水泥窯用耐火材料出了問(wèn)題，原因可能出自耐火材料，也可能出自水泥制造。甚至，耐火材料和水泥制造都是問(wèn)題的原因。

為了更好選擇和使用耐火材料，耐火材料的提供者也需要深入地了解水泥的生產(chǎn)條件。本文對(duì)決定水泥生產(chǎn)中的熟料形成、燃料、燃燒、傳熱等進(jìn)行扼要討論。

水泥熟料的主要礦物成分是C₃S、C₂S、C₃A和C₄AF₀C₃S主要起提供早期強(qiáng)度的作用;C2S起提供后期強(qiáng)度的作用;C₃A對(duì)凝結(jié)有很大的影響，又和C4AF—起作為熔劑礦物，起降低燒成溫度的作用。

一般情況下，水泥熟料中的CaO由石灰石引入，SiO₂和Al₂O₃由硅鋁質(zhì)原料引入，F(xiàn)e₂O₃由鐵粉引人。水泥生產(chǎn)可概括為“兩磨一燒”。其中，粉磨原料的主要作用之一是提高生料的比表面積，以提高高溫反應(yīng)的效率。燒成主要是借助高溫改變?cè)系男螒B(tài)，使之從自然界中穩(wěn)定的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的或可水化的物質(zhì)。粉磨熟料的主要作用之一是提高熟料的比表面積，加快水泥的水化反應(yīng)。水泥熟料的形成主要分為以下幾步。

① 水分蒸發(fā)：人窯生料帶有一定數(shù)量的自由水。當(dāng)溫度升高后，水分開(kāi)始蒸發(fā)。于100?150℃，全部自由水分排出。

② 黏土脫水：當(dāng)溫度升至450℃時(shí)，黏土中的高嶺石(Al₂O₃ . SiO₂ · 2H₂0)發(fā)生脫水反應(yīng)，脫出其中的結(jié)晶水。

③ 碳酸鹽分解：當(dāng)溫度升至600℃時(shí)，碳酸鎂開(kāi)始分解;至750℃時(shí)，碳酸鎂的分解速率到達(dá)最大。當(dāng)溫度升至800°C時(shí)，碳酸鈣開(kāi)始分解;至900°C時(shí)，碳酸鈣的分解速率達(dá)到最大。

④ 固相反應(yīng)：800?900°C時(shí)，石灰石分解出來(lái)的CaO和黏土中的A1₂0₃、 鐵粉中的Fe₂O₃反應(yīng)形成CA、CF。900?1100℃，石灰石分解出來(lái)的CaO和黏土中的SiO₂反應(yīng)形成C₂S。1100?1300℃時(shí)，形成C₃A、C₄AF。

⑤ 燒成反應(yīng)：從1300?1450℃，再?gòu)?450°C降至1300℃，C₂S和剩余的 CaO反應(yīng)形成C3S。C₃S的形成是水泥燒成的關(guān)鍵步驟。這一過(guò)程的好壞直接影響水泥的質(zhì)量。

⑥ 冷卻過(guò)程：溫度降至1300°C以下，C₃A、C₄AF開(kāi)始析晶。熟料開(kāi)始變得硬起來(lái)，對(duì)耐火材料產(chǎn)生強(qiáng)烈磨損。同時(shí)，C₂S也有可能從可水化的β-C₂S。，轉(zhuǎn)化為不水化的γ-C2S。為防止C₂S的轉(zhuǎn)化，需要快速冷卻熟料。熟料形成過(guò)程中的熱效應(yīng)如圖11-1所示。

從圖11-1可知，水泥制造中最大的吸熱反應(yīng)是碳酸鈣分解，最大的放熱過(guò)程是熟料的冷卻。為提高產(chǎn)量，新型干法水泥窯專門(mén)設(shè)計(jì)了一個(gè)分解爐，向內(nèi)噴吹燃料，在懸浮態(tài)下進(jìn)行碳酸鈣的分解。同時(shí)，水泥窯設(shè)置了一個(gè)龐大的冷卻 機(jī)，向內(nèi)大量噴吹空氣。一方面對(duì)熟料進(jìn)行急速冷卻，防止發(fā)生β-C₂S→γ-C₂S 的相變;另一方面回收熟料帶出的熱量。為進(jìn)一步降低熱耗，又設(shè)置了余熱發(fā)電系統(tǒng)以最大限度地回收排出窯外氣體中的余熱。

水泥生料中結(jié)晶石英的含量、細(xì)度、均勻性和化學(xué)成分直接影響生料的易燒性，對(duì)熟料的燒成有重要的影響。

一般情況下，生料磨得越細(xì)，成分越均勻，窯內(nèi)生料中的各組分彼此接觸就越緊密，擴(kuò)散距離就越短，熟料燒成反應(yīng)就越充分和迅速。但是，當(dāng)細(xì)度降低至0.088mm方孔篩篩余10%以下時(shí)，隨篩余的減少，粉磨的電耗就會(huì)顯著增加。 因此，要求水泥生料的細(xì)度為0.088mm方孔篩篩余約10%，0.20mm方孔篩篩余<1%。如果原料含有較多石英質(zhì)物質(zhì)和粗品質(zhì)石灰?guī)r，生料細(xì)度應(yīng)更細(xì)：0.088mm方孔篩篩余為5%?8%。

水泥熟料的化學(xué)成分可用硅酸率SM、鋁率IM和石灰飽和系數(shù)KH三個(gè)率值表示。其中，硅酸率的表達(dá)式如下：

硅酸率表示了水泥熟料中硅酸鹽礦物C₃S、C₂S對(duì)熔劑礦物C₃A和C₄AF的 比值，反映了燒成中液相的多少和燒結(jié)的難易。一般情況下，SM的數(shù)值在 1.7?2.7之間。對(duì)于新型干法窯，SM值最好在2.2?2.5之間。如果SM過(guò)高， 燒成時(shí)液相過(guò)少，燒結(jié)困難，易于粉化。如果SM過(guò)低，燒成時(shí)易出現(xiàn)大塊，結(jié)圈等故障，影響窯的操作。

鋁率表示了熟料中熔劑礦物C₃A和C₄AF的比例。一般情況下，水泥熟料的鋁率為0.8?1.7。如果鋁率過(guò)髙，熟料中C₃A含量高，C₄AF含量低，液相黏度大，物料難燒，水泥容易急凝。如果鋁率過(guò)低，燒結(jié)溫度過(guò)窄，窯內(nèi)易結(jié)大 塊，也不利于窯的操作。鋁率的表達(dá)式如下：

石灰飽和系數(shù)是所能形成C₃S、C₂S的CaO含量，和全部SiO₂形成C₃S所能吸收的最大CaO含量的比值。

式(11-3)的適用條件為IM≥0.64。

一般情況下，KH在0.84?0.94之間。如果采用礦化劑配料，KH可以提高至0.96以上。如果KH過(guò)高，熟料很難燒成，特別是f-CaO含量很難降低，不僅安定性不好，而且強(qiáng)度也不高。

水泥的易燒性和耐火材料的壽命關(guān)系很大。如果水泥好燒，窯皮好掛，耐火材料的壽命就長(zhǎng);反之，耐火材料的壽命就短。一方面，各水泥廠家的工藝、原料、設(shè)備情況千差萬(wàn)別;另一方面，水泥生產(chǎn)條件和所用耐火材料也要互相適應(yīng)。由此，才能取得良好的使用效果。

通常，水泥廠采用石灰石、黏土、鐵粉三種原料，只有兩個(gè)配料自由度。但是，熟料有三個(gè)率值。因此，用兩個(gè)配料自由度去精確控制三個(gè)率值是不可能的。很多情況下，水泥廠只好采用“最小二乘法”或“湊和法”設(shè)法使熟料具有 最接近理想條件的率值。常常，熟料的硅率和鋁率彼此正相關(guān)，一升俱升、一降俱降。所以，必要時(shí)水泥企業(yè)還需使用硅質(zhì)或鋁質(zhì)校正原料。

最早，水泥回轉(zhuǎn)窯采用低硅高鐵配方，這和使用黏土磚、三級(jí)高鋁磚作為窯襯是互相適應(yīng)的。后來(lái)，采用磷酸鹽磚作為窯襯時(shí)，在很多水泥企業(yè)出現(xiàn)了掛不上窯皮的情況。經(jīng)過(guò)分析，原中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院的專家發(fā)現(xiàn)原因在于隨著 耐火材料性能的提髙，耐火材料的“發(fā)汗溫度”也隨之增加，因而產(chǎn)生掛不上窯皮的問(wèn)題。于是在制造時(shí)摻加了黏土，降低了磷酸鹽磚的“發(fā)汗溫度”，解決了掛不上窯皮的問(wèn)題。

在磷酸鹽磚改用鎂質(zhì)耐火材料時(shí)，又有很多的企業(yè)出現(xiàn)掛不上窯皮的問(wèn)題。 經(jīng)過(guò)分析，原中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院的專家發(fā)現(xiàn)其原因還是由于隨著耐火材料性能的提高，耐火材料的“發(fā)汗溫度”增高而引起的。由于耐火材料的“發(fā)汗溫度”高于窯皮的“燒流溫度”，因而產(chǎn)生掛不上窯皮的問(wèn)題。于是通過(guò)改變水泥熟料的配方，提高鋁率和硅率，又解決了掛不上窯皮的問(wèn)題。

目前，我國(guó)的水泥工業(yè)已比過(guò)去強(qiáng)大許多，生產(chǎn)設(shè)備也非常先進(jìn)，還有很多前所未有的新型耐火材料。但是，依然面臨不少困難。目前，需要解決的一些問(wèn)題和過(guò)去可能相似。所以，查閱一下塵封的技術(shù)資料，也許會(huì)有意想不到的收獲。

水泥生產(chǎn)采用煤作為燃料。原煤由可燃質(zhì)灰分和水分組成?？扇假|(zhì)又分為揮發(fā)分和固定碳。煤可分為無(wú)煙煤、貧煤、煙煤和褐煤幾種。

① 在無(wú)煙煤的可燃質(zhì)中，固定碳含93%?98%，揮發(fā)分小于10%。無(wú)煙煤屬于低反應(yīng)能力燃料，著火困難，燃燒不盡。揮發(fā)分<5%的無(wú)煙煤燃燒更加困難。

② 貧煤的揮發(fā)分在10%?20%之間。貧煤比無(wú)煙煤活性要高，但仍屬于難反應(yīng)的煤種。有一部分水泥廠使用貧煤。

③ 煙煤的揮發(fā)分含量>14%，反應(yīng)性較強(qiáng)，是水泥廠最常用的燃料。如揮發(fā)分含量>40%時(shí)，煙煤具有易于自燃和爆炸的特點(diǎn)，要注意防止事故。隨著灰分的增加，煙煤的熱值降低，反應(yīng)活性變小。

④ 褐煤是碳化程度較低的煤，具有髙揮發(fā)分、高水分、低熱值的特點(diǎn)。燃燒時(shí)，褐煤形成的燃燒溫度較低。

一般情況下，新型干法窯要求煤的水分<2%，灰分<30%，揮發(fā)分18%? 30%，干燥基低熱值21000kJ/kg，細(xì)度0.088mm方孔篩篩余約10%。

灰分過(guò)高，會(huì)使煤的燃燒特性變差。灰分過(guò)高的煤不易著火，燃燒穩(wěn)定性和燃凈性能都不好。此外，灰分過(guò)高還會(huì)影響熟料的配比，引起結(jié)圈、結(jié)皮等問(wèn)題。水分過(guò)髙，煤粉著火時(shí)首先要蒸發(fā)和吸熱，蒸發(fā)后會(huì)稀釋氧氣濃度。所以-也不利于著火和燃燒。

揮發(fā)分是影響煤粉著火的重要因素之一。揮發(fā)分含量增加，著火溫度降低，火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌欤煌耆紵龘p失減小。當(dāng)使用揮發(fā)分含量低、反應(yīng)能力弱的煤種時(shí)，要將煤粉磨得更細(xì)一些。圖11-2表明了揮發(fā)分V含量對(duì)灰分A=6%的煤的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊憽?/span>

細(xì)度也是影響煤粉著火的重要因素之一。煤粉磨得細(xì)，比表面積大，和空氣接觸機(jī)會(huì)多，燃燒速度快，燃燒程度完全，在單位時(shí)間放出的溫度高，就能提高窯內(nèi)的火焰溫度。粗粒煤粉燃燒溫度低，不易燃燒完全，還會(huì)引起窯內(nèi)產(chǎn)生還原氣氛。

一般情況下，煤粉的燃燒分為以下幾個(gè)階段：

① 煤粉與助燃空氣的混合;

② 被加熱后，煤粉釋放出揮發(fā)分;

③ 揮發(fā)分著火，放出熱量，創(chuàng)造了進(jìn)一步燃燒的條件;

④ 固定碳著火燃燒，直至燃燼。

一般情況下，燃燒的空氣過(guò)剩系數(shù)控制在1.05?1.15之間。確定總的空氣 量后，再考慮一次、二次空氣量的比例。燃燒的初期，煤粉的燃燒速度受化學(xué)反應(yīng)速率的限制，簡(jiǎn)稱“化學(xué)控制”;燃燒的中后期，受向邊界層輸送氧氣，移出反應(yīng)產(chǎn)物的限制，簡(jiǎn)稱“擴(kuò)散控制”。圖11-3顯示了炭粒的燃燒過(guò)程。

早期，水泥窯噴煤嘴采用單通道結(jié)構(gòu)。一次風(fēng)量占總?cè)紵L(fēng)量的20%?30%。一次風(fēng)的主要作用是輸送煤粉和提供揮發(fā)分燃 燒需要的空氣。二次風(fēng)的主要作用是供固定碳燃燒之用。由于二次風(fēng)不與燃料混合，故可以在冷卻機(jī)中被出窯熟料預(yù)熱至較高的溫度，以加快燃燒和節(jié)省能耗。二次風(fēng)溫度的高低與冷卻機(jī)的換熱效率有關(guān)。

水泥窯的燒成帶長(zhǎng)度和火焰長(zhǎng)度有關(guān)。使用單通道煤嘴時(shí)，燒成帶長(zhǎng)度大致為火焰長(zhǎng)度的0.6倍。一般情況下，煤粉燃燒時(shí)間越長(zhǎng)，火焰也越長(zhǎng)。如果煤粉較細(xì)、煤粉與空氣混合較好，提高一次風(fēng)的比例，會(huì)提髙燃燒速度，縮短火焰。 如果混合不好，提高一次風(fēng)的比例，會(huì)增加煤粉射程，使火焰加長(zhǎng)。圖11-4顯示了煤粉著火燃燒的情況。

單通道煤嘴的主要缺點(diǎn)是一次風(fēng)對(duì) 煤風(fēng)混合、二次風(fēng)抽吸的作用甚小，不便調(diào)節(jié)火焰。所以，開(kāi)發(fā)出的多通道煤嘴具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是降低一次風(fēng)的用量，增加二次風(fēng)的利用，提高 熱效率;二是增加煤粉的混合，提高燃燒速度;三是加強(qiáng)對(duì)二次風(fēng)的攜帶，提高火焰溫度;四是增加對(duì) 各通道風(fēng)量、風(fēng)速的調(diào)節(jié)手段，靈活控制火焰形狀和長(zhǎng)度;五是有利 于利用低揮發(fā)分、低活性燃料;六是提高水泥產(chǎn)量，改善質(zhì)量，減少能耗和降低NOi排放。

如圖11-5所示是KHD公司為利用褐煤、石油焦開(kāi)發(fā)的PYRO-Jet燃燒器。

圖11-5中梭式燃燒器的結(jié)構(gòu)如下。

1.燃燒器的中心是可通液體或氣體燃料的點(diǎn)火器;

2.內(nèi)流通道：出口帶有螺旋風(fēng)翅的漩流助燃空氣通道;

3.中間通道：固體燃料通道;

4.外流通道：8-18個(gè)風(fēng)嘴沿噴嘴外圓呈環(huán)狀排列，噴出空氣;

5.噴嘴的作用是將二次空氣卷進(jìn)燒嘴，以加快固體燃料的燃燒。

采用PYROJet燃燒器后，一次空氣量從12%?16%降低至6%?9%，可 節(jié)省6%?8%的燃料，可降低NOj排放，還可很好地燃燒煤、油、氣和石油焦等多種燃料。

當(dāng)物料喂人回轉(zhuǎn)窯后，由于窯體有一定的斜度，又以一定速度旋轉(zhuǎn)，就會(huì)帶動(dòng)窯料從位置較高的窯尾向位置較低的窯頭運(yùn)動(dòng)，如圖11-6所示。

根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)得出窯內(nèi)物料的運(yùn)動(dòng)速度的經(jīng)驗(yàn)公式如下:

對(duì)于一定的窯，窯徑和斜度是固定的，只有轉(zhuǎn)速可以最為有效地調(diào)控窯料的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)加快轉(zhuǎn)速時(shí)，窯料的運(yùn)動(dòng)速度加快。如果喂料量不變，窯內(nèi)料層就會(huì)減薄。當(dāng)降低轉(zhuǎn)速時(shí)，窯料的運(yùn)動(dòng)速度減慢。如果喂料量不變，窯內(nèi)料層就會(huì)增厚。

當(dāng)實(shí)施薄料時(shí)，窯料與窯氣熱交換好，窯料溫度均勻，窯內(nèi)積料少，有利于防止硫堿大塊、硫堿圈的形成。如果具有旁路系統(tǒng)，采用薄料快轉(zhuǎn)工藝有利于硫堿的揮發(fā)，因而有利于排出有害組分。

水泥回轉(zhuǎn)窯中傳遞的熱量(Q)分為火焰(f)、通過(guò)輻射(R)和對(duì)流(C)、對(duì)窯料(m)的直接傳熱、火焰對(duì)窯襯(e)的傳熱、窯襯通過(guò)傳導(dǎo)(Cd)和輻射對(duì)窯料的間接傳熱以及散失的熱量(1)，如圖11-7所示。

由圖11-7可知，火焰通過(guò)輻射和對(duì)流將熱量傳給襯體(Q_fe^R+Q_fe^C)和窯料(Q_fm^R+Q_fm^C)。隨著窯體的轉(zhuǎn)動(dòng)，窯料在窯內(nèi)翻滾，窯襯表面周而復(fù)始地一會(huì)暴露窯氣中，一會(huì)又被窯料埋住。當(dāng)暴露于窯氣中時(shí)，窯襯接受來(lái)自火焰的傳熱。當(dāng)被窯料埋住時(shí)，窯襯就把吸收的熱量傳給窯料。窯料的上部接受火焰的傳熱，下部接受來(lái)自襯體的傳熱。

從圖11-7可知，窯料上下表面的溫度較高，中間的溫度較低。但是，窯料中存在熱傳導(dǎo)，隨著窯的轉(zhuǎn)動(dòng)和窯料的翻滾，表面的窯料會(huì)不斷裹進(jìn)料層內(nèi)部，致使窯料內(nèi)部溫度提高。

水泥窯的熱負(fù)荷用燃燒帶容積熱力強(qiáng)度qv、燃燒帶表面熱力強(qiáng)度qF以及燃燒帶截面熱力強(qiáng)度qA表示。

式(11-5)中，燃燒帶容積熱力強(qiáng)度是一個(gè)表示回轉(zhuǎn)窯熱力強(qiáng)度的粗糙方法，不便應(yīng)用。燃燒帶表面熱力強(qiáng)度q_F表示了單位面積窯襯單位時(shí)間內(nèi)承受的熱負(fù)荷，是一個(gè)比較合理的指標(biāo)。但是，計(jì)算q_F還需假定燃燒帶長(zhǎng)度L。所以，常常用燃燒帶截面熱力強(qiáng)度qA來(lái)表示回轉(zhuǎn)窖的熱負(fù)荷。