编号：CYYJ00290

篇名：我国新型干法水泥窑用耐火材料的技术进展与现状

作者： 曾大凡 张用宾

关键词： 新型干法 窑用耐火材料 技术进展

机构： 中国建筑材料科学研究院

摘要： 为了提高水泥熟料烧成热效率、降低能源消耗，在六十年代德国首先开发的悬浮预热器窑已发展成熟。七十年代，在此基础上日本开发了预分解水泥生产技术。预分解水泥生产技术一经问世就以其技术的先进性获得世人瞩目，它不仅使水泥熟料煅烧系统的热耗降低，而且单机生产能力大大提高，远超过同直径的湿法窑或传统干法窑。

原文： 表1列出了不同生产方式的水泥窑的技术情况。 表1 不同水泥窑型的生产能力及热耗 干法:窑径(米)3.75 生产能力(熟/日)520 热耗(千焦/公斤熟料)5596.3 半干法:窑径(米)4.00 生产能力(熟/日)996 热耗(千焦/公斤熟料)4045 湿法:窑径(米) 4.00 生产能力(熟/日) 650 热耗(千焦/公斤熟料) 6219 新型干法(NSP):窑径(米)4.00 生产能力(熟/日)2000 热耗(千焦/公斤熟料)3600 我国在七十年代也自主开发了预分解水泥生产技术，例如中国建材研究院完成的石岭水泥厂日产4000吨熟料的四级预分解窑和八十年代初天津水泥设计院完成的日产2000吨熟料预分解窑。自八十年代以来，我国从国外引进了大型预分解窑的成套技术与装备，对促进我国新型干法水泥窑的技术发展和装备水平的不断提高起到了积极的推动作用。 1 新型干法水泥窑对耐火材的要求 　　传统水泥窑用耐火材料品种比较单一，最早全窑都采用Al2O3含量30~40%的粘土砖。自三十年代以后，为了提高窑衬寿命，在煅烧带开始配用Al2O3≥50%的高铝砖。随着窑规模逐渐增大和熟料产、质量的不断提高，煅烧带高铝砖使用寿命不能满足要求，欧洲在四十年代开始在煅烧带采用普通镁铬砖，到五十年代，发达国家已基本在煅烧带全部采用镁铬砖（少数用白云石砖）。预热带用粘土砖、分解带热端及冷却带采用高铝砖、烧成带采用镁铬砖这种配套方案基本满足了传统水泥窑的使用要求。 　　七十年代预分解水泥窑问世以后，开始时这种新型窑炉并未在实际生产中表现出明显的技术优越性，主要原因是运转率低，造成了预分解窑运转率低的原因除了设备故障因素外，主要是各部位的耐火材料不能满足使用要求，经常由于耐火材料需要更换维修被迫停窑。为了充分发挥预分解窑高效、低耗的优越性必须针对该窑型各部位的不同使用要求，研制多种耐火材料新品种合理配套使用才能提高运转率。 　　预分解水泥窑与传统水泥窑比较有如下特点： 　　(1) 碱及硫、氯等挥发性组份侵蚀严重 　　由于预分解窑充分利用余热预热入预热器的生料，碱的硫酸盐和氯化物挥发、凝聚，反复循环，使得这些组份在窑中富集，与原始生料相比在最热级预热器的窑料中R2O增加5倍，SO3增加3~5倍。相应部位的窑气中这些组份的含量也大为增加。耐火材料表面温度为800~1200℃的部位，包括预热器、分解炉、上升烟道、下料斜坡、窑筒后部甚至窑门罩和冷却机热端所用的粘土砖和普通高铝砖受到来自窑料和窑气碱化化合物的侵蚀，形成膨胀性矿物使耐火材料开裂剥落，发生“碱裂”破坏。并且硫、氯等挥发物组分在上述部位耐火材料表面形成、2C2S·CaCO3、2C2S·CaSO4、2Ca SO4·K2SO4等结皮，影响窑的正常运行。 　　(2) 窑的温度提高对耐火材料的破坏加剧 　　大型预分解窑多采用篦式冷却机和多风道喷煤嘴，篦式冷却机热回收率高，二次风温可达1150℃，多风道喷煤嘴一次风量较少，因此火焰温度提高很多，出窑熟料温度可达1400℃，使得窑口、冷却带、烧成带、过度带、分解带甚至窑门罩、冷却机的温度水平远高于传统窑的相应部位。 　　温度提高不仅对耐火材料提出更高的耐火要求，而且温度的提高加剧了窑料对耐火材料的化学侵蚀，用于传统窑相应部位的材料在预分解窑上寿命急剧下降。 　　(3) 窑的单位产量提高，窑筒转速加快，加剧了耐火材料的应力破碎。 　　预分解窑产量较之相同直径的传统窑提高2倍以上，窑的转速达到3~4转/分。窑筒高速运转不但机械应力大为增加，由于窑衬每转一周所受到的周期性温差的频率的增加使得造成热冲击的热应力破坏也同时加剧。因此预分解窑要求窑衬材料要有更高的整体稳定性和抗热震稳定性。 　　(4) 窑直径加大，保护性窑皮的稳定性差 　　大型预分解窑的直径增大，2000吨/日的窑直径为4米，4000吨/日窑直径为4.7米，又加之窑速加快，机械振动加剧，因而作为高温带窑衬的保护性窑皮更易脱落，不易补挂，所以要求用于高温带耐火材料除有更耐高温熟料侵蚀及热震稳定性，还需有更易粘挂窑皮的性能。 　　(5) 窑系统结构复杂，要求高的节能效果 　　预分角窑由预热系统、回转窑和冷却机系统组成，结构远较传统窑复杂。对耐火材料而言首先是砖型复杂，计有80~100种之多，这就要求耐火材料在生产、运输、保管、砌筑等环节加强管理，并且对砖型的设计要简单化、规范化、尽量减少特异型制品和简化施工，还需要研制各种功能的耐火浇注料用于形状复杂的部位。 　　预热器及冷却机系统表面积很大，是预分解窑表面散热损失的主体。为了降低能耗，必须采用多种隔热材料与耐火材料组成复合衬里，达到降低装备表面温度的目的。 　　综上所述，预分解窑由于碱、硫等挥发性组份的富集、窑温提高、窑径加大、窑速加快、结构复杂等原因，造成对耐火材料的化学侵蚀、高温破坏、机构应力和热应力等综合破碎效应比传统窑要大，再加之对窑衬提出更高的节能要求，因此必须针对预分解窑的各部位不同的要求研究制不同的新型材料。 　　2 我国预分解窑配套耐火材料的发展过程 　　我国水泥窑用耐火材料七十年代以前没有形成专门的产业，使用冶金工业的普通粘土砖、高铝砖。七十年代中后期，中国建材研究院为配合当时水泥窑（传统）增产、挖潜及长期安全运转的要求，同时也为解决耐火材料供应紧缺的问题，研制了用于分解带、过渡带的磷酸盐结合高铝砖，用于冷却带的磷酸盐耐磨砖，用于烧成带的水玻璃结合镁砖和聚磷酸钠结合镁砖以及普通铝酸盐耐火混凝土材料等，并同时形成生产线。这些材料在国内推广使用使得传统窑的耐火材料消耗大为降低，收到了明显效果。 　　八十年代初我国开始引进国外大型预分解水泥生产成套装备，由于当时我国没有相应的耐火材料品种的产品，只得全套进口。预分解窑需用耐碱粘土质、高铝质、镁铬质、高强隔热、硅酸钙类、低水泥型高铝、刚玉、耐碱浇注料、碳化硅复合制品等类材料。为了国家重点科技术攻关任务在“六五”、“七五” 、“八五” 、“九五” 的连续攻关工作中研制了数十个材料新品种，进行了生产转化，并与设计单位协作进行了大量的配套应用开发研究工作。 (1) 通过“六五”攻关建立了我国预分解窑用耐火材料的初步配套的体系。 　　八十年代初，我院承担了国家“六五”科技术攻关专题“新型干法水泥窑用耐火材料的研究”。针对新型干法水泥窑所必须的配套品种和当时我国所能达到的条件，结合对引进耐火材料产品的消化吸收工作进行了如下品种的研究制工作： 　　用于水泥窑烧成带的烧结合成直接结合镁铬砖 　　用于过渡带的烧结合成尖晶石砖 　　·用于预热系统的普遍耐碱粘土砖 　　·用于预热系统的普通耐碱浇注料 　　·用于预热系统的高强隔热砖（漂珠型） 　　·用于前后窑口的高强浇注料 　　·用于窑口及冷却机的碳化硅复合砖 　　通过以上品种的研究工作，于1984年与天津水泥设计院协作承担了江西水泥厂国产第一台2000吨/日，预分解窑用耐火材料的制作、供应、应用开发工作。该窑于1986年完成耐火材料的砌筑施工。“六五”期间所完成的预分解水泥窑用耐火材料的品种是最基本的品种，有些品种技术水平也不太高，如高强隔热砖属于漂珠型，热震稳定性不理想，高强浇注料还不是低水泥型，中温强度仍有较大的下降。有些品种还没有形成生产能力如直接结合镁铬砖和尖晶石砖。但是通过“六五”攻关为我国解决新型干法水泥窑用耐火材料的研制、设计、生产、应用打下了技术基础，并初步建立了配套体系，为此该项目荣获了“国家科技进步二等奖”。江西水泥厂国产第一台2000吨/日预分解窑用耐火材料的配套水平虽然不高（烧成带采用普通镁铬砖，浇注料为非低水泥型，隔热材料没有采用硅酸钙板等），但是它却表明我国新型干法水泥窑用配套耐火材料从无到有，迈出了可靠的第一步。 　　(2) “七五”期间预分解窑用耐火材料配套体系进一步完善，配套水平得到提高 　　在“七五”期间，中国建材研究院承担了“2000吨/日窑外分解工艺线配套优质耐火材料的研究”国家科技攻关专题，在“六五”完成的耐火材料品种研究的基础上，进一步完善和丰富配套品种，提高品种的技术水平。表2是“七五”与“六五”耐火材料品种技术情况的比较。 　　表2 “七五”与“六五”分解窑用耐火材料品种的比较 耐火材料品种　　　　　“六五”攻关完成情况　　　　　　　　“七五”攻关完成情况 耐碱砖　　　　　　　普通耐碱粘土砖　　　　　　高强耐碱砖，耐碱隔热砖，拱顶型耐碱砖 耐碱砖 高强耐火浇注料　　　低水泥用量型耐火浇注料，　　　　　　　钢纤维增强耐火浇注料。 隔热砖　　　　　　　　漂珠型高强隔热砖　　　　　硅藻土高强隔热砖,粘土质高强隔热砖 耐碱浇注料　　　　　普通型耐碱浇注料　　　　　　　　　　高强耐碱浇注料 镁质材料　　　　烧结合成镁铬砖，尖晶石砖　　　　电溶再结合镁铬砖，尖晶石砖 硅酸钙隔热材料　　　　　　　　无　　　　　　　　　用于1000℃高温型硅酸钙板特种高铝砖 磷酸盐结合高铝砖(普通型)　抗剥落高铝砖，　　　　　　　特种化学结合高铝砖 　　从表2可见，通过“七五”攻关我国预分解水泥窑用耐火材料配套品种已经趋于完善，在此期间，在国家建材局大力支持下，通过技术改造将科技成果转为生产力，形成了十多条生产线，具备了供应能力。“七五”期间以新疆水泥厂、鲁南水泥厂、双阳水泥厂为代表的一批2000吨/日以及1000吨/日以下的预分解水泥生产线投入了建设，耐火材料的科技攻关成果直接为经济建设发挥了作用，使得我国预分解水泥窑配套耐火材料又达到一个新的水平。以新疆水泥厂为例，由于大量使用了硅酸盐钙板代替隔热砖使得预热系统的热阻增加、散热损失减小，又加之于耐碱砖等材料强度提高，砖衬减薄等因素。使得全窑耐火材料总用量大为减少。 　　表3 新疆、江西水泥厂2000吨/日预分解窑窑衬技术对比 工厂　　　　　　　　　　　　　　江西水泥厂　　　　　　　　　　　　　　　　新疆水泥厂 预热器系统旋风筒壁的热阻(M2.H.℃/Kcal)　　0.65　　　　　　　　　　　　　　　1.3 预热器系统旋风筒壁的衬里厚度(mm)　　　　　　300　　　　　　　　　　　　　　215 预热器系统旋风筒的散热损失(不包括三次风管)31.05Kcal/kg熟料　　(一次筒外保温)20.47 窑尾烟室和分解炉　　　　　　　　　　　　　　　 使用普通耐碱砖　　　　　　　　　　　　　　　　 使用抗剥落高铝砖 预热器系统的耐火浇注料　　　　 中温强度降低的传统型浇注料　 中温强度不降低的低水泥浇注料 回转窑烧成带　　　　　　　　　　　　　　　　　　 化学结合镁铬砖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 直接结合镁铬 回转窑安全带　　　　　　　　　　　　　　　　　　 磷酸盐砖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 抗剥落高铝砖 前窑口　　　　　　　　　　　　　　　　　　 中温强度降低的钢纤维浇注料　　　 中温强度不降低的钢纤维浇注料 窑门罩和冷却热端　　　　　　　　　　 刚玉质高强浅注料耐碱性不够好　　　　　　　　　 采用耐碱高铝浅注料 全窑耐火材料总量　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2300T　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1448T 　　　 “七五”期间不但利用攻关科技成果为国内新建的预分解水泥窑解决了窑衬材料的自给问题，满足了水泥工业发展的需要，而且为巴基斯坦水泥厂建设的700吨/日预分解窑进行了全窑窑衬配套设计、材料生产供应出口、窑衬施工技术指导等全套工作，窑衬质量完全满足生产需要，获得外方好评。新型干法窑配套耐火材料从成套进口到成套出口用了不到10年的时间，这与国家建材局的支持是分不开的，也是水泥工业耐火材料工作者的努力结果。 　　(3) 九十年代实现了预分解窑耐火材料品种系列化建成完成的配套体系 　　进入九十年代以后，国家对属于基础材料的耐火材料工业的技术进步非常重视，在“八五”和“九五”期间由治金、建材、轻工三个产业部门组织联合攻关。我院作为建材工业耐火材料国家科技攻关的承担主体，跟踪国际新型干法水泥窑耐火材料新的动态，完成如下攻关新品种： a 耐火浇注料多功能化：完成了早强高热态强度耐火浇注料和具有高强、耐碱、隔热三重功能的浇注。 b 碱性砖无铬化：完成了用于烧成带的低铬镁铬砖和无铬碱性砖 c 高铝材料增韧：完成了具有更好性能的第二代抗剥落高铝砖，其荷重软化温度、高温强度、热震稳定性均有提高。 d 提高硅酸钙板隔性能：将硅酸钙制品的容重从220kg/m3降至150 kg/m3以下，研制出高温型超轻型硅酸钙制品。 　　在科技攻关成果转化生产方面建成数十条生产线并形成了耐火材料配套多品种系列，这就为新建水泥生产线根据不同的条件和不同的要求提供了更大的耐火材料配套设计选择空间。为了深化耐火材料品种的研究，中国建材研究院还进行了一系列应用基础现论的研究工作如：水泥熟料对碱性耐火材料侵蚀机理的研究，水泥窑料结皮、起块机理及熟料成份设计的研究，碱对水泥生产及性影响的研究，高碱熟料对回转窑内耐火材料损毁机理的研究，含锆高铝砖的水泥窑中抗结皮机理的研究等。以上课题的研究对耐火材料新品种研制和提高性能的研究起到了很重要的指导作用，同时也培养了具有深厚理论基础和耐火材料生产应用实践经验的科研队伍。 表4 新型干法水泥窑配套耐火材料主要的品种系列 系列名称　　　　　　　　主要品种　　　　　　主要技术特点 耐碱砖系列　　　普通型耐碱砖　　　　　　　抗压强度≥25MPa 　　　　　　　　高强型耐碱砖　　　　　　　抗压强度≥60MPa 　　　　　　　　隔热型耐碱砖　　　　　　　　容重1650kg/m3 　　　　　　　　拱顶型耐碱砖　　　　　　　荷软T0.6≥1400℃ 耐火浇注料系列　刚玉质耐火浇注料　　　　　Al2O3≥90%，其中分为普通型和高强型。 　　　　　　　　高铝质耐火浇注料　　　　Al2O3≥70%，其中分为普通型和高热态强度型。 　　　　　　钢纤维增强耐火浇注料　　　　　按Al2O3含量不同又分为FH-75，85，90等。 耐碱浅注料系列　普通型耐碱浇注料 　　　　　　　　高强耐碱型　　　　按不同使用温度分为GT-12N，13N 　　　　　　　　隔热耐碱型　　　按不同使用温度分为GT-12NL，13NL 　　　　　　　　隔热耐碱型　　　容重≤1600kg/m3，抗压强度＞30MPa 　　　　　　　　高铝耐碱型　　　Al2O3≥70%，最高使用温度1600℃ 镁铬砖系列　　　直接结合镁铬　　含Cr2O3为4，6，9，12%等几种牌号 　　　　　　半直接结合镁铬砖　　　含Cr2O3为6，9，12%等几种牌号 无铬碱性砖系列 　　　　　烧成带用无铬碱性砖　　　用于烧成带具有良好挂窑皮性能 　　　　　　　尖晶石砖　　　　　　用于过渡带，含Al2O3为10，15%等几种牌号 抗剥落高铝砖系列　抗剥落高铝砖　按荷软温度分为1400℃和1500℃两种 　　　　　　化学结合特种高铝砖　　荷软温度≥1450℃，热震（1100℃~水冷）≥20次 硅酸钙系列　　　　硅酸钙制品　　使用温度1000℃，容重为200，230kg/m3 　　　　　　超轻型硅酸钙制品　　使用温度1000℃，容重为170，150kg/m3 硅酸钙系列　硅藻土质高强隔热砖　　最高使用温1000℃，按容重分为5种牌号 　　　　　　　粘土质高强隔热砖　　　最高使用温度1300℃，容重≤1700 kg/m3 　　新型干法水泥窑用配套耐火材料的技术进步，为我国水泥工业新型干法窑的建设发挥了作用。目前，国内2000吨/日以下的预分解窑全套耐火材料已完全满足要求，4000吨/日窑除烧成带碱性砖部分进口外，其它材料已全部国内解决。 　　在九十年代，我院除为国内兴建的新型干法窑进行了大量的配套、监制、供应、施服务等工作，还负责了多项耐火材料成套出口及单项出口的工作，计有：巴基斯坦、泰国、越南700~1000吨/日新型干法窑6台全套耐火材料和马来西亚、巴基斯坦共四套2000吨/日新型干法窑配套材料。 　　目前，我国预分解水泥窑用耐火材料的配套已达到了一定的水平，科研、设计、生产、应用开发的体系已建立和完善，基本上可以满足国内的建设需要并可成套出口。 3 水泥工业用耐火材料存在的问题 (1) 产品质量不够稳定 　　水泥窑用耐火材料尽管品种已基本齐全，实验室的研究成果大多也已达到或接近国际先进水平。但由于耐火材料生产企业的工艺技术水平、装备条件以及人员素质和管理水平较国外先进企业仍有较大差距，导致同一工厂不同批次产品的质量不能保持稳定。生产同一产品的企业之间生产技术水平和质量差距更大，导致市场上各种质量等级的产品均有，水泥窑用耐火材料的整体水平提高缓慢。 (2) 市场竞争无序，假冒伪劣产品充斥于市，严重影响了优质耐火材料的推广应用 　　由于到目前为止，仍缺乏很好的方法来规范水泥窑用耐火材料的市场竞争。再加之一些水泥企业对耐火材料质量没有引起足够的重视，一些耐火材料企业则趁机以次料充好料生产各种质量低劣的耐火材料。以及耐火材料销售领域内种种半明半暗的不正当竞争行为，导致优质耐火材料不能真正得到推广应用。 (3) 耐火材料配套技术水平不高 　　不同类型和规格的水泥窑及其不同工艺部位对耐火材料有不同的要求，必须选用与之相应的耐火材料。各厂原燃料品质、工艺参数、设备状况以及操作经验等均有差异，应结合各自的实际情况以及耐火材料的发展不断改进选材和配套的方案，以求实现全窑及其不同部位的长寿命和低散热以及水泥生产的高效益。尽管多年来，中国建材研究院和各有关设计院及水泥企业一道作了很多耐火材料有不同的要求，必须选用与之相适应的耐火材料。各厂原燃料品质、工艺参数、设备状况以及操作经验等均有差异，应结合各自的实际情况以及耐火材料的发展不断改进选材配套方案，以求实现全窑及其不同部位的长寿命和低散热以及水泥生产的高效益。尽管多年来，中国建材研究院和各有关设计院及水泥企业一道作了很多耐火材料配套技术方面的研究开发和使用实践，取得了一些成绩，但推进的力度不大，制约的因素还很多，有待各方进一步密切合作，不断提高我国水泥窑用耐火材料的配套技术水平和实际使用效果。 (4) 耐火材料的生产供应过于分散，优质耐火材料的生产供应集团和专业化服务机构不远未形成 　　由于历史的原因，我国水泥窑用耐火材料的生产过于分散，规模小，技术水平落后。个别大型国有企业虽有国家大量投入，但大多因决策失误和人员过多、债务过重、管理严重混乱，导致企业处于十分困难的境地，国家的投资没有发挥应有的效应。真正建立起现代化企业制度的集料、工、贸一体化的耐火材料集团公司没有形成，严重制约了我国水泥窑用耐火材料整体水平的提高。 4 今后的打算 (1) 围绕水泥生产工艺技术的进步和对环保要求的日益提高，继续研制开发耐火材料新品种、新技术 　　随着水泥窑的日益大型化和对节能要求的提高，以及水泥煅烧采用低质烟煤和各种废弃物作燃料，加之对环境保护的日益重视，对耐火材料提出更加苛刻的要求。各种既保护环境又能延长窑衬使用寿命的功能型耐火材料必将不断开发和应用。 (2) 稳定和提高耐火材料产品质量仍是当务之急 　　一方面要加强耐火材料产品质量监督和管理，加强生产工艺过程的控制；另一方面要加大对假冒伪劣产品的打击力度，加强行业自律和相互监督。同时，还应加强耐火材料生产工艺技术的研究，提高生产工艺水平和自动化水平，不断稳定和提高产品质量。 (3)组建耐火材料配套服务集团 　　我们在开展耐火材料科技攻关的同时深深感受到如何把科技成果转化为现实生产力，把科技和经济密切结合起来，如果把真正的优质耐火材料推广应用到水泥窑上，是我们必须解决的问题。组建一个强强联合的科、工、贸一体化的耐火材料配套供应集团是必须解决的问题。组建一个强强联合的科、工、贸一体化的耐火材料配套供应集团是必由之路。也就是说，把科研设计单位的技术优势和骨干耐火材料生产企业的产品质量优势结合起来，形成优质配套耐火材料的设计选型、质量监控、施工指导等一条龙服务。改革传统的科研开发模式，使科技人员更直接、璨有效地为建材工业窑炉的技术进步服务。 (4)适应水泥工业结构调整的需要 　　我国水泥生产结构性矛盾极为突出。中、低标号的立窑水泥仍然占水泥产量的绝大部分。为此，国家已制定水泥工业“上大改小”和“淘汰落后工艺及装备”的具体目标，大型新型干法水泥窑将逐浙成为我国水泥生产的主体设备。水泥立窑使用的传统耐火材料将减少，相反，新型干法水泥窑使用的优质高效耐火材料将增加。因此，水泥窑用耐火材料必须调整产品结构以适应水泥工业结构调整的需要。 　　随着科研单位改制成为科技型企业，过去国家下任务搞科研的情况将会改变，科研课题将主要来源于市场需求。科研的内涵也将扩展，过去以耐火材料品种研究为主将会改变成为以窑炉的最终使用效果的提高为目标开展综合性研究。把科技优势转化为产品优势、服务优势，科研单位从后台走到前台，成为水泥窑用耐火材料的直接生产者、配套组织者和主要竞争者。这种形势的出现，必将把我国水泥工业耐火材料推向一个新的发展阶段。