摘要：為了解決水泥窯用鎂鉻磚引發(fā)的環(huán)境污染問題，無鉻堿性耐火產品的開發(fā)已得到長足發(fā)展，本文針對水泥窯所用的無鉻堿性耐火產品：方鎂石-復合鎂鋁尖晶石磚、鎂鐵尖晶石磚、鎂鐵鋁復合尖晶石磚等進行性能方面的分析、對比進行論述，以及通過對實際使用效果的比較可以證明鎂鉄鋁復合尖晶石磚抗侵蝕性能好，窯皮形成迅速、穩(wěn)定、不脫落，抗熱震性能好，導熱率小，節(jié)能效果顯著，特別是徹底杜絕了水泥中的鉻含量超標污染的問題，是水泥窯燒成帶用耐火材料的首選。

  關鍵詞：無鉻化   鎂鉄鋁復合尖晶石磚   性能   無污染

  水泥工業(yè)的污染主要是含鉻耐火材料引起的污染，主要途徑有：一是在水泥熟料煅燒過程中，含鉻耐火材料在氧化氣氛和堿性氧化物存在時，在一定溫度下Cr⁺³會有一部分轉化為對人類有危害的Cr⁺⁶，并隨剝落的耐火材料混入水泥熟料中，導致水泥中的鉻含量超標；二是含鉻的廢磚處理不合理，被雨水沖刷流入地下而污染到地下水源。

  20世紀90年代以來我國水泥工業(yè)迅猛發(fā)展，含鉻耐火材料在水泥窯燒成帶得到大規(guī)模的應用，也取得了很好的效果，但與此同時，含鉻耐火材料帶來的鉻污染愈加廣泛。為了解決水泥窯用鎂鉻磚引發(fā)的環(huán)境污染問題，開發(fā)無鉻化耐火產品已成為耐火工作者的主要任務之一 ，經過廣大耐火材料工作者的不懈努力，無鉻堿性耐火材料在過去20年得到了長足的發(fā)展。水泥窯用無鉻耐火產品主要有方鎂石-復合鎂鋁尖晶石磚、鎂鐵尖晶石磚、鎂鐵鋁復合尖晶石磚等。^［1］

  鄭州瑞泰耐火科技有限公司研制的鎂鐵鋁復合尖晶石磚是在原有鎂鐵尖晶石磚的基礎上開發(fā)的又一種節(jié)能環(huán)保的新型耐火材料。

  1、鎂鐵鋁復合尖晶石磚的生產

  1.1原料的標準

  進廠原料首先在實驗室進行化學成分分析，其主要化學成分要符合表1要求。

表1 主要原料的化學成分

  1.2原料的制備

  檢驗合格的原料，經過顎式破碎機進行粗碎，一部分進入圓錐破碎機進行破碎，經過篩分，將≤5mm以下的粒度按照工藝要求，經過篩分后進入到不同的料倉，＞5mm的原料重新回到圓錐破碎機破碎；另一部分進入筒磨機或雷蒙磨加工成≤0.088mm的細粉料進入料倉。

  1.3原料的混練

  采用亞硫酸紙漿廢液作為結合劑，首先將顆粒料加入濕碾機中混練3～5分鐘，加入4/5的結合劑混練3～5分鐘，再加入細粉料混練5～10分鐘（期間根據泥料的干濕程度，適當加入結合劑），泥料混合均勻后可以出料進行造坯成型。

  1.4高壓成型

  采用630噸程控壓力機成型。要求半成品磚坯無麻面，無裂紋，尺寸外形規(guī)整，符合半成品標準，半成品體密≥3.12g/cm³。

  1.5高溫燒成

  檢驗合格的半成品磚坯按要求逐次進入隧道干燥器，經過110℃溫度干燥24h，檢驗合格后裝車進入高溫隧道窯燒成，按工藝要求保溫8h后，逐次出窯檢選。

  1.6鎂鐵鋁復合尖晶石磚的理化指標

  對鎂鐵鋁復合尖晶石磚成品進行理化性能檢測，檢測指標見表2。

表2 鎂鐵鋁復合尖晶石磚的理化指標^［2］

  2、鎂鐵鋁復合尖晶石磚的性能優(yōu)勢

  （1）良好的抗侵蝕性能

  ①鎂鉄鋁復合尖晶石磚中的氧化鎂和氧化鐵、鐵尖晶石、鋁尖晶石反應，局部形成不均勻的孔隙和微細裂紋結構，形成晶體之間高度直接結合結構；②MgO和鐵鋁尖晶石的Al₂O₃、Fe₂O₃或FeO較易反應，形成相互擴散的現象，相互擴散的同時又形成二次尖晶石的生成，鐵鋁尖晶石顆粒周圍會形成一個Fe含量較高的致密層，燒結后二次尖晶石的生成也增強了鎂鐵鋁復合尖晶石磚的致密性；③鎂砂間的直接結合和鐵鋁尖晶石的化學穩(wěn)定性是鎂鐵鋁復合尖晶石磚具有很強的抗硅酸鹽熔體滲透的能力和抗鹽堿侵蝕的性能。鎂鐵鋁復合尖晶石磚在生產和使用過程中，生成的尖晶石具有較好的抗侵蝕性能，水泥熟料中的液相主要是C₄AF和C₃A。在水泥生產過程中，熟料首先滲透到磚內部的成分主要是C₄AF。同時熟料中液相在進入磚表面時，液相與磚的化學成分反應首先形成高溫耐火層，阻止液相的進一步滲透，提高了抗熟料侵蝕的能力。

  （2）良好的掛窯皮性能

  窯皮形成的過程是當窯溫達到一定值時，窯料產生熔體，并與耐火磚面發(fā)生反應，通過磚的氣孔向磚內滲透，滲入物進入磚內在低于1200℃的部位固化，產生“機械錨固”作用，此階段為窯皮初始形成的粘掛固著階段。在此基礎上第一層窯皮再與熟料顆粒粘結，窯皮逐漸增厚。窯皮增厚至一定值時達到動態(tài)平衡終止增厚，形成窯皮。當窯的運行工藝發(fā)生變化，特別是停窯時，窯皮的重力大于窯皮在磚上的“錨固力”時窯皮就會脫落，造成對襯磚的損壞。所以窯皮在襯磚上的“錨固力”對窯皮的穩(wěn)定性有著重要的意義。為了使窯皮與襯磚結合的牢固，除耐火磚的化學成分之外，磚的組織結構也很重要，應該有一定量的分布均勻的氣孔，以利于窯料熔體的滲入形成“機械錨固”。^［3］

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  正常煅燒時的窯料是以C3A-C4AF為主體的液相，所以窯料中的化學成分對窯皮的穩(wěn)走具有重要影響。水泥熟料中AI₂O₃+Fe₂O₃含量愈高即硅酸率愈低、溫度愈高熔體量愈多。Al₂O₃和Fe2O₃對熔體形成量和對熔體粘度的影響不同，不同Al₂O₃與Fe₂O₃相對含量（即鋁氧率）的水泥熟料熔體與溫度的關系。當A/F=1.38時1280℃就出現液相，并在較低的溫度下(1300℃)就可形成較多的熔體，且在較寬的溫度范圍內（至1450℃）熔體量變化不大，比較有利于窯皮的粘掛。^［3］

  鎂鐵鋁復合尖晶石磚中存在鎂鐵尖晶石、鐵鋁尖晶石和鎂鋁尖晶石等，MgO和水泥熟料中的的Al₂O₃、Fe₂O₃或FeO較易反應，形成相互擴散的現象，這種相互擴散就使鎂鉄鋁復合尖晶石磚中的一部分成分進入到熟料熔體中，而熟料熔體也會有一部分侵入到鎂鉄鋁復合尖晶石磚的反應層中，這種化學反應使鎂鉄鋁復合尖晶石磚和水泥熟料有機結合成一個相互融合的整體。這種相互擴散、相互融合的同時，又會形成二次尖晶石的生成，局部形成不均勻的孔隙和微細結構，加大了水泥熟料向耐火材料的滲透作用，提高了掛窯皮性能。

  （3）良好的抗熱震性能

  鐵鋁尖晶石具有熱膨脹系數小、熱導率高的特點，可明顯降低鎂鐵鋁復合尖晶石磚的熱應力。鎂鐵鋁復合尖晶石磚中含有方鎂石、鐵鋁尖晶石、鎂鐵尖晶石、鎂鋁尖晶石等多種物相，由于各種物相的熱膨脹系數不同，在燒成過程中使材料內部存在大量的微裂紋，從而增加了材料的韌性。因此，鎂鐵鋁尖晶石磚具有較好的柔韌性及抗熱震性。

  （4）較低的熱導率

  水泥窯的窯襯磚都是單層結構，窯筒體長期高溫容易引起筒體變形，影響窯的運轉，降低水泥產量，因此要求盡量降低窯襯的熱導率。相對于直接結合鎂鉻磚來說，鎂鐵鋁復合尖晶石磚降低了窯襯材料的熱導率，降低了筒體表面溫度，減少了熱量損失，相應的降低了燃料消耗，為提高水泥窯的運轉率和提高使用壽命創(chuàng)造了良好的條件。

  （5）無鉻堿性磚與直接結合鎂鉻磚的理化指標比較見表3。^［2］

  表3  無鉻堿性磚與鎂鉻磚的理化指標

  通過表3比較可以看出，直接結合鎂鉻磚雖然使用效果比較好，但是會對環(huán)境造成污染，屬于被淘汰的產品；鎂鋁尖晶石磚雖然熱震性能較好，但是鎂鋁尖晶石磚的掛窯皮性能較差，同時熱導率過高，致使窯筒體溫度過高，不利于節(jié)能降耗；鎂鐵尖晶石磚雖說各方面性能都較好，但是也含有部分的鉻，是低鉻耐火材料，也屬于被淘汰的產品；所以，現階段鎂鐵鋁復合尖晶石磚是水泥窯燒成帶用耐火材料的首選。

  3、鎂鐵鋁復合尖晶石磚的應用

  鄭州瑞泰耐火科技有限公司從2011年開始生產，目前已生產鎂鐵鋁復合尖晶石磚約有三萬多噸，在直徑4m到 5.2m的回轉窯燒成帶使用，均取得了較好的使用效果，典型用戶的使用情況如下。

  （1）2013年6月12日砌筑于遵義三岔拉法基瑞安有限公司Φ4.8×72m窯使用鎂鐵鋁復合尖晶石磚，從點火后使用至2014年7月22日，用后殘磚厚度還有約130mm以上，正常使用405天，按照拆除的殘磚情況判斷，最少還能使用兩個月。

  （2）2013年6月砌筑于湖南瀏陽南方水泥有限公司Φ4.8×74m窯3.2～24米部位的鎂鐵鋁復合尖晶石磚，正常運轉到2014年10月，運轉期間燒成帶筒體溫度基本穩(wěn)定，無炸裂、剝落現象，使用16個月，效果良好。

  （3）2015年1月砌筑于翁源縣中源發(fā)展有限公司Φ4.8×74m窯燒成帶的鎂鐵鋁復合尖晶石磚，已運行八個月還在正常使用中，筒體溫度300℃左右，溫度分布均勻，窯皮厚薄適中，表面平整，磚體基本無剝落。

  （4）現在鄭州瑞泰耐火科技有限公司生產的鎂鐵鋁復合尖晶石磚已廣泛應用于國內外近百家水泥企業(yè)，通過鎂鐵鋁尖晶石磚在各個水泥企業(yè)的應用情況分析：鎂鐵鋁尖晶石磚的性能優(yōu)異，適應性強，超過了現有直接結合鎂鉻磚的水平，可以替代直接結合鎂鉻磚使用，完全可以實現水泥窯燒成帶材料的無鉻化。

  4、結論

  （1）抗侵蝕性能好，使用中沒有出現堿裂、疏松等現象。

  （2）窯皮形成迅速，窯皮穩(wěn)定、不脫落。

  （3）抗熱震性能好，可以提高對水泥窯的溫度波動的耐受性。

  （4）鎂鐵鋁尖晶石磚的導熱率小，降低回轉窯筒體的表面溫度，節(jié)能效果顯著。

  參考文獻

  ［1］欒志海、張靖、肖勇、蔡世國 。淺析國產鎂鉄尖晶石磚在窯上應用的優(yōu)勢 。中國水泥協會2013年水泥行業(yè)無鉻化耐火材料推廣會文集。

  ［2］水泥行業(yè)用耐火材料 。 鄭州瑞泰產品說明書。

  ［3］ 曾大凡、張用賓。水泥窯燒成帶用磚的“掛窯皮性能”。中國建材網2013年12月31日，www.cbmd.cn