眾所周知，鎂鉻磚一直廣泛應(yīng)用于水泥回轉(zhuǎn)窯的燒成帶和過(guò)渡帶。這種磚具有如下優(yōu)點(diǎn)：①良好的掛窯皮性;②低的熱導(dǎo)率;③對(duì)水泥熟料具有良好的抗侵蝕性。
然而在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的氧化氣氛中，由于堿滲入鉻尖晶石中，三價(jià)鉻離子Cr3+被氧化成六價(jià)鉻離子Cr6+，其反應(yīng)為[1]:2[Cr(Ⅲ)2O3]+3O2+4R2O→4[R2Cr(Ⅵ)O4]。由于硫酸鹽的侵蝕，這些物質(zhì)進(jìn)一步生成了化合物 R4[(SO4)x(Cr(Ⅵ)O4)y]。這些具有水溶性的、能毒害人畜并能致癌的六價(jià)鉻鹽化合物通過(guò)水泥窯的廢氣和粉塵排放，特別是用后的廢磚在存放過(guò)程中受水淋而外滲，污染環(huán)境，尤其是污染水源。
隨著環(huán)保意識(shí)的提高，一些工業(yè)化國(guó)家(如德國(guó)、美國(guó)等)已通過(guò)立法來(lái)限制鎂鉻磚的使用。我國(guó)對(duì)此也有相應(yīng)的規(guī)定。在這樣的限制下，對(duì)于鎂鉻殘磚的安全處理費(fèi)用必然十分高昂。因此水泥生產(chǎn)廠家不得不放棄使用這種材料。這就意味著耐火材料生產(chǎn)廠家必須開(kāi)發(fā)出鎂鉻磚的替代品，以適應(yīng)這種水泥窯爐襯材料無(wú)鉻化的趨勢(shì)。
水泥窯用堿性磚的發(fā)展簡(jiǎn)況
最初的濕法回轉(zhuǎn)窯的燒成帶使用的是Al2O3含量為70%～85%的高鋁磚。由于硅酸鈣和氧化鋁反應(yīng)生成多種低熔點(diǎn)相，因此這種襯磚的使用壽命并不理想，代之而起的是高純鎂磚。但是鎂磚存在以下缺點(diǎn)：①抗熱震性差;②線性膨脹大;③楊氏模量高(缺乏柔韌性)。所以鎂磚使用效果也不理想。
20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的鎂鉻磚使得爐襯壽命有了大幅度的提高。由于其優(yōu)異的性能，理想的使用效果，使得鎂鉻磚在水泥回轉(zhuǎn)窯耐火材料中一直處于主導(dǎo)地位。另外，在水泥窯燒結(jié)帶常使用的材料就是白云石磚。因?yàn)榘自剖u不易與水泥組分發(fā)生反應(yīng)生成低熔物，因此它是一種極好的抗熔蝕材料。但是這種磚也存在如下缺點(diǎn)：①抗結(jié)構(gòu)剝落性差;②自身耐熱剝落性差;③固有的水化性。這些缺點(diǎn)使得白云石磚沒(méi)有得到大面積的推廣使用。過(guò)渡帶的情況也大致如此。
但是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的大型水泥回轉(zhuǎn)窯打破了鎂鉻磚在水泥窯堿性耐火材料中的主導(dǎo)地位，氧化鎂尖晶石磚代替了鎂鉻磚在過(guò)渡帶中的位置。于是燒成帶用鎂鉻磚，過(guò)渡帶用尖晶石磚的基本格局在20世紀(jì)70年代的大型預(yù)分解窯內(nèi)基本奠定。
堿性磚的開(kāi)發(fā)研制
面對(duì)20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的兩次石油價(jià)格沖擊，許多水泥生產(chǎn)廠家不得不開(kāi)始使用煤和其他燃料來(lái)代替燃油以節(jié)約成本。80年代，含熱能的工業(yè)下腳料和天然廢料在西方水泥窯內(nèi)得到了廣泛的利用。劣質(zhì)燃料的使用，使得窯內(nèi)氣體中的堿、硫、氯的含量顯著增高，并且窯內(nèi)氣氛也波動(dòng)不穩(wěn)。窯內(nèi)堿鹽在窯內(nèi)形成了堿循環(huán)。在堿循環(huán)過(guò)程中，這些堿鹽滲入磚內(nèi)，并發(fā)生反應(yīng)生成一些堿性礦物，如石榴石(K2O·Al2O3·4SiO2)和鉀長(zhǎng)石(K2O·Al2O3·6SiO2)等。在這些堿性礦物生成過(guò)程中伴隨有體積膨脹。窯磚被堿鹽侵蝕后，其熱膨脹系數(shù)常常達(dá)到原來(lái)磚的2倍。這種被侵蝕的磚，不僅體積膨脹，而且其變質(zhì)層和原質(zhì)層的膨脹系數(shù)不同，從而產(chǎn)生與工作面平行的裂紋，進(jìn)而產(chǎn)生剝落現(xiàn)象。所以代用燃料的使用，使得化學(xué)損毀和機(jī)械應(yīng)力及熱化學(xué)應(yīng)力成損毀為內(nèi)襯材料的主要損毀因素。
1.白云石磚系列
白云石磚往往用在回轉(zhuǎn)窯的高溫?zé)Y(jié)部位。白云石不易與水泥組分發(fā)生生成低熔物的反應(yīng);恰恰相反，由于白云石磚內(nèi)含有大量的游離CaO，而CaO易與熟料中的C2S反應(yīng)，在磚面上形成以C3S為特征的穩(wěn)定窯皮層，此窯皮層可起到保護(hù)磚的作用。但是如果窯處于間歇性的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) (開(kāi)停頻繁)，那么，由于白云石固有的水化性，使得其在停窯期間會(huì)吸潮水化，使磚體開(kāi)裂剝落，所以只有在運(yùn)行周期長(zhǎng)的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)才適宜選用白云石磚。白云石磚系列目前主要有常規(guī)白云石磚、增鋯白云石磚以及增鋯鎂白云石磚等,其組成及性能如表1[4]所示。
2.尖晶石磚系列
過(guò)渡帶與燒成帶相比，溫度較低，化學(xué)腐蝕較小，但窯皮形成和脫落較頻繁，且溫度波動(dòng)較大，從而引起磚體的結(jié)構(gòu)性損毀。代用燃料煤的使用破壞了燃燒氣體的氧化2還原平衡，從而使在此帶使用的鎂鉻磚中鉻礦所含有的氧化鐵發(fā)生如下反應(yīng)：MgO+MgO·Fe2O3→2(MgO·FeO)+O2/2，生成新物相，同時(shí)伴隨有體積膨脹，損壞磚體的組織結(jié)構(gòu)。這使得鎂鉻磚在該部位的使用壽命低于在燒結(jié)帶窯皮穩(wěn)定區(qū)域的使用壽命。而尖晶石磚不含氧化鐵，不易引起磚體結(jié)構(gòu)的破裂，在體積穩(wěn)定性和耐疲勞性方面均優(yōu)于鎂鉻磚，所以尖晶石磚自問(wèn)世以來(lái)在過(guò)渡帶的用量迅速增加。
尖晶石磚中的尖晶石相，既可在燒成過(guò)程中通過(guò)氧化鋁和燒結(jié)鎂砂的反應(yīng)獲得，也可以以預(yù)合成料的形式加入。尖晶石磚由于具有低的含鐵量、極佳的耐磨性及極低的堿滲透率，從而使得其在大型回轉(zhuǎn)窯的過(guò)渡帶耐材中一直占據(jù)主導(dǎo)地位。但是尖晶石磚也有其弱點(diǎn)：①較差的掛窯皮性;②較高的熱導(dǎo)率;③磚中的尖晶石組分在過(guò)熱條件下易與水泥熟料中的C3S或C3A反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的C12A7，導(dǎo)致窯皮燒流，造成尖晶石礦物的蝕損。以上不足限制了它在高溫帶的使用。