水泥窯用堿性耐火材料的要求及使用

     20世紀70年代中期，我國水泥窯用耐火材料主要是鋁硅質(zhì)耐火材料，如高鋁磚、黏土磚及水泥磚等。鎂鉻磚僅在少數(shù)水泥窯上使用，而且這種鎂鉻磚是適用于冶金平爐上，其性能和規(guī)格尺寸對水泥窯均不適宜。20世紀70年代后期，我國出現(xiàn)了新型干法水泥窯，對窯襯材料提出了更高的要求。為了適應水泥工業(yè)的變化與發(fā)展，經(jīng)過數(shù)十年的科研、設計及開發(fā)應用，使我國水泥窯用耐火材料水平有了顯著的變化和提高。在品種和性能上均達到了國際先進水平，但不足之處是耐火磚外觀尺寸及質(zhì)量穩(wěn)定性還有一定的差距。當前，水泥行業(yè)主要的耐火材料是堿性耐火材料、不定形耐火材料和隔熱耐火材料。因篇幅有限，本文僅就堿性耐火材料的要求及使用情況加以闡述。

      1.新型干法水泥窯用耐火材料

      大型SP窯和PC窯的窯筒內(nèi)，直接結(jié)合鎂鉻磚用于燒成帶，尖晶石磚或易掛窯皮且熱震穩(wěn)定性能較好的鎂鉻磚用于過渡帶，高鋁磚用于分解帶，隔熱型耐堿黏土磚或普通型黏土磚用于窯筒后部，耐火澆注料或適用的耐火磚用于前后窯口；在預熱系統(tǒng)內(nèi)，普通型耐堿黏土磚及耐堿澆注料用于拱頂，高強型耐堿黏土磚用于3次風管，并配用大量的耐火澆注料、系列隔熱磚和系列硅酸鈣板。在窯門罩和冷卻機系統(tǒng)內(nèi)，除選用上述材料外，還配用碳化硅磚和碳化硅復合磚，系列隔熱磚、系列耐火澆注料、系列硅酸鈣板和耐火纖維材料等七大類30余種耐火材料。在日產(chǎn)2000噸水泥窯上，耐火磚建設用量達1600噸以上，正常生產(chǎn)時年消耗用量達400噸以上。

      2.預分解窯對耐火材料的要求

      統(tǒng)水泥回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速慢，預分解窯的轉(zhuǎn)速是傳統(tǒng)水泥窯的3～4倍，高溫高轉(zhuǎn)速和大直徑，使預分傳解窯窯體、窯襯所承受的熱應力要比傳統(tǒng)水泥窯大很多。經(jīng)預熱器、增濕塔、電收塵的多次搜集，預分解窯中的K2O、SO2、KCl等組分揮發(fā)后難于溢出窯系統(tǒng)以外。當堿、硫、氯的平衡建立后，上述揮發(fā)性組分在窯內(nèi)有很高的濃度，顯著影響水泥生產(chǎn)和耐火材料的壽命。預分解窯能夠帶來可觀的效益，但使窯的復雜程度顯著增大。窯的每一部分出現(xiàn)問題都可能導致生產(chǎn)終止。因此，要求水泥預分解窯用耐火材料應具有優(yōu)異的質(zhì)量和高度的穩(wěn)定性。

      3.水泥行業(yè)對堿性耐火材料的新要求

      目前，建材行業(yè)年需鎂鉻磚約6萬噸以上，產(chǎn)生約含0.3%Cr6+的殘磚2.4萬噸。2010年旋窯水泥的產(chǎn)量將達到8億噸，建材行業(yè)年消耗的鎂鉻磚為50萬噸。

      鎂鉻磚在使用中會生成劇毒、致癌的六價鉻。Cr6+可引起皮膚損害、上呼吸道炎癥、黏膜潰瘍、皮膚癌和肺癌。我國鉻資源匱乏，建材行業(yè)排放的Cr6+嚴重污染了環(huán)境。堿性耐火材料具有耐高溫煅燒和耐化學侵蝕能力較強的優(yōu)良特性，是實現(xiàn)水泥窯生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低消耗和長期安全運轉(zhuǎn)的關鍵性窯襯材料。但它又具有易受潮變質(zhì)、熱膨脹率大、導熱系數(shù)高和熱震穩(wěn)定性能較差的缺點。目前適用于水泥窯的進口和國產(chǎn)堿性耐火材料主要包括直接結(jié)合鎂鉻磚、半直接結(jié)合鎂鉻磚、普通鎂鉻磚、白云石磚、含鋯和不含鋯的各類特種鎂磚、尖晶石磚和化學結(jié)合不燒鎂鉻磚等。

      普通鎂鉻磚含Cr2O3常達到8%～10%，直接結(jié)合鎂鉻磚更達到10%～16%，摻加鉻礦石的作用是顯著改善磚的熱震穩(wěn)定性能。但它們在水泥窯（特別是新型干法水泥窯）內(nèi)使用易遭堿侵蝕，生成含六價鉻的K2CrO2等礦物向環(huán)境釋放，用后殘磚中含3CA·CaCr03等含六價鉻的水溶性礦物也污染下游水源，都造成人畜的鉻公害。為提高堿性磚的耐侵蝕性能，并減輕甚至消除對環(huán)境造成的鉻公害，國外開發(fā)并利用低價鎂鉻磚、無鉻特種鎂磚和新型白云石磚等堿性耐火材料已獲成功。我國鉻礦石資源貧乏，又僻處西陲新疆、西藏，進口含鉻合金鋼價格昂貴，在水泥窯上以低鉻、無鉻堿性磚來代替高鉻的普通鎂鉻磚和直接結(jié)合鎂鉻磚的要求更為迫切。

      水泥回轉(zhuǎn)窯長期使用鎂鉻磚作為高溫帶窯襯。使用中，磚中的部分鉻會從Cr3+轉(zhuǎn)變?yōu)閯《竞椭掳┑腃r6+.我國標準規(guī)定：IV級環(huán)境水的Cr6+含量應<0.05mg/l，I級環(huán)境水的Cr6+含量應<0.01mg/l.鎂鉻殘磚中的Cr6+卻可達2577mg/kg.這也就是說，拆卸下的殘磚可以污染相當自身重量5萬～25萬倍的水，嚴重地破壞了環(huán)境和威脅著人民群眾的健康。

      10余年來，國內(nèi)外耐火材料界在尋找鎂鉻磚的替代材料方面作了大量工作，但效果均不十分理想。中國建筑材料科學研究總院在國家863項目的支持下，對此展開了深入的研究。結(jié)果表明：Cr2O3在鎂質(zhì)耐火材料中起提高直接結(jié)合程度、降低侵蝕速率、改善抗熱震性和改善窯皮黏附作用?？傊?，我國水泥行業(yè)正向現(xiàn)代化的目標邁進，急需高質(zhì)量的環(huán)境友好堿性耐火材料。

      4.當前耐火材料行業(yè)要解決的問題

      ①綠色制造是新世紀耐火材料生產(chǎn)工藝的主要特征。3R原則代表了主要的綠色思想：Reduce-減少消耗，Reuse-重復使用，Recycle-回收再生。人類在人口膨脹、資源枯竭和環(huán)境破壞壓力下，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展就必須利用一些現(xiàn)在尚不能利用的物質(zhì)，盡量重復使用目前被廢棄的材料。

      ②降低產(chǎn)量，提高質(zhì)量。我國耐火材料產(chǎn)量占世界第一，低檔產(chǎn)品多，高檔產(chǎn)品少，水泥窯用耐火材料也是如此。今后應多生產(chǎn)高中檔產(chǎn)品，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，并合理配套使用，使水泥窯用耐火材料的生產(chǎn)和使用均處于最佳狀態(tài)。

      ③完善裝備。提高耐火材料廠生產(chǎn)裝備水平，是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)耐火材料關鍵之一，它直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和外形尺寸，我國耐火材料廠的裝備落后，應引起重視。同時應加強法規(guī)和標準體系建設，依法推進清潔生產(chǎn)。

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