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预分解水泥窑用碱性耐火砖种类及各自的性能优势

文章编辑:耐火材料 发表时间:2021-03-18 浏览次数:

预分解窑熟料在煅烧过程中,粘土砖 从上过渡带后端开始窑料大量出现熔体(液相),窑料中的一些成份在熔体内通过煅烧生成熟料,直至出窑。在此范围内,承受高温的碱性耐火砖能满足其工艺性能需求,碱性耐火砖的砌筑长度约为窑径的(6~10)D,也是衬砖损坏最为严重的部位,该部位衬砖的使用好坏直接影响窑的运转率,因而碱性耐火砖的技术进展和产品性能及产量状况为人们所重视。目前,预分解窑使用的碱性耐火砖主要为直接接合镁铬砖和镁铝等品种的尖晶石镁砖。

1、直接接合镁铬砖

镁铬砖出现在20世纪30年代,当时的硅酸盐结合镁铬砖(普镁铬)性能还比较差,用于传统回转窑。从20世纪60年代开始,有了性能更优的直接接合镁铬砖(直镁砖),由于直镁砖的抗高温、抗融体侵蚀、抗氧化还原(Redox)、抗机械应力及优异的挂窑皮性能,投入后大量用于预热器窑的过渡带和烧成带,成为主流。

20世纪80年代,预分解窑产量和窑径进一步扩大,河南耐火砖厂家 此外,由于原油价格急速上涨,灰份含量高的燃煤和硫含量高的石油焦逐步取代燃油。高含量的碱硫使得的窑内上下过渡带的直镁砖易受损坏,寿命降低。于是,在一些大型预分解窑上下过渡带开始使用抗碱硫侵蚀性强的镁铝尖晶石砖,至此,直镁砖一统天下的局面开始打破。20世纪80年代后期,部分工业化国家进一步强调了铬公害的问题,也就是镁铬砖在水泥窑内使用时,Cr3+转化对环境和人体有毒害的Cr6+。工业化国家纷纷制定一系列环保、卫生以及水泥有关成份等方面的规范,对水泥窑镁铬砖的残砖和水泥厂排水以及水泥产品含铬量进行全面监控。以德国为例,其法令规定存放的镁铬残砖在任何气候条件下都不得污染水源,这就只有采用严格水密性的包装方法,包装费相当于进厂砖价的1/4~1/3。此外德国和欧共体都规定了饮用水中的Cr6+含量要≤0.05mg/l,对水泥工业进入河流的排水德国规定Cr6+≤0.3mg/L,国外的一些专家保守估算,1m3镁铬砖残砖污染河流水约10000m3,饮用水约60000m3。

(直接结合镁铬砖)

进入20世纪90年代,因环保需求工业化国家的一些水泥企业大量使用价格相对便宜的工业废物作原燃料,加重了碱硫对窑内衬料的侵蚀,对碱性耐火材料提出更为苛刻的需求,促进镁铬砖的进一步优化,性能更为优良的超直接结合的镁铬砖已出现在工况条件较为苛刻的预分解窑上。另一方面加速碱性砖无铬化的过程,使其技术进一步完善和提高。进入21世纪,在一些工业化国家无铬化的碱性砖完全取代了镁铬砖,且性能优于镁铬砖,具体反映在预分解窑运转率进一步提高,砖耗进一步下降的发展趋势。

在我国,2014年环境保护部所制定的固体废物生产水泥污染控制标准,明确水泥产品中污染物含量限值Cr6+为0.05mg/L,其值与工业发达国家接近,可以肯定地说,限制值肯定会随时间推移而逐步严格。虽然有环保条例限制,但由于镁铬砖优良的挂窑皮性能和相对低廉的价格,仍被一些水泥厂使用,是水泥生产中消耗较多的品种,但总的趋势是逐年下降。目前我国水泥行业一些有识之士已在一些会议和文章中提出铬公害的问题,引起有关领导的重视。与此同时,一些设计单位的图纸已减少或停止使用镁铬砖,国内的一些大型水泥集团及外资企业均已部分或全部停止使用镁铬砖,上述情况较大幅度降低镁铬砖的使用量。此外一些地区使用的燃料中含硫量较高,加剧了镁铬砖的化学侵蚀,迫使企业减少或停止使用。随着国家对水资源环保的进一步加强,以及对水泥中的含铬量的控制,制定有关镁铬砖残砖中六价铬的限制值的条令随时间进展必将严格,最终迫使镁铬砖退出水泥窑,生产镁铬砖的厂家须引起高度的重视。

2、镁铝尖晶石砖

由于铬公害以及燃煤燃烧和原料性能对衬砖的影响,出现了以预反应尖晶石砂和镁砂为基本原料制成的水泥窑用尖晶石砖,具有比镁铬砖优良的热机械性能和抗热化学侵蚀能力,以及无铬的特点。从20世纪80年代起,在预分解窑的上过渡带逐步取代镁铬砖。20世纪90年代中期,随着窑的规格进一步加大和工业废物的大量应用,性能更优的新一代尖晶石镁砖开始在烧成带和下过渡带大量应用,其应用面越来越广泛,目前已成为当今世界碱性砖技术发展和应用的主流。尖晶石镁砖主要有镁铝尖晶石砖,镁锰尖晶石砖等,具有较强的挂窑皮能力,抗碱硫侵蚀和熟料熔体侵蚀能力强,抗热震和窑体变形产生的机械应力强,抗热负荷强等一系列优点。

(镁铝尖晶石砖)

3、镁铁尖晶石砖

镁铁尖晶石砖是20世纪90年代末出现的新品种,是由特殊弹性制造技术和二价的铁尖晶石制造而成的,在砖的热面生成一层粘性极高的极易挂窑皮的钙铁和钙铝铁化合物。

镁铁尖晶石砖内的Al2O3含量比镁铝尖晶石低得多,减缓了熟料熔体和碱盐对砖体的侵蚀,此外,一些裂纹具有消纳碱化合物的优点,因而抗熟料熔体和碱盐的侵蚀性强。

镁铁尖晶石砖除了具备白云石砖、镁铬砖优良的挂窑皮性能外,还具有较高的耐火度和较强的抗氧化还原作用及机械应力的功能,产品的机械和热化学性能有明显地改善。目前已广泛地用在烧成带和上过渡带,成为在常规原燃料生产线取代镁铬砖的一种新品种。

4、白云石砖

白云石砖也是取代镁铬砖的耐火材料品种之一,因其内相对较高的氧化钙含量和适量增加的氧化锆和氧化镁,使用白云石砖的窑皮更为坚固和稳定,抗热震性、抗剥落和抗化学侵蚀的性能更强,导热系数低等优点。白云石砖具有的无铬特点,使其在环境的安全性上,符合耐火材料节能和环保的发展目标。另一方面,白云石砖内的CaO易吸附水,导致其在储存、运输和施工过程中砖体易受潮损坏。此外,白云石砖需在窑操作稳定且原燃料中含碱硫量相对少些的窑上,以及椭圆应力不宜过大的窑上应用,因而使用受到一些影响。

水泥窑用耐火材料采用无铬耐火材料代替镁铬砖,是今后水泥回转窑衬发展的必然趋势。国内主流耐火材料生产企业和研发单位为此已经进行了多年的研究和开发,白云石砖物美价廉,各方面技术性能指标均可满足大中型水泥回转窑热工技术的要求,其使用寿命均有提高,降低了水泥烧成热耗,解决了水泥工业Cr6+对环境的污染问题。且其原料在我国资源丰富,是一种在技术上进一步优化提高后具有发展前途的无铬碱性砖。

5、新型碱性砖

21世纪以来,国内外的一些耐火材料公司在碱性砖使用的基础上,开发出一系列抗热化学侵蚀且提高热、热机械性能的产品,主要有增强抗重硫化合物侵蚀的高比例镁铝尖晶石碱性砖、镁橄榄石(2MgO·SiO2)碱性砖、抗高温熟料熔体侵蚀的铝铁(亚铁)尖晶石碱性砖等。

(1)高比例镁铝尖晶石砖

镁砖内的C2S、MgO与SO3作用,不仅生成低熔融温度的C3MS2、CMS,而且CaO和SO3作用,生成CaSO4,容积增加27.5%,易使砖体损坏,如何减缓硫的侵蚀,是镁砖发展中的一个关键课题。此外镁砖还需有足够的强度以抗高温下窑筒体变形产生的机械应力,以及砖体之间热膨胀产生的机械应力。镁砖的技术进展就围绕着抗热化学、抗热机械应力的需求而发展,为此,应开发一种抗硫侵蚀性强且抗热机械应力强的耐火砖,以适应市场需求。

表1抗重硫侵蚀的高比例尖晶石镁砖性能

镁铝尖晶石砖是由作为阻抗体的氧化镁(MgO)和作为弹性剂的镁铝尖晶石MgAl2O4按一定比例组成的,为了增强抗SO3的侵蚀,在保持碱性砖主要性能的基础上,通过计算,适当增加镁铝尖晶石的比例,其结果不仅提高了抗SO3侵蚀的能力,而且随着镁铝尖晶石弹性剂数量的增加,相应提高了其抗热机械应力,此种碱性砖与常规的镁铝尖晶石相比,MgO含量有所降低,Al2O3含量相应增加,此外,砖内Fe2O3含量低于1%,抗氧化还原(Redox)应力增强,孔隙直径减小,显气孔率较低,有利于抗硫碱化合物熔体渗透,所制成的耐火砖适用于上过渡带及遭受正常热化学反应的冷却带(下过渡带)。

(2)镁铝铁(亚铁)尖晶石砖(镁铁(亚铁)铝尖晶石砖)

铝铁(亚铁)尖晶石的主要特点是铝铁弹性剂中的MgO是尖晶石的主要成份,具有明显的抗高温条件下的化学侵蚀性能,其弹性效应远高于镁铝、镁铁尖晶石。

铝铁(亚铁)尖晶石和镁铁尖晶石相比,其抗热化学腐蚀性能大幅增加,当生产普通水泥和抗硫酸盐水泥时,熟料熔体温度超过1400℃时,铝铁(亚铁)尖晶石没有任何损失,而镁铁尖晶石受熟料熔体热化学侵蚀损坏。二者相差约50~80℃,因而在生产过程中,铝铁(亚铁)尖晶石的抗熟料熔体的热化学侵蚀大幅改善。

铝铁(亚铁)尖晶石中仍然含有一定数量的Fe2O3,在高温时生成粘性极强的钙铁和钙铝等化合物,十分有利于高温窑料在耐火砖表面形成窑皮。远高于镁铝尖晶石的挂窑皮性能。此外,铝铁(亚铁)尖晶石还具备较好的抗热震性能。

表2铝铁(亚铁)尖晶石砖的主要性能

综合来看,铝铁尖晶石具有较高的抗碱性侵蚀,好的挂窑皮性能,适用于上过渡带和主烧成带,以及遭受正常热化学应力侵蚀的下过渡带。

我国一些企业已开发出镁铝铁尖晶石砖,该砖采用优质合成含铁镁砂和镁铝尖晶石砂为主要原料制作而成,实现了水泥窑烧成带用耐火材料的无铬化。

(3)微细孔径低孔隙率碱性砖

熟料煅烧时,窑皮窑料和窑气中的熔融化合物透过碱性砖的砖面孔隙与砖内成份作用,生成低熔融温度化合物。这些化合物在耐火砖低温部位冷却结晶致使火砖发脆,失去弹性产生剥落而损坏。

耐火砖孔隙率与弹性模数的数值的高低都会影响砖的性能。在生产火砖时,必须保持一定的孔隙率,以保持合适的弹性模数。如何将现有孔隙率降低,减少熔融化合物对火砖的侵蚀。还保持合适的弹性,是耐火砖生产的一项关键技术。

常规的碱性砖孔隙率一般为18%~20%,孔隙是由直径不等的小孔组成。试验发现,相同的孔隙率若孔径越小,则强度越高,弹性越优良。为此,通过技术优化,生产孔径小的耐火砖,相应减少孔隙率值,使火砖仍然保留优良的弹性和更高的强度,减少熔融物对孔隙的渗透量。

上述技术制造的耐火砖气孔率可低于15%,和常规的碱性砖相比,具有渗透性能差、抗熔融物渗透性强、冷破碎强度高、抗折强度高、弹性模数高、容重高及导热系数增加等性能。

(4)低导热碱性砖

水泥窑过渡带使用条件最为苛刻,温度高低和窑皮状态变化频繁,窑衬材料在无窑皮保护状态下,受到的各种有害应力对该部位产生较大危害,因此其耐火材料首先应具有良好的高温性能,并在此基础上具有尽可能低的导热系数。

国内研制出的应用于过渡带低温部位的低导热砖,是将两种不同材料砖的工作层和隔热层有效结合,在一定程度上达到低导热的节能效果,但使用有局限性。

碱性砖的技术进展一直受到关注,除上述技术进展外,为阻止熟料和碱硫化合物熔体通过火砖表面孔隙渗入到砖体内,一些耐火材料公司进行了耐火砖表面浸渗高温化合物,以对其表面进行密封,由于表面密封不仅与高温材料有关,还与材料的热传递等性能有关,其难度较大,此项研究工作仍在进行中。


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