20世紀水泥工業(yè)有兩次重大的技術突破，第一次是回轉窯在本世紀初得到全面推廣，第二次是窯外分解技術的出現(xiàn)，大大提高了水泥窯的熱效率和單機生產(chǎn)能力，促進了水泥工業(yè)向大型化、現(xiàn)代化的發(fā)展，而與水泥工業(yè)配套的耐火襯料，也反映出此發(fā)展趨勢。簡略地說，20世紀初至50年代是以粘土、高鋁質(zhì)耐火材料來滿足以濕法窯為主的傳統(tǒng)回轉窯的生產(chǎn)需求。50年代以后，上述材料的性能進一步完善和提高，出現(xiàn)了以鎂質(zhì)耐火材料來適應懸浮預熱、窯外分解窯技術的發(fā)展。
　　

本文就水泥熟料生產(chǎn)的技術進展，尤其是窯外分解窯出現(xiàn)后的技術完善和進展對配套的耐火材料的發(fā)展作一探討。

1　水泥生產(chǎn)技術的進展對耐火材料的需求

1.1　傳統(tǒng)回轉窯對耐火材料的需求
　　

早期的傳統(tǒng)回轉窯是料漿煅燒的濕法窯和料粉煅燒的干法長窯、余熱鍋爐窯，一般配用單筒和多筒冷卻機。窯的熱耗均在6500kJ/kg熟料以上，熟料在窯內(nèi)煅燒溫度一般低于1350℃，燒成帶用普通高鋁磚，其余部份使用粘土磚，此后，出現(xiàn)了利用窯尾廢氣的立波爾加熱機以及配套的篦冷機，熱耗降低至5000kJ/kg熟料左右，熟料煅燒溫度超過1350℃，要求具有較高的耐火度和抗熟料化學侵蝕及抗震性能強的新品種耐火磚，此時，出現(xiàn)了特種高鋁磚、磷酸鹽磚及普通鎂質(zhì)堿性磚，這些耐火磚滿足了生產(chǎn)需求，還進一步提高了一般的傳統(tǒng)窯襯料的使用周期，得以廣泛推廣應用。

1.2　預熱器窯對耐火材料的需求

1.2.1　襯砌部位的不同
　　

傳統(tǒng)窯襯料主要用在回轉窯，冷卻筒和窯門罩，材質(zhì)、磚型砌筑主要按回轉設備要求考慮的，立波爾窯除了回轉窯使用的襯磚外，增加了加熱機和篦冷機的襯砌，而預熱器窯的襯料只有部分用在回轉窯內(nèi)，大部分用在形狀復雜的預熱器系統(tǒng)的設備內(nèi)，所需襯料的材質(zhì)、磚型、砌筑要求與回轉窯內(nèi)襯料是不同的。

1.2.2　窯溫及其影響
　　

預熱器窯的配料率值中的硅酸率SM、鋁氧率IM較傳統(tǒng)窯高，熟料煅燒溫度高，再加上多風道燃燒器形成的高溫，使整個窯內(nèi)氣流和物料溫度遠遠超過傳統(tǒng)窯相似部位的溫度，國外的大型預熱器窯內(nèi)熟料煅燒溫度超過1400℃，熱耗低于3500kJ/kg熟料，在此高溫情況下，熟料中的鈣硅融熔物和堿硫化合物與Al2O3形成低溫共熔體，在工況苛刻的窯上，幾天之內(nèi)可將高鋁質(zhì)襯磚損壞，只得在窯內(nèi)大量使用堿性磚，窯內(nèi)堿性磚的長度約（7～10）D。

1.2.3　堿硫揮發(fā)性組分的侵蝕及影響
　　

預熱器系統(tǒng)內(nèi)，堿硫氯等化合物組分揮發(fā)凝聚，反復循環(huán)導致窯料中這些組分的富集，在系統(tǒng)下部的預熱器、進料室、上升煙道等溫度較高的部位易結皮阻塞、干擾正常生產(chǎn)。此外，襯料受堿氯硫化合物的氣體和結皮物的侵蝕，形成膨脹性堿裂損壞，在上述易結皮部位，采用系列耐堿侵蝕的半酸性粘土磚和耐火澆注料。
　　

另一差別在回轉窯內(nèi)，部分富集的堿氯硫化合物隨窯料從預熱器進入窯內(nèi)，在熟料煅燒過程中，部分化合物揮發(fā)，侵蝕窯內(nèi)未結皮的襯磚，而熟料內(nèi)的化合物因熔融溫度較低，在高溫煅燒部位以液相形式存在熟料內(nèi)，侵蝕燒成帶和上下過濾帶的襯磚，給上述部位的窯內(nèi)襯磚提出了較高的抗堿氯硫化合物的侵蝕功能的需求。

1.2.4　窯速的影響
　　

常規(guī)窯的窯速為1r/min，而預熱器窯的窯速為2r/min，窯速高，窯內(nèi)火焰和窯料之間溫差對襯磚造成的熱震破壞次數(shù)增大，遭受的軸向擠壓和向下的推力增強，對襯磚的強度和襯砌縫隙以及膠泥的性能均提出了要求。

1.2.5　材質(zhì)的差別
　　

預熱器窯內(nèi)的襯磚不論從窯溫、窯在回轉過程中造成的機械應力，以及堿氯硫化合物的化學侵蝕均提出了比立波爾窯更高的要求，在此期間出現(xiàn)了半直接接合鎂鉻磚、直接接合鎂鉻磚和白云石磚等產(chǎn)品。此類產(chǎn)品耐火度高、抗熟料和堿氯硫等化學侵蝕，抗熱震等機械性能強，掛窯皮性能優(yōu)良，進一步滿足了各種不同生產(chǎn)方式窯型的需求。

1.2.6　系統(tǒng)內(nèi)不動設備結構復雜的影響
　　

預熱器系統(tǒng)內(nèi)不動設備多而形狀復雜，為簡化磚型，一方面制定標準化的磚型，在圓形和圓錐部位采用配磚設計，簡化磚形數(shù)量，另一方面在形狀復雜的部位使用耐火澆注料，相應減少磚形數(shù)量，通過上述措施，一套預熱器窯的磚型數(shù)量由原來的120種減少至20余種，由于不同部位對耐火澆注料的需求，促進了它的發(fā)展。

1.2.7　節(jié)能要求
　　

預熱器窯不動設備的表面散熱面積>1m2/d.t熟料，筒體散熱損失較大。減少襯體散熱損失，不僅降低能耗，更重要的是維持系統(tǒng)內(nèi)的溫度，提高入窯物料分解率，有利于保持窯內(nèi)熱工制度正常和穩(wěn)定。在此需求下，出現(xiàn)了導熱系數(shù)低，工況溫度高，容重輕的硬質(zhì)硅酸鈣板隔熱材料和性能優(yōu)良的隔熱磚。

1.3　窯外分解窯對耐火襯料的需求
　　

70年代中期，在預熱器窯生產(chǎn)的基礎上，出現(xiàn)了窯外分解窯，在窯尾預熱器系統(tǒng)內(nèi)增設分解爐，從冷卻機抽熱風通過三次風管入分解爐內(nèi)作燃燒空氣。分解爐內(nèi)燃料提供的熱量供生料分解用，煅燒熟料的熱量由窯頭燃燒器提供。由于生料分解所需的熱量較熟料煅燒的熱量多，在生產(chǎn)過程中，約60％的燃料由分解爐提供，而40％的燃料由窯頭燃燒器供應，因而在同一直徑的窯，產(chǎn)量幾乎增加了1倍以上，熱耗相應降低。窯外分解窯出現(xiàn)后，就成為水泥生產(chǎn)技術發(fā)展的主流，在世界各國廣為發(fā)展。窯外分解窯是從預熱器窯技術發(fā)展的，耐火材料的技術要求基本和預熱器窯接近，差別在于：
　　

(1)在相同產(chǎn)量的情況下，窯外分解窯在燒成帶的熱力強度較預熱器窯有較大程度的下降，入窯物料分解率提高，燒成帶的窯皮長度較預熱器窯有所增長，窯內(nèi)同一部位使用相同材質(zhì)的耐火磚，則磚的使用周期有所提高。
　　

(2)窯尾物料分解率提高，窯尾廢氣溫度增加，窯料內(nèi)所含的堿氯硫相同的情況下，窯外分解窯在預熱器系統(tǒng)下部設備內(nèi)的襯磚所遭受的堿氯硫侵蝕較預熱器窯重些。
　　

(3)窯速加快至3r/min，對窯內(nèi)襯磚的熱震破壞和機械應力增大。

2　窯外分解窯生產(chǎn)技術的進展
　　

窯外分解窯出現(xiàn)以來，窯的熱效率和單機生產(chǎn)能力大幅度提高，促進了水泥工業(yè)向大型化、現(xiàn)代化的發(fā)展，與耐火材料有關的主要表現(xiàn)在：

2.1　生產(chǎn)能力大型化
　　

70年代水泥熟料生產(chǎn)線主要規(guī)模為1000～4000t/d，80年代為3000～5000t/d，90年代為4000～10000t/d。世界上已投產(chǎn)的日產(chǎn)5000t熟料以上規(guī)模的生產(chǎn)線超過80條，7000t以上生產(chǎn)線接近30條，9000～10000t生產(chǎn)線為4條，正在興建的最大規(guī)格窯為Φ6.2m×105m，日產(chǎn)12000t熟料生產(chǎn)線。

2.2　先進的水泥熟料生產(chǎn)技術

2.2.1　生料均化技術
　　

生料均化技術主要包括礦山計算機三維開采、預均化堆場、在線測試控制、精度高的計量秤、均化庫，確保了入窯生料成分和數(shù)量的均勻，保持了窯的穩(wěn)定生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良。

2.2.2　熟料煅燒技術
　　

熟料煅燒裝備由預熱器、分解爐系統(tǒng)、回轉窯、篦冷機、燃燒器等項裝備組成，主要技術進展為：
　　

(1)預熱器、分解爐系統(tǒng)的性能和效率進一步完善與提高，預熱器由4級逐步增加到6級，分解爐能使不同性能的原燃料分解和燃燒。系統(tǒng)的入窯物料分解率已增至95％，窯尾廢氣溫度提高至1200℃以上。
　　

(2)入窯物料分解率逐步增加，窯的長度逐步縮短，長徑比從 >15下降到10～11，轉速從3r/min，逐漸提高到4r/min以上，窯的容積產(chǎn)量從2.5t熟料/m3.d，提高至5t熟料/m3.d以上。
　　

(3)高效率的充氣梁篦冷機逐步取代厚層篦冷機，熱效率從68％～70％提高至76％以上，入窯二次風溫提高至1200℃，入分解爐三次風溫接近900℃。(4)多風道燃燒器廣泛應用，此類燃燒器不僅用于燒油，更多的適用于燒煤和工業(yè)廢燃料，做到不同燃料混燒，燃燒器火焰集中，氣溫高，還可減少NOx的排放。
　　

上述裝備組成的燒成系統(tǒng)熱耗，70年代一般為3350～3550kJ/kg熟料，筒體散熱損失為450kJ/kg熟料，窯運轉率85％左右，

90年代技術先進的大型窯外分解窯6級預熱器的熱耗低于2900kJ/kg熟料，筒體散裝損失低于200kJ/kg熟料，窯運轉率提高至95％以上。

2.3　生態(tài)化水泥生產(chǎn)技術

2.3.1　燃料結構的變化
　　

早期的窯外分解窯所用的燃料主要為燃油，70年代的石油危機造成燃油價格上漲，價格低的燃煤逐步取代燃油。燃煤所含的揮發(fā)分、灰分、熱值、硫含量變化較大，燃燒較燃油困難，總的說來，在生料設計中，必須考慮燃煤灰分沉積在窯料內(nèi)作為熟料成分，而分解爐設計時，必須考慮足夠的燃燒時間，確保燃料燃燼，燃燒器設計必須考慮火焰有利于熟料煅燒。在燒煤的基礎上，一些工業(yè)化國家從80年代中期開始，逐步使用價格更為便宜的工業(yè)廢燃料，如石油焦、廢輪胎、廢機油、廢塑料及有毒有害工業(yè)廢棄物等，且愈來愈多。

2.3.2　污染物排放控制
　　

從80年代起，工業(yè)化國家在水泥生產(chǎn)過程中，加強了有害物排放的控制，主要為CO2、NOX、SOX、粉塵以及六價鉻造成的水污染等，上述物質(zhì)的排放制定了嚴格的控制指標，在水泥熟料生產(chǎn)控制過程中，一些技術先進的水泥熟料生產(chǎn)線均能滿足環(huán)?？刂频男枨?