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水泥窑用耐火材料出了问题，原因可能出自耐火材料，也可能出自水泥制造。甚至，耐火材料和水泥制造都是问题的原因。 为了更好选择和使用耐火材料，耐火材料的提供者也需要深入地了解水泥的生产条件。本文对决定水泥生产中的熟料形成、燃料、燃烧、传热等进行扼要讨论。 一、水泥熟料的形成 水泥熟料的主要矿物成分是C3S、C2S、C3A和C4AF0C3S主要起提供早期强度的作用;C2S起提供后期强度的作用;C3A对凝结有很大的影响，又和C4AF—起作为熔剂矿物，起降低烧成温度的作用。 一般情况下，水泥熟料中的CaO由石灰石引入，SiO2和Al2O3由硅铝质原料引入，Fe2O3由铁粉引人。水泥生产可概括为“两磨一烧”。其中，粉磨原料的主要作用之一是提高生料的比表面积，以提高高温反应的效率。烧成主要是借助高温改变原料的形态，使之从自然界中稳定的物质转变为不稳定的或可水化的物质。粉磨熟料的主要作用之一是提高熟料的比表面积，加快水泥的水化反应。水泥熟料的形成主要分为以下几步。 ① 水分蒸发：人窑生料带有一定数量的自由水。当温度升高后，水分开始蒸发。于100〜150℃，全部自由水分排出。 ② 黏土脱水：当温度升至450℃时，黏土中的高岭石(Al2O3 . SiO2 · 2H20)发生脱水反应，脱出其中的结晶水。 ③ 碳酸盐分解：当温度升至600℃时，碳酸镁开始分解;至750℃时，碳酸镁的分解速率到达最大。当温度升至800°C时，碳酸钙开始分解;至900°C时，碳酸钙的分解速率达到最大。 ④ 固相反应：800〜900°C时，石灰石分解出来的CaO和黏土中的A1203、 铁粉中的Fe2O3反应形成CA、CF。900〜1100℃，石灰石分解出来的CaO和黏土中的SiO2反应形成C2S。1100〜1300℃时，形成C3A、C4AF。 ⑤ 烧成反应：从1300〜1450℃，再从1450°C降至1300℃，C2S和剩余的 CaO反应形成C3S。C3S的形成是水泥烧成的关键步骤。这一过程的好坏直接影响水泥的质量。 ⑥ 冷却过程：温度降至1300°C以下，C3A、C4AF开始析晶。熟料开始变得硬起来，对耐火材料产生强烈磨损。同时，C2S也有可能从可水化的β-C2S。，转化为不水化的γ-C2S。为防止C2S的转化，需要快速冷却熟料。熟料形成过程中的热效应如图11-1所示。 从图11-1可知，水泥制造中最大的吸热反应是碳酸钙分解，最大的放热过程是熟料的冷却。为提高产量，新型干法水泥窑专门设计了一个分解炉，向内喷吹燃料，在悬浮态下进行碳酸钙的分解。同时，水泥窑设置了一个庞大的冷却 机，向内大量喷吹空气。一方面对熟料进行急速冷却，防止发生β-C2S→γ-C2S 的相变;另一方面回收熟料带出的热量。为进一步降低热耗，又设置了余热发电系统以最大限度地回收排出窑外气体中的余热。 二、生料的细度和熟料的成分 水泥生料中结晶石英的含量、细度、均匀性和化学成分直接影响生料的易烧性，对熟料的烧成有重要的影响。 一般情况下，生料磨得越细，成分越均匀，窑内生料中的各组分彼此接触就越紧密，扩散距离就越短，熟料烧成反应就越充分和迅速。但是，当细度降低至0.088mm方孔筛筛余10%以下时，随筛余的减少，粉磨的电耗就会显著增加。 因此，要求水泥生料的细度为0.088mm方孔筛筛余约10%，0.20mm方孔筛筛余<1%。如果原料含有较多石英质物质和粗品质石灰岩，生料细度应更细：0.088mm方孔筛筛余为5%〜8%。 水泥熟料的化学成分可用硅酸率SM、铝率IM和石灰饱和系数KH三个率值表示。其中，硅酸率的表达式如下： 硅酸率表示了水泥熟料中硅酸盐矿物C3S、C2S对熔剂矿物C3A和C4AF的 比值，反映了烧成中液相的多少和烧结的难易。一般情况下，SM的数值在 1.7〜2.7之间。对于新型干法窑，SM值最好在2.2〜2.5之间。如果SM过高， 烧成时液相过少，烧结困难，易于粉化。如果SM过低，烧成时易出现大块，结圈等故障，影响窑的操作。 铝率表示了熟料中熔剂矿物C3A和C4AF的比例。一般情况下，水泥熟料的铝率为0.8〜1.7。如果铝率过髙，熟料中C3A含量高，C4AF含量低，液相黏度大，物料难烧，水泥容易急凝。如果铝率过低，烧结温度过窄，窑内易结大 块，也不利于窑的操作。铝率的表达式如下： 石灰饱和系数是所能形成C3S、C2S的CaO含量，和全部SiO2形成C3S所能吸收的最大CaO含量的比值。 式(11-3)的适用条件为IM≥0.64。 一般情况下，KH在0.84〜0.94之间。如果采用矿化剂配料，KH可以提高至0.96以上。如果KH过高，熟料很难烧成，特别是f-CaO含量很难降低，不仅安定性不好，而且强度也不高。 水泥的易烧性和耐火材料的寿命关系很大。如果水泥好烧，窑皮好挂，耐火材料的寿命就长;反之，耐火材料的寿命就短。一方面，各水泥厂家的工艺、原料、设备情况千差万别;另一方面，水泥生产条件和所用耐火材料也要互相适应。由此，才能取得良好的使用效果。 通常，水泥厂采用石灰石、黏土、铁粉三种原料，只有两个配料自由度。但是，熟料有三个率值。因此，用两个配料自由度去精确控制三个率值是不可能的。很多情况下，水泥厂只好采用“最小二乘法”或“凑和法”设法使熟料具有 最接近理想条件的率值。常常，熟料的硅率和铝率彼此正相关，一升俱升、一降俱降。所以，必要时水泥企业还需使用硅质或铝质校正原料。 最早，水泥回转窑采用低硅高铁配方，这和使用黏土砖、三级高铝砖作为窑衬是互相适应的。后来，采用磷酸盐砖作为窑衬时，在很多水泥企业出现了挂不上窑皮的情况。经过分析，原中国建筑材料科学研究院的专家发现原因在于随着 耐火材料性能的提髙，耐火材料的“发汗温度”也随之增加，因而产生挂不上窑皮的问题。于是在制造时掺加了黏土，降低了磷酸盐砖的“发汗温度”，解决了挂不上窑皮的问题。 在磷酸盐砖改用镁质耐火材料时，又有很多的企业出现挂不上窑皮的问题。 经过分析，原中国建筑材料科学研究院的专家发现其原因还是由于随着耐火材料性能的提高，耐火材料的“发汗温度”增高而引起的。由于耐火材料的“发汗温度”高于窑皮的“烧流温度”，因而产生挂不上窑皮的问题。于是通过改变水泥熟料的配方，提高铝率和硅率，又解决了挂不上窑皮的问题。 目前，我国的水泥工业已比过去强大许多，生产设备也非常先进，还有很多前所未有的新型耐火材料。但是，依然面临不少困难。目前，需要解决的一些问题和过去可能相似。所以，查阅一下尘封的技术资料，也许会有意想不到的收获。 三、燃料和燃烧
1 1.燃料 水泥生产采用煤作为燃料。原煤由可燃质灰分和水分组成。可燃质又分为挥发分和固定碳。煤可分为无烟煤、贫煤、烟煤和褐煤几种。 ① 在无烟煤的可燃质中，固定碳含93%〜98%，挥发分小于10%。无烟煤属于低反应能力燃料，着火困难，燃烧不尽。挥发分<5%的无烟煤燃烧更加困难。 ② 贫煤的挥发分在10%〜20%之间。贫煤比无烟煤活性要高，但仍属于难反应的煤种。有一部分水泥厂使用贫煤。 ③ 烟煤的挥发分含量>14%，反应性较强，是水泥厂最常用的燃料。如挥发分含量>40%时，烟煤具有易于自燃和爆炸的特点，要注意防止事故。随着灰分的增加，烟煤的热值降低，反应活性变小。 ④ 褐煤是碳化程度较低的煤，具有髙挥发分、高水分、低热值的特点。燃烧时，褐煤形成的燃烧温度较低。 一般情况下，新型干法窑要求煤的水分<2%，灰分<30%，挥发分18%〜 30%，干燥基低热值21000kJ/kg，细度0.088mm方孔筛筛余约10%。 灰分过高，会使煤的燃烧特性变差。灰分过高的煤不易着火，燃烧稳定性和燃净性能都不好。此外，灰分过高还会影响熟料的配比，引起结圈、结皮等问题。水分过髙，煤粉着火时首先要蒸发和吸热，蒸发后会稀释氧气浓度。所以-也不利于着火和燃烧。 挥发分是影响煤粉着火的重要因素之一。挥发分含量增加，着火温度降低，火焰传播速度加快，不完全燃烧损失减小。当使用挥发分含量低、反应能力弱的煤种时，要将煤粉磨得更细一些。图11-2表明了挥发分V含量对灰分A=6%的煤的火焰传播速度的影响。 细度也是影响煤粉着火的重要因素之一。煤粉磨得细，比表面积大，和空气接触机会多，燃烧速度快，燃烧程度完全，在单位时间放出的温度高，就能提高窑内的火焰温度。粗粒煤粉燃烧温度低，不易燃烧完全，还会引起窑内产生还原气氛。
2 燃烧 一般情况下，煤粉的燃烧分为以下几个阶段： ① 煤粉与助燃空气的混合; ② 被加热后，煤粉释放出挥发分; ③ 挥发分着火，放出热量，创造了进一步燃烧的条件; ④ 固定碳着火燃烧，直至燃烬。 一般情况下，燃烧的空气过剩系数控制在1.05〜1.15之间。确定总的空气 量后，再考虑一次、二次空气量的比例。燃烧的初期，煤粉的燃烧速度受化学反应速率的限制，简称“化学控制”;燃烧的中后期，受向边界层输送氧气，移出反应产物的限制，简称“扩散控制”。图11-3显示了炭粒的燃烧过程。 早期，水泥窑喷煤嘴采用单通道结构。一次风量占总燃烧风量的20%〜30%。一次风的主要作用是输送煤粉和提供挥发分燃 烧需要的空气。二次风的主要作用是供固定碳燃烧之用。由于二次风不与燃料混合，故可以在冷却机中被出窑熟料预热至较高的温度，以加快燃烧和节省能耗。二次风温度的高低与冷却机的换热效率有关。 水泥窑的烧成带长度和火焰长度有关。使用单通道煤嘴时，烧成带长度大致为火焰长度的0.6倍。一般情况下，煤粉燃烧时间越长，火焰也越长。如果煤粉较细、煤粉与空气混合较好，提高一次风的比例，会提髙燃烧速度，缩短火焰。 如果混合不好，提高一次风的比例，会增加煤粉射程，使火焰加长。图11-4显示了煤粉着火燃烧的情况。 单通道煤嘴的主要缺点是一次风对 煤风混合、二次风抽吸的作用甚小，不便调节火焰。所以，开发出的多通道煤嘴具有以下优点：一是降低一次风的用量，增加二次风的利用，提高 热效率;二是增加煤粉的混合，提高燃烧速度;三是加强对二次风的携带，提高火焰温度;四是增加对 各通道风量、风速的调节手段，灵活控制火焰形状和长度;五是有利 于利用低挥发分、低活性燃料;六是提高水泥产量，改善质量，减少能耗和降低NOi排放。 如图11-5所示是KHD公司为利用褐煤、石油焦开发的PYRO-Jet燃烧器。 图11-5中梭式燃烧器的结构如下。 1.燃烧器的中心是可通液体或气体燃料的点火器; 2.内流通道：出口带有螺旋风翅的漩流助燃空气通道; 3.中间通道：固体燃料通道; 4.外流通道：8-18个风嘴沿喷嘴外圆呈环状排列，喷出空气; 5.喷嘴的作用是将二次空气卷进烧嘴，以加快固体燃料的燃烧。 采用PYROJet燃烧器后，一次空气量从12%〜16%降低至6%〜9%，可 节省6%〜8%的燃料，可降低NOj排放，还可很好地燃烧煤、油、气和石油焦等多种燃料。 四、窑料的运动和传热
1 窑料的运动 当物料喂人回转窑后，由于窑体有一定的斜度，又以一定速度旋转，就会带动窑料从位置较高的窑尾向位置较低的窑头运动，如图11-6所示。 根据理论分析与实验得出窑内物料的运动速度的经验公式如下:
对于一定的窑，窑径和斜度是固定的，只有转速可以最为有效地调控窑料的运动速度。当加快转速时，窑料的运动速度加快。如果喂料量不变，窑内料层就会减薄。当降低转速时，窑料的运动速度减慢。如果喂料量不变，窑内料层就会增厚。 当实施薄料时，窑料与窑气热交换好，窑料温度均勻，窑内积料少，有利于防止硫碱大块、硫碱圈的形成。如果具有旁路系统，采用薄料快转工艺有利于硫碱的挥发，因而有利于排出有害组分。
2 窑内的传热 水泥回转窑中传递的热量(Q)分为火焰(f)、通过辐射(R)和对流(C)、对窑料(m)的直接传热、火焰对窑衬(e)的传热、窑衬通过传导(Cd)和辐射对窑料的间接传热以及散失的热量(1)，如图11-7所示。
由图11-7可知，火焰通过辐射和对流将热量传给衬体(QfeR+QfeC)和窑料(QfmR+QfmC)。随着窑体的转动，窑料在窑内翻滚，窑衬表面周而复始地一会暴露窑气中，一会又被窑料埋住。当暴露于窑气中时，窑衬接受来自火焰的传热。当被窑料埋住时，窑衬就把吸收的热量传给窑料。窑料的上部接受火焰的传热，下部接受来自衬体的传热。 从图11-7可知，窑料上下表面的温度较高，中间的温度较低。但是，窑料中存在热传导，随着窑的转动和窑料的翻滚，表面的窑料会不断裹进料层内部，致使窑料内部温度提高。 五、回转窑的热负荷 水泥窑的热负荷用燃烧带容积热力强度qv、燃烧带表面热力强度qF以及燃烧带截面热力强度qA表示。
式(11-5)中，燃烧带容积热力强度是一个表示回转窑热力强度的粗糙方法，不便应用。燃烧带表面热力强度qF表示了单位面积窑衬单位时间内承受的热负荷，是一个比较合理的指标。但是，计算qF还需假定燃烧带长度L。所以，常常用燃烧带截面热力强度qA来表示回转窖的热负荷。
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