高长贺-新型干法水泥窑无铬化配套技术的研究与应用

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1、新型干法水泥窑无铬化配套技术的研究与应用高长贺 1)，夏文斌 1)，马淑龙 1), 2) ，马飞 1)，王治峰 1)1) 通达耐火技术股份有限公司，北京，邮编 100085;2) 中国地质大学材料科学与工程学院，北京，邮编 100038;摘要随着水泥窑生产工艺的改进和机械性能的提高、水泥产量也日益增大，对耐火材料要求也越来越苛刻。本论文根据水泥窑高温带用耐材的使用要求，通过烧成带选用方镁石-复合尖晶石砖，过渡带选用塑性相复合低导硅莫砖，替代现有镁铬砖加镁铝尖晶石砖的配砖方案，形成一套高温带用无铬产品配套方案。该方案不仅实现了水泥窑高温带用耐材的无铬化，同时还具有环保、节能降耗和长寿命的优点。关

2、键词 水泥窑，高温带，无铬化，方镁石复合尖晶石砖，塑性相复合低导硅莫砖AbstractWith the development of production process and mechanical performance of cement kilns, the requirement to the refractories is higher when the cement output increasing. According to the requests of refractories using in high-temperature belt of cement kiln,

3、the paper works out a set of matching program with chrome-free products. The program is magnesite-composite spinel bricks using in the firing zone and plastic phase silicon mullite bricks using in transitional zone, which to replace current magnesite-chrome bricks and magnesite-spinel bricks. The pr

4、ogram realizes chrome-free in cement kiln, at the same time, it has the advantages that environmental protection, low-energy consumption and long service life.Keywords: cement kiln, high-temperature belt，chrome-free, periclase-composite spinel bricks, plastic phase silicon mullite bricks1. 前言一百多年来，水

5、泥回转窑经历了漫长的演变和发展过程。从湿法长窑，立波尔窑到现阶段的悬浮预热器窑和预分解窑，其高温段耐火材料选择与开发为水泥工业发展与进步起到至关重要的作用。大型预分解窑与传统窑相比，窑温增高，窑速增快。镁铬砖凭借其优良高温稳定性和挂窑皮性能从诞生一直广泛应用于水泥回转窑的烧成带和过渡带，直至今日仍然有很多水泥窑还主要依靠镁铬砖来运转。但镁铬砖在使用过程中及使用后会生成水溶性六价铬盐化物 R2CrO4 和 R2(Cr,S)O4，这些化合物化学稳定性高，而且是水溶性致癌物质，会造成严重的环境污染。如何解决含铬耐火材料造成的“铬公害”问题已成为工业发展中需要重点解决的问题 1-3。镁铝尖晶石砖以镁砂

6、和预合成的镁铝尖晶石为原料制得。其凭借良好的高温性能和抗碱侵蚀能力，目前被广泛应用于水泥窑上下过渡带，尤其是过渡带和烧成带末梢部位。但是镁质产品的高的导热系数使得窑体温度过高，造成能源浪费 4-7。近些年，硅莫砖在水泥窑的过渡带上使用越来越普遍，仅在轮带区其使用还存在一定的限制。由于硅莫砖导热系数比镁铝尖晶石砖小，如果能改进其高温性能、提高韧性，进而可延长其使用范围，使其与烧成带无铬砖相连接，将有效降低能源的损耗 8。本论文立足于推动新型干法水泥窑用耐火砖无铬化进程并实现节能长寿命的目的。通过分析水泥窑高温带用耐火材料的技术特点和要求，并结合通达公司在该领域的创新性研究实践。通过烧成带用方镁石

7、- 复合尖晶石砖，避免了镁铬砖的六价铬污染问题，达到水泥窑高温带用耐材的无铬化；过渡带用塑性相复合低导硅莫砖，解决了该部位使用镁铝尖晶石砖或镁铬砖的筒体温度较高的问题，实现水泥窑高温带用耐材的节能效果。从而实现新型干法水泥窑无铬化配置。2. 水泥窑高温带耐火砖无铬化配套技术的研究2.1 目前我国主流配套方案目前国内大型干法水泥窑高温带用耐火材料的标准配套方案是：烧成带采用直接结合镁铬砖，过渡带采用镁铝尖晶石砖。但该配套方案存在以下主要问题：第一，直接结合镁铬砖使用或废弃处理不当会产生严重的六价铬污染问题。随着人们环保意识的提高，欧美等国已通过立法来限制镁铬砖的使用，并开发出适合水泥窑高温带使用

8、的无铬砖。而在国内，水泥窑的高温带，尤其是烧成带，大部分还是使用镁铬砖，适用的无铬砖发展缓慢。2012 年国务院正式批复重金属污染综合防治“十二五”规划 ， 规划要求，到 2015 年，重点区域铅、汞、铬、镉和类金属砷等重金属污染物的排放比 2007年削减 15%，水泥窑用耐火材料的无铬化已为必然，无铬砖的研制与应用势在必行。第二，镁铝尖晶石砖导热系数大，使得窑筒体外壁温度较高，散热量增加。另外筒体温度偏高易使筒体受热膨胀超标，给设备后期运行带来较大隐患。第三，高温带耐材整体使用寿命偏低，基本上不到 1 年。尤其是烧成带与过渡带交界的轮带区域，该区域机械应力大，加上窑皮不稳，热波动频繁，加剧了

9、耐火材料的损坏，使用寿命经常低于 10 个月，成了水泥厂心中的“麻烦带” 。2.2 水泥窑高温带用耐火材料的的技术要求新型干法水泥窑高温带窑衬使用过程中会经受严重的热学、力学、化学破坏作用，所用耐火材料必须满足以下关键性能要求。1） 挂 窑 皮 性 能水泥窑烧成带的耐火砖热面上粘挂窑皮的能力，即挂窑皮性能，对耐火砖的保护作用非常重要。当耐火砖面粘挂上厚度适当的窑皮时可大大降低耐火砖热面温度及波动幅度，同时大大减缓高温液相（水泥熟料、碱盐等）对耐火砖的侵蚀和渗透。总之，挂窑皮性能是烧成带用耐火材料最为重要的性能，无铬砖的挂窑皮性能至少要与镁铬砖的相当，才能确保无铬砖的应用效果。2） 热 震 稳

10、定 性 能水泥回转窑旋转一周的过程内，耐火砖热面会产生 200300的温差，当水泥窑运行不规律或频繁停窑检修时，耐火砖热面温差会更大，需要耐火砖具备良好的热震稳定性能。一般要求烧成带用耐火砖的热震稳定性大于 4 次（1100，水冷）或30 次（950，风冷） ；过渡带用耐火砖由于没有稳定窑皮的保护，其热震稳定性要求更高，一般要求大于 10 次（1100，水冷） 。3） 高 温 韧 性在水泥回转窑运转过程中，转动的高温筒体和持续的熟料磨损决定了内衬材料的高温韧性是影响其使用寿命的主要因素。特别是过渡带的轮带区域，由于该区域筒体的椭圆度较大，导致应力集中，耐火砖在高温服役期间承受较大的应力，如果耐

11、火砖的韧性不足，很容易造成砖的机械应力破坏。4） 抗 化 学 侵 蚀 （ 渗 透 ） 性 能水泥窑烧成带虽然有稳定窑皮保护，当该部位在窑皮脱落时的短期热负荷也很大，化学侵蚀反应剧烈；而过渡带用耐火砖虽然温度较低，但是该部位窑皮薄且不稳定，长期热负荷较重，化学侵蚀（渗透）严重。因此选择合适的原料配方及合理的气孔率和气孔分布是提高高温带用耐火砖抗化学侵蚀的关键。5） 高 温 耐 磨 性 能水泥窑运转过程中，高温流动的气流和物料不断地对耐火材料进行冲刷、磨损。高温耐磨性能对没有稳定窑皮保护的过渡带用耐火砖来说十分重要，优良的耐磨性能可以大大减少窑内水泥熟料块的机械磨损量，大幅提高该部位耐火材料的使用

12、寿命。6） 导 热 系 数水泥窑高温带用耐火材料较低的导热系数，一方面可使筒体外壁温度较低，减少筒体表面散热量，减少了热耗；另一方面可减少筒体受热膨胀量，降低窑托与轮瓦温度，减少了筒体设备运行故障。2.3 新无铬化配套用砖的技术特点与指标通达耐火在分析水泥窑高温带耐材的使用要求和调研国内外无铬砖发展现状基础上，近年来，通过与各大高校的合作，成功开发出了方镁石-复合尖晶石砖和塑性相复合低导硅莫砖。进而开发了一套新型干法水泥窑高温带耐火砖无铬化配套方案：烧成带采用方镁石-复合尖晶石砖和过渡带采用塑性相复合低导硅莫砖。下面表 1、2 是这两种砖与国内外产品的理化指标对比。表 1 塑性相复合低导硅莫砖

13、与同类产品的性能指标对比Table 1 Performance comparison of low conductivity plastic phase silicon mullite bricks with similar products产品名称 塑性相复合低导硅莫砖 国内硅莫红砖 国内硅莫砖 1 国内硅莫砖 2化学成分 Al2O3 /% 68.76 67 65 65体积密度 /gcm-3 2.68 2.70 2.65 2.65显气孔率 /% 16.4 - - 17耐压强度 /MPa 101 100 85 85荷重软化温度 / 1690 1650 1650 1650热震稳定性 /次（110

14、0，水冷） 15 15 - 10耐磨系数 /cm3 3.37 8.0 7.8 5表 2 方镁石-复合尖晶石砖与同类产品性能对比Table 2 Performance comparison of magnesite-composite spinel bricks with similar products产品名称 方镁石- 复合尖晶石砖 国内镁铁尖晶石砖国外镁铁尖晶石砖直接结镁铬砖MgO /% 91.11 85 90.71 75Al2O3 /% 3.11 4.57.0 4.77 9（Cr 2O3）化学成分 Fe2O3 /% 3.78 3.56.0 5.10 2.8(SiO2)体积密度 /gcm-

15、3 2.90 2.9 2.91 2.9816.8 17.4 1979.6 50 63 40荷重软化温度 / 1700 1680 1670 1600显气孔率 /% 10 10100 次（风冷） 4常温耐压强度 /MPa 3.9 - 2.22 2.27挂窑皮性能 /MPa 1.25 - 1.20 1.22图 1 耐火砖表面挂窑皮形貌（静态剪切法）Fig.1 The morphology of Firebrick surface hanging kiln skin (static shear method)从表 1、2 中可以看出，公司生产的塑性相复合低导硅莫砖和方镁石-复合尖晶石砖相比国内外同类产

16、品具有更优的综合指标。结合图 1，可以看出方镁石- 复合尖晶石砖具有与镁铬砖相当的挂窑皮性能，而作对比的镁铝尖晶石砖表面粘挂水泥熟料数量很少，这与耐火砖在水泥窑高温带实际挂窑皮状况相吻合。3 无铬化配套技术的应用实例回转窑高温带耐火材料的配置，应根据其热工特点，既要保证适当的运行周期、还要保证适当的筒体温度，合理地配置耐火材料。1）2000t/d 以上窑型配套及应用2000t/d 以上新型干法水泥窑高温带耐材无铬化配套方案见表 3。从表 3 中可以看出，下过渡带（1.02.0m ）选用具有高荷重软化点、高耐磨及高热震稳定性的TD-SM1680 的塑性相低导复合硅莫砖；上过渡带（22m 之后）相比下过渡带，热负荷及水泥熟料磨损相对较小，因此选用了荷重软化点和耐磨性能适中的塑性相低导复合硅莫砖，其中高温区选用荷重软化点相对较高的 TD-SM1650，低温区选用荷重软化点相对较低的 TD-SM1550。回转窑烧成带选用挂窑皮性能与直接结