水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)是新型干法水泥生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備,。耐火材料是砌筑水泥窯內(nèi)襯的關(guān)鍵材料。一方面,，耐火材料的質(zhì)量?jī)?yōu)劣,、配套的正誤、維護(hù)的好壞都影響窯爐的效率;另一方面,，水泥窯操作對(duì)耐火材料的壽命也有重要影響,。所以，為提高耐火材料的使用效果,，需了解水泥煅燒條件對(duì)耐火材料的影響,。

新型干法水泥窯預(yù)熱系統(tǒng)的熱交換能力很好,。但是,，回轉(zhuǎn)窯部分的熱交換能力較差，降低了燒結(jié)能力,。因此,，水泥回轉(zhuǎn)窯需要提髙燒成溫度加以補(bǔ)償。水泥 回轉(zhuǎn)窯中火焰的最高溫度可達(dá)1700°C,，高溫作用十分強(qiáng)烈,。如果沒有窯皮的保護(hù)，裸露的耐火材料將很快損毀,。

隨著水泥窯產(chǎn)量的增大,，回轉(zhuǎn)窯的高溫負(fù)荷也逐步增大。當(dāng)產(chǎn)量從2000t/d 提高至7000t/d時(shí),，窯的截面熱負(fù)荷從4.2X10⁹cal/(m².h) (lcal = 4.18J,下同)提高至6.2X10⁹cal(m² · h),，高溫帶耐火材料表面的熱負(fù)荷約從3.0X10⁹cal/(m2 . h)提高至4. 8X 10⁹cal/(m² . h)，表面產(chǎn)量負(fù)荷也從8t/dm2提高 至 llt/dm²,。

大型預(yù)分解(PC)窯使用熱回收效率在60%以上的高效冷卻機(jī)以及使用燃燒充分,、一次風(fēng)比例又少的多風(fēng)道燒嘴,，窯頭還加強(qiáng)了密閉和隔熱。某ф4.7mX 74m預(yù)分解窯上,，二次空氣溫度達(dá)1150°C，窯尾氣流溫度達(dá)1050?1100°C (最高1200°C),，且離開窯筒熟料的溫度達(dá)1400°C,。它的過(guò)渡帶、燒成帶,、冷卻帶,、 窯門罩、冷卻機(jī)的喉部和高溫區(qū)以及燒嘴外側(cè)等部位的工作溫度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)水泥窯的相應(yīng)部位,。

高溫雖有利于水泥的燒成,，但會(huì)削弱耐火材料的性能，并加速對(duì)耐火材料的侵蝕,，致使耐火材料發(fā)生損壞,，影響耐火材料壽命。因此,，水泥預(yù)分解窯必須使用一系列新型耐火材料來(lái)取代傳統(tǒng)窖上原來(lái)采用的傳統(tǒng)材料,。例如.水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶的正火點(diǎn)(中心)部位需要使用高級(jí)鎂質(zhì)耐火材料，包括荷重軟論溫度> 1650°C的直接結(jié)合鎂鉻磚或優(yōu)質(zhì)無(wú)鉻堿性磚,。

如果水泥窯中的耐火磚部分損毀.剩余窯襯的厚度就會(huì)變小,，襯體的隔熱作用就會(huì)減弱，窯體表面溫度就會(huì)升高,。由此.將引起耐火材料損毀速度進(jìn)一步增加,。例如，高溫帶筒體溫度從正常溫度250?300°C增高達(dá)350?400°C時(shí),，窯體就會(huì)產(chǎn)生很大變形,。窯體和耐火材料之間就會(huì)出現(xiàn)熱膨脹差：某些情況下，這種差異可以使筒體和耐火磚之間出現(xiàn)很大空隙,，使耐火材料發(fā)生松動(dòng),，運(yùn)轉(zhuǎn)中的筒體和窯襯發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，耐火材料受到磨損,。另一些情況下,，窯體的膨脹受到整體性耐火耐火材料(如澆注料)的限制，窯體和耐火材料之間產(chǎn)生很大應(yīng)力：這種應(yīng)力可以將錨固件拔出或者損害錨固件周圍的耐火材料,。

傳統(tǒng)水泥窯的轉(zhuǎn)速為lr/min，大型預(yù)分解窯的轉(zhuǎn)速卻高達(dá)3?4r/min高溫,、高速和大直徑的預(yù)分解窯上,，窯體、窯襯的工作環(huán)境都要比傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)窯苛刻得多。

水泥回轉(zhuǎn)窯的筒體經(jīng)輪帶支承在托輪上,。筒體有很大自重,，又受到耐火磚、窯皮,、窯料重力的作用,，輪帶之間的筒體的橫截面上會(huì)產(chǎn)生的很大徑向變形。用筒體測(cè)量?jī)x對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的窯體進(jìn)行連續(xù)測(cè)量,，可以顯示出茼體水平直徑和垂直直徑的尺寸差達(dá)0.3%,，有時(shí)甚至達(dá)到0.6%?0.7%。運(yùn)轉(zhuǎn)中·窯體每轉(zhuǎn)一圈,，筒體的曲率都會(huì)發(fā)生周而復(fù)始的改變,，耐火材料內(nèi)襯將不可避免地受到窯體周期性擠壓力以及磚圈內(nèi)部中平衡應(yīng)力的作用，在疲勞載荷的作用下發(fā)生損壞,。

此外,，制造、安裝的誤差,，托輪調(diào)整不當(dāng),，以及窯基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降等原因，也能使窯體的彎曲超過(guò)允許值,，使筒體失去直線性和圓整性,。若彎曲發(fā)生在端部，將使端部筒體發(fā)生跳動(dòng),，導(dǎo)致窯頭,、窯尾漏風(fēng)、密封裝置和耐火材料損壞,。若發(fā)生在傳動(dòng)齒輪處,，則使大小齒輪嚙合不均勻，引起振動(dòng),，導(dǎo)致耐火材料發(fā)生松動(dòng),、“抽簽”、掉磚或承受過(guò)大機(jī)械應(yīng)力作用而損壞,。

水泥回轉(zhuǎn)窯所用耐火磚的冷端受到窯體的擠壓力P作用，兩個(gè)側(cè)面受到磚圈平衡壓力f的作用,。筒體和耐火磚所受的外力平衡如圖2-3所示,。

根據(jù)平衡條件，窯體對(duì)耐火磚的擠壓力P,、耐火磚圈中的平衡反力f,、耐火磚所對(duì)圓心角a之間滿足以下關(guān)系(忽略磚的重量)：

根據(jù)圖中所示幾何條件可知,，回轉(zhuǎn)窯直徑D和圖中所示耐火磚大頭(冷端)尺寸ι2、耐火磚小頭(熱端)尺寸ι1,、耐火磚的高度h以及耐火磚所對(duì)的圓心角a之間近似滿足以下關(guān)系,。

分析表明：耐火磚的高度h和厚度L2都是相對(duì)固定的，沒有太大的調(diào)整余地,。如果高度h過(guò)低,，耐火磚的隔熱性太差，磚的熱端稍一損毀,，窯體溫度就會(huì)上升超過(guò)上限，導(dǎo)致停窯換磚;但高度h過(guò)大,，磚的重量也大,，就會(huì)使窯體產(chǎn)生過(guò)大的變形，也會(huì)使耐火材料受到損害,。與此類似,，磚的厚度L2過(guò)低，磚坯太薄,，不易壓制,。但厚度L2過(guò)高，又不易壓透,。由此,，依式(2-3)可知，窯徑D 增大之后,，L2不變,、h不變，就需要增大磚的小頭尺寸L1,，或減少大小頭尺寸差 L2一L1才能使等式成立,。由式(2-4)可知，窯徑D增大后,，L2不變,，則會(huì)減小耐火磚對(duì)應(yīng)的圓心角a。

以下,，分析窯徑對(duì)耐火磚所受應(yīng)力的影響,。由圖2-3和式(2-1)可知：a角減小后必須增大耐火磚側(cè)面受到的反力f才能平衡磚塊受到的窯體擠壓力P。f增高,，就增大了耐火材料所受的機(jī)械應(yīng)力,，導(dǎo)致耐火材料損毀加快。例如：φ=4m的回轉(zhuǎn)窯上耐火材料的壽命為兩年;相同材料用φ=6m的窯上,，壽命只有半年,。

在高溫作用下，預(yù)分解窯中K20,、SO2,、KCl等組分揮發(fā)后，又經(jīng)預(yù)熱器,、增濕塔,、電收塵的多級(jí)搜集，重新進(jìn)人回轉(zhuǎn)窯內(nèi),。當(dāng)窯的堿,、硫、氯的平衡建立后,，上述揮發(fā)性組分在窯內(nèi)有很高的濃度.顯著影響水泥生產(chǎn)和耐火材料的壽 命,。PC、SP (懸浮預(yù)熱器)窯系統(tǒng)內(nèi),，窯料的SO3含量和原料相比富集3?5 倍,，R2O的含量富集5倍，CI的含量更富集髙達(dá)80?100倍,。

揮發(fā)性組分的含量大增,，使最熱兩級(jí)預(yù)熱器、預(yù)分解爐,、上升煙道,、喂料斜坡和窯筒后部1/3的部位，也即所有磚面溫度為800?1200°C的部位(當(dāng)原,、燃料含氯高時(shí)更擴(kuò)及600?120CTC的部位),，窯料中形成2C₂S . CaCO₃、2C₂S . CaSO₄,、2CaS0₄ .K₂SO₄, KCl和二次CaSO₄等結(jié)皮的特征礦物,，裹帶其余窯料在襯里上形成結(jié)皮，干擾窯的正常運(yùn)行,，嚴(yán)重時(shí)被迫停窯檢修,。

硅鋁系耐火磚受來(lái)自于窯料滲人磚內(nèi)的堿性化合物等的侵蝕，形成膨脹性的鉀霞石(K₂O . Al₂O₃ . 2Si0₂)和白榴石(K₂0 · Al₂O₃ . 4SiO₂),使磚“堿裂” 損壞,。窯料含R2O>l%和Cl>0.01%時(shí),，這種現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。當(dāng)出窯熟料含堿等過(guò)高時(shí),，連冷卻機(jī)熱端,、窯門罩和三次風(fēng)管道中的普通黏土磚和高鋁磚也會(huì)因堿裂而損壞。

預(yù)分解窯遠(yuǎn)比傳統(tǒng)水泥回轉(zhuǎn)窯復(fù)雜,。預(yù)分解窯由冷卻機(jī),、三通道燒嘴、窯門罩,、窯體,、窯尾煙室、三次風(fēng)管,、分解爐,、預(yù)熱系統(tǒng)、風(fēng)機(jī),、增濕塔,、電收塵等幾大部分組成。任何一個(gè)部分出現(xiàn)問題都可能導(dǎo)致生產(chǎn)終止,。

水泥預(yù)分解窯結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不同的部位要求使用不同型號(hào),、規(guī)格的耐火材料。 4000t/d預(yù)分解窯上磚型多達(dá)100種以上;2000t/d的窯上,，也需使用80多種， 生產(chǎn)和施工管理極為復(fù)雜,。因而,，需要窯襯設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、制造過(guò)程的現(xiàn)代化,、 施工過(guò)程的規(guī)范化,。第一，盡力避免采用復(fù)雜的磚型.設(shè)法用少數(shù)幾種形狀的磚組合成復(fù)雜的砲體結(jié)構(gòu),。比如,，采用CAD技術(shù)簡(jiǎn)化窯襯設(shè)計(jì)，盡可能更多使用不定形耐火材料,，以降低工程造價(jià),。第二，采用先進(jìn)的管理和現(xiàn)代化的設(shè)備,，制造出品質(zhì)優(yōu)良,、性能穩(wěn)定的耐火材料，使材料具有良好的耐高溫,、抗侵蝕,、抗熱震、適度的機(jī)械強(qiáng)度等性能和精確的外形尺寸,。第三,，嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行耐火磚砌筑和澆注料施工，合理維護(hù)耐火材料,，杜絕不正確的貯存,、運(yùn)輸,、施工和維護(hù)辦法。這樣,，就可使材料充分發(fā)揮性能,，獲得最長(zhǎng)的窖襯壽命。

我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分迅速,，對(duì)能源的需求也節(jié)節(jié)攀升。眾所周知20世紀(jì)70年代以來(lái),，中東石油資源消耗很快,，對(duì)石油的爭(zhēng)奪異常激烈。很多時(shí)候,，戰(zhàn)爭(zhēng)因爭(zhēng)奪石油而起,，政治決定著世界石油價(jià)格。例如.第四次中東戰(zhàn)爭(zhēng),、兩伊戰(zhàn)爭(zhēng),、 海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)都使油價(jià)飛漲,。2007年,，美國(guó)次貸危機(jī)發(fā)生后向市場(chǎng)注人過(guò)多的流動(dòng)性，又使油價(jià)增至100美元/桶的新高,，如圖2-4所示,。

由圖2-4可知，每當(dāng)國(guó)際形勢(shì)發(fā)生變化時(shí),，世界石油價(jià)格就會(huì)扶搖直上,。國(guó)際油價(jià)增高之后，煤炭?jī)r(jià)格就可能水漲船高,。近年來(lái),，我國(guó)煤炭?jī)r(jià)格上升很快。 以秦皇島發(fā)熱量為23000kJ/kg的山西優(yōu)混煤炭為例：2001?2003年9月價(jià)格為 260?280元/t, 2004年11月猛漲至425元/t,上漲幅度高達(dá)57%,。2005年秦皇島山西優(yōu)混煤炭?jī)r(jià)格與2004年相當(dāng),。2006年8月山西優(yōu)混煤炭?jī)r(jià)格為405 元八。由于中東局勢(shì)緊張,、石油資源儲(chǔ)備不足,，煤炭的價(jià)格將長(zhǎng)期維持高位。

煤炭?jī)r(jià)格的上揚(yáng),，將增加火電成本,，進(jìn)而又引起電價(jià)增高。由此,，煤電價(jià)格一起上漲就將備受產(chǎn)能過(guò)剩折磨的水泥行業(yè)雪上加霜,。近年來(lái),，落后的工藝逐步被淘汰，經(jīng)營(yíng)不善的企業(yè)紛紛落馬,。例如,，一臺(tái)o5mX170m的干法長(zhǎng)窯，能力為1500t/d,。全窯散熱面積達(dá)2670m2,，相當(dāng)于I. 78m2/t熟料。但是,，能力為17651/￡1的?0 5級(jí)預(yù)熱器窯筒(o3.4m*48m)的散熱面積只有512m2,，相當(dāng)于0.29m2/t熟料，僅對(duì)比窯筒部位單位產(chǎn)量的散熱面積時(shí),，前者就為后者的6倍之多,。所以，前者窯筒散熱損失高達(dá)164kcal/kg熟料(lkcal = 4.18kj,，下同),，后者只有38kcal/kg熟料，相差達(dá)126kcal/kg熟料之多,，這就是一些傳統(tǒng)水泥被被新型干法水泥窯取代的原因,。

需要指出，水泥預(yù)分解窯窯尾系統(tǒng)的外表面積很大,，需要設(shè)法減少預(yù)熱系統(tǒng)的散熱，才能取得更好的節(jié)能效果,。由于預(yù)熱系統(tǒng)的工作溫度不高,，機(jī)組又靜止不動(dòng)，外殼只用普通鋼板制成,。在預(yù)熱器,、預(yù)分解爐、上升煙道等處,，采用1層工作層和1?2層隔熱層組成的復(fù)合襯里.就可以使得鋼板表面溫度不超過(guò) 100°C',，實(shí)現(xiàn)預(yù)分解窖系統(tǒng)的節(jié)能。

目前,，我國(guó)和發(fā)達(dá)國(guó)家處于不同的經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段,。我國(guó)新型干法水泥窯的主要問題是高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì),、低消耗和長(zhǎng)期安全運(yùn)轉(zhuǎn),。耐火材料的主要損壞因素是高溫、侵蝕,、熱震和機(jī)械應(yīng)力,。這和20世紀(jì)80年代前后發(fā)達(dá)國(guó)家的情況類似,。圖2-5顯示了不同歷史階段發(fā)達(dá)國(guó)家水泥窯面臨的主要問題。

由圖2-5可知以下幾點(diǎn),。

①1963?1968年,，熱震 和侵蝕是堿性材料的主要損毀原因。隨著操作的改善和直接結(jié)合鎂鉻磚的應(yīng)用,，這一問題得到逐步解決,。

② 1968?1978年，機(jī)械應(yīng)力是主要損毀原因,。機(jī)械應(yīng)力很大程度是由窯體變形而引起的,。機(jī)械制造技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)提高減少了窯的變形，耐火磚因機(jī)械應(yīng)力而發(fā)生的損壞隨之減少,。

③1978?1983年,，開始大量使用煤和替代燃料，氧化還原問題出現(xiàn),。這一問題又因燃燒技術(shù)改善而得到緩解,。

④ 1978年以后，使用替代燃料越來(lái)越多,，替代燃料帶有的揮發(fā)性組分増大了鹽侵蝕,。近年，鹽侵蝕是發(fā)達(dá)國(guó)家面臨的主要問題,。

當(dāng)前,，發(fā)達(dá)國(guó)家水泥窯用耐火材料損壞的原因?yàn)椋?/span>高溫作用23%;高溫化學(xué)和鹽侵蝕和為23%;機(jī)械、熱化學(xué)和鹽綜合破壞23%;鹽侵蝕為17%;機(jī)械 和熱化學(xué)綜合破壞8%;氧化還原1%;其他5%,。簡(jiǎn)言之·高溫和鹽浸蝕是發(fā)達(dá)國(guó)家水泥窯的主要破壞因素,。今后，我國(guó)水泥工業(yè)將從擴(kuò)張規(guī)模,，轉(zhuǎn)向以提高效益為主,，節(jié)能得到日益重視，利用低品位原燃料和廢棄物也提上了日程,。今后,，我國(guó)的水泥工業(yè)也將面臨發(fā)達(dá)國(guó)家目前的問題。