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耐火材料手册

新型干法水泥生产线

耐火材料手册

陆秉权曾志明主编◎

中国建材工业出版社

1.水泥预分解线的窑炉系统

1.1水泥预分解生产线窑炉耐火材料的选择，除了使用价格外，通常应考虑：

较长的使用寿命。

影响使用寿命的因素有：

耐火材料的耐火度，高温强度,耐火材料与水泥熟料的化学成分适应性，也就是耐火材料的抗化学侵蚀能力，热震稳定性与煅烧的高温熟料的反应结合能力等;

较好的保温效果。

影响因素有:

保温材料的导热系数,保温材料所允许的工作温度，容许保温材料占据的空间等；

较简易的砌筑方式和较快的砌筑速度;

维修速度；

通用性较好，可以从市场上较方便的获得。

1.2预热器及预分解窑炉

1.2.1预热器和预分解炉热工制度有如下特点：

预热器与预分解窑炉的温度（主要指设置在设备壁面的热偶测试出的温度），从第一级预热器到第五级预热器和预分解窑炉依次为:

不高于450℃、650℃、750℃、900℃、1100℃和1100℃。

在这样的煅烧温度下，煅烧物料基本没有液相出现，基本上不存在结块和烧结。

加之系统的热工状态比较稳定，因而预热器和分解炉中的耐火材料的配置不需过高的耐火度,无需太高的强度；由于预热器和分解炉位于整个热气流的尾端，温度变化的频度和幅度较小,因此无需过高的热震稳定性.

由于预热器和分解炉均为静止设备，可用较大的设备外壳，容纳较多的耐火材料，因此可选用导热系数较低的保温材料，降低设备外壳温度,达到节能的目的.

由于部分预热器和分解炉形状较复杂,可选用在成型功能上较灵活的现场成型的耐火浇筑料.

在800℃～1200℃范围内是碱金属氧化物发生冷凝沉积的温度带，因此在碱含量较高的原、燃材料下,预热器在很大范围内，耐火材料在受到热侵蚀的同时,也要经受得住碱金属氧化物的化学侵蚀。

1.2.2预热器分解炉对耐火材料的要求

结构按两层材料配置，外层为导热系数低，强度也较低的保温材料，工作面为有一定强度且能够较好抵抗碱性物质侵蚀的耐火材料。

形状复杂处，多采用耐火材料.大面积直墙由于冷热交变的作用,已坍塌,应考虑锚固措施。

其他部位多采用耐火转直接砌筑。

对于一、二级预热器，可采用黏土质耐碱耐火材料，以降低成本和提高保温效果;对三级以下的预热器，应考虑耐火度为1100℃以上的耐碱耐火材料。

对于耐火材料强度的要求，取决于气流的速度，气流速度较高处，采用较高强度的耐火材料。

在碱含量达到一定数量并有可能逐步富集的部位，如分解炉和四、五级预热器,应在满足较高耐火度的前提下，考虑采用耐碱的耐火材料.

1.2.3耐火材料的配置实例

表一:

2500t/d生产线耐火材料配置

序号

预热器和分解炉

耐火保温材料材质

浇筑料材质

1

Ⅰ级预热器

NJ-30（AL2O3含量为30%的水泥窑用耐碱砖）

GT-13NL（高强耐碱浇筑料）

2

Ⅱ级预热器

3

Ⅲ级预热器

4

Ⅳ、Ⅴ级预热器

AL2O3含量为40％~45%的高强耐碱砖

GT—13NL（高强耐碱浇筑料）

5

分解炉上部

6

分解炉下部

AL2O3含量为85％的高铝砖

GJ-15B高铝质低水泥浇筑料

7

窑尾烟室

AL2O3含量为48%的高强耐碱砖

GT—13NL（高强耐碱浇筑料）

表二：

德国雷法公司配置建议（保温材料略）

序号

预热器和分解炉

耐火砖材质

浇筑料材质

1

Ⅰ、Ⅱ级预热器

KX30（AL2O3含量30％的耐磨耐碱砖）

Rcy40（AL2O3含量42％~44%的浇筑料）

2

Ⅲ级预热器

3

Ⅳ级预热器

KX40（AL2O3含量40%～45%的耐磨耐碱砖）

4

分解炉上部

5

分解炉下部

KX85（AL2O3含量85％或更高的高铝砖）

Rcy50（AL2O3含量55%~57%的浇筑料）

6

窑尾烟室

KX30（AL2O3含量30%的耐磨耐碱砖）

Rcy40（AL2O3含量42%～44%的浇筑料）

1.3回转窑

1.3.1回转窑的机械特点及对耐火材料的强度要求

耐火材料与回转窑壳体之间有一定的滑动或滑动趋势，产生一定的摩擦,耐火砖必须具有必要的强度，抵抗摩擦带来的损害。

回转窑从轴向看，不是绝对的刚性体，由于回转窑筒体在支撑点之间的挠度，随着回转窑的运转，出现于旋转同步的周期性弯曲，由于三组拖轮的回转窑采用了非静定结构，当各个拖轮组因温度差异有不同的膨胀量时,将使窑筒体的同轴度出现偏差,产生较大的附加荷载。

当回转窑突然停电时（在暴雨条件下更为严重），造成窑筒体因上下受热不均出现较大的弯曲变形，使窑内的耐火砖承受较大的挤压应力。

这些附加应力将通过窑筒体最终作用在窑衬上。

径向应力

窑筒体椭圆率ω（%）=窑筒体钢板内径D（m）/10

因筒体椭圆变形传递到窑衬得压应力计算：

σD=3H/4R0^2*ωD*ED

式中：

σD——压应力（N/m㎡）；

ωD-—窑体的椭圆（mm），ωD=2ωR0

R0—-窑筒体半径（mm）；

H--衬砖厚度（mm）；

ED——压缩弹性模量（N/m㎡）;

回转窑椭圆率与耐火砖的压应力

椭圆率（％）

椭圆度（mm）

压应力（N/m㎡）

0.3

12

11。

25

0.4

16

15．0

0。

5

20

18。

75

0。

6

24

22。

5

1.3.2沿轴向分布的回砖窑的各个热工带

喂料带位于回转窑的尾部，约1。

5～2.0m

预热带也称分解带。

后过渡带也称过渡带

烧成带

前过渡带

窑口

1.3.3水泥预分解生产线回转窑耐火材料配置实例

我国部分工厂配置实例

窑规格

窑口

前过渡带

烧成带

后过渡带

安全带

预热带

喂料带

Ø3.2×50m

耐热钢纤维高强低水泥高铝耐火浇筑料

抗剥落高强高铝砖

直接结合镁铬砖

磷酸盐结合高铝砖

磷酸盐结合高铝砖

CB20高强耐碱隔热砖

耐碱浇筑料

Ø3。

2×50m

直接结合镁砖

直接结合镁砖

直接结合镁铬砖

磷酸盐结合高铝砖

磷酸盐结合高铝砖

CB20高强耐碱隔热砖

耐碱浇筑料

Ø3。

5×52m

钢纤维增强低水泥刚玉质耐火浇筑料

抗剥落高强高铝砖

直接结合镁铬砖

抗剥落高强高铝砖

抗剥落高强高铝砖

耐碱隔热砖

高强耐碱浇筑料

Ø4。

0×60m

钢纤维增强低水泥刚玉质耐火浇筑料

硅莫砖、尖晶石砖

直接结合镁铬砖

硅莫砖、尖晶石砖

硅莫复合砖、尖晶石砖

CB30高强耐碱隔热砖

高强耐碱浇筑料

Ø5。

6×76m

钢纤维增强低水泥刚玉质耐火浇筑料

莫来石砖、尖晶石砖

直接结合镁铬砖

尖晶石砖

尖晶石砖

复合保温耐火砖

高强耐碱浇筑料

雷法公司对回转窑的砌筑建议

序号

窑热工带

耐火砖材质

砌筑方法

轴向膨胀缝

径向膨胀缝

1

卸料带

高铝砖

干砌或火泥砌筑

无

无

尖晶石砖

无

2mm纸板

2

下过渡带

特种镁砖

干砌或火泥砌筑

无

2mm纸板（1％砖长）

尖晶石砖

无

直接结合碱性砖

3

烧成带

特种镁砖

干砌或火泥砌筑

无

2mm纸板（1%砖长）

高温煅烧镁铬砖

无

直接结合碱性砖

白云石砖

4

上过渡带

尖晶石砖

干砌或火泥砌筑

无

2mm纸板（1％砖长）

特种镁砖

无

镁铬砖

无

直接结合碱性砖

5

安全带

高铝砖

干砌或火泥砌筑

无

无

6

分解带

轻质耐火砖

无

无

高耐磨砖

无

无

黏土砖

无

无

雷法公司对回转窑耐火材料配置的建议

带别

耐火衬料长度

耐火衬料牌号

D﹤4。

0m

D﹥4。

0m

正常热负荷

热负荷高

窑口

挡砖圈上坡方向最多两圈

Kx85

Ag85

下过渡带

2D

1～2D

Mp93

Ag85,Mp95

烧成带

4D

4～6D

Px83，Px80

Mp93

上过渡带

2D

2～4D

Px80，Px83

Ag85，Mp95

安全带

2D

2D

Kx50

Kx70

预热带

从10D起

从12D起

Rt150

Rt150,Kx30，Kx50

喂料带

约1m

Kx30（Rcy40）

Kx30（Rcy40）

注：

公司耐火材料牌号如下：

Kx85：

含铝量约85％的高铝砖Ag85：

尖晶石砖

Mp93：

无铬镁砖Mp95：

无尖晶石纯镁砖

Px80:

镁铬砖Px83：

镁铬砖

Kx50：

含铝量50％～55％的高铝砖Kx70：

含铝量约70%的高铝砖

Rt150：

轻质耐火砖Rcy40：

含铝量约40％的浇筑料

1.4篦式冷却机

1.4.1篦式冷却机的热工特点及耐火材料

1.4.2篦冷机耐火材料应用实例

我国部分工厂篦式冷却机耐火材料配置

一室

二室

三室

上部

下部

上部

下部

上部

下部

高铝砖

表面为高强耐火浇筑料，填充粘土砖

高铝砖

表面为高强耐火浇筑料，填充粘土砖

高铝砖

高强耐火浇筑料

高强耐碱砖

表面高铝质低水泥浇筑料，填充粘土砖

高强耐碱砖

表面高铝质低水泥浇筑料

高强耐碱砖

高强耐火浇筑料

雷法公司对篦冷机耐火材料配置的建议

设备部位

选用耐火材料

篦式冷却机

一室

上部

Kx85

Rcy50（Rcd95）

下部

Kx85

Rcy50（Rcd95）

二室

上部

Kx50

Rcy50

下部

Kx85

Rcy50（Rcd95）

三室

上部

Kx30

Rcy50

下部

Kx30

Rcy50

四室

上部

Kx30

Rcy50

下部

Kx30

Rcy50

注：

下部是指受活动篦板的影响，与块状熟料直接摩擦的部位；上部是指不与块状熟料直接摩擦，但受高压风夹带的颗粒熟料强烈冲刷的部位。

1.5窑头罩、喷煤管与三次风管

我国水泥厂窑头罩、喷煤管与三次风管耐火材料配置

序号

窑头罩

喷煤管

三次风管

1

硅盖板+低水泥高铝耐火浇筑料

刚玉质高强低水泥耐火浇筑料

硅盖板+高强耐碱砖+高强耐火浇筑料

2

硅盖板+高铝砖+低水泥高铝耐火浇筑料

刚玉质高强低水泥耐火浇筑料

硅盖板+高强耐碱砖+刚玉质高强耐火浇筑料

3

硅盖板+磷酸盐结合高铝砖+低水泥高铝耐火浇筑料

刚玉质高强低水泥耐火浇筑料

硅盖板+高强耐碱砖+刚玉质高强耐火浇筑料

雷法公司对窑头罩、喷煤管与三次风管耐火材料配置建议

设备部位

选用耐火材料

耐火砖

耐火浇筑料

窑头罩

上部

Kx85

Rcy50

下部

Kx50

Rcy40

喷煤管

Rcy95（扒钉材质相当于我国钢种中的Gr25Ni20）

三次风管

Kx30

Rcy50

注：

Rcy95含铝量约70%～95%高抗磨耐火浇筑料

1.6回转窑砖型的改进与选择

1.6.1新标准系统耐火砖的配置

1.6.1.1ISO标准砖的数量配置

1.6.1.2VDZ标准耐火砖的数量配置

注:

以上两个表中,第一栏窑径项内，相同窑径的第一行或仅有一行为无间缝材料的配砖比,第二行为带1mm砖缝的配砖比。

代号218，B218表示使用于内径2m的回转窑上高度为180mm的耐火砖；

代号618,B618表示使用于内径6m的回转窑上高度为180mm的耐火砖；

以上两种标准砖在世界上都是通用的。

从砖高上分为180、200、220三组,每组从配合的窑直径上分为2m、4m、6m（还有3m、5m两种）三种，这种依靠九种砖的适宜搭配，就可以适应从2.5m到6。

0m直径的所有规格的回转窑耐火砖的砌筑.具体采用哪一种砖，可以根据优选的耐火衬料厚度和耐火砖的膨胀系数大小来确定.

在表中列出不同高度的砖并提出了不同高度耐火砖的适用范围，是考虑再不的窑径条件下，耐火砖不同的导热系数和不同的膨胀系数之间的适应问题。

如果窑衬的厚度过大,内外膨胀差过大，将造成耐火砖内层的剥落。

表中的ISO标准和VDZ标准并存。

相比之下，ISO标准比VDZ标准的耐火砖厚度要大一些，可分别适用于不同膨胀系数的耐火材料。

VDZ砖的厚度较薄,在砌筑时砖缝比较多，可以补缩较大的膨胀量，因此较适宜于膨胀系数比较大的碱性耐火砖.而ISO标准较适宜于非碱性砖.

由于我国回转窑用耐火砖的砖型在新标准中没有各种直径的回转窑耐火砖的数量配置,因此这里保留ISO和VDZ标准中的相关内容.但两个标准在设定的砖缝上略有不同。

1.6.2我国回转窑用耐火砖的砖型标准

1999年,由中国建筑材料科学院牵头编制了GB/T17912-1999《回转窑用耐火砖形状尺寸》，等同于ISO和VDZ标准砖型。

该标准中水泥行业常用的耐火砖的外形尺寸及主要参数见右图和下表，等同于ISO和VDZ相应的标准.

等大端尺寸103mm回转窑用砖（基本等同于ISO标准）

砖号

尺寸（mm）

体积（dm3）

计算外直径

a

b

h

L

δ=1mm

δ=2mm

A218

103

84

180

198

3。

3323

1。

9075

1。

9895

A318

103

90.5

3.4482

2.9952

3。

0240

A418

103

93。

5

3。

5016

3。

9411

3.9790

A618

103

97

3。

5640

6。

2400

6.300

AP—18

93

87

3.2080

A220

103

82

200

3.6630

1。

9810

2。

000

A320

103

89

3。

8016

2。

9714

3.000

A420

103

92.5

3.8709

3。

9619

4。

000

A620

103

96.2

3.9442

6.1177

6.1765

AP—20

103

86.2

3.548

A222

93

80

220

3。

986

2.009

A322

103

4.1600

3。

0570

3.0800

A422

103

91。

5

4。

2362

3.9791

4。

0174

A622

103

95.5

4.3233

6。

1013

6.1600

AP—22

93

85.5

3.8880

注：

部分砖型标准中没有，或没有明确表示的，是采用ISO标准的.但GB/T标准中，对于P系列这种衍生的规则是允许的,即:

锁砖的大小端尺寸可平行增大20mm或减小10mm.用户可以根据需要，在耐火砖选型设计时，选择应种或两种配砖需要。

δ=1mm、2mm，分别表示设计砖缝为1mm和2mm条件下的取值.

部分单位采用了ISO标准中的单位,但不会造成正确理解标准的障碍，如cm3改换为dm3

等中间尺寸71。

5mm回转窑用砖（基本等同于VDZ标准）

砖号

尺寸（mm）

体积（d㎡）

计算圆周外径

a

b

h

L

δ=1mm

δ=2mm

B218

78

65

180

198

2.5483

2.1877

2.2154

B318

76.5

66.5

2.7900

2.8260

B418

75

68

3。

9086

3。

9600

B618

74

69

5。

400

5。

4720

BP18

64

59

2。

192

BP+18

83

77

2。

851

B220

78

65

200

2。

8314

2。

431

2.4615

B320

76。

5

66.5

3。

100

3。

1400

B420

75

68

4。

3429

4。

4000

B620

74

69

6.0000

6.0800

BP20

64

59

2。

435

BP+20

83

76.2

3。

152

B222

78

65

220

3.115

2。

6739

2.7077

B322

76。

5

66。

5

3.4100

3。

4540

B422

75

68

3。

115

4。

7771

4.8400

B622

74

69

6.6000

6。

688

BP-22

64

59

2。

679

BP+22

83

75。

5

3。

452

注:

部分砖型标准中没有，或没有明确表示的，是采用VDZ标准的。

但GB/T标准中，对于P系列这种衍生的规则是允许的,即：

锁砖的大小端尺寸可平行增大20mm或减小10mm。

用户可以根据需要，在耐火砖选型设计时，选择应种或两种配砖需要。

δ=1mm、2mm,分别表示设计砖缝为1mm和2mm条件下的取值。

部分单位采用了VDZ标准中的单位，但不会造成正确理解标准的障碍，如cm3改换为dm3

1.6.3回转窑衬砖高度的选择

窑径（mm）

建议窑衬砖高度（mm）

〈3600

180

3600～4200

200

4200～5600

220

>5600

250

注：

回转窑的高度应在合理的范围内，耐火砖的使用寿命并不适于其高度（耐火衬料的厚度）成正比。

对于膨胀系数较大的耐火砖,过厚的衬料由于内外层的温差过大和膨胀量差别过大，往往导致工作内层的早期破损。

2.耐火材料的主要理化性能及检测

是指结构性质、热学性质、力学性质、使用性质和作业性质。

对视泥行业而言，还有一种特殊的性质，即所谓的挂窑皮性质。

2.1耐火材料的结构性质

2.1.1体积密度

体积密度是指多孔材料的质量（不含游离水）与总体积（包括固相和全部气体所占的体积）的比值，用g/cm³表示.

体积密度（ρb）计算公式如下：

ρb=m1/（m3－m2）×ρmg

式中：

m1—-干燥试样的质量

m2-—饱和试样悬浮在液体中的质量

m3-—饱和试样在空气中的质量

ρmg——试验温度下浸渍液体的密度

体积密度直观地反映了致密耐火制品致密程度，是衡量其质量水平的重要指标.另外它还使工程上计算材料用量的基本数据.

2.1.2气孔率

气孔分为开口气孔、闭口气孔和贯通气孔。

在耐火材料监测标准中，将所有开口气孔的体积与总体积的比值视为显气孔率,用％表示。

显气孔率（的计算公式如下:

λa（%）=（m3－m1）/（m3－m2）×100

真气孔率的计算公式如下：

λt（%）=（ρt－ρ1）/ρ1×100

式中：

ρt-—试样的真密度（g/cm³）

ρ1-—试验温度下的浸渍液体的密度（g/cm³）

闭口气孔率（λf）的计算公式如下:

λf=λt－λa

耐火材料的气孔的大小决定它在高温条件下抵抗外界侵蚀能力的大小，由于开口气孔和贯通气孔占总气孔体积的绝大部分，并对其使用性能其决定性作用,材料的显气孔率大小可反映其致密程度、制造工艺中颗粒级配及成型和烧成是否合理，因此检测致密耐火制品的显气孔率是重要的。

2.1.3真密度

真密度是指试样在完全干燥的条件下（不含游离水）的质量与其真体积之比。

耐火制品体现了其材质的纯度或晶型转变的程度等，由此可推测在使用中可能产生的变化。

2.1.4吸水率

吸水率是指所有开口气孔吸收水达到饱和状态时的质量与其完全干燥状态下（不含游离水）的试样的质量之比.该项指标常用于鉴定原料的煅烧质量.

2.1.5透气度

透气度是指气体在一定压差条件下对于一定面积、一定厚度试样的通过能力.透气度的大小主要由贯通气孔的大小、数量和结构决定的。

2.2耐火材料的热学性质

耐火材料的热学性质包括热膨胀性和热导率等。

2.2.1热膨胀

耐火材料的热膨胀是指试样在加热过程中,其长度和体积随温度的升高而变化的性质,用热膨胀率和膨胀系数表示，其数值上等于单位温度变化在某一方向上的膨胀量与该方向膨胀前的实际长度的比。

国家标准GB/T7320—2000《耐火制品热膨胀试验方法》中规定热膨胀率是室温至试验温度间试样长度的相对变化率，用％表示;平均热膨胀系数是室温至试验温度间温度每升高1℃试样长度的相对变化率,单位10-6/℃.

耐火材料的热膨胀性能直接影响窑炉砌筑尺寸的严密程度及结构的稳定。

在实际工作中，应根据热膨胀性和砌筑体的构造状况确定烘烤制度，以避免过度的热膨胀造成耐火材料的损坏。

2.2.2热导率

热导率亦称导热系数,它表示在单位温度梯度下通过材料单位面积的热流速率,用λ表示.耐火材料的导热系数是衡量材料在使用过程中所具有的隔热保温能力，在热工设计中，它是热工计算的基础数据.

耐火材料的导热系数取决于材质的化学组成,晶体结构以及反映耐火材料加工状态的气孔分布状况和气孔率的大小。

一般来讲大部分材料在一定的温度区间内，对一范围的气孔率来说,随着气孔率的增大，导热系数是降低的；而制品的导热系数是随着体积密度的增大而增大。

2.3耐火材料的力学性质

2.3.1强度

2.3.1.1常温耐压强度

是指在常温下以规定的加载速度施加负荷，耐火制品在破坏之前单位面积所承受的最大负荷,用N/mm2表示，即Mpa。

2.3.1.2常温抗折强度

是指在常温下以恒定的加压速度对标准规定尺寸的长方试体在三点弯曲装置上施加应力,记录试样能够承受的最大负荷，用N/mm2表示，即Mpa。

2.3.1.3高温耐压和抗折强度

测试原理与常温相同，只是增加了高温条件。

一些耐火浇筑料和不烧砖选择测试这项指标，因为这些材料均加入了一定量的结合剂，其常温强度会随着温度的升高而变化，由于结合方式不同，有些高温强度增高或不变化,有些随着温度的升高而降低，因此，对某些耐火材料或制品，必须了解其高温强度,从而确定它们在工作温度下能否满足要求。

对耐火浇筑料，通常强度指标采用以下条件的一些特定值：

110℃烘干强度

1100℃烧后强度

1500℃烧后强度

2.3.2耐火材料的常温耐磨性

2.4耐火材料的使用性能

2.4.1耐火度

耐火材料的耐高温特性。

通常耐火度大于1580℃的无机非金属材料成为耐火材料。

耐火度的高低取决于材料化学矿物组成和各种具有强熔剂作用的杂质成分的含量等.在实际应用中，决不能以耐火度作为使用温度的最大限定值,而仅作为使用最大温度的一个重要参考值，耐火材料的实际使用温度要比耐火度低得多。

检验标准为GB/T7322-1997（idtISO528：

1983）《耐火材料耐火度试验方法》，具体测试时将耐火材料或制品的试样锥与已知耐火度的标准测温锥一起栽在锥台上，在氧化气氛中，在规定的条件下加热,然后比较它们弯倒的情况,得出该耐火材料的耐火度。

2.4.2荷重软化温度

荷重软化温度是衡量耐火材料在高温与荷重共同作用下产生变形时温度的一项重要指标，它一定程度上代表了耐火材料在使用条件下的结构强度，也就是说耐火材料能够抵抗恒重负荷和高温热负荷共同作用而保持稳定的能力，是一项比较接近耐火材料实际工作性能的指标。

GB/T5987—1998（idtISO1893：

1989）《耐火制品荷重软化温度试验方法》（示差—升温法）所规定的方法为：

在规定恒定荷载和升温速率下加热圆柱体试样,直到试样产生规定的压缩变形，记录升温时试样的变形，测定产生变形时的相应的温度。

2.4.3热震稳定性

热震稳定性是指耐火制品对环境