水泥窑用耐火材料及其匹配选择

　　现代化水泥厂回转窑对耐火材料要求具有良好的机械强度，较高的耐火度，抵抗温度变化的抗热震性，热膨胀及重烧线变化小，优良的抵抗化学侵蚀，较好的耐磨性和孔隙率，尺寸准确、外形整齐等。水泥窑系统应根据各部位的工作条件严格合理选择耐火材料，延长窑衬寿命和设备运转周期，具有较好的经济效益。
　　1.水泥窑用耐火材料的种类
　　1.1粘土砖
　　粘土砖为氧化铝含量30～40%的硅酸铝质耐火制品。其矿物组成为莫来石 (3Al₂O₃·SiO₂)20～50%，玻璃相25～60%和方石英及石英（最高可达30%）。普通粘土砖按 Al₂O₃含量可分为：一等（＞40% )，二等（＞35%），三等（＞30%）；相应的耐火度不低于1730℃，1670℃和1610℃；荷重软化温度均在1250～1450℃；热稳定性较好
　　1.2高铝砖
　　高铝砖为氧化铝含量在48%以上的硅酸铝耐火制品。矿物组成为刚玉 (α－Al₂O₃)、莫来石和玻璃相，其含量取决于Al₂O₃/ SiO₂比值和杂质的种类及数量。按Al₂O₃含量划分等级。我国高铝砖分为三级：LZ65含Al₂O₃65~70%,耐火度1790℃，LZ55含Al2O355～65%，耐火度1770℃；LZ48含Al₂O₃ 48～55%，耐火度1750℃。
　　1.3磷酸盐结合高铝质窑衬砖
　　磷酸盐结合高铝质窑衬砖包括两种产品，一种是磷酸盐结合高铝质砖（简称磷酸盐砖），另一种是磷酸结合高铝质耐磨砖（简称耐磨砖）。磷酸盐砖是以浓度42.5～50%的磷酸溶液作为结合剂，集料是采用经回转窑1600℃以上煅烧的矾土熟料。在砖使用过程中，磷酸与砖面烧矾土细粉和耐火粘土相反应，最终形成以方石英型正磷酸铝为主的结合剂。耐磨砖是以工业磷酸、工业氢氧化铝配成磷酸铝溶液作结合剂，其分子比为Al₂O₃∶P₂O₅＝1:3.2。采用的骨料与磷酸盐砖相同。在砖的使用过程中，同磷酸盐砖样形成方石英型正磷酸铝为主的结合剂。
　　1.4镁砖
　　镁砖是氧化镁含量不少于91%、氧化钙不大于3.0%，以方镁石 (MgO)为主要矿物的碱性耐火制品。镁砖的特性，可从砖体是由钙、镁、铁的硅酸盐作为方镁石晶体的胶结剂来考虑。其导热率好；热膨胀率大；抵抗碱性熔渣性能好、抵抗酸性熔渣性能差；荷重变形温度因方镁石晶粒四周为低熔点的硅酸盐胶结物，表现为开始点不高，而坍塌温度与开始点相差不大；耐火度高于2000℃，但对实际使用没有意义；因此，必须以镁橄榄石结合的高荷重变形性能的镁砖及以镁铝尖晶石 (MgO·Al₂O₃)结合的高热震稳定性的镁铝砖作为发展的方向。
　　1.5镁铝尖晶石砖
　　镁铝尖晶石砖是为了改善镁砖的热震稳定性，在配料中加入氧化铝而生成的以镁铝尖晶石为主要矿物的镁质砖。７０年代中期，随着新型干法水泥生产的发展，在生产直接结合镁铬砖之后，目前又向高级镁铝尖晶石砖的方向发展。生产中，以高纯镁砂及合成尖晶石为原料，两者配比为0.7～0.8比0.3～0.2。生产方法有电熔法和烧结法。尖晶石砖的优点是热震稳定性好，使用过程中与熟料反应能在砖的表面形成一层很薄的铝酸钙保护层，使液相不易渗透，抗剥落性能比直接结合镁铬砖好。但抗蚀性稍次于直接结合镁铬砖。
　　1.6普通镁铬砖
　　镁铬砖含MgO55～80%，Cr₂O₃≥8%，主要矿物为方镁石和铬尖晶石，硅酸盐相为镁橄榄石和钙镁橄榄石。如果Cr₂O₃含量高达18～30%，MgO25～55%，则称为镁铬砖。普通镁铬砖对碱性渣的抵抗能力强、抗酸性渣的能力比镁砖好，荷重软化点高，高温下体积稳定性好，在1500℃时的重烧线收缩小。
　　1.7直接结合镁铬砖
　　大型窑内，窑温在1700℃以上，普通镁铬砖已难胜任，直接结合镁铬砖就是为了适应水泥生产大型化而发展起来的一优质镁铬质耐火材料。直接结合镁铬砖是以优质菱镁矿石和铬铁矿石为原料，先烧制成轻烧镁砂，按一定级配后经高压成球，在1900℃高温下烧制成重烧镁砂，再配入一定比例的铬铁矿石，加压成型，经1750～1850℃隧道窑煅烧而成。经1750～1800℃烧成者为高温直接结合镁铬砖，经1800～1850℃烧成者为超高温直接结合镁铬砖。
　　1.8聚磷酸钠结合镁砖
　　该砖是一种化学结合镁砖，其组成是以高钙合成镁砂作骨料，聚磷酸钠作粘合剂，纸浆废液作水化抑制剂。其配比为：高钙镁砂∶聚磷酸钠∶纸浆废液∶水，其比例为3：0.7～1.0：3：3.5，配料后经湿碾，加压成型及150～200℃干燥后即为成品。聚磷酸钠结合镁砖兼具常温固化及热固化性能，常温强度及1450℃下抗压强度均较高；荷重软化点，一般0.6%变形开始点波动于1500～1690℃，4%变形点在1700℃以上；热膨胀系数及弹性模量较普通镁铬砖高；热震稳定性亦较普通镁铬砖好；耐水泥熟料侵蚀性亦较好。
　　1.９耐碱砖
　　联邦德国首先研制成功Al₂O₃含量25～28%的耐碱粘土砖，使窑气中的碱在砖面上凝集后迅速与砖面发生化学反应，形成一层高粘度的釉面层，封闭了碱向砖体内部继续侵蚀的孔道，从而防止了“碱裂”。我国普通耐碱粘土砖SiO2＞65%, Al2O3＜30%,体积密度＞1.9ｇ/ cm³,显气孔率＜25%常温耐压强度＞20MPa,导热系数1.163Ｗ/ｍ·ｋ (350℃ ),热膨胀系数６×10-６/℃,荷重软化点开始点＞1320℃。
　　1.10隔热材料
　　隔热材料是以轻质耐火物料制成的隔热制品。其品种：轻质煅烧砖、耐火隔热混凝土、隔热板及陶瓷耐火纤维制品等。它们都具有多孔结构、质轻、导热系数小，保温性能好等
　　特性。
　　2.水泥窑系统对耐火材料的匹配选择
　　2.1窑的卸料口和卸料带
　　这两处所用的衬料，机械磨损和化学侵蚀都很严重。因此，要求用于这些部位的衬料具有良好的抗磨蚀性和抗温度急变性能。卸料带一般选用Al₂O₃含量70～80%的高铝砖、耐热震高铝砖、尖晶石砖和镁铬砖；卸料口使用高名砖、以刚玉为骨料的耐热混凝土，有时也使用碳化硅砖。
　　2.2烧成带
　　烧成带一般采用镁铬砖、聚磷酸钠结合镁砖、耐碱砖等高温及超高温烧成的直接结合镁铬砖，由于系高温煅烧，尖晶石、方镁石相直接结合，冷态和热态强度均较高，热震稳定性也较好，因此，已被日益广泛地采用。
　　2.3过渡带
　　该带与烧成带相邻 ,温度变化频繁 ,筒体温度较高 ,窑皮时挂时脱 ,化学侵蚀也较严重。常用的耐火材料有以刚玉和50～80% Al₂O₃的铝矾土制成的高铝砖、直接结合镁铬砖、普通镁铬砖和尖晶石砖等。
　　2.4冷却带
　　该带温度仍比较高。但化学侵蚀不如前带严重。一般选用镁铬砖、高铝砖、磷酸盐结合高铝质砖及镁铝尖晶石砖等。
　　2.5分解带
　　在本带与预热带相连的部分，由于热应力与化学应力较小，可使用各种质量的粘土砖、高铝砖、煅烧成化学结合的轻质砖或普通镁铬砖；在与过渡带相连的高磨损、高温区域内，
　　可采用Al2O3含量50～60%的高铝砖，普通镁铬砖或尖晶石砖。
　　2.6预热带
　　该带衬料需具有足够的耐碱和隔热性能，一般使用耐碱隔热粘土砖。在采用轻质砖时，窑筒体温度可比使用相同厚度的粘土砖降低60～100℃，对于干法窑来说，单位热耗可降低
　　21～38KJ/Kg熟料。
　　2.7预热器系统
　　耐碱和隔热性能对于预热器系统的衬料同样十分重要。一般在预热器及分解炉的直筒、锥体部分以及连接管道内，采用耐碱粘土砖，并加隔热复合层，以火源砌筑；顶盖部分可采用火砖挂顶、背衬矿棉，亦可采用混凝土浇注；各处弯头多使用浇注料；窑尾上升管道等处采用结构致密的半硅质粘土砖防止碱侵蚀。
　　2.8冷却机系统
　　篦冷机内部物料温度变化最大，火砖受侵蚀的程度也不均匀，一般认为在冷却机缩口和位于三次风管进风口与冷却缩口之间受侵蚀最厉害。另外，由于粉尘的堆积限制砌体本身的膨胀，也会对侧墙产生整体破坏作用。篦冷机系统采用的耐火材料有耐火砖、轻质浇注料、隔热砖、隔热板材等多种。下料喉部区域及高温区可采用普通镁铬砖、高铝砖；中、低温区域可采用粘土砖。