浅议水泥窑用不定形耐火材料的研究方向

　　水泥窑用耐火材料包括定型和不定形，定型产品包括：耐碱砖、高铝抗剥落砖、硅莫砖、镁铬砖、白云石砖、尖晶石砖等；不定形产品包括：高强耐碱浇注料、高铝浇注料、莫来石浇注料、刚玉浇注料、尖晶石浇注料、碳化硅浇注料等。以现在一条5000t/d干法水泥生产线项目计算，总共需用耐火材料3200～3300吨，定型和不定形耐火材料约各占一半。其中，不定形耐火材料的使用寿命已经直接影响到水泥窑的运转率，急需升级换代。现在窑型的加大、能源的紧缺，及环保清洁生产技术的严格要求，必然使水泥工艺技术发生新的变化，而这些变化给耐火材料产品带来了新的挑战。
　　1、大型回转窑的特点新型干法水泥回转窑以预分解窑（PC）为主，与传统水泥窑相比具有以下特点：
　　1.1.碱及硫、氯等挥发性组分侵蚀严重。无烟煤、劣质煤的使用和固体废弃物的焚烧，造成碱、氯、硫等成分明显增加，它们的循环富集，对窑系统各部位的耐火材料的侵蚀也明显加剧。预热器中碱与传统回转窑相比增加近5倍，三氧化硫增加3～5倍。相应部位的窑气中这些组分的含量也大大增加，导致预热器、分解炉、喂料室、下料斜坡所用的耐火材料受到严重的侵蚀，形成膨胀性矿物而开裂剥落，发生“碱裂”破坏。并且硫、氯等组分在耐火材料表面形成结皮的特征矿物，黏附窑衬形成结皮，影响窑的正常运行。
　　1.2.烧成温度的提高对耐火材料的破坏加剧。新型干法水泥窑的烧成温度达到了1400℃～1500℃，大型预分解窑多采用篦式冷却机和多通道喷煤嘴，二次风温度达1200℃，出窑熟料温度可达1400℃多。窑口普遍结窑皮，温度的提高加剧了熟料和化学成分对耐火材料的侵蚀，用于传统窑相应部位的耐火材料在大型窑上的使用寿命急剧下降。
　　1.3.窑筒转速加快和直径加大，增加了耐火材料的应力破坏。大型窑的转速加快，直径增大（2500t/d窑直径为4m，5000t/d窑直径为4.8m，10000t/d窑直径为6m），将使窑衬受到的周期性机械应力和热应力冲击破坏力加剧。这就要求耐火材料要有更高的整体稳定性和抗热震性能。
　　1.4.冲刷磨损加剧导致耐火材料的破坏严重。大型水泥窑三次风管转弯处、阀门部位受到携带大量水泥熟料粉尘的高速气流的冲刷，篦冷机喉部、矮墙受到大量熟料的长期研磨，这些部位的耐火材料寿命往往比其他部位材料的寿命短很多，有的三次风管转弯处耐火材料寿命只有1～3个月。
　　综上所述，大型窑由于碱、硫等挥发性组分的富集、窑温的提高、窑径加大、转速加快、冲刷磨损加剧等原因，造成对耐火材料的化学侵蚀、高温破坏、机械应力、热应力和冲刷磨损等综合破坏效应比传统窑要大。因此，必须针对各个部位的不同要求选择合适的耐火材料，并在此基础上研制新型的耐火材料。
　　2、材料的发展方向
　　2.1.材料性能的改善。水泥窑用不定形耐火材料今后的重点研究方向，仍将是如何改善材料的抗侵蚀、抗热震稳定性、抗磨损的性能。众所周知，简单靠掺入莫来石来解决问题，是无法达到预期要求的，因为莫来石本身不具备抗碱性。高温下由于氧化钾、氧化钠的存在，莫来石将发生化学分解，使网状结构受到破坏，使抗热震性的效果降低。①抗热震性的改善。根据Hasselman提出的适用于耐材的抗热震性损坏参数分析，要想提高材料的抗热震性，就要求材料具有高的弹性模量及低的机械强度，使材料在胀缩时所储存的、用以开裂的弹性应变能量小；另一方面，则应选择断裂表面能量大的材料，一旦开裂，就会吸收较多的能量，使裂纹很快止裂。②抗侵蚀的改善。水泥窑大型化和二次燃料的应用，碱、硫、氯组分的挥发、凝聚，循环富集更严重。目前，能够改善抗侵蚀能力的材料主要是，碳化硅、氧化锆、氧化铬、铝镁尖晶石等。窑尾结窑皮位置（四五级预热器锥端、下料斜坡、喂料室等）一般都采用碳化硅质抗结皮浇注料；在窑的高温部位（如烧成带、上下过渡带）采用含氧化铬、镁铝尖晶石的镁铬砖或尖晶石砖；对窑口这个温度较高、热震频繁、熟料与碱侵蚀都存在的部位，使用的材料主要也将考虑含有上述几种成分的高抗热震性材料（包括砖与浇注料）。③耐磨性的改善。大型水泥窑三次风管转弯处、风阀、篦冷机喉部、矮墙等，耐材磨蚀很严重，要想延长这些部位的使用寿命，选材时耐材档次必须提升。传统的高强耐碱浇注料和低水泥高铝浇注料，已经不能满足使用要求了，应该考虑具有中、高温热态强度的材料。耐磨性较好的材料一般要求强度较高一些，特别是工作温度下的热态强度，主要体现在抗折强度上，当然降低材料的临界粒度也能改善耐磨性，但是临界粒度的降低，会削弱材料的抗热震性，这需要我们从中找到一个较好的平衡点。
　　2.2.施工方式的改变。从整个不定形耐火材料的发展趋势来讲，自流浇注料、喷涂料是主流。这些料的出现，带来了新的耐火材料流变学理论。自流平耐火浇注料是一种无需外力振动，可凭借自身重力，自流成型的新型不定形耐火材料。它具有自流平、自密实的特性，适用于施工空间狭窄、形状复杂的部位。能够大幅度地降低劳动强度，加快施工进度，降低施工费用，保证施工质量。同时又能改善作业环境，减少噪音、振动对施工者的危害。
　　2.3.其他方面的变化。水泥窑高运转率的要求，迫使其检修周期缩短，快速修补料将会很受欢迎。其中防爆浇注料和热硬性材料将有很好的应用前景。窑温的升高、热负荷的加剧，对耐火材料的高温性能提出更高要求，耐火材料需要选择优质高纯原料，优化材料的基质组成。
　　窑炉的大型化、预分解技术的进步、篦式冷却机的发展、多通道燃烧器的应用等水泥工艺技术的发展，对耐火材料提出了更高的要求，耐火材料生产企业只有根据水泥工艺技术的变化，在重新分析耐火材料的损坏机理基础上，有针对性地进行产品研发，才能逐步满足水泥工业的生产需求。