优化窑衬材料对立窑煅烧节能高产的作用

一、窑衬的作用
1. 保护筒体
　　立窑是一个高温煅烧设备，料球在烧成带的煅烧温度达到1450℃，然而立窑筒体只是一个用一厘米厚的钢板卷制成的外壳，必须要求具有一定强度和密封性能的窑衬材料进行保护，共同承担来自窑内物料和气体的高温、高压、腐蚀、磨损作用，以完成物料在窑内的一系列物理化学变化过程。
2. 减少热损失
　　每生产一吨熟料，需要消耗发热量为5500×4.18kJ/kg的实物煤146～200公斤，其中真正用于熟料煅烧的煤约80公斤，亦即理论热耗仅占51%；另外，蒸发料球水分的热耗占15.8%、熟料带走6.5%、烟气带走5.2%，其余22.55%为包括“窑壁散热”在内的各种热损失。因此，窑衬材料的隔热保温性能对于立窑煅烧节能十分重要。
3. 稳定热工制度
　　在立窑内，物料主要依靠自重作垂直向下的运动，相互之间交叉换位较少，导致料球受热不均；加之窑体结构带来的先天不足，如：“边风过剩、中心通风不良”及窑壁散热损失等原因，使中部需要热量少、边部需要热量多，在立窑的同一断面上，煅烧所需要的热量不同，一般情况下，边部比中部多需要（300～500）×4.18kJ/kg的热量，这给生产工艺及煅烧操作带来困难。从传热角度考虑，优化窑衬材料、强化隔热保温效果、减少窑壁散热损失，是均衡立窑断面热力强度、稳定热工制度的最佳选择。
4．改善立窑煅烧状态
　　窑体内壁的形状由窑衬材料砌筑所决定，它直接影响着窑内风、料、煤的动态三平衡。上部预烧带的喇叭口角度、下部冷却带的倒喇叭口和倒阶梯形式，对控制立窑煅烧过程中的加料速度、上火速度、卸料速度三平衡至关重要。它不仅引导边风向窑中心移动、强化中心通风，而且在冷却带逐步扩大物料之间的空隙率，减小通风阻力、预热底风、改善熟料质量；近年来研制的新型节能窑衬材料，配套合理、热阻增大，还可以适当减薄立窑衬里厚度，在窑体规格不变的情况下，扩大窑内有效容积，提高单机生产能力及熟料台时产量。

二、立窑对窑衬材料的要求
　　常用的窑衬材料实际上是由三部分组成：耐火材料、隔热保温材料和胶结材料。
1. 耐火材料
　　（1）抗高温热力损失：耐火度不低于1580℃的无机非金属材料及制品称之为耐火材料。在窑内高温作用下，不软化、不熔化；在正常或不正常的情况下，都能保持一定的结构强度和体积密度的稳定性。只有用这种耐火材料砌筑的窑体衬里，才能维持正常的操作和生产。
　　（2）抗酸碱化学侵蚀：物料在窑内的煅烧过程，要经过一系列各种复杂的物理化学反应，不同部位产生的酸性气体或碱性熔渣都会侵蚀窑衬。尤其是烧成带，反应物料在高温下出现液相，对耐火材料的化学侵蚀作用更为强烈。因此,要求材料不能参与化学反应，不出现粘料现象。
　　（3）抗物料运动磨损：立窑煅烧过程中，物料由上到下、从低温到高温、再到低温不停地运动。窑体内壁的衬里始终经受着物料的运动磨损，尤其是煅烧后形成的熟料磨琢性较强，对衬里的磨损更为严重。因此，砌筑在窑体内壁的耐火材料必须具备较强的抗磨能力。
　　（4）规范的外形尺寸：耐火材料的砌筑质量对立窑煅烧过程有着重要影响。立窑内壁不圆，煅烧时容易引起“偏火”现象；砖面不平、接触不紧密，当窑内底火位置不稳定时，由于热震现象会发生衬里松动，缩短使用寿命, 增加窑体热损失，等等。因此，耐火砖的形状和外形尺寸一定要规范和准确，这是保证砌筑质量最基本的条件。
2. 隔热保温材料
　　（1）导热系数小：传递热量能力大小的物理量称之为导热系数。金属导热系数大于非金属、液体导热系数大于气体；数值越大，传热能力越强；反之，隔热能力越差。在固体材料中，一般把导热系数最小的非金属材料（≤0.22W/m·℃）称之为隔热材料。这些材料气孔多、分布均匀、容积密度小，隔热保温性能好。
　　（2）热稳定性好：隔热材料的使用温度低于耐火材料，一般在1100℃以下。在使用温度范围内，要求长期工作后不变质、不损坏、不腐蚀立窑筒体；材料中可燃物、有机物、含水量要极少。
　　（3）具有一定的强度和可塑性：隔热保温层一般设置在耐火砖与筒体之间，需要满足施工要求，并能承受一定的外力作用；除隔热保温制品之外，在其余空间还要用不定型的浇注料，将其胶结成一个保温的整体。
3. 胶结材料
　　在砌筑耐火砖和保温砖时，需要化学成分与物理性能与耐火砖相近的结合剂，来填充砖缝，使衬里形成一个严密的整体，这就是胶结材料，俗称耐火泥（或称火泥）。它是由粉状耐火物料和结合剂组成的一种不定形耐火材料。按火泥的材质可分为粘土质、高铝质、硅质和镁质火泥，其粒度根据使用要求常控制在1毫米以下。选用时，除注意必须与所砌材料性质一致（或相当）之外，还要求它必须具备粘结力强、施工性能好、耐酸碱腐蚀、耐冲刷磨损和必要的耐火度；同时，不能因干燥和烧成而引起膨胀或收缩，造成砖缝开裂。

三、立窑衬里节能技术的优化进程
　　立窑衬里材料的配套选用和砌筑质量，直接影响立窑煅烧的产量和质量，以及能耗和安全生产，这一点早已成为人们的共识。上世纪立窑一直是我国水泥生产的主体，从70年代起，国家投入一定数量的人力、物力和资金，进行了一系列的科学研究和工业试验，提出一些办法和措施，并在生产中也取得过一定的效果，但应用时间不长，主要原因之一是：“生产工艺变化较多，材料质量改进不足”。
1. 差热煅烧
　　立窑煅烧过程中，由于边部的物料要与窑壁接触，有一部分热量会通过窑壁传热散失掉；尤其是窑体喇叭口较小时，边风较大、从边部散失的热量会更多，而中部物料没有这些热损失，需要的热量少。为了解决边料与中料热耗差的矛盾，二十世纪八十年代，行业内组织全国各地立窑企业推广“差热煅烧法”，即分别在边料和中料里加入不同燃煤量进行煅烧。从理论上讲，这种煅烧方法可以节省部分燃煤，还可减少中部物料的不完全燃烧现象，避免还原气氛，防止过多的熔融物产生，进而改善窑内通风情况，有利于熟料的优质、节能、高产。但经过几年的实践，尽管大家在生产设备和煅烧操作上进行了多方面的配合与调整，还是没有取得预想的效果。原因是多方面的，但有两点是主要的。其一，在中料与边料之间无法准确地划出一条明显的界限。从边部到中心，热耗是一个逐步递减的过程，没有明显的界限，按任何一个热耗数据配煤，都会与大多数部位存在差异；其二，当时的操作条件和控制手段无法保证配煤多的物料准确地加到边部，同时配煤少的物料加到中部。工人们形象地说，把“差热煅烧”搞成了“差热乱烧”，会给立窑煅烧带来更加严重的不良后果。到八十年代后期，立窑企业基本上都放弃了差热煅烧法。
2. 等温煅烧
　　由于减小立窑断面温差对提高熟料的产量和质量十分重要，上世纪90年代初期，在放弃差热煅烧技术后，科研院校又提出一个新的煅烧方法叫“等温煅烧”，即在立窑烧成带的筒壁外部，再进行一次加热保温，以保证将窑内物料在烧成带的断面温差减少到最小，热力强度基本达到平衡。经过工业性试验，立窑的产量、质量确实得到了提高。但时间不长，又发现了新的问题，一是外保温使用的是电加热，此装置的电耗使成本增加，超过了煅烧节煤的价值，经济效益是负增长；二是外保温造成窑体局部热胀冷缩，造成热变形，缩短了筒体和窑衬的正常使用寿命。到上世纪90年代中期，因立窑改造技术科研经费不足，有关单位停止了对“等温煅烧”的进一步研究。
3. 新型窑衬材料的发展
　　上世纪90年代后期，国内外材料科学的研究水平逐渐提高，尤其是冶金行业的技术进步，促进了耐火材料行业的高速发展。许多新型耐火材料、隔热保温材料相继出现，其品质指标与使用性能都上升到一个新的台阶，也带动了水泥行业窑衬材料应用技术的研究，相关部门也由单一的熟料煅烧工艺研究，转变为对衬里材料的品质、性能、配套、优化进行研究。
　　磷酸盐结合高铝质耐火砖简称为磷酸盐砖，目前被公认为是水泥窑炉优质耐火、耐磨衬里之一。磷酸盐砖近于中性砖，无论是在氧化气氛还是在还原气氛中，都不会影响其使用强度。低于1500℃时，磷酸盐砖的化学稳定性非常好；在高温下，热稳定性也非常好，具有良好的抗冲击、抗磨损能力。实践证明，作为立窑高温带衬里，比高铝砖使用寿命长1～2倍。一般情况下，用于立窑喇叭口的磷酸盐砖寿命为1.5～2年，用于烧成带的寿命为3～4年。
　　磷酸盐砖以高铝矾土熟料为骨料和细粉，其吸水率为3.4%，体积密度3.12g/cm3；根据制品的使用条件，适当加入石墨粉、工业硅砂等，以磷酸或磷酸铝为结合剂，采用半干法成型，在400～600℃热处理，化学结合成为高铝质耐火制品。该耐火制品按结合剂不同分为：
　　（1）磷酸盐结合高铝质砖（简称：磷酸盐砖），代号P，锁缝砖代号PC。结合剂为磷酸溶液（浓度42.5%～50%）。
　　（2）磷酸铝结合高铝质耐磨砖（简称：耐磨砖），代号PA。结合剂为用工业氢氧化铝和工业磷酸配成的磷酸铝溶液。耐磨砖的耐磨性优于磷酸盐砖，因此，在有条件的情况下，立窑衬里应优选耐磨砖。
用于立窑衬里的保温材料，除了要求导热系数小（热阻大）之外，还要看其使用温度能否达到900℃以上，否则保温层非常容易粉化，失去应有的强度和隔热性能。选择导热系数低于0.05W/m℃的硅酸钙隔热板与硅酸铝板、空心球浇注料等配套的保温层，能够使保温层整体化、延长服务年限，同时，厚度最薄，隔热效果最好，基本达到窑内中、边部物料温度差不大于50℃，烧成带窑体外壁温度低于45℃。最简单、最直观的感觉就是在现场去触摸窑体烧成带外壁，不感觉烫手。这样的工作状态，给稳定立窑煅烧热工制度、实现优质、节能、高产，创造了有利条件。

四、技术经济分析
　　浙江圣奥耐火材料有限公司是国家建材行业生产力促进中心长兴耐火材料分中心、中国建材工业经济研究会成员单位，始建于1985年，近20年来与科研院校合作，为耐火、保温材料的研制、开发，进行了大量工作。尤其是在水泥立窑节能衬里的材质优化和应用配套方面，取得了显著效果，赢得了赞誉。公司提出“快乐来自为人着想，成功在于以诚相待”的服务宗旨，为用户之急所急、为用户之想所想，2004年获得“全国建材行业诚信、维权标兵企业”、“全国耐火材料行业领军企业放心品牌”的光荣称号。
　　在立窑煅烧过程中，影响产、质量及能耗的因素很多，一般可归纳为三大类：工艺因素、机械因素和操作因素。工艺因素如：配料方案、生料合格率、易烧性、煤质与配热、成球质量等；机械因素包括：窑体结构、加料装置、卸料篦子、通风除尘等；操作因素是指：煅烧方法、热工制度、控制手段、岗位工技术水平等等。一个生产多年的立窑水泥厂，在这诸多的影响因素中，采用“立窑节能衬里配套技术”，见效最快，受益最明显，因为仅减少热损失和保温层减薄这两项技术带来的经济效益就十分可观。
　　中国水泥协会立窑研究会提出“现代立窑八个基本条件”后，各地立窑企业纷纷采用二十项适用技术，进行节能挖潜技术改造。浙江圣奥耐火材料有限公司参与技术改造的企业就有一百多家。他们原来的熟料热耗都在（1000～1100）×4.18 kJ/kg左右，改造后都降到900×4.18 kJ/kg以下，窑体外壁温度也能触摸不烫手。国内建材研究院校热工检测部门对立窑热工标定的统计数据表明，立窑烧成带窑壁温度每降低1℃，窑内熟料热耗可降低10～15kJ/kg。这些厂技术改造后立窑烧成带窑壁温度普遍都降低30℃以上，因此，窑内熟料热耗一般降低（100～200）×4.18kJ/kg，相当于每生产一吨熟料可节省实物煤（发热量为5500×4.18kJ/kg）18～36公斤。一台年产十万吨熟料的立窑每年就可以节煤1800～3600吨，按当前国内煤的平均价格（400元/吨煤）计算，可节支人民币72～144万元。
　　采用新型耐火、隔热保温材料配套的窑体衬里，尽管单位材料价格有所增加，但整体用量减少，因此与传统材料相比，窑衬总投资基本持平。由于窑衬的厚度减薄，窑的断面直径可增加0.15～0.2米,窑内煅烧容积增大，熟料台时产量一般可提高1～2吨，每年每台立窑熟料可增产0.8～1.6万吨，折合人民币增收100～200万元。
　　其它效益，如：改善通风质量后，风机阻力减小的节电效益；断面热力强度改善，提高熟料质量的效益；延长窑衬材料使用寿命，降低维修费用的效益等等，在此就不一一列举。该新型节能窑衬已列入《立窑水泥企业技术进步指南》中的二十项适用技术，其科学性、先进性、实用性和可操作性，已被上百家立窑企业所证实和共享，必将为立窑企业在竞争中求生存、求效益，开辟一条新的途径。

摘自《水泥生产力》2005年第1期