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我國水泥工業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)量由解放初期的62萬t發(fā)展到2015年的23.5億t，從1985年起連續(xù)31年產(chǎn)量及消費量穩(wěn)居世界第一位，新型干法水泥生產(chǎn)技術(shù)和裝備水平已與國際先進水平接近，國產(chǎn)化裝備已經(jīng)完全可以滿足水泥工業(yè)的需求。但我國水泥熟料產(chǎn)能過剩，水泥企業(yè)的運轉(zhuǎn)效率和效益低。節(jié)能降耗、降低成本成為水泥企業(yè)提升經(jīng)濟效益的必然。
中國建材聯(lián)合會首先提出了水泥工業(yè)應(yīng)該大力發(fā)展"第二代新型干法水泥技術(shù)"，其目的是降低水泥生產(chǎn)能耗，提升企業(yè)效益。耐火材料作為水泥燒成過程中不可或缺的內(nèi)襯材料，是第二代新型干法水泥工藝的物質(zhì)支撐條件。第二代新型干法水泥技術(shù)對耐火材料提出了新的要求，而耐火材料配置技術(shù)也要與之相適應(yīng)。
水泥工業(yè)中，最初要求耐火材料能滿足保護金屬殼體的單一功能;而發(fā)展到第二代新型干法水泥技術(shù)，要求耐火材料具有節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、長壽高效、安全穩(wěn)定等多種功能。
節(jié)能降耗
第二代新型干法水泥技術(shù)中水泥熟料的熱耗標準為650calkg-1，而水泥煅燒過程中相當大一部分熱量通過熱工設(shè)備表面的輻射耗散了。因此，耐火材料作為所有高溫設(shè)備的基礎(chǔ)內(nèi)襯材料，不但應(yīng)該具備良好的使用性能，同時也應(yīng)該兼顧節(jié)能保溫性能。
綠色環(huán)保
2015年發(fā)布的國家標準GB31893-2015《水泥中水溶性鉻(Ⅵ)的限量及測定方法》中規(guī)定，水泥中鉻的含量不得大于10.00mgkg-1。據(jù)統(tǒng)計，水泥中水溶性鉻(Ⅵ)主要來源于水泥原料、破碎與研磨介質(zhì)、耐火材料(鎂鉻磚等)與含鉻廢棄物的燃料與原料。對多數(shù)水泥企業(yè)來說，耐火材料(鎂鉻磚)是水溶性鉻(Ⅵ)最重要的來源。鎂鉻磚由于具有良好的抗熱震性、耐高溫性與掛窯皮能力，仍在國內(nèi)多數(shù)水泥企業(yè)回轉(zhuǎn)窯的高溫帶進行使用。
據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)水泥企業(yè)平均每噸水泥熟料消耗的高溫帶用堿性耐火材料約244g，假設(shè)這些磚中一半的鉻轉(zhuǎn)化為可溶性鉻(Ⅵ)并進入水泥熟料，則該水泥熟料中可溶性鉻(Ⅵ)的含量將達到10.98mgkg-1。因此，在水泥工業(yè)中取消鎂鉻磚的使用已經(jīng)在業(yè)內(nèi)形成共識，國內(nèi)主要堿性耐火材料企業(yè)相繼開發(fā)了可替代鎂鉻磚使用的優(yōu)質(zhì)耐火材料產(chǎn)品，并在國內(nèi)迅速得到了推廣應(yīng)用。
長壽高效
新型干法水泥技術(shù)不斷向著大型化方向發(fā)展，目前日產(chǎn)5000t及以上水泥熟料生產(chǎn)線已經(jīng)成為各水泥企業(yè)新建項目最低要求，日產(chǎn)10000t甚至1200t的水泥熟料生產(chǎn)線在國內(nèi)也達到了10余條。水泥生產(chǎn)線的大型化要求耐火材料的質(zhì)量性能與穩(wěn)定性都要相應(yīng)大幅度的提高，長壽命、高效能耐火材料在國內(nèi)迅速推廣，目前國內(nèi)水泥生產(chǎn)線所用耐火材料已經(jīng)慢慢從"一年一大修"向"三年兩大修"的目標發(fā)展。
為滿足第二代新型干法水泥技術(shù)的要求，耐火材料應(yīng)具有節(jié)能降耗、綠色環(huán)保、長壽高效、安全穩(wěn)定等多種功能。與第二代新型干法水泥工藝相適應(yīng)的耐火材料配置技術(shù)也取得了長足的發(fā)展，新開發(fā)的低導(dǎo)熱復(fù)合磚、無鉻堿性系列耐火材料(鎂鐵磚、鎂鋁磚)、預(yù)制件、高性能澆注料和火泥陸續(xù)得到推廣應(yīng)用。
擴大低導(dǎo)熱復(fù)合磚配置量，減少窯的散熱損失
低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚是目前國內(nèi)使用效果較好、推廣較快的一種新型復(fù)合磚，其主要特點在于采用工作層、保溫層、隔熱層等三層結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中工作層具有高強度、低導(dǎo)熱、高溫耐磨、高荷重軟化溫度、抗侵蝕、抗熱震的特性，提供穩(wěn)定長壽的使用效果;保溫層具有高強度、低導(dǎo)熱特性，在降低熱導(dǎo)率的同時作為骨架連接工作層與隔熱層以及與筒體直接接觸;隔熱層則采用超低熱導(dǎo)率的含鋯氧化鋁耐火纖維板，進一步降低制品的熱導(dǎo)率，達到降低窯筒體表面溫度的作用。2013年7月某水泥企業(yè)在5000tPD回轉(zhuǎn)窯使用低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚，砌筑位置為37～47m處，共計10m。實際使用結(jié)果表明，該處筒體砌筑硅莫磚時平均溫度為320℃，砌筑低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚時平均溫度降低到260℃，降低了60℃。按照該回轉(zhuǎn)窯的砌筑量計算，每米低導(dǎo)熱多層復(fù)合莫來石磚每年可節(jié)約標煤40t，減少碳排放100t。
配置無鉻堿性系列耐火材料
為了實現(xiàn)在水泥工業(yè)中淘汰鎂鉻磚這個目標，國內(nèi)一些有實力的耐火材料生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)推出了以鎂鐵尖晶石磚為代表的系列無鉻堿性耐火材料。鎂鐵尖晶石磚的關(guān)鍵技術(shù)是在高溫熱處理過程中，通過鎂鐵尖晶石和鐵鋁尖晶石的固相反應(yīng)生成復(fù)相的鎂鐵鋁尖晶石相，增強了各固相間的結(jié)合強度，同時Fe2+和Mg2+在鐵鋁尖晶石分解過程中相互擴散，材料結(jié)構(gòu)柔韌性得到了增強。該鎂鐵尖晶石磚具有優(yōu)良的高溫性能、掛窯皮性能和抗熱震性能，其技術(shù)指標已達到國內(nèi)外先進水平。該產(chǎn)品在國內(nèi)某大型水泥集團應(yīng)用后，使用壽命從8個月延長到12個月以上，最長使用時間達到了22個月。該水泥集團已經(jīng)淘汰了鎂鉻磚，全面實現(xiàn)了水泥窯耐火材料的無鉻化。
水泥窯上下過渡帶處無穩(wěn)定窯皮的保護，溫度負荷大，一直是水泥窯運行過程中的主要關(guān)注點。國內(nèi)某企業(yè)開發(fā)的鎂鋁尖晶石磚具有優(yōu)異的抗熱震性能和抗侵蝕性能，很好地適應(yīng)水泥窯過渡帶溫度波動大、侵蝕苛刻的使用環(huán)境。其技術(shù)原理是通過原位合成反應(yīng)生成鎂鋁尖晶石，原位合成尖晶石過程中伴隨的體積效應(yīng)實現(xiàn)了材料的微裂紋增韌，同時基質(zhì)中新生成的尖晶石相化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，提高了材料的抗侵蝕性能;引入第二相氧化鋯，通過馬氏體相變增韌，增強了材料的結(jié)構(gòu)韌性，提高抗熱震性能。該產(chǎn)品已經(jīng)在國內(nèi)多家水泥企業(yè)進行了應(yīng)用，普遍認為該鎂鋁尖晶石磚性能穩(wěn)定，適用性強，使用效果優(yōu)良。
配置高性能不定形耐火材料，提高窯口等關(guān)鍵部位使用壽命
(1)預(yù)制件
不定形耐火制品由于具有性能優(yōu)良、施工方便、節(jié)省能源等優(yōu)點，在水泥工業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，占比達到了50%左右。然而，不定形耐火材料對現(xiàn)場施工質(zhì)量要求較高，容易出現(xiàn)現(xiàn)場加水量過多，造成澆注料性能下降較快以及烘烤過程中出現(xiàn)爆裂等問題。近些年來，不定形耐火材料的定形化得到了快速發(fā)展，預(yù)制件制品在生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)過嚴格的成型、烘烤等工藝環(huán)節(jié)控制，具有更加優(yōu)異的整體穩(wěn)定性，避免了現(xiàn)場野蠻施工帶來的危害。目前，在水泥企業(yè)中應(yīng)用較多的預(yù)制件制品主要使用在篦冷機矮墻等部位。某些水泥企業(yè)也已經(jīng)在前窯口、噴煤管、窯尾煙室等部位試用了預(yù)制件產(chǎn)品，并且取得了相當好的使用效果。國內(nèi)水泥企業(yè)對預(yù)制件的總體評價較高，預(yù)制件制品與傳統(tǒng)現(xiàn)場施工澆注料相比，顯著縮短了施工時間、提高了維修效率、延長了耐火材料的使用周期，值得大力推廣。
(2)高性能澆注料
水泥窯前窯口、噴煤管前端、三次風(fēng)管彎頭等部位一直是水泥窯運行過程中的薄弱環(huán)節(jié)。前窯口由于受周期性熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的破壞、熟料的沖刷及堿蒸氣的侵蝕等作用，傳統(tǒng)窯口材料使用3～6個月便出現(xiàn)掉角、剝落的現(xiàn)象;三次風(fēng)管彎頭部位受到高速含砂堿性氣體的強烈磨損、侵蝕，使用壽命普遍低于1年。
國內(nèi)耐火材料企業(yè)針對這些部位進行了大量的技術(shù)研究，開發(fā)了多種類型的澆注料產(chǎn)品。根據(jù)從水泥企業(yè)得到的反饋信息，目前在窯口、噴煤管部位使用效果較好的澆注料產(chǎn)品是含有一定量非氧化物組分的剛玉莫來石質(zhì)澆注料和紅柱石質(zhì)澆注料。在三次風(fēng)管彎頭處取得較好使用壽命的是含有一定量非氧化物組分的高強耐磨澆注料。
(3)高性能膠泥
水泥窯用耐火磚大部分部位仍然需要使用耐火泥進行砌筑，然而耐材接縫處所使用的火泥，仍是損毀的薄弱環(huán)節(jié)，不同程度的脫落、滲透、侵蝕和抽簽往往都是從泥口開始，繼而延伸、擴展，導(dǎo)致爐襯加速損毀，影響其使用壽命。
國內(nèi)某企業(yè)研制的耐火泥具有良好的使用壽命，其主要技術(shù)在于結(jié)合體系的創(chuàng)新。廠家介紹其耐火泥采用無機-有機復(fù)合結(jié)合劑，在使用過程中，結(jié)合強度不隨溫度產(chǎn)生顯著衰變，強度保持穩(wěn)定。在低溫時具有高的粘結(jié)力和附著力，中溫時采用微粉技術(shù)(<5μm)，使燒結(jié)溫度變寬，部分基質(zhì)料生成液相，使其結(jié)構(gòu)致密，提高中溫強度;高溫燒結(jié)時產(chǎn)生陶瓷結(jié)合而獲得較高的強度。(摘自《耐火材料》2016,3，作者袁林等。)
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