燃煤逐步取代燃油，此时发现在原料中碱硫含量较高的窑上过渡带镁铬砖使用周期远较烧成带镁铬砖的使用周期短，此时，适宜于过滤带工况条件的尖晶石镁砖逐步在过渡带得到应用。80年代中期，部份工业化国家和地区限制6价铬公害加速了此进程。进入90年代，因环保需求和价格更为便宜的工业废燃料逐步取代燃煤，对耐火衬料提出更为苛刻的技术需求，促进了各种碱性砖的发展。

　　2、各种碱性砖的技术发展过程

      新型干法水泥回转窑所用的碱性砖有4种，即镁铬砖、尖晶石镁砖、白云石砖、镁锆砖。分别介绍其发展过程。

　　2.1镁铬砖

　　镁铬砖是从冶金工业平炉引进的，早期为硅酸盐结合镁铬砖，性能较差，适应不了新型干法窑熟料液相和碱氯硫等有害成份的化学侵蚀，机械性能也较差，从上世纪60年代起，出现性能优良的直接接合镁铬砖取代硅酸盐结合镁铬砖。直接结合镁铬砖具有较高的抗高温性能，抗SiO₂侵蚀，和抗氧化还原作用。同时具有较高的高温强度和抗机械应力，以及较好的结窑皮性能，因而大量地用在烧成带和热工制度稳定的上过渡带。由于镁铬砖在水泥窑内使用时，在碱（或硫）的作用下，稳定的3价铬转化为氧化能力极强的6价铬，对人体的皮肤、呼吸神经、肺等造成严重的危害，从上世纪80年代中期起工业化国家纷纷制定一系列环保、卫生等方面的规范，对水泥窑的镁铬砖的残砖和水泥厂排水进行全面监控，镁铬砖的使用受到一定程度的限制。镁铬砖由于优良的性能和低廉的价格，在世界上相当多的地区和国家仍在使用。进入上世纪90年代，性能更为优良的超直接接合镁铬砖已出现在工况条件较为苛刻的新型干法水泥回转窑上。

　　2.2尖晶石镁砖

　　尖晶石镁砖产品出现较早，但早期产品对热应力敏感性强，抗盐侵蚀能力不足，以及挂窑皮性能差等缺点，一直未能在水泥窑上大量应用。上世纪80年代以后，由于铬公害以及燃煤燃烧和原料性能的影响，出现了预反应尖晶石砂和镁砂为基本原料制成的砖，由于具有比镁铬砖优良的热机械性能和抗热化学侵蚀能力，以及具有无铬化的特点，从上世纪80年代起，在预分解窑的上过渡带逐步取代镁铬砖。

　　从上世纪90年代起，为适应不同的工况条件，尖晶石砖的性能进一步改善，出现了不同性能的尖晶石砖，即增加粗颗粒级配，进一步提高抗化学侵蚀适应于燃烧工业废燃料的尖晶石砖，为解决尖晶石砖不易挂窑皮，导热系数高的缺点，适当提高Fe₂O₃的含量，降低显气孔率，易于粘附窑皮的尖晶石镁砖。为进一步提高抗化学侵蚀和抗机械应力降低Fe₂O₃含量的新品种尖晶石镁砖，从而逐步扩大使用范围。

　　2.3白云石砖

　　白云石砖是上世纪50年代出现的，由于砖内含有大量的fCaO和熟料中的C₂S反应，生成C₃S为特征的稳定性窑皮，在烧成带使用较为合适。fCaO易吸附水，白云石砖在储存和停窑期间易吸潮水化，在运转率较高的窑内使用较合适。上世纪90年代以来，白云石砖的性能有较大的改进，如加入1%～3%的ZrO₂颗粒，适当地降低表观显气孔率，以改善白云石砖抗热震性能差的缺点。为适应煅烧工业废料，出现了增镁锆低气孔率的白云石砖，不仅保持较好的挂窑皮性能，还具有较高的抗硫、氯等有害物侵蚀能力。

　　2.4镁锆砖

　　镁锆砖的专利是上世纪70年代出现的，90年代才在预分解窑上应用。工业废燃料的使用，增加了窑内有害物的富集，若燃料中含硫量较高时，在上过渡带温度超过1500℃时，尖晶石易被熟料侵蚀，生成C₁₂A₇或C₄A₃S，致使火砖致密剥落损坏。由于氧化锆的熔化点为2715℃，当温度超过1660℃才被熟料侵蚀。因此镁锆砖具有较高的耐火度。氧化锆颗粒的另一特点是颗粒四周形成微裂纹，从而吸收外部应力，在热态和冷态条件下，具有较大的抗断裂强度。在一系列对比试验中，镁锆砖在抗SO₃、CO₂、碱蒸汽、Cl^-等有害物侵蚀，以及抗熟料液相侵蚀，氧化还原气氛，以及较高的抗压强度等，都具有明显的优点。早期的镁铬砖存在着导热系数高于尖晶石砖的缺点，此情况已被改善，含量4%～7%ZrO₂的镁锆砖的导热系数已低于尖晶石砖。镁锆砖具有优良的性能，用在工况条件苛刻的窑内，此趋向在扩大。其发展趋势是进一步提高性能和在保持优良性能的前提下，降低生产成本，便于推广应用。

　　3、内衬材料的技术发展趋势

　　近期内碱性砖发展动向总的趋势大致如下：

　　（1）上世纪80年代以前，世界市场上水泥窑用的碱性砖主要为镁铬砖和白云石砖两种，至上世纪80年代初，镁铬砖占碱性砖消耗总量的85%以上，而进入上世纪90年代已逐步下降至50%以上。但从上世纪90年代以来，下降幅度不大，资料估计至2007年，水泥窑所需的镁铬砖约为40万吨/年，仍然超过总量的40%，碱性砖在较长时间内仍然生存发展。

　　（2）尖晶石镁砖，是上世纪80年代用于水泥窑上的，从上世纪80年代中期低于4%逐步上升到上世纪90年代末的30%以上。

　　（3）白云石砖从上世纪70年代起直至目前始终保持8%～10%的占有量。

　　（4）2000年以后，镁锆砖的用量有可能增加，加上尖晶石镁砖和白云石砖组成无铬砖的消费量进一步扩大，无铬化趋势将进一步加强。

　　4、结论

　　从以上分析可知，近期内我国新型干法水泥窑的产量和技术水平将有较大发展，配套的回转窑用碱性砖衬料必须适应如下发展趋势：

　　（1）提高直接接合镁铬砖和尖晶石镁砖的质量，达到或超过现有5000t级预分解窑所引进的同类型耐火衬料的技术要求，以满足2000～5000t/d级窑所需的衬料。同时保持现有此类砖的质量，以满足2000t/d级以下窑的需求。

　　（2）开发镁锆砖，以满足大型预分解窑和原燃料结构变化后的需求，解决白云石砖水化等技术性能及应用问题，扩大尖晶石镁砖的特性和应用范围，以满足无铬化的需求。