水泥窑烧成带用耐火砖的“挂窑皮性能”

  水泥窑烧成带（包括两侧的过渡带）的耐火砖面上粘挂的窑皮，对耐火砖的保护作用非常重要。当耐火砖面上粘挂上厚度适当的窑皮时，砖面温度由于窑皮的隔热作用大大降低，砖内的温度梯度减缓，热应力减小，并且水泥熟料对耐火砖的化学侵蚀速度也会由于砖面温度的降低而大大减低。因此粘挂窑皮的性能对用于水泥窑烧成带的耐火材料是重要的作业性能。

  水泥窑在正常煅烧水泥的温度下，水泥熟料中有一定量的以C3A和C4AF为主的熔融液相，在水泥窑转动中这些含有一定熔体的松散的窑料在滚动中逐步密实起来，原来包含在松散窑料中的熔体便被挤到聚集体的表面，再润湿并粘附新的窑料，逐渐形成熟料颗粒。与此同时含有熔体的窑料也开始在衬砖上粘挂，熟料颗粒表面的熔体在与衬砖的接触中也会粘附在砖面上并渗入到耐火砖的表层气孔中，在熔体的作用下粘附在砖面上的熟料逐渐失去滚动能力，粘附逐渐牢固，并且又粘附上新的窑料形成窑皮。窑皮形成后，窑皮的表面粘附的熟料逐渐增厚，即窑皮增长，窑皮达到一定厚度时，窑皮与衬砖组成的总衬里的隔热功能导致窑皮表面温度提高了很多，当此温度下熟料的熔体含量增多并且粘度减小至一定值时，形成了一种所谓的“烧溜”现象，窑皮的增长得到终止。当工艺发生变动时如窑料变少、成分变得易烧、燃料过多等造成窑温变高，就会烧掉一部分甚至原有窑皮而当工艺变动使得窑内温度适当降低时窑皮又会补挂。因此窑皮特别是表层窑皮实际上是经常处于消长的状态，也即动态平衡的状态。窑皮形成、发展、增长、脱落、再次粘挂的动态。

  耐火砖面上形成较为稳定的窑皮后，砖面温度大大降低（1000℃以下），所承受的热、机械及化学的综合破坏强度大为减轻，因此稳定窑皮的形成对保护烧成带耐火砖至关重要。反之当窑皮不稳定时，一旦窑皮脱落总要连带“撕”掉一层与窑皮紧密粘附的衬砖，造成衬砖的严重剥落受损，并且当窑皮脱落至砖面（或连带至砖的断面）时，砖面直接裸露于火焰中，温度从700~800℃骤然升至1400℃以上，砖的内部在瞬间产生很大的热应力，是造成衬砖进一步分层剥落的主导原因。

  稳定窑皮的形成主要取决于窑温和窑料中熔体的含量及粘度，但耐火砖的成分，组织结构及砖内的温度梯度也有很大的影响。

  耐火砖的化学成分

  窑皮形成的先决条件是窑料中要产生一定数量和粘度适当的液相，含有熔体的窑料往耐火砖面上粘附时两者要发生相互反应，在反应过程中耐火砖的成分有部分进入到熔体中，而熔体也会有一部分侵入到砖的反应层中，这种化学反应都在不同程度上改变了熔体和衬砖反应层的成分。水泥窑料中的熔体主要是C3A-C4AF，且熔有一定量的游离CaO和C2S。熟料中的AI2O3+Fe2O3含量越高，熟料中的熔体含量越多。在粘挂窑皮的过程中熔体含量过多和过少都不利，以24~26%为宜，大型窑应适当低些以22~23%为宜。当熔体熔入部分耐火砖的成分后改变了原有的A+F的含量比例，若进入的成分造成熔体量显著变化就会影响粘挂窑皮的难易。与此同时熔体成分的变化还会影响熔体的粘度，因此也会影响窑皮的粘挂。

  方镁石-尖晶石砖中通常含有8%以上的AI2O3，在与水泥窑料反应时，砖中的AI2O3首先被侵蚀而进入熔体，造成窑料中熔体量增多且粘度下降的结果，这也是方镁石-尖晶石砖在水泥窑烧成带使用效果不佳的原因。

  铝硅质耐火材料用于烧成带时，在高温下反应层生成的产物与耐火砖含有AI2O3的量有关。当耐火砖含AI2O3为60-40%时（即三等高铝砖一粘土砖），反应层生成CAS2（钙长石），此时熔体的粘度小不利于窑皮的形成和粘挂，而当砖中AI2O3含量为60%以上时，反应层生成C2AS，熔体粘度大且随温度的变化粘度减小的速率小大，利于窑皮的粘挂。

  高铝质耐火砖用于烧成带虽然能够粘挂窑皮，但是只在1450℃以下，若由于工艺波动等原因原来的窑皮脱落，砖面直接暴露于火焰之下窑温过高时，高铝砖会迅速被侵蚀甚至熔融，因此高铝质耐火砖用于烧成带受其高温与水泥窑料反应迅速侵蚀的制约，不能很快的补挂窑皮，不是理想的窑衬材料。

  耐火砖的组织结构

  窑皮形成的过程是当窑温达到一定值时，窑料产生熔体，并与耐火砖面发生反应，通过砖的气孔向砖内渗透，渗入物进入砖内在低于1200℃的部位固化，产生“机械锚固”作用，此阶段为窑皮初始形成的粘挂固着阶段。在此基础上层窑皮再与熟料颗粒粘结，窑皮逐渐增厚。窑皮增厚至一定值时达到动态平衡终止增厚，当窑的运行工艺发生变化，特别是停窑时，窑皮的重力大于窑皮在砖上的“锚固力”时窑皮就会脱落，造成对衬砖的损坏。所以窑皮在衬砖上的“锚固力”对窑皮的稳定性有着重要的意义。为了使窑皮与衬砖结合的牢固，除耐火砖的化学成分之外，砖的组织结构也很重要，应该有一定量的分布均匀的气孔，以利于窑料熔体的渗入形成“机械锚固”。

  水泥料的成分

  窑料中的熔体量和粘度是影响窑皮形成和消长的主要因素，而熔体又是以C3A-C4AF为主体的液相，所以窑料中的化学成分对窑皮的稳走具有重要影响。水泥熟料中AI2O3+Fe2O3含量愈高即硅酸率愈低、温度愈高熔体量愈多。AI2O3和Fe2O3对熔体形成量和对熔体粘度的影响不同，不同AI2O3与Fe2O3相对含量（即铝氧率）的水泥熟料熔体与温度的关系。当A/F=1.38时1280℃就出现液相，并在较低的温度下(1300℃)就可形成较多的熔体，且在较宽的温度范围内（至1450℃）熔体量变化不大，比较有利于窑皮的粘挂，但是此种熟料中由于含AI2O3量较少形成的C3A量不足水泥的早期强度偏低。而当A/F值偏大和偏小时都会提高液相的初生温度和熔体量对温度的敏感性增大。因此水泥窑料的成分应综合考虑水泥的性能和粘挂窑皮的难易来确定。

  根据以上分析可知烧成带用耐火材料的粘挂窑皮性能是一个多种因素的综合反映，即除了耐火砖的性质外，还与水泥熟料成分、水泥窑的操作、工艺参数的稳定等诸多因素有关。但作为水泥窑关键部位的耐火材料其使用效果和窑皮的稳定性密切相关，应给予足够的重视。