水泥回轉(zhuǎn)窯用C型系列耐火磚的開發(fā)應(yīng)用（上）

陳友德，張豪，徐金福，楊忠德，賈元平

行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是行業(yè)的頂層設(shè)計(jì)，助推了行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，促進(jìn)了世界互聯(lián)互通，引領(lǐng)著時(shí)代的進(jìn)步。

水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)耐火磚的磚形尺寸標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系到磚的制造、設(shè)計(jì)選型計(jì)算、砌筑質(zhì)量和進(jìn)度，生產(chǎn)運(yùn)行工況及窯運(yùn)轉(zhuǎn)率和產(chǎn)量，熟料及水泥產(chǎn)品質(zhì)量、倉儲(chǔ)數(shù)量和生產(chǎn)運(yùn)行成本等，是所有回轉(zhuǎn)窯耐火磚標(biāo)準(zhǔn)中涉及面最廣、最基礎(chǔ)、最為關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)水泥窯使用的耐火磚磚形尺寸及其有關(guān)制造精度開展研究工作，必將有利于水泥窯生產(chǎn)及其使用的耐火磚制造的技術(shù)進(jìn)展，是一項(xiàng)值得關(guān)注的基礎(chǔ)研究課題。

上世紀(jì)80年代前我國(guó)水泥工業(yè)長(zhǎng)期使用技術(shù)相對(duì)落后的一臺(tái)窯配一種規(guī)格的耐火磚的方式。80年代后期起，在行業(yè)有識(shí)之士的推動(dòng)下，窯內(nèi)使用的堿性磚開始試用VDZ B系列磚，粘土質(zhì)高鋁質(zhì)磚用ISO系列磚。至今，我國(guó)水泥耐火磚技術(shù)一直沿用國(guó)外的耐火磚標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)水泥預(yù)分解窯技術(shù)歷經(jīng)30 余年的發(fā)展，水泥產(chǎn)量約占世界水泥總產(chǎn)量的50%以上，耐火材料消耗量超過50%。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，人們認(rèn)識(shí)到VDZ B 和ISO系列磚具有優(yōu)點(diǎn)，但也有不足之處，通過實(shí)踐和理論分析，我們提出了具有自主創(chuàng)新的C型系列耐火磚。

1 水泥窯耐火磚標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程

以往，國(guó)外也是不同直徑的窯配不同尺寸和不同形狀的磚。從上世紀(jì)60 年代起，德國(guó)水泥工廠生產(chǎn)協(xié)會(huì)制定了用于堿性磚的VDZ B 系列標(biāo)準(zhǔn)磚和用于粘土質(zhì)的VDZ A系列標(biāo)準(zhǔn)磚，行業(yè)用磚標(biāo)準(zhǔn)得以統(tǒng)一。80 年代出現(xiàn)用于粘土質(zhì)的ISO型系列磚，在發(fā)展的過程中，A系列磚逐步被ISO磚取代。目前，國(guó)際上大多數(shù)國(guó)家采用VDZ B 和ISO系列磚，我國(guó)水泥窯全部使用VDZ B 和ISO系列磚。耐火磚是配置在水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的，從上世紀(jì)60 年代至今的半個(gè)多世紀(jì)里，耐火磚的磚型系列也隨水泥窯生產(chǎn)技術(shù)和規(guī)模的變化而發(fā)展，主要有：（1）用于燒成帶的堿性磚為適應(yīng)不同窯徑（如公制、英制窯）和窯徑增大的變化，VDZ B型磚從1966年的13 種增至1984 年的21 種，90 年代的28 種。（2）因窯內(nèi)耐火磚承受的熱化學(xué)應(yīng)力增大，出現(xiàn)了容重較大的特種高鋁質(zhì)襯磚，致使用于窯尾的粘土質(zhì)A 型磚單磚重量過大，逐步被容積小、砌筑牢固的ISO磚取代。

在水泥生產(chǎn)實(shí)踐過程中，上述兩種磚逐步顯示出制造、設(shè)計(jì)、砌筑方便，磚體牢固，有利于生產(chǎn)的優(yōu)越特點(diǎn)。該磚型系列科學(xué)合理，完整實(shí)用，配比合理，選用靈活方便且實(shí)用，滿足了標(biāo)準(zhǔn)制定年代的磚體砌筑和水泥生產(chǎn)的需求，歷經(jīng)半個(gè)多世紀(jì)仍能使用。但一些缺陷也暴露了出來，隨著預(yù)分解窯生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)量的增大，筒體直徑的增加，VDZ B 系列磚易掉磚紅窯；為抗堿硫侵蝕，耐火磚材質(zhì)容重增大，造成ISO系列磚的重量偏大，施工時(shí)工人易疲勞；此外，兩種磚型設(shè)計(jì)也有一些不足之處。結(jié)合我國(guó)水泥工業(yè)的實(shí)際情況，我們提出了既具有上述兩種系列磚優(yōu)點(diǎn)，又可補(bǔ)償其缺陷，既可用于堿性磚，還可用于特種高鋁質(zhì)、粘土質(zhì)的C型系列耐火磚。

C 型系列磚的開發(fā)過程如下：2004 年，我們?yōu)楹?jiǎn)化磚型，便于倉儲(chǔ)和施工，將4m窯徑以下規(guī)格的窯，采用兩種尺寸磚搭配，統(tǒng)一為兩種磚型，取得了預(yù)想的效果。2007 年擴(kuò)大至窯徑為4.8m，2010 年通過優(yōu)化，形成了C型系列磚。2014年擴(kuò)大為工業(yè)試驗(yàn)。此過程使用了約8 000t耐火磚，在30余條窯上運(yùn)行，取得了實(shí)踐效果。

在C型系列磚的開發(fā)過程中，我們理清了工業(yè)化國(guó)家水泥窯使用的VDZ A、VDZ B 及ISO型系列磚的發(fā)展和優(yōu)化歷程。分析不同磚的技術(shù)特點(diǎn)，不同窯徑內(nèi)系列磚高度、大小邊、錐角、磚的重量及磚型尺寸尾數(shù)的確定原則；對(duì)磚縫、熱膨脹應(yīng)力補(bǔ)償進(jìn)行分析，對(duì)鎖磚的應(yīng)用進(jìn)行探討；又對(duì)窯內(nèi)襯磚所承受的熱、熱化學(xué)、熱機(jī)械應(yīng)力對(duì)磚型及尺寸的影響進(jìn)行詳盡的理論分析，還對(duì)影響耐火磚制造、施工及應(yīng)用的因素進(jìn)行探討。在上述基礎(chǔ)上，2016 年9 月由耐火磚生產(chǎn)制造廠家、筑爐公司、水泥生產(chǎn)廠和水泥設(shè)計(jì)研究院有關(guān)人員，共同探討并確定C型系列耐火磚的尺寸。大家一致認(rèn)為，C型系列磚是在VDZ B、ISO型系列磚長(zhǎng)期使用的基礎(chǔ)上，優(yōu)化提高，結(jié)合實(shí)踐，通過創(chuàng)新得來的。其配比合理，滿足我國(guó)現(xiàn)有水泥預(yù)分解窯生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步帶來的砌筑需求，可進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐運(yùn)行。同時(shí)決定結(jié)合砌筑生產(chǎn)實(shí)踐，按C 型系列磚等中間尺寸78.5mm 的技術(shù)要求，分別制作不同尺寸、錐角的C型系列耐火磚，在5 000t/d 級(jí)及以下產(chǎn)量的多條預(yù)分解窯進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐，并對(duì)使用情況進(jìn)行跟蹤驗(yàn)證工作。

2 VDZ B、ISO型系列磚特點(diǎn)及C 型系列磚的創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 VDZ B、ISO型系列磚的特點(diǎn)

VDZ B 型系列磚的等中間平均尺寸為71.5mm。優(yōu)點(diǎn)是磚尺寸整數(shù)多、等容積、等重量，便于磚體設(shè)計(jì)、計(jì)算、磚型制造和施工。由于磚的容積小，磚體內(nèi)磚縫多，有利于消納和減緩磚體受熱膨脹產(chǎn)生的熱機(jī)械應(yīng)力，缺點(diǎn)是磚容積和部分磚的錐角小，磚體內(nèi)磚縫多，在直徑較大的窯上運(yùn)行中易掉磚紅窯。為防止掉磚紅窯事故，一些水泥公司在大直徑窯上使用的堿性磚，因無其他系列磚型取代，被迫用容積和錐角大的系列磚，但又帶來磚的重量偏重，砌筑時(shí)工人易疲勞而影響施工質(zhì)量的問題。此外，B 型系列磚大小邊尺寸與П 值無關(guān)，施工必須用鎖磚，影響施工速度。

表1 VDZ B、A型、ISO型、C型系列磚主要技術(shù)尺寸、單磚容積容量

表1 VDZ B、A型、ISO型、C型系列磚主要技術(shù)尺寸、單磚容積容量

注：C系列磚待尺寸最終確定后補(bǔ)上。

系列VDZ B VDZ A ISO π 3 C（П/4）大邊尺寸mm 78～74 114.5～103 103～91～87小邊尺寸mm 69～65 97～89 98.5～77～82～78平均尺寸mm 71.5～101.7 100.7～94.5 78.5容積dm3/塊2.27～3.54 3.13～5.04 2.93～4.39 2.50～3.90磚重，kg/塊容重3.0kg/dm3 6.81～10.62 9.39～15.12 8.79～13.13 7.50～11.70容重2.5kg/dm3 5.88～8.85 7.28～12.60 7.33～10.95 6.25～9.75容重2.0kg/dm3 4.54～7.08 6.26～10.08 5.86～9.78 5.00～7.80

表2 不同磚型錐角范圍及其數(shù)量

表3 回轉(zhuǎn)窯筒體內(nèi)徑和磚型高度

2.2 C型系列磚的創(chuàng)新點(diǎn)

C型系列磚等中間尺寸為（П/4）=78.5mm，與Π值關(guān)聯(lián)，施工時(shí)鎖磚用量少。中間尺寸較B型磚大約10%，砌筑的襯體環(huán)內(nèi)磚縫少約10%，且小錐角磚少，砌筑較牢固，運(yùn)行時(shí)掉磚紅窯也少些。每塊磚的容積和重量相等，且整數(shù)值多，便于設(shè)計(jì)計(jì)算、制造和施工。C型磚的創(chuàng)新點(diǎn)是：

（1）C 型磚的容積適當(dāng)增加，與VDZ B 型磚相比不易掉磚，還適用于近年來為降低筒體散熱以及預(yù)分解窯因入窯硫、堿含量原燃料增加帶來的循環(huán)，在窯的中部和尾部采用抗堿硫侵蝕、容重為2.4～2.8 的特種高鋁質(zhì)、碳化硅質(zhì)耐火磚；此外，在某些規(guī)格的回轉(zhuǎn)窯上還有利于使用不同材質(zhì)而采用同一規(guī)格型號(hào)的耐火磚。

（3）C型磚的大邊尺寸和錐角設(shè)計(jì)見圖1。C型磚沒有采用VDZ B、ISO系列磚大邊邊長(zhǎng)與其錐角大致成正比的規(guī)則，而是結(jié)合國(guó)內(nèi)砌筑實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，磚的大邊邊長(zhǎng)較B 型磚增加約10%，磚高為180mm的錐角保持VDZ B型4.13°不易掉磚的大錐角尺寸。大幅減少（2°～1°）小錐角磚的數(shù)量，適當(dāng)增大小錐角磚的度數(shù)值，相應(yīng)減少掉磚、紅窯事故。

圖1 C型磚大邊尺寸和錐角設(shè)計(jì)

表4 ?4.8m回轉(zhuǎn)窯磚型對(duì)比

C型系列磚等中間尺寸為78.5mm，較VDZ B系列71.5mm 增大7mm。而大錐角與B 系列相同，最小錐角為1.14°，較B 系列的1.03°略有增加。通過上述優(yōu)化，C 系列磚總數(shù)僅為16 種，（2°～1°）小錐角為4種，遠(yuǎn)低于VDZ B和ISO系列磚的種數(shù)。

（4）非堿性的C 系列磚在濕砌時(shí)，磚縫沒有采用VDZ B、ISO系列磚要求的2mm，而是采用國(guó)內(nèi)砌筑時(shí)大量應(yīng)用且生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)可行的1.0mm，這有利于磚體牢固。

（5）目前我國(guó)水泥預(yù)分解窯以2 500～5 000t/d產(chǎn)能為主，約占總數(shù)的75%以上，直徑主要為?（4～4.8）m。C 系列磚磚型設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了此規(guī)模窯用磚的合適配比，有利于施工和砌體牢固。

（6）C系列磚的單磚長(zhǎng)度和不同窯徑使用磚的高度均與VDZ B、ISO系列磚一致，施工規(guī)范也一致，可單獨(dú)使用，也可與VDZ B 和ISO型磚混砌，既可整體施工，也可紅窯掉磚修補(bǔ)。

（7）為減少理論砌筑和實(shí)際砌筑配比的差距，提高砌筑進(jìn)度，減少掉磚紅窯事故，C 系列耐火磚標(biāo)準(zhǔn)增加了10塊磚累計(jì)弧長(zhǎng)控制值。10塊磚累計(jì)弧長(zhǎng)客觀上反映了磚的制造精度，也就是磚的制造工藝裝備和模具的精度水平。

國(guó)際上技術(shù)先進(jìn)的耐火裝備生產(chǎn)的堿性磚控制值為2mm，我國(guó)少數(shù)企業(yè)可以達(dá)到。結(jié)合國(guó)內(nèi)情況，考慮到標(biāo)準(zhǔn)的可操作性，弧長(zhǎng)控制值為堿性磚3mm，硅莫磚6mm。隨著技術(shù)進(jìn)步，進(jìn)一步縮小控制值，勢(shì)必帶來生產(chǎn)工藝裝備的優(yōu)化提高，促進(jìn)耐火磚企業(yè)做大做強(qiáng)。

3 各種系列磚主要技術(shù)數(shù)據(jù)及配比

3.1 技術(shù)尺寸單磚容積、重量

技術(shù)尺寸單磚容積、重量見表1，不同磚型系列錐角、錐角范圍見表2。

3.2 VDZ B、ISO、C系列磚在窯內(nèi)的配比情況

4 種系列磚的大小邊差，C322：C422 分別為ISO10.5，VDZ B10.0，海螺11.0；而C122 磚型為ISO7.5，VDZ5.0，C 型6.0，當(dāng)磚高一致時(shí)，大小邊差反映出錐角大小，差值越大，則磚的錐角越大，砌筑越牢固。C 系列磚的大小差值均在ISO、VDZ B系列磚內(nèi)，差值均合適，實(shí)踐證實(shí)可行。

（未完待續(xù)）