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(yùn)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)備，按4.2r/min的轉(zhuǎn)速計(jì)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(dòng)，這種情況在大型煅燒窯爐中并不多見，這對(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(gè)帶有傾斜角度橫臥的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)而向窯頭方向運(yùn)動(dòng)。正是這個(gè)傾斜角度，使得窯內(nèi)耐火磚有自然向窯頭擠壓的趨勢(shì)，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(qiáng)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(qiáng)度會(huì)大幅下降，一旦超過耐壓極限，耐火磚就會(huì)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(gè)由耐熱鋼板卷制而成的圓筒，在運(yùn)行中受強(qiáng)大自重的作用力，會(huì)產(chǎn)生一定的橢圓度。絕對(duì)橢圓度是指回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)動(dòng)一周，窯筒體最大半徑和最小半徑之差乘以經(jīng)驗(yàn)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(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)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(huì)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(shí)耐火磚之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(guó)現(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯的輪帶大多采用浮動(dòng)輪帶（未見槽齒輪帶的報(bào)道），浮動(dòng)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(shí)際生產(chǎn)中，特別是點(diǎn)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(shí)使用自動(dòng)儀器時(shí)刻監(jiān)視輪帶間隙的變化情況，這一點(diǎn)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(gè)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(shí)的膨脹率按1.6％計(jì)算，長(zhǎng)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(shí)，如果沒有窯筒體和環(huán)縫對(duì)膨脹的補(bǔ)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(qiáng)度的6倍，為此，回轉(zhuǎn)窯點(diǎn)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(bǔ)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(duì)橢圓度是指絕對(duì)橢圓度和窯筒體內(nèi)徑的比值。基于命，必須嚴(yán)格按照升溫曲線升溫，在點(diǎn)火初期采用油為燃料，升溫速度﹤30℃/h，>400℃時(shí)，采用煤為燃料，升溫速度控制在﹤50℃/h，實(shí)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(zhǎng)油煤混燒的時(shí)間，以便較好地控制升溫速度，這對(duì)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(huì)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(huì)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(huì)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(dòng)或停窯冷卻時(shí)，會(huì)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(duì)耐火磚的滲透損壞。特別是在熟料煅燒時(shí)，為了降低f-CaO，會(huì)提高煅燒溫度，此時(shí)耐火磚就會(huì)受過熱液相的滲透侵蝕；當(dāng)生料內(nèi)MgO過高時(shí)，也易出現(xiàn)液相對(duì)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(shí)，易出現(xiàn)堿鹽和硫酸鹽對(duì)耐火磚的侵蝕。
2回轉(zhuǎn)窯用耐火材料的性能簡(jiǎn)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(qiáng)度和良好的抗熱震、抗磨蝕等性能。澆注料以其使用簡(jiǎn)單，砌筑方便而廣泛應(yīng)用于燒成系統(tǒng)的各不動(dòng)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(yùn)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(gè)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?yàn)樵诟邷匾合嘧饔孟聣A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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)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(xiǎn)。鎂磚這些特性使得其儲(chǔ)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(diǎn)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(xiàng)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(gè)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(jià)鉻對(duì)環(huán)境的極強(qiáng)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(shì)，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(diǎn)是，若窯內(nèi)長(zhǎng)期存在還原氣氛，易引起鎂鐵尖晶石磚中三價(jià)鐵離子還原成二價(jià)鐵離子而影響鐵尖晶石結(jié)構(gòu)，一定程度會(huì)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(huì)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(diǎn)，這是因?yàn)楣枘u結(jié)構(gòu)致密、晶體穩(wěn)定性強(qiáng)，使用中會(huì)在硅莫磚的表面形成連續(xù)的氧化硅致密層，對(duì)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(shí)熱損失增大，對(duì)節(jié)能不利。為了使筒體溫度降低而采取風(fēng)冷降溫，又會(huì)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(shí)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(shí)踐中，根據(jù)工廠實(shí)際用具有良好抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(gè)三元系統(tǒng)中有兩個(gè)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(gè)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。
