水泥窑用耐火材料的应用现状与发展

第一部分          

　　圣奥公司现代机立窑节能型衬里技术与实践          

　　机立窑水泥企业是中国水泥工业的特色，随着国家产业政策的调整，环保执法的力度加大，以及ISO新标准的实施，对立窑企业将是一个严竣的挑战，因此立窑企业只有加大科技投入力度，依靠合理的生产工艺、先进的生产设备、科学的管理方法，彻底的粉尘治理，才能够以低成本的投入，实现优质、高产低消耗（即各种生产指标、经济效益）达到现代化的水泥生产要求，立窑企业才有生存空间。          

　　机立窑是我国建材工业中大量消耗能源的窑炉之一，节约能源显得十分重要。十几年来随着机械化立窑的不断发展，对优质耐火材料的需求也日益迫切，这种市场需求，有力地促进了我所在耐火材料方面的研究更进一步，并向优质高效、多品种、系列化发展，在提高质量、发展品种方面又取得了一定的成绩。至今在全国400多机立窑厂家使用实践表明，可降热耗15—20%，且改善操作工况，为高产优质创造良好的条件。          

第一章：立窑窑衬的作用及机理          

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来保护它，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，这其中真正用于熟料煅烧的用煤约80公斤，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运动，相互之间交叉换位较少，造成料球受热不均；加上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，煅烧所需要的热量是不一样的，一般情况下，边部比中部多需要（300～500）×4.18KJ/kg，这给生产工艺及煅烧操作带来难度。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。         

一.   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、不溶化；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。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，物料从由上到下、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，在窑内底火位置不稳定时，由于热震现象会发生衬里松动，降低使用寿命和窑体热损失增加等等。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。          

SA-75高强耐磨砖    100mm          

SA-75 high-strength abrasion-resistant bricks   

　　　本产品采用多种规格的高铝熟料，并加入复合铝系超微粉和纳米级的硅微粉，使成品砖中氧化铝的含量达到75%以上，进一步提高了产品的抗侵蚀能力，延长了耐磨砖的使用寿命，使用时间达到一年以上，最高可达两年。

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，反过来说：隔热能力越差。在固体材料中，一般把导热系数最小的（≤0.22W/m·℃）非金属材料称之为隔热材料。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，来胶结成一个保温的整体。        

（1）SA-FB复合砖    120mm        

SA-FB composite brick

　　本产品无毒、无害、无污染、无刺激、防水、不可燃。容量轻，导热系数小，保温绝热性能良好，物理性能稳定，不老化，施工快捷，可随意弯曲裁剪。也是大型机立窑的必需材料。    

（2）SA-QZ多孔保温砖    180mm      

SA-QZ porous insulating bricks    

　　本产品是采用轻质骨料和耐火粉料混合制作，具有多孔结构的保温砖，导热系数降低到小于等于0.4 W/（m.k），筒体高温带外部的温度小于等于45℃，保温性能更好，热能损失更少，节省了能源。因而达到整体密实的保温效果。   

（3）SA-135高强高温浇注料    220mm    

SA-135 high-strength and high-temperature castable    

　　 本产品常温、中温强度高，具有很高的抗高温气流冲刷及耐磨损性能，热震稳定性好，高温体积微膨胀，有效保证窑炉衬底的气密性。  

（4）SA-QZ陶粒隔热砖    300mm  

SA-QZ ceramic grain insulating brick   300mm 

　　　本产品由轻质粘土陶粒，经高温烧制而成，具有轻质、隔热、隔音、高强、导热系数低、耐火、耐腐蚀、耐磨和抗震性好的特点。

3.胶结材料

　　在砌筑耐火砖和保温砖的时候，需要化学成分与物理性能与砖接近的结合剂，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，不能因干燥和烧成引起的膨胀或收缩而造成砖缝开裂。

MF－170涂料（抹面料）

MF-170 coating material

第二章：立窑衬里节能技术的优化进程—新型窑衬材料的发展

　　立窑衬里材料的配套选用和砌筑质量，直接影响到立窑煅烧的产、质量，以及能耗和安全生产，这一点早已被人们所共识。上个世纪，立窑一直是我国水泥生产的主体，从70年代起，国家曾经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。提出了一些办法和措施，并在生产中也曾经取得过一定的效果，但应用周期不长。主要原因之一是：“生产工艺变化较多、材料质量改进不足”。

　　九十年代后期，国、内外材料科学研究水平的提高，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、使用性能，都上升到一个新的台阶。它带动了水泥行业的窑衬材料应用技术研究，相关部门也自动地由单一的熟料煅烧工艺研究，转变为衬里材料的品质、性能、配套、优化研究。

　　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、还是还原气氛，都不会影响使用强度。在1500℃以下，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。结合剂为工业氢氧化铝、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，就给立窑煅烧热工制度稳定、实现优质、节能、高产，创造了有利条件。

第三章、新型窑衬材料的技术经济分析

　　　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多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。尤其是对水泥立窑节能衬里的材质优化、应用配套，为用户之急所急、为用户之想所想，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，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”这两点带来的经济效益，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的就有一百多家，他们原来的熟料热耗都在（1000～1100）×4.18 KJ/kg左右,改造后都达到900×4.18 KJ/kg以下，窑体外壁温度也能触摸不烫手。根据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降低1℃，窑内熟料热耗可降低10～15KJ/kg。这些厂普遍都降低30℃以上，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,折合当前的国内平均价格（400元/吨煤）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，断面直径增加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，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，开劈一条新的途径。

第四章、环保节能的新型机械化立窑

　　老式水泥立窑在我国经济快速发展时期是做出重大贡献的，但随着现代化大型，新型干法回转窑的快速发展立窑水泥退出数量上的主体地位，已成为我国水泥工业发展的历史必然。但作为中小水泥企业主体的立窑企业，在相当长的一段时期内，依然是我国水泥工业的重要组成部分，特别是经济相对落后的中西部地区更是不可忽视的。这些相对规模较小的水泥企业的合理布局，能缩短水泥运输距离，并且能充分利用中、小型石灰石矿山资源，这些都能起到较好的作用。所以不加区别的一律全世界人民部淘汰的做法是不可取的，但如果不加改造，落后的立窑企业也缺乏竞争能力，也将被淘汰出局，唯一方法是加快技术改造到节能环保效果的现代化新型机械化立窑。

　　表  国内不同型先进技术经济指标对比

　　二十世纪九十年代后期，由于环保、节能的要求国内外对材料学的研究加大了力度，各种新型优质的耐火材料、保温、隔热材料相继出现。其品质指标与使用性能都上升到了一个崭新的高度，圣奥耐火材料有限公司一直致力于开发新型优质的节能型立窑衬里，经过多年的研究、开发、推广使用，形成了相当规模的市场，在全国水泥立窑生产企业用户已突破了3000家，并参与了多家企业的节能挖潜技术改造，取得了非常好的效果。

　　机立窑节能型衬里是一种高效、新型的水泥立窑窑衬，采用该窑衬一般要依据水泥立窑的设备和工艺条件进行砖型设计和热能设计，并涉及窑衬配套施工方法、水泥生料成分及其配料量的控制等多项技术。

　　该技术的综合效果显著、投资少、见效快、实用性强，已成功地应用于多项机立窑综合节能改造工程，经几百台各种规格的立窑采用，均取得良好效果。根据各应用厂的使用报告的综合反映和热工测试报告，可心充分肯定节能型窑衬具有以下功能：

①降低熟料热耗，节能显著；

②降低窑体表面温度；

③增加立窑台时产量；

④提高熟料质量。

⑤结构稳定可靠，保温效果持久，使用寿命长。

为了提高熟料台时产量而扩径。窑径的扩大通常是通过减薄耐火砖的厚度来达到的。为了保证扩径后立窑的表面温度及表面散热损失不致提高，则更有必要采用节能型配套耐火材料，使窑体表面温度及散热损失大大降低，窑内边壁温度提高，断面温度场梯度趋于平衡，进而改善煅烧情况。

本公司参与多家企业节能挖潜技术改造直径2.5～3.8m立窑；实现立窑中边部截面温度≤50℃，筒体高温带外部温度≤45℃，熟料台时产量增加10～15%（3.8立窑产量≥25 t/h），28天抗压强度≥56MPa，热耗≤850kcal/kg。