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1、实施 ISO 强度检验方法对窑用耐火材料的影响ISO 标准实施后，为防止水泥标号下降，一些文章提出在现有的水泥生产基础上，加强配料，提高 C3S 的含量，增加水泥细度等技术措施。本文拟对 ISO 强度检验方法实施后，对窑用耐火材料的影响作一分析判断，供耐火材料制造厂家和水泥厂参考。 1水泥生产可能出现的变化1.1生料质量衡量生料质量的标准是生料成分的均匀性、合适的细度和水分等，采用新标准后，将会重视生料的质量，生料质量的提高是通过生料均化链来控制 CaO 标准偏差，增加生料细度，降低生料中不易粉磨且不易煅烧的成分如 SiO2的细度等。1.2熟料煅烧熟料质量除了与生料质量有关外，还与熟料率值、矿
2、物组成以及煅烧状况等有着直接的关系。国内有关部门曾将国内正在生产的预分解窑生产的熟料率值进行新旧方法的对比，得出的结论是:适当提高熟料的 KH、n 和 P，将有助于提高熟料的早期和后期的强度，建议预分解窑熟料率值为 KH=0.90，n=2.7，P=1.7。熟料中的硅酸盐矿物 C3S 的含量是影响水泥强度的主要因素，熔剂矿物 C3A 是水化最快的矿物，有利于提高水泥的早期强度，表 1 为资料所示的国内外预分解窑熟料的率值和矿物组成。 表 1 国内外水泥熟料率值及矿物组成 熟料率值 熟料矿物组成/% 计算值样品KH n P C3S C2S C3A C4AF fCaO 烧成温度/ 液相量 */% 窑
3、皮指数 *国外平均值 0.895 2.73 1.61 57.0 20.0 8.0 10.0 0.92 1400 22.76 30.05德国 (1995 年 57 个工厂)平均值 97.10* 2.50 2.30 64.9 12.5 11.0 8.4 1.15 1445 23.99 29.26中国(10 台 2000t/d)平均值 0.877 2.53 1.54 49.41 26.35 8.09 10.8 1.01 1356 23.95 32.77注: *KSt 值； *MgO、R 2O 未计算在内。表 1 显示我国水泥熟料率值偏低，熟料矿物组成中 C3S 较国外水泥熟料平均值低 7.59%，较
4、德国平均值低 15.49%，而 C3A 较德国低 2.91%，C 4AF高 2.4%。按熟料煅烧温度公式 T=1300+4.51C3S-3.74C3A-12.64C4AF 计算，我国预分解窑熟料的率值欲提至国外平均值，烧成温度将提高 44，若提高至德国目前控制的率值，温度将提高约 89，同样，液相量和窑皮指数均有变化，上述变化对窑内耐火材料是有一定的影响。 3对窑用耐火材料的影响3.1生料质量的影响生料质量的提高，有利于熟料煅烧及烧成热工制度的稳定，减轻了热应力对耐火砖的作用，有利于延长耐火砖使用周期。3.2熟料率值的影响3.2.1饱和系数 KH 值KH 值增加，熟料中 C3S 含量增加，C
5、2S 含量降低。易烧性指数增加，物料不易煅烧，易生成 fCaO，因此需要较高的烧成温度来改善此情况。而对耐火砖，由于温度增高，及高温火焰和气流的作用，易遭受熔融凹槽侵蚀损坏。KH 值降低，熟料中 C2S 含量增加，熟料煅烧温度降低，液相量增多，耐火砖易出现液相渗透损坏。目前国内生产的 10 台 2000t/d 窑熟料的 KH 平均值和有关单位建议的实施 ISO 法后的 KH 值相比差 0.023。值得注意的是德国现行熟料 KSt平均值为 97.1，资料显示，当 KSt 值超过 99 时，生料难烧，若提至德国现行 KSt 值，势必增加耐火砖遭受熔融凹槽侵蚀的程度。3.2.2硅酸率 n 值n 高，
6、烧成温度高，液相量少，窑皮指数低，耐火砖不易挂窑皮，易生成粉砂状熟料，当硅质原料为不活泼的石英砂时，此现象尤为明显，资料显示，当 n 超过 2.6 时，耐火砖易遭受熔融凹槽侵蚀损坏。按照 n 的计算公式，降低 n 值时，可以减少 SiO2的含量或增加 Al2O3和 Fe2O3的含量。若出现同时减少 SiO2含量和增加 Fe2O3含量，此时液相对烧成带耐火砖的损坏尤为严重。国内熟料的 n 值偏低，SiO 2含量低且 Fe2O3含量高(较德国平均值高 0.78%)，液相对耐火砖损坏的现象是存在的。3.2.3铝氧率 P 值烧成温度随 P 的增加而增高。P 值愈高，熟料的液相粘度愈高，不易成球，也不易
7、挂窑皮，耐火砖易出现熔融凹槽侵蚀，而 P 过低(如生产低 C3A 水泥)尤其是火焰温度不稳定时，易出现熔融熟料渗透耐火砖的侵蚀。10 台 2000t/d 窑熟料 P 平均值为 1.54，较国外的平均值 1.61 稍有降低，其反应在液相出现时，液相量少些，熟料结粒差些，但德国 P 平均值为 2.3，只有在较高的温度下才能出现较多的液相，见图 8，也就是耐火砖必须承受较高温度的熔融熟料渗透，在此温度前，则易出现熔融凹槽侵蚀。3.3液相熔剂矿物在熟料煅烧过程中生成液相，影响液相性质的有液相量、液相共熔温度、液相表面张力及液相粘度等。上述性能对熟料性能和耐火砖使用周期均有影响。3.3.1液相量液相量计
8、算公式为:L P(1450) =3Al2O3+2.2Fe2O3+MgO+R2O+SO3液相量过多，对耐火砖侵蚀加重，所生成的熟料致密，易磨性差。液相量一般在 23%28%较为合适，此时易生成 C3S 合适的晶体，对强度有利。按照矿物组成计算的液相量(MgO、R 2O、SO 3除外)，10 台 2000t/d 窑熟料的液相量处在德国平均值和国外平均值之间，且数值差别不大。3.3.2液相表面张力液相表面张力直接影响熟料粒度、窑皮性能和熟料质量。高的液相张力有利于结粒，粉砂状熟料少，fCaO 含量低，但表面张力过高，熟料液相不易和砖面粘结，降低熟料挂窑皮的附着力，不易挂窑皮。液相表面张力与元素外层电
9、子的负电性有关，K、Cl、S 的表面张力值较低，不利于结粒，但有利于粘挂窑皮；而 Mg、Al 等元素的表面张力值较高，有利于结粒，但不利于挂窑皮。随着温度的升高，液相表面张力值有所下降。10 台 2000t/d 窑熟料中 C3A 的平均含量与国际平均值接近，但比德国平均值低 3%，经计算Al2O3低 0.69%，相应易挂窑皮。3.3.3液相粘度不同成分熟料的液相粘度值是不同的，一般说来，液相粘度值低易结粒，C 2S 和 fCaO 易在液相内移动，通过液相桥形成 C3S，但不易挂窑皮。液相粘度随温度上升而下降。资料显示，在生产普通硅酸盐水泥熟料时，若温度增加 93，液相粘度降低 70%。此时对生
10、成 C3S 有利，而对耐火砖易造成熔融凹槽侵蚀。液相粘度随 P 增加而增加，提高 P，相应增加液相粘度，不易结粒，易损坏耐火砖。反之，增加 Fe2O3含量，降低 P，有利于结粒，但易出现对耐火砖的熟料液相侵蚀。德国熟料的 P 远高于我国，其液相粘度值高，且不易结粒，易损坏耐火砖，为解决此问题，提高烧成温度，相应降低液相粘度，以便结粒。这是德国熟料煅烧温度高出我国熟料约 90的根本原因。3.4窑皮指数窑皮是保护耐火砖的重要措施，一方面避免耐火砖受火焰直射；另一方面窑皮的导热系数约 0.7W/(mK)低于耐火砖，可以减少窑筒体表面温度，此外窑皮有利于物料的翻滚，增加热交换作用，KKonopicky
11、 提出的窑皮指数的计算公式如下:A W=LP+0.2C2S+Fe2O3窑皮值与液相量和 Fe2O3有关，实质上与 Al2O3、MgO、R 2O 以及 KH 值等均有一定关系。资料显示，A W33 挂窑皮无困难，A W40 易形成大块熟料和结圈。10 台 2000t/d 窑熟料的窑皮值较国外熟料平均值大 2.72，较德国熟料平均值大 3.51，相应易挂窑皮。3.5烧成温度在水泥熟料煅烧过程中，烧成温度必须满足 C3S 的生成，生料易烧性愈好，烧成温度愈低；反之，烧成温度增高，水泥熟料烧成温度在13601480之间，国外的烧成温度一般超过 1400。烧成温度高、液相表面张力值下降，有利于粘挂窑皮，
12、但是液相粘度值下降，又不利于挂窑皮，只有一个合适的烧成温度才能使液相性能有利于生成合适的窑皮，保护耐火砖。烧成温度高至某一数值，一方面对没有窑皮的耐火砖造成熔融凹槽侵蚀；另一面又易在有窑皮的部位造成液相渗透侵蚀，极易损坏耐火砖。烧成温度提高，势必增加火焰的峰值温度，若火焰的峰值温度过高且区域短，易造成熟料表面液相粘附在耐火砖表面上，形成液相渗透侵蚀，而在没有窑皮的部位，易造成镁质耐火砖的过热损坏。烧成温度过高，易使镁砖之间的铁板与镁砖中成分作用生成镁铁尖晶石，造成体积膨胀将镁砖环圈断裂，此外衬砖之间所留的砖缝过紧也易造成耐火砖与耐火砖之间热膨胀量过大所生成的热膨胀损坏。我国目前的熟料烧成温度远
13、低于国外熟料的烧成温度，ISO 法实施后，熟料的烧成温度势必大幅度的增加，会对耐火砖产生更大的热应力和机械应力。3.6碱含量的影响国内有关部门对 ISO 和 GB 法测试的强度结果进行对比，发现碱含量对熟料将有较大影响(见图 9)。一般说来，碱含量减少，液相共熔点温度提高，液相量减少，液相表面张力降低，对熟料结料有利，但不利于挂窑皮。4对窑用耐火砖的要求实施 ISO 法后，总体出现的变化情况是:生料质量有所改善，熟料中的 KH、n、P 均有所增加，矿物组成中的 C3S 量增加、C 2S 下降、C 3A 增加、C 4AF 下降，上述变化带来烧成温度较大幅度提高，液相量变化，液相表面张力下降，液相粘度下降，窑皮值下降等一系列对耐火砖有影响的因素，某些因素有利，某些因素对耐火砖不利。由于耐火砖的受力是一个综合受力，因而很难作出一个量值的判断，但从总体来看，不利因素大于有利因素，因而对耐火砖提出更高的要求。对窑内烧成带和过渡带使用的耐火砖以及烧成系统高温部位的衬料较现使用的耐火砖具有更高的抗高温性能，抗 SiO2侵蚀能力，还需具备更高的高温强度和抗机械应力，以及更好的结窑皮性能等。同样，在窑内烧成带和过渡带以及其他高温部位的耐火砖施工时，也应考虑温度提高对耐火砖造成的热膨胀应力等。
