水泥旋窑烧成系统设备内耐火砖在长期生产中要受到损坏，衬体垮塌和抽签掉砖现象时有发生，大窑作业率低，停窑检修频繁，加上随着产量的增加、窑速的加快、窑径的增大、窑内物流量的加大，上述现象的发生严重制约了生产的发展。就窑衬而言，它的组成是诸多个单元组合而形成，其损毁机理原因是多方面的，归纳起来有以下几个主要方面：
1、窑筒体椭圆度及局部变形对衬砖的压应力衬砖在窑内受窑体断面椭圆度引起的压应力，压应力随筒体椭圆度、衬砖厚度、砖的压缩弹性模量增加而增大，随窑径增大而减小。
在回转窑生产过程中，窑型的不同，产品各异，但料浆中多数含有一定浓度的氧化钠、氟化物和硫化物，在高温时，产生碱蒸气和其他化学侵蚀性气体。尤其是碱性气体对窑衬有较强的侵蚀性，当碱金属（钠盐）在砌体或浇注料中富集后，使衬体疏松、膨胀，强度明显下降以及耐火砖起皮剥落，加速了磨损和损毁。同时操作不当等因素造成筒体局部变形，使该部位的筒体椭圆度和筒体半径发生较大变化，使压力增加而损坏砖衬。此外，局部变形较大时，衬砖难以砌筑，若胶泥的粘结强度较低或高温粘结强度不够时，该部位衬体易垮砖、掉砖，易变形的部位主要有烧成带和过渡带等高温部位轮带下的筒体。
2、砖块是沿筒体呈辐射状均匀有序排列的，每个砖缝都向筒体中心形成一定的夹角，使之受力均匀，但当筒体热态停窑或筒体过热产生变形时，就破坏了窑衬的几何结构，影响了衬体的稳定性。与此同时，由于筒体变形传动齿轮啮合不好，运行时产生扭曲和震动，使窑衬受到机械性损害。如窑衬是干砌的，一旦发生抽签或掉砖则会引起连锁反应。
3、高温直墙衬体受热膨胀倒塌。在生产时，由于衬砖和金属外壳之间的温度差别较大，形成不相等的膨胀，相互之间很难结合在一起。同时衬砖的砖缝也因衬砖热膨胀出现松动而有缝隙。高温热气流透过缝隙接触金属外壳，因此接触到热气流的部分金属外壳则膨胀向外鼓出。同时，高温气流内的粉尘沉积在该空隙内，迫使衬体向内倾斜。在生产的过程中这一现象反复加剧，当衬墙倾斜到一定位置则出现倒塌。直墙倒塌与该部位的温度有关，温度愈高倒塌愈严重。该现象不仅出现在预热分解窑的窑尾预热器分解炉、三次风管沉尘室、窑门罩、篦冷机直墙上，也出现于立波尔窑加热机的热室直墙，余热锅炉的进料烟室以及湿法和其他窑型窑门和冷却机的直墙上。
4、设备设计对衬体砌筑考虑不周。单筒冷却机火砖与扬料板混合部位；湿法窑链条带。湿法窑链条挂脚设计不合理，砌衬困难，也易引起掉砖。
5、窑衬在局部检修时，新旧衬体交接而不规则出现掉砖，换砖时一般仅更换损坏严重的部位，但保留的砖已经磨损，新旧二种砖的交接面不一致，相互连接较为困难，该部位衬砖生产受热时，容易出现涨裂掉砖。若周边的衬砖粘结不强，易出现垮砖。此现象在国内一些仍采用错砌的老式回转窑上尤为突出。
6、耐火材料质量优劣，与选材和使用不当与窑衬使用周期长短有直接关系。但有些厂家却忽视了耐火材料的质量检查验收。一些气孔率高、抗压强度低、线变化率大，尤其是欠烧的高铝砖等，虽然Al2O3含量很高，但机械强度和耐磨性由于中温时会产生膨胀，高温时又出现重烧收缩，致使其机械强度和耐磨性能劣化。目前很多厂家使用传统的耐火泥或粘接强度欠佳的材料砌筑。虽然价格便宜，但早已不适应现代具有高温高产窑速快特点的悬浮预热和预分解窑（NSP窑），悬浮预热器窑（SP窑）及其他窑种的需要。由于耐火泥属于高温烧结性材料，在低于1300℃条件下是没有什么强度的，只不过是填充物，即使在1400℃时，因窑内壁与外壁的温度梯度关系，也不可能使整个窑衬厚度都被烧结，其强度不足砖的1/4。粘结强度只有零点几个MPa。因此，在高温条件下会粉化流失，使砖块松动抽签掉砖。磷酸泥浆是以磷酸作胶结剂，几乎不含生粘土，450℃以上产生较高强度，比耐火泥好得多，但往往因困料时间不足和其它原因，强度明显下降，加上流淌、粘腻影响了使用效果。更重要的无常温强度，给施工和冷态转窑带来不利影响。我们通过对数十家水泥厂和种窑形研究后，认为砌筑用的泥浆性能欠佳是造成抽签、掉砖、窑衬整体性差的主要原因。经过长时间的研究与工程实用试验和不断完善，我们研制了一种常温粘结强度高、高温性能好、抗腐蚀，适用于现代回转窑衬的科光871系列高温高强胶泥，并获国家发明专利以及由科技部、国家税务局、国家外贸部、国家技术监督局、国家环保总局于1999年联合颁发的“国家重点新产品”证书等诸多荣誉。
一、科光871系列高温胶泥的研制
对垮砖原因的分析表明，烧成设备衬体在生产过程中垮砖和掉砖的原因是多方面的。解决的途径也是多方面的。较为简便的解决方法是配制一种高中低温下均有较高强度的胶泥，不仅能将衬体牢固地胶结在金属筒体上，而且衬体之间也能牢固地胶接，与衬砖相接触的坑凹部位也能用此胶泥填补，使之保持整体，并在不同的温度下具有较强强度，使衬体在生产过程中保持牢固而不易掉砖和垮砖，此举势必减少热——机械对衬砖的作用力，提高衬砖的使用周期。
江西科光窑炉材料有限公司研制成“科光871”高温胶泥系列产品，该产品由耐火材料、稀土元素和多种化工原料混炼而成。以有机胶和无机胶组成的胶液，在低温时形成很高的粘接力和附着力。中温时借助易早期出现液相的化工原料，使烧结温度变宽，加上采用复合微（＜3微米）粉技术，使其结构致密，提高中温强度。高温时以化学结合与多种稀土元素与基料中的复合微粉在高温作用下，形成针状莫来石，以离子交换形式，以基料中的钾钠置换胶液中的氢离子，使扩散层增厚，加大电位，基料颗粒中负电荷增加，进而转变成：次陶瓷烧结，使材料的高温耐磨性、抗热震性、耐冲击性和抗剥落性均大幅度提高，上述泥浆具有如下特点：
1.该材料具有气硬性胶泥特性，早期强度高；2.具有化学粘附与陶瓷烧结双重粘结功能；3.热稳定性好，不受窑温高低、停窑降温次数、砖大小的影响，整体性强；4.施工性能好，不需困料，用机械搅拌3-5分钟后呈油膏状，细腻、滑润，有良好的延展性，施工时用手搓动后胶泥即可充满砖缝，不需榔头敲打，减少衬砖损坏。材料采用复合包装，无保持期限，可长期贮存，保证检修需求，缩短砌筑时间；5.材料具有较高强度，不仅能作胶泥，而且可以填补衬砖的长期使用后出现的破损凹沟等；6.使用面广，不仅用于水泥窑，也可用于冶金、化工等行业的窑；7.清理方便，在停窑检修时，对原来使用的高温胶泥清理方便，且不影响施工。
二、变形部位筒体的衬砖砌筑
变形部位筒体衬砖砌筑大致分二类，即径向砌筑和纵向砌筑。为使高温胶泥发挥更大作用，砌筑按下述图例为宜。若个别厂筒体变形超过图例，可根据现场情况处理，由于高温胶泥具有较强的粘性和较高强度，多数窑出现筒体变形后均能施工。
1.径向砌砖。（见图1）
2.纵向砌砖。（见图2）
三、原材料的选择
科光871系列高温胶泥对原料有较高的质量要求。铝矾土必须充分煅烧、吸水率低、体积密度稳定；结合剂应具有高分散性和可塑性，有助于烧结和晶格转变；原料应具有常温粘附力强，高温时有助于陶瓷化并具有良好的施工性能。根据上述要求，我们对可供选择的数十种原料经多次组合筛选和组方测试后确定：以山西阳泉回转窑优一级矾土熟料粉磨至0.5-0.075mm左右和＜3um的铝氧微粉及ZrO含量65%的锆英砂、兰晶石成基质；结合剂为改性结合粘土等组成，化学添加剂采用多组分无机与有机复合胶体。矾土熟料A l 2 O 3含量高， 而且约6 0 % 以上已转变成刚玉（α-Al2O3），并与具有活性的铝氧粉（作为微粉）、适量锆英砂匹配，组成的基质，可使其具有良好的高温性能和耐冲刷、抗热震、重烧线变化小、耐碱蒸汽侵蚀等性能。结合剂是以生粘土加入少量矿化剂和混合稀土混碾后制得的。改性后的结合剂与基础材料配合使用，能在较低的温度下出现液相，加剧固相反应，加强传质过程，降低气孔率提高抗热应力能力。并可使基质材料中Al2O3、SiO2生成莫来石（A3S2）。以兰晶石为膨胀剂，可在适当的粒度和纯度条件下，从500℃开始产生膨胀，到1400℃以上的最高膨胀值达16%-18%的永久性膨胀，用以弥补因胶泥中水分蒸发后产生的体积收缩，并与砌体同步。化学添加剂由分散剂、增塑剂等组成，便对提高物理性能和施工性能有非常重要的作用。
颗粒组成与胶泥性能的影响。
目前砌筑用材料一般都采用筒磨粉，粒度0.088mm，而颗粒分布大部分在0.075mm以上，颗粒组成不合理。实际上颗粒组成对调节高温强度、施工性能有非常重要意义。在结合剂、化学添加剂用量相同时，按不同颗粒组成作了分组对比试验。胶泥中＜0.075mm的细粉为55%的抗折强度大，当大于65%时不但强度有所下降，而且有裂纹，烘干收缩率变大，施工性能变差，这说明不是粉料越细越好，关键是要有较大的堆积密度。但耐火度和荷重软化温度无较大差异。结合剂和化学添加剂用量变化时，对上述性能有明显影响。胶泥的物理性能试验胶泥除具有较好的高温性能之外，粘结时间的长短是影响施工质量和施工性能的关键。在基质材料数量与粒度一定时，化学添加剂用量对粘结时间有直接影响。经实砌筑试验认为，粘结时间一般在100-120S最好，而且不粘腻，不流淌，有良好的延展性。耐火度和荷重软化温度是衡量胶泥性能的重要指标，为达到较高的耐火度和荷重软化温度，我们选用了纯度高、烧结完全的矾土熟料及锆英砂等，而且占基质总量95%以上，有效地提高了耐火度和荷重软化温度。粘结强度是胶泥研制中的重点指标。即要有足够的常温条件下的相对强度，又要达到中温和高温强度不下降的目的。
四、结论
1、科光871型胶泥利用化学与稀土元素在常温条件下可自行固化，中温可出现早期液相，产生高强度，高温时由于改性粘土与基质进行化合反应，形成大分子结构和环状四面体骨架，产生陶瓷烧结。从20℃常温到1400℃区间无强度低谷，可广泛用于各类回转窑、旋风筒、冷却机和三次风管内砌筑等其他工业窑炉。
2、由于胶泥具有化学粘附与陶瓷烧结双重粘结功能，其粘结强度优于国内外同类产品，能抵御因筒体变形、机械震动对窑衬的损害，从而达到延长使用寿命5-10倍的目的。
3、科光871型胶泥属气硬性胶泥，在常温20℃左右抗折强度即可达到4MPa/cm2以上，经110℃烘干后可达10MPa/cm2左右，而且随窑温的上升强度随之提高，有很好的热稳定性，它不受窑温高低、停窑降温次数多少的影响，也可用来挖补、灌缝等，也不受砖缝大小的限制均能保持窑衬的整体性。
4、在胶泥的基质材料中，熟料占95%以上，其中还含有一定比率的锆质材料，不会产生高温收缩开裂。而且有很好的化学稳定性，提高了对碱性气体和燃煤烟气等有害气体的侵蚀能力。
5、在提高作业率和窑衬使用寿命的同时，也相应地减少了耐火材料消耗，为提高熟料产量，降低水泥生产成本，增加经济效益创造了条件。
6、科光871型胶泥具有良好的施工性，用机械搅拌3-5min后呈油膏状、细腻、滑润有良好的延展性，不需榔头鼓打，用手搓动后胶泥即可充满砖缝，保护砖角防止砖角外露，使窑衬能均匀磨损。无保持期限，可长期贮存。
7、产品通过近二十年来的市场认证，科光871从日产1千吨至目前日产1万吨的各种窑型上使用均达到了理想的使用效果，并得到使用厂家的一致好评。
8、科光871型胶泥也有不足之处，在－5℃以下胶体会变稠，粘结时间延长，给施工带来难度。为此，尚需进一步研究一种“以水代胶”的新产品，使其更加完善。
作者：郭迅，胡国英，鲁维莎
来源：江西科光窑炉材料有限公司
