水泥窑耐火砖化学损坏机理及应对措施-耐火材料行业知识-耐火砖高铝砖刚玉砖浇注料河南耐火材料厂-宏泰耐材

水泥窑耐火砖化学损坏机理及应对措施

刘彦伟马淑龙陈宗凯周伟

（金隅冀东公司水泥唐山分公司 063000 北京金隅通达耐火技术有限公司10000）

摘要：水泥的整个生产工艺通常概括为“两磨一烧"，其中“一烧"就是把经过粉磨配制好的生料，在水泥窑窑的高温作用下烧成为熟料的工艺过程。随着近年来熟料不断提产，水泥窑速不断提高，窑煅烧温度也不断加强，越来越多的生产线开始处理垃圾、危废等物质，这样给水泥窑内耐火砖使用寿命带来了巨大挑战。在实际生产中，化学因素造成耐火砖的损坏不断发生，研究化学因素损坏耐火砖机理，找到应对措施可以有效延长耐火砖使用寿命，同时也使可以达到节能降耗、节约成本的目的。

关键词：水泥窑；耐火砖；化学因素；损坏机理

0 引言

回转窑是水泥生产中最重要的设备之一，整个熟料煅烧过程基本都在回转窑内完成，回转窑运转的好坏直接关系水泥厂效益高低。耐火砖在回转窑中主要作用是保护窑筒体不受高温气体和高温物料的损毁，保障生产的正常运转，另外还会起到节能降耗的作用。在水泥生产中，耐火材料异常损毁导致停窑事故频发，耐火材料使用成为制约水泥窑高效运转的关键环节。水泥窑耐火砖受到热因素、化学因素和机械应力等的综合影响，损毁方式多种多样。多年来，耐火砖在回转窑受窑速增加，窑温提高工艺工况变化及水泥窑协同处置的影响，化学因素是导致耐火材料损毁的重要方式。

1 耐火砖分类

水泥窑中常见的耐火砖可以分为两大类，碱性砖和非碱性砖。碱性砖：高温性、抗碱性、热膨胀大（VDZ砖型为主），非碱性砖：节能性、储存期长、热膨胀小（ISO砖型为主）。

碱性砖：镁铁尖晶石砖、电熔镁铝尖晶石砖、镁白云石砖等。非碱性砖：特种硅莫红砖、低导热莫来石砖、高致密砖和高强耐碱砖等。

一般情况下，碱性砖用于回转窑上下过渡带，烧成带等部位，非碱性砖用于分解带、安全带及冷却带等部位。以φ4.8×72m水泥窑为例，耐火砖一般配置如图1所示。

图1 水泥窑耐火砖配置图

2 耐火砖化学因素损坏机理及分析

一般情况下耐火砖化学损坏包括盐碱侵蚀渗透（碱爆）、氧化还原爆裂和水化裂纹等因素^[1]。

2.1 盐碱渗透（碱爆）

碱盐渗透是指气相碱盐化合物渗入砖体空隙内冷凝和固化，在砖体形成碱盐的水平渗透层。碱盐渗透造成的砖损坏从残砖剖面可以看到明显的碱盐水平渗透层，上过渡带主要是KCl渗透沉积，下过渡带主要为K₂SO4渗透沉积，碱盐渗透造成渗透层与原砖层性能不一致，伴随热震剥落。^[2]碱盐渗透的耐火砖损坏一般有以下特点：

1）碱盐渗透造成的耐火砖损坏可明显看到耐火砖分层颜色变化（图2a所示）；

2）耐火砖碱盐渗透后各层之间的化学成分相差较大（图2b所示）。

a b

图2 耐火砖碱盐渗透损坏特点

碱盐渗透造成的耐火砖损坏改进措施：选择抗碱盐渗透性能好的耐火砖，同时尽量减少入窑的碱盐含量。

2.2 碱盐侵蚀（碱爆）

碱盐侵蚀是指水泥窑中的Na/K等碱元素与耐火砖中的Al₂O₃和SiO₂反应形成碱爆，造成耐火砖损坏。碱盐侵蚀主要表现在砖体工作面呈现膨胀性的整体开裂，窑内碱硫摩尔比ASR＞1时，游离的K₂O（Na₂O）与非碱性砖的铝硅系物质发生化学反应，生产膨胀性的矿物，尤其是生成的霞石（NAS₂），体积膨胀增大可以达到35%。^[3]

碱对铝质耐火砖侵蚀，其化学反应如下；

A₃S₂+16SiO₂+3K₂O→3KAS₆（正长石）

A₃S₂+10SiO₂+3K₂O→3KAS₄（白榴石）

2A₃S₂+8SiO₂+6K₂O→6KAS₂（钾霞石）

碱盐侵蚀,碱盐在高温层侵蚀砖中的方镁石及结合相而使高温层疏松,使水泥熟料大量渗透和侵蚀而形成致密的变质层;碱盐在低温层的析晶、沉积,使致密的变质层变厚。而致密且较厚的变质层在温度波动时将导致方镁石-镁铝尖晶石产生严重的结构剥落。^[4]具体表现形式见图3所示。

图3 碱盐侵蚀造成的耐火砖致密变质层

碱盐侵蚀造成的耐火砖损坏改进措施：控制碱硫比ASR在1左右，尽量选择耐碱性能好的耐火材料，保证耐火材料尽量低的气孔率和杂质量。

2.3 氧化还原爆裂

耐火砖氧化还原爆裂主要表现为砖体工作面发白或非工作面发黑（重烧后可返色），且砖体结构爆裂，砖内的两价铁和三价铁随着窑内氧化气氛和还原气氛波动而发生体积变化，造成结构剥落。一般对含铁元素的耐火砖影响较大，例如镁铬砖、镁铁砖等。氧化还原爆裂对耐火砖影响如图4所示。

图4 耐火砖氧化还原影响

氧化还原造成的耐火砖损坏改进措施：采用低铁无铬砖，尤其是配置协同处置的水泥窑更要把搭配好燃料和空气比，改善煤粉细度。

2.4 水化裂纹

水化裂纹主要表现为砖体表面发白，水化程度较大者呈现蜘蛛网状碎裂，形成的原因主要是氧化镁与空气中的水反应生成氢氧化镁，体积增加开裂。水化裂纹造成的耐火砖损坏表现如图5所示。

图5 耐火砖水化裂纹

耐火砖水化裂纹改进措施：储存耐火砖必须在室内干燥储存，注意通风，尤其是湿度大的南方或者雨季，过期镁砖不建议使用，耐火砖使用前必须仔细观察是否有水化裂纹。

3 结论

化学损毁是导致耐火材料损毁的关键因素，可根据耐火材料损毁现象分析耐火材料损毁的原因，然后针对性进行改进。另外不同公司遇到的耐火砖损坏方式也不尽相同，可根据耐火砖损坏情况结合水泥生产及耐火材料施工情况进行综合分析。降低化学因素导致耐火材料的损毁，可延长耐火砖服役寿命，保障水泥窑高效安全运转，同时达到节能降耗，节约成本的目的。