优质镁铁铝尖晶石砖的性能及其在水泥窑回转窑的应用

  摘要：为了解决水泥窑用镁铬砖引发的环境污染问题，无铬碱性耐火产品的开发已得到长足发展，本文针对水泥窑所用的无铬碱性耐火产品：方镁石-复合镁铝尖晶石砖、镁铁尖晶石砖、镁铁铝复合尖晶石砖等进行性能方面的分析、对比进行论述，以及通过对实际使用效果的比较可以证明镁鉄铝复合尖晶石砖抗侵蚀性能好，窑皮形成迅速、稳定、不脱落，抗热震性能好，导热率小，节能效果显著，特别是彻底杜绝了水泥中的铬含量超标污染的问题，是水泥窑烧成带用耐火材料的首选。

  关键词：无铬化   镁鉄铝复合尖晶石砖   性能   无污染

  水泥工业的污染主要是含铬耐火材料引起的污染，主要途径有：一是在水泥熟料煅烧过程中，含铬耐火材料在氧化气氛和碱性氧化物存在时，在一定温度下Cr³⁺会有一部分转化为对人类有危害的Cr⁶⁺，并随剥落的耐火材料混入水泥熟料中，导致水泥中的铬含量超标；二是含铬的废砖处理不合理，被雨水冲刷流入地下而污染到地下水源。

  20世纪90年代以来我国水泥工业迅猛发展，含铬耐火材料在水泥窑烧成带得到大规模的应用，也取得了很好的效果，但与此同时，含铬耐火材料带来的铬污染愈加广泛。为了解决水泥窑用镁铬砖引发的环境污染问题，开发无铬化耐火产品已成为耐火工作者的主要任务之一 ，经过广大耐火材料工作者的不懈努力，无铬碱性耐火材料在过去20年得到了长足的发展。水泥窑用无铬耐火产品主要有方镁石-复合镁铝尖晶石砖、镁铁尖晶石砖、镁铁铝复合尖晶石砖等。^［1］

  郑州瑞泰耐火科技有限公司研制的镁铁铝复合尖晶石砖是在原有镁铁尖晶石砖的基础上开发的又一种节能环保的新型耐火材料。

  1、镁铁铝复合尖晶石砖的生产

  1.1原料的标准

  进厂原料首先在实验室进行化学成分分析，其主要化学成分要符合表1要求。

表1 主要原料的化学成分

  1.2原料的制备

  检验合格的原料，经过颚式破碎机进行粗碎，一部分进入圆锥破碎机进行破碎，经过筛分，将≤5mm以下的粒度按照工艺要求，经过筛分后进入到不同的料仓，＞5mm的原料重新回到圆锥破碎机破碎；另一部分进入筒磨机或雷蒙磨加工成≤0.088mm的细粉料进入料仓。

  1.3原料的混练

  采用亚硫酸纸浆废液作为结合剂，首先将颗粒料加入湿碾机中混练3～5分钟，加入4/5的结合剂混练3～5分钟，再加入细粉料混练5～10分钟（期间根据泥料的干湿程度，适当加入结合剂），泥料混合均匀后可以出料进行造坯成型。

  1.4高压成型

  采用630吨程控压力机成型。要求半成品砖坯无麻面，无裂纹，尺寸外形规整，符合半成品标准，半成品体密≥3.12g/cm³。

  1.5高温烧成

  检验合格的半成品砖坯按要求逐次进入隧道干燥器，经过110℃温度干燥24h，检验合格后装车进入高温隧道窑烧成，按工艺要求保温8h后，逐次出窑检选。

  1.6镁铁铝复合尖晶石砖的理化指标

  对镁铁铝复合尖晶石砖成品进行理化性能检测，检测指标见表2。

表2 镁铁铝复合尖晶石砖的理化指标^［2］

  镁铁铝复合尖晶石砖的性能优势

  （1）良好的抗侵蚀性能

  ①镁鉄铝复合尖晶石砖中的氧化镁和氧化铁、铁尖晶石、铝尖晶石反应，局部形成不均匀的孔隙和微细裂纹结构，形成晶体之间高度直接结合结构；②MgO和铁铝尖晶石的Al₂O₃、Fe₂O₃或FeO较易反应，形成相互扩散的现象，相互扩散的同时又形成二次尖晶石的生成，铁铝尖晶石颗粒周围会形成一个Fe含量较高的致密层，烧结后二次尖晶石的生成也增强了镁铁铝复合尖晶石砖的致密性；③镁砂间的直接结合和铁铝尖晶石的化学稳定性是镁铁铝复合尖晶石砖具有很强的抗硅酸盐熔体渗透的能力和抗盐碱侵蚀的性能。镁铁铝复合尖晶石砖在生产和使用过程中，生成的尖晶石具有较好的抗侵蚀性能，水泥熟料中的液相主要是C₄AF和C₃A。在水泥生产过程中，熟料首先渗透到砖内部的成分主要是C4AF。同时熟料中液相在进入砖表面时，液相与砖的化学成分反应首先形成高温耐火层，阻止液相的进一步渗透，提高了抗熟料侵蚀的能力。

  （2）良好的挂窑皮性能

  窑皮形成的过程是当窑温达到一定值时，窑料产生熔体，并与耐火砖面发生反应，通过砖的气孔向砖内渗透，渗入物进入砖内在低于1200℃的部位固化，产生“机械锚固”作用，此阶段为窑皮初始形成的粘挂固着阶段。在此基础上第一层窑皮再与熟料颗粒粘结，窑皮逐渐增厚。窑皮增厚至一定值时达到动态平衡终止增厚，形成窑皮。当窑的运行工艺发生变化，特别是停窑时，窑皮的重力大于窑皮在砖上的“锚固力”时窑皮就会脱落，造成对衬砖的损坏。所以窑皮在衬砖上的“锚固力”对窑皮的稳定性有着重要的意义。为了使窑皮与衬砖结合的牢固，除耐火砖的化学成分之外，砖的组织结构也很重要，应该有一定量的分布均匀的气孔，以利于窑料熔体的渗入形成“机械锚固”。^［3］

  正常煅烧时的窑料是以C₃A-C₄AF为主体的液相，所以窑料中的化学成分对窑皮的稳走具有重要影响。水泥熟料中AI₂O₃+Fe₂O₃含量愈高即硅酸率愈低、温度愈高熔体量愈多。Al₂O₃和Fe₂O₃对熔体形成量和对熔体粘度的影响不同，不同Al₂O₃与Fe₂O₃相对含量（即铝氧率）的水泥熟料熔体与温度的关系。当A/F=1.38时1280℃就出现液相，并在较低的温度下（1300℃）就可形成较多的熔体，且在较宽的温度范围内（至1450℃）熔体量变化不大，比较有利于窑皮的粘挂。^［3］

  镁铁铝复合尖晶石砖中存在镁铁尖晶石、铁铝尖晶石和镁铝尖晶石等，MgO和水泥熟料中的的Al₂O₃、Fe₂O₃或FeO较易反应，形成相互扩散的现象，这种相互扩散就使镁鉄铝复合尖晶石砖中的一部分成分进入到熟料熔体中，而熟料熔体也会有一部分侵入到镁鉄铝复合尖晶石砖的反应层中，这种化学反应使镁鉄铝复合尖晶石砖和水泥熟料有机结合成一个相互融合的整体。这种相互扩散、相互融合的同时，又会形成二次尖晶石的生成，局部形成不均匀的孔隙和微细结构，加大了水泥熟料向耐火材料的渗透作用，提高了挂窑皮性能。

  （3）良好的抗热震性能

  铁铝尖晶石具有热膨胀系数小、热导率高的特点，可明显降低镁铁铝复合尖晶石砖的热应力。镁铁铝复合尖晶石砖中含有方镁石、铁铝尖晶石、镁铁尖晶石、镁铝尖晶石等多种物相，由于各种物相的热膨胀系数不同，在烧成过程中使材料内部存在大量的微裂纹，从而增加了材料的韧性。因此，镁铁铝尖晶石砖具有较好的柔韧性及抗热震性。

  较低的热导率

  水泥窑的窑衬砖都是单层结构，窑筒体长期高温容易引起筒体变形，影响窑的运转，降低水泥产量，因此要求尽量降低窑衬的热导率。相对于直接结合镁铬砖来说，镁铁铝复合尖晶石砖降低了窑衬材料的热导率，降低了筒体表面温度，减少了热量损失，相应的降低了燃料消耗，为提高水泥窑的运转率和提高使用寿命创造了良好的条件。

  无铬碱性砖与直接结合镁铬砖的理化指标比较见表3。^［2］

表3  无铬碱性砖与镁铬砖的理化指标

  通过表3比较可以看出，直接结合镁铬砖虽然使用效果比较好，但是会对环境造成污染，属于被淘汰的产品；镁铝尖晶石砖虽然热震性能较好，但是镁铝尖晶石砖的挂窑皮性能较差，同时热导率过高，致使窑筒体温度过高，不利于节能降耗；镁铁尖晶石砖虽说各方面性能都较好，但是也含有部分的铬，是低铬耐火材料，也属于被淘汰的产品；所以，现阶段镁铁铝复合尖晶石砖是水泥窑烧成带用耐火材料的首选。

  镁铁铝复合尖晶石砖的应用

  郑州瑞泰耐火科技有限公司从2011年开始生产，目前已生产镁铁铝复合尖晶石砖约有三万多吨，在直径4m到 5.2m的回转窑烧成带使用，均取得了较好的使用效果，典型用户的使用情况如下。

  2013年6月12日砌筑于遵义三岔拉法基瑞安有限公司Φ4.8×72m窑使用镁铁铝复合尖晶石砖，从点火后使用至2014年7月22日，用后残砖厚度还有约130mm以上，正常使用405天，按照拆除的残砖情况判断，最少还能使用两个月。

  2013年6月砌筑于湖南浏阳南方水泥有限公司Φ4.8×74m窑3.2～24米部位的镁铁铝复合尖晶石砖，正常运转到2014年10月，运转期间烧成带筒体温度基本稳定，无炸裂、剥落现象，使用16个月，效果良好。

  2015年1月砌筑于翁源县中源发展有限公司Φ4.8×74m窑烧成带的镁铁铝复合尖晶石砖，已运行八个月还在正常使用中，筒体温度300℃左右，温度分布均匀，窑皮厚薄适中，表面平整，砖体基本无剥落。

  现在郑州瑞泰耐火科技有限公司生产的镁铁铝复合尖晶石砖已广泛应用于国内外近百家水泥企业，通过镁铁铝尖晶石砖在各个水泥企业的应用情况分析：镁铁铝尖晶石砖的性能优异，适应性强，超过了现有直接结合镁铬砖的水平，可以替代直接结合镁铬砖使用，完全可以实现水泥窑烧成带材料的无铬化。

  4、结论

  抗侵蚀性能好，使用中没有出现碱裂、疏松等现象。

  窑皮形成迅速，窑皮稳定、不脱落。

  抗热震性能好，可以提高对水泥窑的温度波动的耐受性。

  镁铁铝尖晶石砖的导热率小，降低回转窑筒体的表面温度，节能效果显著。

  参考文献

  ［1］栾志海、张靖、肖勇、蔡世国 。浅析国产镁鉄尖晶石砖在窑上应用的优势 。中国水泥协会2013年水泥行业无铬化耐火材料推广会文集。

  ［2］水泥行业用耐火材料 。 郑州瑞泰产品说明书。

  ［3］ 曾大凡、张用宾。水泥窑烧成带用砖的“挂窑皮性能”。中国建材网2013年12月31日。