優(yōu)化窯襯材料對立窯煅燒節(jié)能高產(chǎn)的作用

一、窯襯的作用
1. 保護筒體
　　立窯是一個高溫煅燒設(shè)備，料球在燒成帶的煅燒溫度達到1450℃，然而立窯筒體只是一個用一厘米厚的鋼板卷制成的外殼，必須要求具有一定強度和密封性能的窯襯材料進行保護，共同承擔來自窯內(nèi)物料和氣體的高溫、高壓、腐蝕、磨損作用，以完成物料在窯內(nèi)的一系列物理化學(xué)變化過程。
2. 減少熱損失
　　每生產(chǎn)一噸熟料，需要消耗發(fā)熱量為5500×4.18kJ/kg的實物煤146～200公斤，其中真正用于熟料煅燒的煤約80公斤，亦即理論熱耗僅占51%；另外，蒸發(fā)料球水分的熱耗占15.8%、熟料帶走6.5%、煙氣帶走5.2%，其余22.55%為包括“窯壁散熱”在內(nèi)的各種熱損失。因此，窯襯材料的隔熱保溫性能對于立窯煅燒節(jié)能十分重要。
3. 穩(wěn)定熱工制度
　　在立窯內(nèi)，物料主要依靠自重作垂直向下的運動，相互之間交叉換位較少，導(dǎo)致料球受熱不均；加之窯體結(jié)構(gòu)帶來的先天不足，如：“邊風過剩、中心通風不良”及窯壁散熱損失等原因，使中部需要熱量少、邊部需要熱量多，在立窯的同一斷面上，煅燒所需要的熱量不同，一般情況下，邊部比中部多需要（300～500）×4.18kJ/kg的熱量，這給生產(chǎn)工藝及煅燒操作帶來困難。從傳熱角度考慮，優(yōu)化窯襯材料、強化隔熱保溫效果、減少窯壁散熱損失，是均衡立窯斷面熱力強度、穩(wěn)定熱工制度的最佳選擇。
4．改善立窯煅燒狀態(tài)
　　窯體內(nèi)壁的形狀由窯襯材料砌筑所決定，它直接影響著窯內(nèi)風、料、煤的動態(tài)三平衡。上部預(yù)燒帶的喇叭口角度、下部冷卻帶的倒喇叭口和倒階梯形式，對控制立窯煅燒過程中的加料速度、上火速度、卸料速度三平衡至關(guān)重要。它不僅引導(dǎo)邊風向窯中心移動、強化中心通風，而且在冷卻帶逐步擴大物料之間的空隙率，減小通風阻力、預(yù)熱底風、改善熟料質(zhì)量；近年來研制的新型節(jié)能窯襯材料，配套合理、熱阻增大，還可以適當減薄立窯襯里厚度，在窯體規(guī)格不變的情況下，擴大窯內(nèi)有效容積，提高單機生產(chǎn)能力及熟料臺時產(chǎn)量。

二、立窯對窯襯材料的要求
　　常用的窯襯材料實際上是由三部分組成：耐火材料、隔熱保溫材料和膠結(jié)材料。
1. 耐火材料
　?。?）抗高溫熱力損失：耐火度不低于1580℃的無機非金屬材料及制品稱之為耐火材料。在窯內(nèi)高溫作用下，不軟化、不熔化；在正常或不正常的情況下，都能保持一定的結(jié)構(gòu)強度和體積密度的穩(wěn)定性。只有用這種耐火材料砌筑的窯體襯里，才能維持正常的操作和生產(chǎn)。
　?。?）抗酸堿化學(xué)侵蝕：物料在窯內(nèi)的煅燒過程，要經(jīng)過一系列各種復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，不同部位產(chǎn)生的酸性氣體或堿性熔渣都會侵蝕窯襯。尤其是燒成帶，反應(yīng)物料在高溫下出現(xiàn)液相，對耐火材料的化學(xué)侵蝕作用更為強烈。因此,要求材料不能參與化學(xué)反應(yīng)，不出現(xiàn)粘料現(xiàn)象。
　　（3）抗物料運動磨損：立窯煅燒過程中，物料由上到下、從低溫到高溫、再到低溫不停地運動。窯體內(nèi)壁的襯里始終經(jīng)受著物料的運動磨損，尤其是煅燒后形成的熟料磨琢性較強，對襯里的磨損更為嚴重。因此，砌筑在窯體內(nèi)壁的耐火材料必須具備較強的抗磨能力。
　?。?）規(guī)范的外形尺寸：耐火材料的砌筑質(zhì)量對立窯煅燒過程有著重要影響。立窯內(nèi)壁不圓，煅燒時容易引起“偏火”現(xiàn)象；磚面不平、接觸不緊密，當窯內(nèi)底火位置不穩(wěn)定時，由于熱震現(xiàn)象會發(fā)生襯里松動，縮短使用壽命, 增加窯體熱損失，等等。因此，耐火磚的形狀和外形尺寸一定要規(guī)范和準確，這是保證砌筑質(zhì)量最基本的條件。
2. 隔熱保溫材料
　?。?）導(dǎo)熱系數(shù)小：傳遞熱量能力大小的物理量稱之為導(dǎo)熱系數(shù)。金屬導(dǎo)熱系數(shù)大于非金屬、液體導(dǎo)熱系數(shù)大于氣體；數(shù)值越大，傳熱能力越強；反之，隔熱能力越差。在固體材料中，一般把導(dǎo)熱系數(shù)最小的非金屬材料（≤0.22W/m·℃）稱之為隔熱材料。這些材料氣孔多、分布均勻、容積密度小，隔熱保溫性能好。
　?。?）熱穩(wěn)定性好：隔熱材料的使用溫度低于耐火材料，一般在1100℃以下。在使用溫度范圍內(nèi)，要求長期工作后不變質(zhì)、不損壞、不腐蝕立窯筒體；材料中可燃物、有機物、含水量要極少。
　?。?）具有一定的強度和可塑性：隔熱保溫層一般設(shè)置在耐火磚與筒體之間，需要滿足施工要求，并能承受一定的外力作用；除隔熱保溫制品之外，在其余空間還要用不定型的澆注料，將其膠結(jié)成一個保溫的整體。
3. 膠結(jié)材料
　　在砌筑耐火磚和保溫磚時，需要化學(xué)成分與物理性能與耐火磚相近的結(jié)合劑，來填充磚縫，使襯里形成一個嚴密的整體，這就是膠結(jié)材料，俗稱耐火泥（或稱火泥）。它是由粉狀耐火物料和結(jié)合劑組成的一種不定形耐火材料。按火泥的材質(zhì)可分為粘土質(zhì)、高鋁質(zhì)、硅質(zhì)和鎂質(zhì)火泥，其粒度根據(jù)使用要求?？刂圃?毫米以下。選用時，除注意必須與所砌材料性質(zhì)一致（或相當）之外，還要求它必須具備粘結(jié)力強、施工性能好、耐酸堿腐蝕、耐沖刷磨損和必要的耐火度；同時，不能因干燥和燒成而引起膨脹或收縮，造成磚縫開裂。

三、立窯襯里節(jié)能技術(shù)的優(yōu)化進程
　　立窯襯里材料的配套選用和砌筑質(zhì)量，直接影響立窯煅燒的產(chǎn)量和質(zhì)量，以及能耗和安全生產(chǎn)，這一點早已成為人們的共識。上世紀立窯一直是我國水泥生產(chǎn)的主體，從70年代起，國家投入一定數(shù)量的人力、物力和資金，進行了一系列的科學(xué)研究和工業(yè)試驗，提出一些辦法和措施，并在生產(chǎn)中也取得過一定的效果，但應(yīng)用時間不長，主要原因之一是：“生產(chǎn)工藝變化較多，材料質(zhì)量改進不足”。
1. 差熱煅燒
　　立窯煅燒過程中，由于邊部的物料要與窯壁接觸，有一部分熱量會通過窯壁傳熱散失掉；尤其是窯體喇叭口較小時，邊風較大、從邊部散失的熱量會更多，而中部物料沒有這些熱損失，需要的熱量少。為了解決邊料與中料熱耗差的矛盾，二十世紀八十年代，行業(yè)內(nèi)組織全國各地立窯企業(yè)推廣“差熱煅燒法”，即分別在邊料和中料里加入不同燃煤量進行煅燒。從理論上講，這種煅燒方法可以節(jié)省部分燃煤，還可減少中部物料的不完全燃燒現(xiàn)象，避免還原氣氛，防止過多的熔融物產(chǎn)生，進而改善窯內(nèi)通風情況，有利于熟料的優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、高產(chǎn)。但經(jīng)過幾年的實踐，盡管大家在生產(chǎn)設(shè)備和煅燒操作上進行了多方面的配合與調(diào)整，還是沒有取得預(yù)想的效果。原因是多方面的，但有兩點是主要的。其一，在中料與邊料之間無法準確地劃出一條明顯的界限。從邊部到中心，熱耗是一個逐步遞減的過程，沒有明顯的界限，按任何一個熱耗數(shù)據(jù)配煤，都會與大多數(shù)部位存在差異；其二，當時的操作條件和控制手段無法保證配煤多的物料準確地加到邊部，同時配煤少的物料加到中部。工人們形象地說，把“差熱煅燒”搞成了“差熱亂燒”，會給立窯煅燒帶來更加嚴重的不良后果。到八十年代后期，立窯企業(yè)基本上都放棄了差熱煅燒法。
2. 等溫煅燒
　　由于減小立窯斷面溫差對提高熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量十分重要，上世紀90年代初期，在放棄差熱煅燒技術(shù)后，科研院校又提出一個新的煅燒方法叫“等溫煅燒”，即在立窯燒成帶的筒壁外部，再進行一次加熱保溫，以保證將窯內(nèi)物料在燒成帶的斷面溫差減少到最小，熱力強度基本達到平衡。經(jīng)過工業(yè)性試驗，立窯的產(chǎn)量、質(zhì)量確實得到了提高。但時間不長，又發(fā)現(xiàn)了新的問題，一是外保溫使用的是電加熱，此裝置的電耗使成本增加，超過了煅燒節(jié)煤的價值，經(jīng)濟效益是負增長；二是外保溫造成窯體局部熱脹冷縮，造成熱變形，縮短了筒體和窯襯的正常使用壽命。到上世紀90年代中期，因立窯改造技術(shù)科研經(jīng)費不足，有關(guān)單位停止了對“等溫煅燒”的進一步研究。
3. 新型窯襯材料的發(fā)展
　　上世紀90年代后期，國內(nèi)外材料科學(xué)的研究水平逐漸提高，尤其是冶金行業(yè)的技術(shù)進步，促進了耐火材料行業(yè)的高速發(fā)展。許多新型耐火材料、隔熱保溫材料相繼出現(xiàn)，其品質(zhì)指標與使用性能都上升到一個新的臺階，也帶動了水泥行業(yè)窯襯材料應(yīng)用技術(shù)的研究，相關(guān)部門也由單一的熟料煅燒工藝研究，轉(zhuǎn)變?yōu)閷σr里材料的品質(zhì)、性能、配套、優(yōu)化進行研究。
　　磷酸鹽結(jié)合高鋁質(zhì)耐火磚簡稱為磷酸鹽磚，目前被公認為是水泥窯爐優(yōu)質(zhì)耐火、耐磨襯里之一。磷酸鹽磚近于中性磚，無論是在氧化氣氛還是在還原氣氛中，都不會影響其使用強度。低于1500℃時，磷酸鹽磚的化學(xué)穩(wěn)定性非常好；在高溫下，熱穩(wěn)定性也非常好，具有良好的抗沖擊、抗磨損能力。實踐證明，作為立窯高溫帶襯里，比高鋁磚使用壽命長1～2倍。一般情況下，用于立窯喇叭口的磷酸鹽磚壽命為1.5～2年，用于燒成帶的壽命為3～4年。
　　磷酸鹽磚以高鋁礬土熟料為骨料和細粉，其吸水率為3.4%，體積密度3.12g/cm3；根據(jù)制品的使用條件，適當加入石墨粉、工業(yè)硅砂等，以磷酸或磷酸鋁為結(jié)合劑，采用半干法成型，在400～600℃熱處理，化學(xué)結(jié)合成為高鋁質(zhì)耐火制品。該耐火制品按結(jié)合劑不同分為：
　?。?）磷酸鹽結(jié)合高鋁質(zhì)磚（簡稱：磷酸鹽磚），代號P，鎖縫磚代號PC。結(jié)合劑為磷酸溶液（濃度42.5%～50%）。
　?。?）磷酸鋁結(jié)合高鋁質(zhì)耐磨磚（簡稱：耐磨磚），代號PA。結(jié)合劑為用工業(yè)氫氧化鋁和工業(yè)磷酸配成的磷酸鋁溶液。耐磨磚的耐磨性優(yōu)于磷酸鹽磚，因此，在有條件的情況下，立窯襯里應(yīng)優(yōu)選耐磨磚。
用于立窯襯里的保溫材料，除了要求導(dǎo)熱系數(shù)小（熱阻大）之外，還要看其使用溫度能否達到900℃以上，否則保溫層非常容易粉化，失去應(yīng)有的強度和隔熱性能。選擇導(dǎo)熱系數(shù)低于0.05W/m℃的硅酸鈣隔熱板與硅酸鋁板、空心球澆注料等配套的保溫層，能夠使保溫層整體化、延長服務(wù)年限，同時，厚度最薄，隔熱效果最好，基本達到窯內(nèi)中、邊部物料溫度差不大于50℃，燒成帶窯體外壁溫度低于45℃。最簡單、最直觀的感覺就是在現(xiàn)場去觸摸窯體燒成帶外壁，不感覺燙手。這樣的工作狀態(tài)，給穩(wěn)定立窯煅燒熱工制度、實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、高產(chǎn)，創(chuàng)造了有利條件。

四、技術(shù)經(jīng)濟分析
　　浙江圣奧耐火材料有限公司是國家建材行業(yè)生產(chǎn)力促進中心長興耐火材料分中心、中國建材工業(yè)經(jīng)濟研究會成員單位，始建于1985年，近20年來與科研院校合作，為耐火、保溫材料的研制、開發(fā)，進行了大量工作。尤其是在水泥立窯節(jié)能襯里的材質(zhì)優(yōu)化和應(yīng)用配套方面，取得了顯著效果，贏得了贊譽。公司提出“快樂來自為人著想，成功在于以誠相待”的服務(wù)宗旨，為用戶之急所急、為用戶之想所想，2004年獲得“全國建材行業(yè)誠信、維權(quán)標兵企業(yè)”、“全國耐火材料行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)放心品牌”的光榮稱號。
　　在立窯煅燒過程中，影響產(chǎn)、質(zhì)量及能耗的因素很多，一般可歸納為三大類：工藝因素、機械因素和操作因素。工藝因素如：配料方案、生料合格率、易燒性、煤質(zhì)與配熱、成球質(zhì)量等；機械因素包括：窯體結(jié)構(gòu)、加料裝置、卸料篦子、通風除塵等；操作因素是指：煅燒方法、熱工制度、控制手段、崗位工技術(shù)水平等等。一個生產(chǎn)多年的立窯水泥廠，在這諸多的影響因素中，采用“立窯節(jié)能襯里配套技術(shù)”，見效最快，受益最明顯，因為僅減少熱損失和保溫層減薄這兩項技術(shù)帶來的經(jīng)濟效益就十分可觀。
　　中國水泥協(xié)會立窯研究會提出“現(xiàn)代立窯八個基本條件”后，各地立窯企業(yè)紛紛采用二十項適用技術(shù)，進行節(jié)能挖潛技術(shù)改造。浙江圣奧耐火材料有限公司參與技術(shù)改造的企業(yè)就有一百多家。他們原來的熟料熱耗都在（1000～1100）×4.18 kJ/kg左右，改造后都降到900×4.18 kJ/kg以下，窯體外壁溫度也能觸摸不燙手。國內(nèi)建材研究院校熱工檢測部門對立窯熱工標定的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，立窯燒成帶窯壁溫度每降低1℃，窯內(nèi)熟料熱耗可降低10～15kJ/kg。這些廠技術(shù)改造后立窯燒成帶窯壁溫度普遍都降低30℃以上，因此，窯內(nèi)熟料熱耗一般降低（100～200）×4.18kJ/kg，相當于每生產(chǎn)一噸熟料可節(jié)省實物煤（發(fā)熱量為5500×4.18kJ/kg）18～36公斤。一臺年產(chǎn)十萬噸熟料的立窯每年就可以節(jié)煤1800～3600噸，按當前國內(nèi)煤的平均價格（400元/噸煤）計算，可節(jié)支人民幣72～144萬元。
　　采用新型耐火、隔熱保溫材料配套的窯體襯里，盡管單位材料價格有所增加，但整體用量減少，因此與傳統(tǒng)材料相比，窯襯總投資基本持平。由于窯襯的厚度減薄，窯的斷面直徑可增加0.15～0.2米,窯內(nèi)煅燒容積增大，熟料臺時產(chǎn)量一般可提高1～2噸，每年每臺立窯熟料可增產(chǎn)0.8～1.6萬噸，折合人民幣增收100～200萬元。
　　其它效益，如：改善通風質(zhì)量后，風機阻力減小的節(jié)電效益；斷面熱力強度改善，提高熟料質(zhì)量的效益；延長窯襯材料使用壽命，降低維修費用的效益等等，在此就不一一列舉。該新型節(jié)能窯襯已列入《立窯水泥企業(yè)技術(shù)進步指南》中的二十項適用技術(shù)，其科學(xué)性、先進性、實用性和可操作性，已被上百家立窯企業(yè)所證實和共享，必將為立窯企業(yè)在競爭中求生存、求效益，開辟一條新的途徑。

摘自《水泥生產(chǎn)力》2005年第1期