与耐火材料施工相关的技术研究
随着新型干法窑的快速发展，窑型越来越多样化，窑的规格及能力也越来越大，同时伴随着原料燃越来越紧张，用在窑上的原燃材料也越来越多样化，这些条件的变化，都会引起对窑衬的影响。作为一名技术人员，我们不仅仅对砌筑要有不断的创新，同时对耐火材料的性能、发展，及使用要有一个全方面的研究。
耐火砖的砌筑
膨胀缝的重要性
膨胀缝的留设是为了减少因砖的热膨胀和窑筒体椭圆度造成的应力。
我国水泥窑的耐火材料使用及砌筑方法，主要有受两个大公司的影响，一是雷法公司，一是悟而发公司。这两家公司在碱性砖的径向缝中用1mm厚的钢板或纸板，或用火泥。许多公司由于膨胀缝的留设不当，对点火升温后再冷却的窑衬往往造成不当的影响，主要表现在挡砖圈部位，因为砖缝留的过大，窑筒体的膨胀量一定，在窑冷却时往往出现问题。
2008年在厄瓜多尔，此公司的配砖是烧成带用36米的镁铝尖晶石砖，该设计也是在36米的尖晶石砖后是第二档挡砖圈，但由于砌筑时业主坚持不把环向面的纸板取掉，结果在点火生产10天后大修，进入窑内检查时发现36米镁铝尖晶石砖到挡砖圈有一宽40mm的收缩缝。原因很简单，就是36米砖有180环，每环当中有一个厚度为1.5mm的纸板，纸板同火泥不同，在点火升温后纸板被烧掉，砖与砖之间就有了大的间隙，当窑冷却时砖随着冷却收缩，砖之间的缝大于筒体的收缩，就有了大的无砖地带——大的收缩缝。解决办法，只能是拆掉4到5环，把收缩缝去除掉。这就提醒工艺人员，在配砖时不仅仅要考虑各带的用砖情况，还要想到砌筑时所配砖的长度，要与窑筒体的膨胀量相近。
挡砖圈的位置
回转窑是斜度为3——4％的旋转钢筒，包括窑皮在内的沉重窑衬在窑中形成向前窑口的巨大推力。窑口护铁一方面是保护窑口，另一方面就是护住耐火材料不掉下来。仅仅依靠窑口护铁不足以承受沉重窑衬的巨大推力，再加上为更换砖方便所以设置几道挡砖圈。在设置挡砖圈时，也要注意几点，一在烧成带和过渡带不要设挡圈。因为在此区设置时不利于窑皮的稳定。二，低温区内有挡砖圈时，要注意挡砖圈与最近的轮带或是大传动齿圈中心线至少保持5米距离，以防内外应力的影响，使该区的砖过早的受应力而被损坏。三，挡砖圈的形状。不是任意来焊一道圈就行，朱砖圈的结构也很重要。首先挡砖圈不能是连续一个整圈，中间最少要断开4到5处，每处要留有3——4mm的间隙，简单的说就是减少因挡砖圈而产生的应力。
砌筑中的创新
根据窑的变形，大胆采用新技术新方法。在##公司，该公司窑筒体变形大，经常出现掉砖情况，经过验研决定采用江西东方科力公司生产的DK－1＃高温胶泥，此产品不需加热自行固化，常温下就有6MPa的抗压强度。其可以代替火泥砌筑，可将所用被胶结耐火砖“焊”成为一体，相当于现场烧制出的整块异形砖。在大胆使用这种新材料后，13月后该公司反馈信息，烧成带砖用到15mm时砖也不会掉，大修拆砖时，砖是相互胶结在一起的，是被一片片拆下来的。鉴于此胶泥的特点，我们开创了不少新的有效的使用方法。此胶泥还可用于掉砖时的热补，掉砖量不大，只有一两块是，可以把该处的砖清理干净，然后找一同种砖，将砖捣碎成骨料，与胶泥相混成浇注料，用力捣打，浇注完即可点火生产，可用三个多月。
二、预分解窑耐火材料的配套及使用
在回转窑运行使用过程中，耐火材砖主要承受的机械应力有两种：一是窑的径向剪切应力，二是沿窑筒体方向的轴向挤压应力。径向剪切应力主要来源于回转窑运行中产生的机械形变。窑筒体会发生椭圆变形，筒体中心线不再是一条直线；另一方面，在支撑轮带附近区域，窑筒体会发生最大的椭圆变形，用测试议对运转中的窑筒体进行连续测量可发现筒体的水平直径与垂直直径之间相对差值可达0.3‰,在较旧的窑上甚至可达0.6‰～0.7‰。椭窑径加大，窑速加快，窑筒体这种周期性的受压作用加剧，耐火砖将承受更大的径向剪切应力破坏，烧成带及上过渡带是径向剪切应力最大的部位。轴向挤压应力的产生主要有两个方面。一是因窑内物料在窑运转时从窑尾向窑头方向运动，窑内的耐火砖在运动物料的推力及砖自身重力的轴箱向分力的共同作用下有向窑头方向移动的趋势；二是耐火砖受热后产生的膨胀力。耐火砖在1400～1450℃时的膨胀系数在1.4‰～1.6‰，常用每块砖长为198mm,测膨胀量为2.8～3.2mm.。如果在烘窑时升温速度太快，窑筒体膨胀速度相对砖而言较慢，就会限制耐火砖的进一步膨胀便会产生很大的应力，甚至导致砖的爆裂。窑内这种恶劣的工况环境要求耐火砖必须有足够的机械强度，同时，在窑砖砌筑时合理地预留好膨胀缝也可以很好地缓解这两种应力的破坏。热应力破坏：测试结果表明，窑转一圈中窑衬表面温度变化达400℃以上，由此产生的热应力是耐火砖损坏的主要原因之一。随水泥工业大型化的发展趋势，窑外分解窑的窑径增大（10000t/d生产线窑径达到6m），窑的产量随窑径增加呈3次方增加，容积产量提高到传统窑的3倍以上，达到5t/(m3.d)。这不仅使机械应力加大为增加，窑内热力强度大幅度提高，耐火砖所受的单位热负荷也增加，热应力破坏作用加剧。此外，窑速也加快（3～4r/min）,使窑衬所受的周期性温差的频率也大为增加，这就要求耐火砖具有更好的热震稳定性。化学侵蚀作用的破坏：化学侵蚀是耐火材料损坏的主要原因之一。在窑内1350～1450℃环境温度下，具有强碱性的熟料会对窑衬产生强烈的化学侵蚀。熟料中的液相物质会与砖中的盐基性物质反应生成底熔点的中间相（硫酸盐，钾钠盐等），深入砖体40～50mm深处沉积，这会导致砖的结构变脆硬、疏松，进而容易发生剥落。克服化学侵蚀作用破坏的关键是阻止水泥中的某些成分的渗透（sio2,cao,kcI等）。此外，生料中的有害成分碱、氯、硫等也会对窑衬产生严重的侵蚀破坏作用。碱的硫酸盐和录化物在预热器系统挥发、凝聚、反复循环而不断富集。通常，同原始生料相比，最热级旋风筒的热料中碱、氯、硫富集浓度分别达到5倍，80～100倍，3～5倍之多耐火材料受到来自窑料和窑气中碱化合物的侵蚀，形成膨胀性矿物使其开裂剥落，发生碱裂破损。耐火材料的合理使用：订购耐火材料时要把好耐火材料长期安全使用的第一关，首先考虑生产厂家的资质及生产加工能力，关注耐火材料质量和售后服务。订购耐火材料时应对供货产品的包装运输提出要求如没有坚实牢固的包装，可靠的运输，极易造成损坏，直接影响使用寿命。对于有保质时效的耐火材料（如一些浇注料等）应当避免长期存放，耐火砖应注意防潮，并做到有序堆放，避免混乱。提高砌筑施工质量：窑衬的质量是决定窑运转周期的最主要因素之一，砌筑施工质量又是确保窑衬质量的关键环节。1995年颁布试行的《水泥回转窑用耐火材料使用规程》为规范化施工提供了依据，企业应当对筑炉施工人员进行培训，全面学习推广应用《水泥回转窑用耐火材料使用规程》，以提高施工人员技术水平。但由于种种原因，施工中常常存在有章不循的现象，这需要在加强管理方面做工作。砌筑施工过程中应当注意一下问题：按要求控制加水量。加水量大虽然方便施工，却极大降低了浇注料的强度性能。注重施工后的养护。常见情况是施工施工单位为了抢进度水泥企业为了抢时间早投产，几乎很少能按要求时间对浇注料进行合理养护。这势必直接影响其使用性能。浇注料施工后升温烘烤时应充分考虑排气孔的设置，特别是窑头罩部位。在大部分情况下，该处无单独烘烤过程，出窑热熟料进入窑头罩后温度从400℃左右急剧升高到1100℃左右，如未合理设置排气孔，耐火材料爆裂危险极大。砌筑时衬砖不能有悬空点、悬空面。大头靠紧筒体，焊缝不平处要打磨平整，筒体变形处用火泥垫平找正。根据砖的膨胀系数留出膨胀缝。留缝过大会发生砖抽签，甚至于掉砖事故，留缝不足会加重砖的应力破坏。调整铁板的使用应当规范。用量不能过多，更要严禁大头小头同事调整，不能缝连加；铁板不应一半插入砖缝，导致小头缝紧，大头缝松；夹入铁板时不能硬砸，不能将铁板锻厚打弯损伤砖面。用橡皮锤或木锤对砖面敲打，确保砖与砖之间切实接触。合理使用和操作，烘窑升温操作。首先是根据耐火砖的性能合理制定烘烤升温曲线并严格控制升温速度（通常30～50℃/h），以有效减少热应力对砖的破坏；同时，严格执行窑升温盘车制度，减少窑筒体机械变形对砖造成的机械应力破坏。新窑衬烘烤时，在从油烘烤转到油煤混烧时较难控制，极易造成升温速度失控，因然加快而导致热应力破坏。
1回转窑的砌筑：
2回转窑的砌筑的基本要求是：砖衬紧贴筒体体，砖与砖紧贴
3回转窑砌筑一般均采用环砌法，环于环之间错缝砌筑工具采用气压式砌砖机砌筑。
4为了保证火砖砌体与窑的中心线的平行，在砌筑前必须在窑内放线，使用水平仪或经纬仪在窑的约0度、90度.180度.270度部位划出几条基准线（基准线根据窑径的大少而等分条数一般约1.5～2m），在基准线上分别对窑的长度进行等分，作为控制砖衬偏移的控制点，以0度点作为底部砌筑的基准.
5锁砖要采用规定的锁砖锁紧，大小锁砖要与标准砖错开，锁砖用的铁板不可在一块砖的两侧同时使用，必须错开，并且控制钢板用量，同一环中尽量不超过3块。
6模板的制作安装：模板制作安装要有足够强度，不走形，不移位，不漏浆，几何尺寸满足图纸要求，重复使用的模板要及时清理、修整，模板安装时可以在模板表面刷一层机油，以方便拆模为准，不宜过多。
7严格控制浇注料加水量，加水量不得超出材料说明书最高限量，在保证流动性的前提下，加水量易少不易多，已初凝甚至结块的浇注料不得倒入模框中，也不得加水搅拌再用。可以采用“抛球”试验的方法简易地做出含水率是否合适的判断，即用手将搅拌好的浇注料团一个球，抛起用手接住，以球不散开也不流淌为合适。
参考施工用水量：G-14N：5.5-7%；G-16：5.5-6.5%；GC-13：6.5-7.5%；G-18：5.5-6.5%；G-16P：6-7%；气温较高时可适当增加。
8浇注料搅拌：搅拌机搅拌要均匀，干料搅拌一般为1分钟后，加入水后搅拌时间G-14N为3分钟，其它低水泥浇注料约4-5分钟，搅拌好的浇注料必须在30分内用完，超过时间禁止使用，加入模板内的浇注料应立即用振动棒分层振实，每层高度应≤0.3m，振动棒插入间距以0.20m为宜，出浆为标准，应振捣密实，不得出现孔洞，但允许少量的细小表面排水微孔和局部不明显麻面。
大面积浇注时，要分块浇注施工，膨胀缝按照设计图纸要求留设，不得遗漏，且应留设在锚固件中间位置。一般隔开的面积应不大于1平方米。
浇注料表面干燥后，应立即将其暴露在露天部位的浇注料盖严，高温天气初凝后应定期洒水养护并用塑料覆盖，保持其表面湿润；浇注料终凝后可拆除模板继续洒水养护，承重模须待强度达到70%以后再拆除
三、耐火材料的发展越趋势
1、水泥生产技术的进展对耐火材料的需求
1.1传统回转窑对耐火材料的需求
早期的传统回转窑是料浆煅烧的湿法窑和料粉煅烧的干法长窑、余热锅炉窑，一般配用单筒和多筒冷却机。窑的热耗均在6500kJ/kg熟料以上，熟料在窑内煅烧温度一般低于1350℃，烧成带用普通高铝砖，其余部份使用粘土砖，此后，出现了利用窑尾废气的立波尔加热机以及配套的篦冷机，热耗降低至5000kJ/kg熟料左右，熟料煅烧温度超过1350℃，要求具有较高的耐火度和抗熟料化学侵蚀及抗震性能强的新品种耐火砖，此时，出现了特种高铝砖、磷酸盐砖及普通镁质碱性砖，这些耐火砖满足了生产需求，还进一步提高了一般的传统窑衬料的使用周期，得以广泛推广应用。
1.2预热器窑对耐火材料的需求
1.2.1衬砌部位的不同
传统窑衬料主要用在回转窑，冷却筒和窑门罩，材质、砖型砌筑主要按回转设备要求考虑的，立波尔窑除了回转窑使用的衬砖外，增加了加热机和篦冷机的衬砌，而预热器窑的衬料只有部分用在回转窑内，大部分用在形状复杂的预热器系统的设备内，所需衬料的材质、砖型、砌筑要求与回转窑内衬料是不同的。
1.2.2窑温及其影响
预热器窑的配料率值中的硅酸率SM、铝氧率IM较传统窑高，熟料煅烧温度高，再加上多风道燃烧器形成的高温，使整个窑内气流和物料温度远远超过传统窑相似部位的温度，国外的大型预热器窑内熟料煅烧温度超过1400℃，热耗低于3500kJ/kg熟料，在此高温情况下，熟料中的钙硅融熔物和碱硫化合物与Al2O3形成低温共熔体，在工况苛刻的窑上，几天之内可将高铝质衬砖损坏，只得在窑内大量使用碱性砖，窑内碱性砖的长度约（7～10）D。
1.2.3碱硫挥发性组分的侵蚀及影响、
预热器系统内，碱硫氯等化合物组分挥发凝聚，反复循环导致窑料中这些组分的富集，在系统下部的预热器、进料室、上升烟道等温度较高的部位易结皮阻塞、干扰正常生产。此外，衬料受碱氯硫化合物的气体和结皮物的侵蚀，形成膨胀性碱裂损坏，在上述易结皮部位，采用系列耐碱侵蚀的半酸性粘土砖和耐火浇注料。
另一差别在回转窑内，部分富集的碱氯硫化合物随窑料从预热器进入窑内，在熟料煅烧过程中，部分化合物挥发，侵蚀窑内未结皮的衬砖，而熟料内的化合物因熔融温度较低，在高温煅烧部位以液相形式存在熟料内，侵蚀烧成带和上下过滤带的衬砖，给上述部位的窑内衬砖提出了较高的抗碱氯硫化合物的侵蚀功能的需求。
1.2.4窑速的影响
常规窑的窑速为1r/min，而预热器窑的窑速为2r/min，窑速高，窑内火焰和窑料之间温差对衬砖造成的热震破坏次数增大，遭受的轴向挤压和向下的推力增强，对衬砖的强度和衬砌缝隙以及胶泥的性能均提出了要求。
1.2.5材质的差别
预热器窑内的衬砖不论从窑温、窑在回转过程中造成的机械应力，以及碱氯硫化合物的化学侵蚀均提出了比立波尔窑更高的要求，在此期间出现了半直接接合镁铬砖、直接接合镁铬砖和白云石砖等产品。此类产品耐火度高、抗熟料和碱氯硫等化学侵蚀，抗热震等机械性能强，挂窑皮性能优良，进一步满足了各种不同生产方式窑型的需求。
1.2.6系统内不动设备结构复杂的影响
预热器系统内不动设备多而形状复杂，为简化砖型，一方面制定标准化的砖型，在圆形和圆锥部位采用配砖设计，简化砖形数量，另一方面在形状复杂的部位使用耐火浇注料，相应减少砖形数量，通过上述措施，一套预热器窑的砖型数量由原来的120种减少至20余种，由于不同部位对耐火浇注料的需求，促进了它的发展。
1.2.7节能要求
预热器窑不动设备的表面散热面积>1m2/d.t熟料，筒体散热损失较大。减少衬体散热损失，不仅降低能耗，更重要的是维持系统内的温度，提高入窑物料分解率，有利于保持窑内热工制度正常和稳定。在此需求下，出现了导热系数低，工况温度高，容重轻的硬质硅酸钙板隔热材料和性能优良的隔热砖。
1.3窑外分解窑对耐火衬料的需求
70年代中期，在预热器窑生产的基础上，出现了窑外分解窑，在窑尾预热器系统内增设分解炉，从冷却机抽热风通过三次风管入分解炉内作燃烧空气。分解炉内燃料提供的热量供生料分解用，煅烧熟料的热量由窑头燃烧器提供。由于生料分解所需的热量较熟料煅烧的热量多，在生产过程中，约60％的燃料由分解炉提供，而40％的燃料由窑头燃烧器供应，因而在同一直径的窑，产量几乎增加了1倍以上，热耗相应降低。窑外分解窑出现后，就成为水泥生产技术发展的主流，在世界各国广为发展。窑外分解窑是从预热器窑技术发展的，耐火材料的技术要求基本和预热器窑接近，差别在于：
(1)在相同产量的情况下，窑外分解窑在烧成带的热力强度较预热器窑有较大程度的下降，入窑物料分解率提高，烧成带的窑皮长度较预热器窑有所增长，窑内同一部位使用相同材质的耐火砖，则砖的使用周期有所提高。
(2)窑尾物料分解率提高，窑尾废气温度增加，窑料内所含的碱氯硫相同的情况下，窑外分解窑在预热器系统下部设备内的衬砖所遭受的碱氯硫侵蚀较预热器窑重些。
(3)窑速加快至3r/min，对窑内衬砖的热震破坏和机械应力增大。
2窑外分解窑生产技术的进展
窑外分解窑出现以来，窑的热效率和单机生产能力大幅度提高，促进了水泥工业向大型化、现代化的发展，与耐火材料有关的主要表现在：
2.1生产能力大型化
70年代水泥熟料生产线主要规模为1000～4000t/d，80年代为3000～5000t/d，90年代为4000～10000t/d。世界上已投产的日产5000t熟料以上规模的生产线超过80条，7000t以上生产线接近30条，9000～10000t生产线为4条，正在兴建的最大规格窑为Φ6.2m×105m，日产12000t熟料生产线。
2.2先进的水泥熟料生产技术
2.2.1生料均化技术
生料均化技术主要包括矿山计算机三维开采、预均化堆场、在线测试控制、精度高的计量秤、均化库，确保了入窑生料成分和数量的均匀，保持了窑的稳定生产和产品质量优良。
2.2.2熟料煅烧技术
熟料煅烧装备由预热器、分解炉系统、回转窑、篦冷机、燃烧器等项装备组成，主要技术进展为：
(1)预热器、分解炉系统的性能和效率进一步完善与提高，预热器由4级逐步增加到6级，分解炉能使不同性能的原燃料分解和燃烧。系统的入窑物料分解率已增至95％，窑尾废气温度提高至1200℃以上。
(2)入窑物料分解率逐步增加，窑的长度逐步缩短，长径比从>15下降到10～11，转速从3r/min，逐渐提高到4r/min以上，窑的容积产量从2.5t熟料/m3.d，提高至5t熟料/m3.d以上。
(3)高效率的充气梁篦冷机逐步取代厚层篦冷机，热效率从68％～70％提高至76％以上，入窑二次风温提高至1200℃，入分解炉三次风温接近900℃。(4)多风道燃烧器广泛应用，此类燃烧器不仅用于烧油，更多的适用于烧煤和工业废燃料，做到不同燃料混烧，燃烧器火焰集中，气温高，还可减少NOx的排放。
上述装备组成的烧成系统热耗，70年代一般为3350～3550kJ/kg熟料，筒体散热损失为450kJ/kg熟料，窑运转率85％左右，
90年代技术先进的大型窑外分解窑6级预热器的热耗低于2900kJ/kg熟料，筒体散装损失低于200kJ/kg熟料，窑运转率提高至95％以上。
2.3生态化水泥生产技术
2.3.1燃料结构的变化
早期的窑外分解窑所用的燃料主要为燃油，70年代的石油危机造成燃油价格上涨，价格低的燃煤逐步取代燃油。燃煤所含的挥发分、灰分、热值、硫含量变化较大，燃烧较燃油困难，总的说来，在生料设计中，必须考虑燃煤灰分沉积在窑料内作为熟料成分，而分解炉设计时，必须考虑足够的燃烧时间，确保燃料燃烬，燃烧器设计必须考虑火焰有利于熟料煅烧。在烧煤的基础上，一些工业化国家从80年代中期开始，逐步使用价格更为便宜的工业废燃料，如石油焦、废轮胎、废机油、废塑料及有毒有害工业废弃物等，且愈来愈多。
2.3.2污染物排放控制
从80年代起，工业化国家在水泥生产过程中，加强了有害物排放的控制，主要为CO2、NOX、SOX、粉尘以及六价铬造成的水污染等，上述物质的排放制定了严格的控制指标，在水泥熟料生产控制过程中，一些技术先进的水泥熟料生产线均能满足环保控制的需求.
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