新形勢下水泥窯用耐火材料的研究與開發進展

王杰曾,袁 林

(瑞泰科技股份有限公司,北京 100015)

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新形勢下水泥窯用耐火材料的研究與開發進展

王杰曾,袁 林

(瑞泰科技股份有限公司,北京 100015)

本文論述了水泥工業的方向，分析了水泥生產的流程，找出了流程中的瓶頸，介紹了如何疏通上述瓶頸，將耐火材料的壽命從9個月提高到18個月，將耐火材料單耗從≥0.50 kg/t降低為≤0.30 kg/t，改進材料的經驗。

水泥窯用耐火材料； 環境友好； 工藝創新； 技術創新； 管理創新

1 引 言

當前，我國水泥工業連續下行。一方面，水泥生產能力嚴重過剩；另一方面，水泥企業效益大幅下滑。由于下游行業出了問題，耐火材料行業受到了影響。一些耐火企業已在蕭條中歇業，另一些企業仍在困難中堅持。今后，耐火材料企業只有不斷進行技術創新，制造物美價廉的產品，幫助水泥企業在節能減排、增收節支方面取得實效，才能贏得客戶的青睞，才能在殘酷的大洗牌中勝出，才能成為最終的勝者。以下，介紹瑞泰科技在開發水泥窯用新型耐火材料上取得的經驗。

2 水泥工業的發展及其對耐火材料的要求

1978年全國水泥產量為0.7億噸；1988年水泥產量2.1億噸；1998年，水泥產量5.4億噸；2008年產量14.2億噸；2014年產量達到24.8億噸，但2015年產量下滑到23.5億噸[1]，見圖1。

圖1 中國水泥產量的變化[2-5]Fig.1 Cement output in China[2-5]

由圖1，我國水泥產量已進入平臺期。2013年后水泥產量增速減緩，2014年水泥產量達到峰值，2015年水泥產量較2014年降低了1.3億噸，同比增幅為-5.2%。由于房價的暴漲，大量資金涌入建材行業，水泥產能快速膨脹；另一方面房地產庫存增加，水泥的需求減少[2-5]。因此，水泥產能嚴重過剩，水泥產量持續減少，水泥售價不斷走低，很多水泥企業處于困難狀態。

在一些場合，能源開支占水泥成本高達70%[6]。因此，節能對水泥企業意義重大。中國建材聯合會提出要發展第二代新型干法水泥生產技術，其主要指標為：噸熟料熱耗2717 kJ/kg、噸水泥電耗80 kWh/t (P·O 42.5水泥)、噸水泥廢物替代量500 kg、廢棄物燃料替代率30%[7]。可見，水泥技術進步的方向是降低熱耗、電耗，使用替代燃料和協同處理垃圾。為達到上述目標，就要使用先進的耐火材料。盡管耐火材料的費用僅占水泥成本的1%左右，但耐火材料對水泥企業效益的影響甚大。耐火材料微小的損壞都可能引起水泥窯的停產，影響窯的運轉率、產量、質量和消耗。即便沒有發生計劃外的停窯，水泥企業也要求耐火材料長壽耐久、易修易用、隔熱節能和環境友好。因此，要精心進行耐火材料的設計、制造、施工和維護。

3 燒成帶耐火材料的進步

近年，一些耐火材料企業紛紛投入巨資，采購先進的裝備，用于配料、成型、燒結等工序，大幅提升了制造水平。

(1)采用自動化配料設備。配料是決定耐火材料性能的重要因素。配料也曾是一個粉塵濃度大、勞動強度高的崗位。因此，需要在這一崗位采用高精度、高可靠性的全自動配料設備，以計算機代替人進行配料，有效解決因配方波動而影響產品質量的問題。

(2)采用自動化成型設備。采用全自動化液壓機成型后，能精準地控制加壓、卸壓速度，甚至控制多孔模具中每塊磚的升降壓曲線。從而，不僅大幅提高了磚型尺寸的精確度，而且大幅減少了所制磚塊中的隱蔽性裂紋，顯著改善了耐火材料的質量和使用效果。

(3)采用自動化燒成設備。采用計算機控制的燃氣隧道窯燒成后，穩定了高溫隧道窯的溫度曲線，明顯減少了欠燒、過燒、層裂、扭曲、黑心等缺陷，顯著改善了耐火材料的質量。

同時，環境友好堿性耐火材料也到了發展。以前，水泥回轉窯燒成帶主要使用鎂鉻磚。在高溫、堿性和氧化性氣氛下，鎂鉻磚中的三價鉻會轉化成水溶性劇毒和致癌的六價鉻。Cr6+能強烈腐蝕人的皮膚、粘膜，可以引起丘疹、潰瘍、鼻中隔穿孔和呼吸道炎癥，甚至引起癌癥。

鎂鉻磚是方鎂石MgO和鎂鉻尖晶石MgOCr2O3組成的復相材料；無鉻堿性磚是方鎂石和鐵鋁尖晶石FeOAl2O3或方鎂石和鎂鐵尖晶石MgOFe2O3的復相材料。由于無鉻堿性磚具有更好的掛窯皮性，而且水泥窯大都采用了紅外掃描、電視看火等設備，進一步有利于改善燒成條件、維護窯皮和減輕耐火材料的負荷。因而，非常有利于使耐火材料獲得較長的壽命。

由于耐火材料生產的配料、成型、燒結工序采用了一系列先進裝備，提高了耐火材料的制造水平，大幅提高了耐火材料的質量及其穩定性。由于在水泥窯上采用了一系列先進儀器，水泥的燒成條件得以改善，窯皮的保護作用得以增強，耐火材料的負荷得以減輕。因而，水泥窯高溫帶耐火材料的平均使用壽命不斷得以提高。很多場合下，5000 t/d以下水泥生產線的耐火材料可用18個月。目前，瑞泰科技承諾在3年時間內使用2套材料，即保證≥1.5年的壽命。

4 過渡帶耐火材料的進步

水泥回轉窯的散熱損失約占熟料熱耗的11%。其中，低的占6%～7%，高的占15%甚至更多。在上述散熱損失中，回轉窯的散熱損失約占54.3%，預熱器的散熱損失約占28.5%，三次風管約占8.1%，分解爐約占5.1%，冷卻機約占4.1%，而回轉窯的散熱損失主要發生在過渡帶。

1990年代，中國開發了俗稱硅莫磚的高鋁-碳化硅質耐火材料，將其成功用于水泥窯過渡帶。2000年以后，通過添加剛玉、紅柱石和金屬硅，進一步提高了硅莫磚的性能。由于硅莫磚的導熱系數為2 W/MK，鎂鋁尖晶石磚的導熱系數為3 W/MK，在水泥窯過渡帶用硅莫磚取代尖晶石磚可以降低窯體溫度50 ℃左右。2010年以后，在硅莫磚的基礎上又開發了復合磚。

復合磚由三部分組成：第一部分為硅莫質的工作層；第二部分為普通鋁硅質的低導層；第三部分為充填在鋁硅質低導層凹槽中的隔熱材料。通過對工作層的優化，改善了材料的抗侵蝕性和熱震穩定性；通過對工作層和保溫層結合方式的設計，實現了同步成型、同步燒成，取得了很高的制造合格率；在凹槽中充填耐火纖維，可進一步降低的導熱系數。采用上述復合磚后，可再降低回轉窯筒體溫度50～80 ℃，不僅取得了明顯節能減排的效果，還取得了減輕窯體內的重量，減緩窯體的氧化，降低了筒體變形及磨損，延長水泥窯使用壽命的良好效果[8]。

5 推廣耐火材料的預制件

在水泥窯中，耐火材料的使用壽命不僅取決于燒成帶和過渡帶材料，也取決于其他薄弱部位用的材料。近年來，耐火預制件成功用于一些不宜使用耐火澆注料的部位，如分解爐錐體、窯尾煙室、篦冷機喉部、篦冷機側墻和三次風管閘板等，取得了良好效果。

在新型干法窯的窯尾煙室以及分解爐錐體等處使用預制件。由于上述部位在預熱系統的下部，要待上部完成檢修之后，才能施工。由于時間短，澆注料常常得不到充分養護。使用中，經磨損澆注料容易出現不平整，從而掛料結皮。一旦發生結皮就必須清除；但清除之后材料可能變得更加凹凸不平，從而更加容易結皮。這些部位采用預制件后，不僅大幅緩解了結皮問題，耐火材料的壽命也從不到1年延長到3年[9]。

在篦冷機喉部使用預制件。喉部空間狹小，難以進行施工、養護和保證施工體的質量。同時，此處溫度高、風速大，煙氣中粉塵濃度高、硬度大，對材料產生嚴重的沖刷。耐火材料的壽命通常小于1年，有的只有3～4個月。采用預制件后，明顯改善了材料的耐磨損性能，篦冷機喉部的預制件可延長到2年以上，提高了1倍以上[10]。

在篦冷機矮墻使用預制件。矮墻是耐火材料損壞快、壽命短的地方。以往，此處采用耐火澆注料，不僅施工時焊接鈀釘、澆注、養護、烘烤需要很多工時，拆除也難度大、消耗材料多。該部位改用預制件不僅便于施工和更換，而且保證了耐火材料的質量。由于提高了抵抗高硬熟料磨損的能力，材料使用壽命從不到1年提高到3年[10]。

改進水泥窯三次風管閘門。三次風管的閘門用于調節三次風量，對回轉窯內的燒成起至關重要的作用。一方面，三次風管閘門插入窯內，內部幾乎沒有溫度梯度，耐熱鋼和耐火材料同時產生膨脹。因耐熱鋼的熱膨脹超過耐火材料一倍，膨脹產生巨大體積應力將使耐火材料發生破壞。另一方面，三次風閘在使用中受到高速氣流的正面沖擊，煙氣流速高(30 m/s)，煙氣中飛砂濃度大，顆粒硬度高，受到嚴重的磨損。以往，三次風管閘門的使用壽命3～6個月。為解決這一問題，設計了新型的風閘[11]。

圖2 三次風管閘板Fig.2 Valve of tertiary air duct

由圖2所示，新型閘板以耐熱鋼作為骨架，骨架上焊接錨固件。制作時使用大量柔軟物質包裹骨架，預留了膨脹空間。高溫下，只用錨固件抓住耐火材料，金屬骨架并不和耐火材料接觸。由于避免了金屬骨架的膨脹破壞，消解了耐火材料受到的內部膨脹壓力，因而大幅延長了三次風管閘板的壽命。由此，采用新型結構后，有效緩解了金屬骨架氧化膨脹對耐火材料施加的應力，使閘板的使用壽命延長達到3年，提高了10多倍。可見，分析耐火材料的損壞機理，找出耐火材料損壞的原因，針對性地削弱破壞作用，便可大幅提高耐火材料的壽命。

6 推行耐火材料的總包

2010年，瑞泰科技率先提出了對水泥窯耐火材料進行總包的營銷模式。所謂總包，就是由一家企業承包某條水泥生產線耐火材料的設計、供貨、施工、維護全套服務，水泥企業按照生產單位熟料的耐火材料費用和所生產熟料的多少進行付款的服務模式。總包的好處甚多：

簡化了管理過程：由服務商統一進行耐火材料的設計、供貨、施工，明確了責任，避免了扯皮。

減少了銷售成本：找一家服務商一次就能談成合同，簡化了商務談判，降低了不必要的銷售費用。

減少了資金占用：取消了耐火材料的庫存，降低了流動資金的占用，避免了不必要的財務費用。

減少了耐火材料浪費：由服務商統一回收施工后剩余的耐火材料，減少了耐火材料的損耗。

改善了窯爐砌筑：由專業化隊伍進行施工，避免了以往臨時拼湊施工隊伍，施工人員素質參差不齊，施工人員收入和工程績效脫鉤等引起事故頻發的問題，對提高耐火材料使用效果產生決定性的影響。

有利于技術進步：服務商降低服務成本的途徑之一就是設法降低耐火材料的消耗。這樣，就有利于在窯爐的重要部位推廣使用新型耐火材料，進而加速耐火材料的進步。

六年來，總包成功推行于國內多家大型水泥公司，取得了顯著效益。如2011年，瑞泰科技與江蘇鎮江某公司簽訂了對該公司的一線(6800 t/d)、二線(6000 t/d)兩條新型干法水泥窯進行總包的協議。2012年，兩條生產線單位熟料的耐火材料消耗由500 g/t降低到350 g/t左右，耐火材料造成的停機由25 d減少到18 d。2013年，其中一條生產線的耐火材料單耗降低至335 g/t，較上年減少42 g/t，產熟料203萬噸，節省耐火材料消耗85噸，折材料費34萬元，施工費6.5萬元，比較上年節支40萬元。如再考慮減少計劃外停窯，節支更加顯著。

總包使水泥企業和耐火材料企業得到了雙贏。對耐火材料企業，排除了一些競爭對手，獲得了訂單。對水泥企業，堵塞了管理上的漏洞，解決了因經營不善使耐火材料性能得不到充分發揮而影響材料壽命的問題，將耐火材料單耗降低到300 g/t甚至更低，獲得較大經濟效益。這樣，總包就得到了眾多水泥企業和一些耐火材料企業的一致好評，為國內同行紛紛效仿。

7 結 論

傳統材料都有很長的歷史。經過長期發展，傳統材料都已相當成熟，工藝很難改進，性能也很難提高。但是，傳統材料量大面廣，對國民經濟的影響甚大。對傳統材料作點小的改進也可能會產生很大的價值。因此，一項重要的工作就是要設法不斷改進似乎不能再改進的傳統工藝和產品。在很多材料行業，我國企業的技術經濟指標都大幅落后于發達國家。這說明，這些企業在裝備、技術、管理上存在很多問題，解決這些問題正是技術進步不可回避的課題。通過分析水泥制造的流程，找出流程中的問題，系統地采取針對性措施去解決問題，本文成功將耐火材料壽命從9個月提高到18個月，將耐火材料的單耗從500 g/t降低到300 g/t，使這些指標達到了國際先進水平。以下，就是開發水泥工業用新型耐火材料所取得的經驗：

(1)在關鍵生產環節，用自動化、智能化水平較高的先進裝備代替落后裝備，可有效減少工藝參數波動、改善產品質量，從而顯著提高產品的使用效果和增強產品的競爭力;

(2)針對材料使用中存在的問題進行持續改進，便可持續推動材料的進步。如水泥窯過渡帶20世紀60年代用高鋁磚；70年代用磷酸鹽磚；80年代用鎂鋁尖晶石磚；90年代用硅莫磚；21世紀00年代用改進硅莫磚；10年代用多層復合磚。水泥窯的產量越來越大，對節能減排的要求越來越高，耐火材料的使用條件越來越苛刻。但由于不斷進行技術創新，既推動了耐火材料的發展，又保障了水泥煅燒技術的不斷進步;

(3)不僅要重視大改進，也要重視小革新。如從材料的角度講，用預制件代替澆注料是一項小的革新，但從管理的角度講，由于施工、養護、烘烤等不足，致使一些部位耐火澆注料不能正常發揮性能則是制約材料壽命的瓶頸，抓住這些瓶頸治理便取得了顯著效益。可見，用小革新疏通管理上的瓶頸不失為一條投入小、見效大的技術途徑;

(4)不僅要重視技術創新，也要重視管理創新。例如，重視分析生產的流程，找到流程中存在的薄弱環節，找出這些環節中以前被忽視的種種缺陷和漏洞進行針對性的治理，便可獲得顯著的效益。一方面，管理創新是一種用于擴充技術創新成果的創新；另一方面，管理創新也是技術人員所不擅長的短項。所以，科技人員不僅要善于技術創新也要學會管理創新，以便聯合進行各種創新最大限度地推動材料制造業的發展;

(5)由于在水泥窯耐火材料方面取得的了新的成果，在水泥新型干法生產線上集成使用這些成果可大幅提高窯的運轉率，降低耐火材料單耗和生產水泥的熱耗，有力支持水泥工業的技術進步。

[1] molly．2015年全球水泥產量產能排名分析：中國雙雙奪冠[EB/OL]．[2016-04-11]． http://www.c-bm.com/news/detail-23404.html.

[2] 中華人民共和國統計局編．中國統計年鑒2013[M/OL]．北京：中國統計出版社，2013：http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2013/indexch.htm．

[3] 中華人民共和國統計局編．中國統計年鑒2011[M/OL]．北京：中國統計出版社，2011：http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2011/indexch.htm．

[4] 中華人民共和國統計局編．中國統計年鑒2009[M/OL]．北京：中國統計出版社，2009：http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2009/indexch.htm．

[5] 中華人民共和國統計局編．中國統計年鑒2007[M/OL]．北京：中國統計出版社，2007：http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2007/indexch.htm

[6] 能源成本壓力下水泥行業持續景氣[EB/OL].[2016 -06 -02].http://www.chinairn.com/doc/70310/ 295552.html.

[7] 中國中材國際工程股份有限公司天津公司．我國水泥工業發展的新階段[N]．中國建材報，2012-06-19(002)．

[8] 耐火材料雜志社．鄭州瑞泰“低導熱多層復合莫來石磚”通過河南省科技成果鑒定[OL]．2014-08-5 http://mp.weixin.qq.com/s__biz=MzA4Mzg3OTYwMg==&mid= 00442264 &idx=1&sn=6194ddd13575a82cef9c9ccac52f0262&3rd=MzA3MDU4NTYzMw =&scene=6#rd

[9] 張金營．耐火預制件在燒成系統改造中的應用[J]．新世紀水泥導報，2012，(2):45-48．

[10] 李 艷，朱愛華．現代化耐火材料—預制件的應用[J]．中國水泥，2014，(6):95-96．

[11] 王杰曾,曾大凡．水泥窯用耐火材料[M]．北京：化學工業出版社,2012：270-271

Progress on Research and Development of Refractories for Cement Kiln under New Situation

WANGJie-zeng,YUANLin

(Ruitai Technology Co.Ltd.,Beijing 100015,China)

This paper discussed development orientation of cement industry, analyzed manufacture process of cement, identified problems met in the process. It also related skill to extend service life of refractories from 9 months to 18 months and reduce consumption of the refractories from ≥0.50 kg/t to ≤0.30 kg/t, and introduced experience to improve traditional materials.

refractories for cement kiln;environment friendly;process innovation;technology innovation;management innovation

“十二五”國家科技支撐計劃(2013BAE03B01-01B)

王杰曾(1957-)，男，博士,教授級高工.主要從事新型耐火材料及計算機應用技術的研究.

TQ175

A

1001-1625(2016)10-3219-05