第二代新型幹法水泥工藝對耐火材料的新要求

我國水泥工業發展迅速，產量由解放初期的62萬t發展到2015年的23.5億t，從1985年起連續31年產量及消費量穩居世界01位，新型幹法水泥生產技術和裝備水平已與國際先進水平接近，國產化裝備已經完全可以滿足水泥工業的需求。但我國水泥熟料產能過剩，水泥企業的運轉效率和效益低。節能降耗、降低成本成為水泥企業提升經濟效益的需然。中國建材聯合會先提出了水泥工業應該大力發展"第二代新型幹法水泥技術"，其目的是降低水泥生產能耗，提升企業效益。耐火材料作為水泥燒成過程中需要的內襯材料，是第二代新型幹法水泥工藝的物質支撐條件。第二代新型幹法水泥技術對耐火材料提出了新的要求，而耐火材料配置技術也要與之相適應。

水泥工業中，初要求耐火材料能滿足保護金屬殼體的單一功能；而發展到第二代新型幹法水泥技術，要求耐火材料具有節能降耗、綠色環保、長壽高效、安全穩定等多種功能。

節能降耗
第二代新型幹法水泥技術中水泥熟料的熱耗標準為650cal•kg-1，而水泥煆燒過程中相當大一部分熱量通過熱工設備表麵的輻射耗散了。因此，耐火材料作為所有高溫設備的基礎內襯材料，不但應該具備良好的使用性能，同時也應該兼顧節能保溫性能。
綠色環保
2015年發布的國家標準GB31893-2015《水泥中水溶性鉻（Ⅵ）的限量及測定方法》中規定，水泥中鉻的含量不得大於10.00mg•kg-1。據統計，水泥中水溶性鉻（Ⅵ）主要來源於水泥原料、破碎與研磨介質、耐火材料（鎂鉻磚等）與含鉻廢棄物的燃料與原料。對多數水泥企業來說，耐火材料（鎂鉻磚）是水溶性鉻（Ⅵ）重要的來源。鎂鉻磚由於具有良好的抗熱震性、耐高溫性與掛窯皮能力，仍在國內多數水泥企業回轉窯的高溫帶進行使用。據統計，國內水泥企業平均每噸水泥熟料消耗的高溫帶用堿性耐火材料約244g，假設這些磚中一半的鉻轉化為可溶性鉻（Ⅵ）並進入水泥熟料，則該水泥熟料中可溶性鉻（Ⅵ）的含量將達到10.98mg•kg-1。因此，在水泥工業中取消鎂鉻磚的使用已經在業內形成共識，國內主要堿性耐火材料企業相繼開發了可替代鎂鉻磚使用的高品質耐火材料產品，並在國內迅速得到了推廣應用。
長壽高效
新型幹法水泥技術不斷向著大型化方向發展，目前日產5000t及以上水泥熟料生產線已經成為各水泥企業新建項目低要求，日產10000t甚至1200t的水泥熟料生產線在國內也達到了10餘條。水泥生產線的大型化要求耐火材料的質量性能與穩定性都要相應大幅度的提高，長壽命、高效能耐火材料在國內迅速推廣，目前國內水泥生產線所用耐火材料已經慢慢從"一年一大修"向"三年兩大修"的目標發展。

為滿足第二代新型幹法水泥技術的要求，耐火材料應具有節能降耗、綠色環保、長壽高效、安全穩定等多種功能。與第二代新型幹法水泥工藝相適應的耐火材料配置技術也取得了長足的發展，新開發的低導熱複合磚、無鉻堿性係列耐火材料（鎂鐵磚、鎂鋁磚）、預製件、高性能澆注料和火泥陸續得到推廣應用。

擴大低導熱複合磚配置量，減少窯的散熱損失

低導熱多層複合莫來石磚是目前國內使用效果較好、推廣較快的一種新型複合磚，其主要特點在於采用工作層、保溫層、隔熱層等三層結構設計，其中工作層具有高強度、低導熱、高溫耐磨、高荷重軟化溫度、抗侵蝕、抗熱震的特性，提供穩定長壽的使用效果；保溫層具有高強度、低導熱特性，在降低熱導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率的含鋯氧化鋁耐火纖維板，進一步降低製品的熱導率，達到降低窯筒體表麵溫度的作用。２０１３年７月某水泥企業在５０００ｔＰＤ回轉窯使用低導熱多層複合莫來石磚，砌築位置為３７～４７ｍ處，共計１０ｍ。實際使用結果表明，該處筒體砌築矽莫磚時平均溫度為３２０℃，砌築低導熱多層複合莫來石磚時平均溫度降低到２６０℃，降低了６０℃。按照該回轉窯的砌築量計算，每米低導熱多層複合莫來石磚每年可節約標煤４０ｔ，減少碳排放１００ｔ。

配置無鉻堿性係列耐火材料

為了實現在水泥工業中淘汰鎂鉻磚這個目標，國內一些有實力的耐火材料生產企業陸續推出了以鎂鐵尖晶石磚為代表的係列無鉻堿性耐火材料。鎂鐵尖晶石磚的關鍵技術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生成複相的鎂鐵鋁尖晶石相，增強了各固相間的結合強度，同時Ｆｅ２＋和Ｍｇ２＋在鐵鋁尖晶石分解過程中相互擴散，材料結構柔韌性得到了增強。該鎂鐵尖晶石磚具有優良的高溫性能、掛窯皮性能和抗熱震性能，其技術指標已達到國內外先進水平。該產品在國內某大型水泥集團應用後，使用壽命從８個月延長到１２個月以上，長使用時間達到了22個月。該水泥集團已經淘汰了鎂鉻磚，全麵實現了水泥窯耐火材料的無鉻化。

水泥窯上下過渡帶處無穩定窯皮的保護，溫度負荷大，一直是水泥窯運行過程中的主要關注點。國內某企業開發的鎂鋁尖晶石磚具有優異的抗熱震性能和抗侵蝕性能，很好地適應水泥窯過渡帶溫度波動大、侵蝕苛刻的使用環境。其技術原理是通過原位合成反應生成鎂鋁尖晶石，原位合成尖晶石過程中伴隨的體積效應實現了材料的微裂紋增韌，同時基質中新生成的尖晶石相化學性質穩定，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，增強了材料的結構韌性，提高抗熱震性能。該產品已經在國內多家水泥企業進行了應用，普遍認為該鎂鋁尖晶石磚性能穩定，適用性強，使用效果優良。

配置高性能不定形耐火材料，提高窯口等關鍵部位使用壽命

（1）預製件

不定形耐火製品由於具有性能優良、施工方便、節省能源等優點，在水泥工業得到了廣泛應用，占比達到了50％左右。然而，不定形耐火材料對現場施工質量要求較高，容易出現現場加水量過多，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展，預製件製品在生產企業經過嚴格的成型、烘烤等工藝環節控製，具有更加優異的整體穩定性，避免了現場野蠻施工帶來的危害。目前，在水泥企業中應用較多的預製件製品主要使用在篦冷機矮牆等部位。某些水泥企業也已經在前窯口、噴煤管、窯尾煙室等部位試用了預製件產品，並且取得了相當好的使用效果。國內水泥企業對預製件的總體評價較高，預製件製品與傳統現場施工澆注料相比，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、三次風管彎頭等部位一直是水泥窯運行過程中的薄弱環節。前窯口由於受周期性熱應力和機械應力的破壞、熟料的衝刷及堿蒸氣的侵蝕等作用，傳統窯口材料使用３～６個月便出現掉角、剝落的現象；三次風管彎頭部位受到高速含砂堿性氣體的強烈磨損、侵蝕，使用壽命普遍低於１年。

國內耐火材料企業針對這些部位進行了大量的技術研究，開發了多種類型的澆注料產品。根據從水泥企業得到的反饋信息，目前在窯口、噴煤管部位使用效果較好的澆注料產品是含有一定量非氧化物組分的剛玉莫來石質澆注料和紅柱石質澆注料。在三次風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築，然而耐材接縫處所使用的火泥，仍是損毀的薄弱環節，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，導致爐襯加速損毀，影響其使用壽命。

國內某企業研製的耐火泥具有良好的使用壽命，其主要技術在於結合體係的創新。廠家介紹其耐火泥采用無機－有機複合結合劑，在使用過程中，結合強度不隨溫度產生顯著衰變，強度保持穩定。在低溫時具有高的粘結力和附著力，中溫時采用微粉技術（＜５μｍ），使燒結溫度變寬，部分基質料生成液相，使其結構致密，提高中溫強度；高溫燒結時產生陶瓷結合而獲得較高的強度。